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2020年1月12日无线局域网媒体访问控制协议基础天河学院2020年1月12日课程要点4.1引言4.2MAC协议基础4.2.1广播信道及多址接入技术4.2.2多址接入信道模型4.2.3多址接入协议的主要性能指标4.3典型的时分多址接入MAC协议与性能4.3.1多址接入MAC协议的分类4.3.2ALOHA协议4.3.3CSMA协议4.3.4按需分配方式MAC协议天河学院2020年1月12日4.1引言传输媒体及其频带是局域网络特别是一大类广播信道局域网络所有站点共享的系统资源。局域网的络媒体访问控制（MAC）协议是在局域网内将传输媒体的频带有效地分配给网络各站点用户的方法。媒体访问的控制策略对整个局域网络的性能（吞吐量、帧延迟时间等）来说是至关重要的。本节课程概括介绍适合广播信道的局域网络媒体访问控制（MAC）协议。这些协议虽然有些并非为为无线局域网所设计，但原则上都可以用于作为无线局域网的媒体访问控制（MAC）协议。在介绍广播信道模型的基础上，分析了经典的ALOHA协议、CSMA协议的原理及性能，最后对适合无线局域网的CSMA∕CA等协议进行讨论。天河学院2020年1月12日4.2MAC协议基础4.2.1广播信道及多址接入技术一．广播信道概念及信道的容量所谓广播信道，简单说来是指系统中的所有站点都连接在该信道上，这些站点中的任何一个所发送出的信号，都可以被系统中与信道相连接的所有其它站点接收到。信道是有容量限制的，而信道容量则是信道资源大小的量度，表示信道能够可靠传输信息的速率能力。信道容量的大小由下面的香农公式给出：C=B·log2（1+S/N）式中，C为信道容量，单位为bit/s；B为信道频带宽度，单位为Hz；S/N是信道中的信号功率（S）与噪声功率（N）之比，称为信噪比。天河学院2020年1月12日4.2MAC协议基础4.2.1广播信道及多址接入技术二．信道的复用与多址接入技术原则上说来，同一局域网络系统中两个（或两个以上）站利用同一频带信道资源是不能在同一时间发送信息的。通常采用分割子信道的方法。分割子信道通常又称为复用技术。复用技术除了以前提到的频分多址（FDMA）和码分多址（CDMA）技术外，还有一种常用的时分多址（TDMA）技术。FDMA和CDMA技术在GSM蜂窝电话网或无线局域网中用来分割相邻不同小区的子信道，而在单小区无线局域网或有线局域网内，为了若干站共享同一媒体资源，常采用时分的方式，若干站交替在不同时间占用公共信道媒体来发送信号，这一技术称为时分多址接入技术。天河学院2020年1月12日4.2MAC协议基础4.2.2多址接入信道模型一．N用户广播信道SBRBSBRBSBRBMACMACMAC接收缓冲器接收缓冲器媒体访问控制站点1站点2……站点N图4.1N用户广播信道模型●N个用户直接“连接”在该信道上；●任一用户发送出的信息信号可被所有其它站接收到；●信道是半双工的，即同一时间仅当只有一个站发送信息时，其它站才可以正确接收。天河学院2020年1月12日4.2MAC协议基础4.2.2多址接入信道模型二．数据帧的生成规则网络中每个站有数据要发送时，在MAC层将数据装配成一个又一个的数据帧，并依顺序放入发送缓冲器。一个数据帧进入缓冲器就意味着一个帧的生成。设单位时间内平均到达帧数为λ，且满足：●λ不随时间变化；●某一帧的到达不影响后续帧的到达；●任意小的时间段Δt内的到达帧要么为1，要么为0。网络中（所有站）帧的到达服从泊松分布，即在时间（0，t）内“到达k个帧”这一事件的概率记为Pk（t）为：Pk（t）=[（λt）k/k！]e-λt（4-1）据此可得帧到达时间间隔的概率密度函数p（t）为：p（t）=λe-λt（4-2）天河学院2020年1月12日4.2MAC协议基础4.2.2多址接入信道模型三．信道为理想无噪信道我们假设系统是理想的且信道中是没有噪声和干扰的，这样当只有某一个站发送数据信息时，信号会无失真地到达各个站点，它的接收站一定能正确收到。