ADHoc自组织网络的MAC接入协议

AdHoc网络的MAC接入协议•一.信道共享技术•二.Adhoc接入面临的主要问题•三.协议分类及单信道接入协议•四.双信道与多信道接入协议甘显豪孙吉刚欧泽良张向裕信道共享技术及协议●AdHoc网络的简介●AdHoc对MAC协议的影响●MAC简介及需解决的问题●信道共享技术简介与分类AdHoc网络无线AdHoc网络是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的网络,又被称作多跳网络(Multi-hopNetwork)或者自组织网络(SelforganizedNetwork)。AdHoc网络与传统的蜂窝网络相比：--没有中心控制器；--所有节点分布式运行；--共同承担网络构造和管理功能；它可以随时建立和拆除,具有很强的容错性和鲁棒性,广泛地用于军事行动、灾难救援和移动会议、传感器网络等场合。正是由于AdHoc网络的这些特点,使得AdHoc中协议的设计和实用面临着很大的挑战：（1）没有中心控制器,节点可以随时接入和离开,使得网络拓扑结构高度动态。（2）无线信道环境非常的恶劣,并且传输带宽也非常有限。由于传输功率等原因,还可能存在单向信道。（3）无线网络靠电池供电,能量有限。这些都对媒体访问控制(MAC)协议的设计和实现提出了更高的要求。AdHoc多跳共享网络在普通的通信系统中，信道共享方式有3种：点对点（广域网）、点对多点（局域网）和多点共享（以太网）。AdHoc属于多跳共享网络。AdHoc多跳共享性对MAC协议的影响共享的含义就是在一个公用的广播信道上实现所有用户的互连和通信。多跳共享广播信道带来的直接影响就是报文冲突与节点所处的地理位置相关。在一跳共享广播信道中，报文冲突是全局事件，所有节点要么都收到正确的报文，要么都会感知到报文冲突。但在AdHoc网络中，报文冲突只是局部事件，发送节点和接收节点感知到的信道状况的不一致性，会带来隐藏终端、暴露终端等一系列的问题。由于AdHoc网络特殊的信道共享方式，所以需要设计专用的MAC信道接入协议。什么是MAC协议？介质访问控制，也叫媒体访问控制协议。它定义了数据帧怎样在介质上进行传输（调度）。该协议位于OSI七层协议中数据链路层，数据链路层分为上层LLC（逻辑链路控制），和下层的MAC（介质访问控制），MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质。数据链路层物理层网络层媒体访问控制MAC逻辑链路控制LLCLogicalLinkControlMediaAccessControl向上层提供连接环境对下层提供媒体访问方法局域网的数据链路层模型MAC层需要解决的主要问题网络具有特殊的网络组织形式，具有动态性。因此，其信道接入协议面临许多新的问题，这些问题包括：●MAC相关的无线接收问题●不同的信道共享方式●暴露终端问题●隐藏终端问题●节点移动的影响AdHoc的MAC协议必须尽量消除这些因素的影响。信道共享技术按照多个用户与一个主机连接的方法来划分，主要有以下两大类方法：–通过集中器或复用器与主机相连–使用多点接入技术•受控接入–集中式控制:轮叫轮询;传递轮询–分散式控制:令牌环网，传递令牌，获得令牌才有权发送数据•随机接入–所有的站点可随时发送数据，争用信道，易冲