在这种情况下，传输出错仅当若干站同时发送信息（发生碰撞）时才可能出现。四．传输碰撞的后果及处理传输碰撞是两个或两个以上的站同时向信道中送出数据帧是发生的。无论两个（或多个）数据帧在时间上全部重叠还是部分重叠，这些相碰的数据帧都会损坏。相互碰撞的帧损坏（或传输错误）之后，发送站要按照某种规则将被损坏帧进行重新发送。天河学院2020年1月12日4.2MAC协议基础4.2.3多址接入协议的主要性能指标吞吐量（S）、总业务量（G）、平均传输延迟（D）等。一.吞吐量S吞吐量是单位时间内在信道上成功传送的信息量，其单位是bit/s。若在每一秒时间内，成功传送的帧数为n，每帧长度为L比特，则吞吐量为nL（bit/s）。实用中为分析方便，吞吐量常用其理论上的最大值，也就是信道的传输速率R（单位是bit/s）来归一化，用符号S来表示，则S=nL/R=nT（T为每帧的传输时长），且0≤S≤1若系统中各站没有数据帧的传输要求（信道空闲，总业务量G=0）或传输的数据帧都发生碰撞，单位时间内成功传输的帧数n等于零，则S=0；若有足够的帧要求传输，这些数据帧一个接一个地发送到信道中，既没有发生碰撞，又没有空闲的帧间隙，则S=1。天河学院2020年1月12日4.2MAC协议基础4.2.3多址接入协议的主要性能指标系统的总业务量就是系统中所有站数据帧之传输要求的总和。定义为网络信道上所有站在单位时间内要求传送的帧（包括新生帧和出错重传帧）的信息量总和，其单位也是bit/s。总业务量也常用信道的信息传输速率R来归一化，用符号G表示。假设每一秒内系统要求传送的帧数为λ（λ为按泊松分布帧的到达率），则用R归一化的总业务量G为G=λL/R=λT尽管吞吐量S不可能大于1，但总业务量G作为系统的传输要求，是可能大于1的。当G大于1时，意味着系统内总的传输要求超过了信道的传输能力（信道的信息传输速率R）。吞吐量（S）、总业务量（G）、平均传输延迟（D）等。二.总业务量G天河学院2020年1月12日4.2MAC协议基础4.2.3多址接入协议的主要性能指标某一个数据帧从进入发送缓冲器到成功到达目的地的接收缓冲器所经过的时间称为该数据帧传输迟延（包括该数据帧在发送缓冲器中的等待时间、将数据帧按传输速率R一位一位送入信道的传输时间、与传输距离相关的信号传播时间、数据出错后重新传输的时间等）。平均传输迟延则是对所有数据帧的传输迟延求得的统计平均值。常用传输时间T来归一化，用符号D表示。吞吐量（S）、总业务量（G）、平均传输延迟（D）等。三.平均传输迟延D只有当数据帧在发送缓冲器中的等待时间为零、数据帧一次发送成功（没有发生碰撞和误码）且忽略掉信号在媒体中的传播时间的情况下，D=1。如果系统的总业务量G增大，则数据帧在发送缓冲器中的等待时间就会增长；总业务量G的增大也会使系统内总的发送企图（试图发送的数据帧）上升，会大大增加数据帧在信道中的碰撞机率，使数据帧出错后重新传输的时间增长。天河学院2020年1月12日4.2.3多址接入协议的主要性能指标四.吞吐量特性（吞吐量S与总业务量G的关系）当总业务量大于等于信道传输速率R（G大于或等于1）时，如果不发生碰撞且数据帧间间隔为零（理想情况），信道的利用率达到100%，此时吞吐量达最大值，S=1。吞吐量（S）理想特性实际特性01总业务量（G）1图4.2吞吐量－总业务量（S－G）特性实际情况下，G较小时，S可随着G的增大而增大；当G大到一定程度，不可避免的碰撞将使S减小；如果此时不加以控制，大量新帧和重传帧的出现，会使得G进一步剧增，系统陷于瘫痪，即S=0，D趋于无穷大。当总业务量小于信道传输速率R（G小于1）时，由于不发生碰撞或碰撞较少，此时S大约等于G。理想情况下（不发生碰撞），S=G。天河学院2020年1月12日4.2.3多址接入协议的主要性能指标五.延迟特性（平均传输延迟D与吞吐量S的关系）如果新的业务量不断增加，在加上数据帧碰撞大量出现，将会使总业务量G剧增。如控制不当，不仅会导致S锐减，还会导致平均传输迟延D急剧上升。图4.3平均传输延迟－吞吐量（D－S）特性随着吞吐量S的增大，发送等待时间上升，数据帧在信道中的碰撞使得重传帧增加，重传时间增大，导致平均传输迟延增大。正常情况下，总业务量G较小，吞吐量S也较小时，发送等待时间小，数据帧在信道中的碰撞也很少，此时的平均传输迟延D也小；平均传输延迟（D）延迟特性01吞吐量（S）1天河学院2020年1月12日4.3典型的时分多址接入MAC协议与性能4.3.1多址接入MAC协议的分类时分多址接入协议同步时分多址接入协议异步时分多址接入协议随机竞争方式……固定分配方式按需分配方式……TDMAALOHACSMAPollingTokenBit-Map图4.4时间分割多址接入MAC协议的划分随机竞争方式MAC协议使用广播信道，连接在广播信道上的任一站点在需要发送信息时，要以某种方式竞争信道的使用权，一旦得到使用权便将信息（数据帧）发送出去。所有站点都能收到这一信息，如果某站发现该信息是发给自己的，便存贮并处理，否则丢弃。这种随机竞争方式的典型协议有ALOHA协议、CSMA协议等。按需分配方式MAC协议中，网络各站以轮询或预约的方式获得信道使用权。例如在轮询方式中，网络按某种循环顺序询问各站是否有信息发送，被询问站如有待发信息，则立即发送出去，否则（通知）网络转向询问下一个站点。轮询方式控制有集中控制（该中心站对各站依次点名称为轮询，如Polling协议）和分布控制（各站依一定规则传递信道使用权，又称为令牌方式，如tokenpassingbus协议）两种。天河学院2020年1月12日4.3典型的时分多址接入MAC协议与性能4.3.2ALOHA协议一.纯ALOHA原理纯ALOHA是指在时间上不划分时间片的ALOHA协议。其原理如下：当网络中任一站有数据帧要求发送时，不管信道忙与闲，立即发送出去。当检测到所发送的数据帧与其它站发出的数据帧发生碰撞时，则独立延迟一段时间（退避时间）再重新发送出去。如再次发生碰撞，重复以上过程，直至发送成功。碰撞窗口TT图4.5纯ALOHA协议的碰撞窗口为2T数据帧生成后不用等待就立即发出去，故纯ALOHA协议的发送等待时间小，在网络业务量小时有利于提高系统的吞吐量。然而由于发送前不检测信道忙闲，在网络业务量大时，数据帧碰撞概率较大。不加控制时反而会导致系统的吞吐量的迅速减小与延迟的急剧增加。天河学院2020年1月12日4.3典型的时分多址接入MAC协议与性能4.3.2ALOHA协议二.分时隙ALOHA原理在分时隙ALOHA中，将信道传输时间按一帧时长T划分成时间片(Slot)，某站的待发送帧不论产生于何一时刻，但发送起止时间在一个时间片内进行。如此可能产生的碰撞都应该是完全重叠式的碰撞，从而将碰撞窗口减小为T。图4.5纯ALOHA协议的碰撞窗口为2TB1A1B2A2B3A1B1B2A2B3碰撞帧站A帧的生成站B帧的生成分时隙信道中帧的传输TTTTTTT天河学院2020年1月12日4.3典型的时分多址接入MAC协议与性能4.3.2ALOHA协议三.纯ALOHA与分时隙ALOHA协议的性能1.吞吐量性能一个数据帧发送成功的概率是在一定时段（碰撞窗口）内没有其它数据帧生成的概率P0。而吞吐量则是总业务量与发送成功率之积，即S=GP0分时隙ALOHAS=Ge-G纯ALOHAS=Ge-2G吞吐量（S）00.51.01.52.0总业务量（G）0.10.20.30.40.1840.368图4.7纯ALOHA与分时隙ALOHA的吞吐量S与总业务量G的关系天河学院2020年1月12日4.3典型的时分多址接入MAC协议与性能4.3.2ALOHA协议三.纯ALOHA与分时隙ALOHA协议的性能2.延迟性能纯ALOHA分时隙ALOHA00.10.20.30.4吞吐量（S）平均延迟（D）125102050100图4.8纯ALOHA与分时隙ALOHA的传输延迟D与吞吐量S的关系示意图天河学院2020年1月12日4.3典型的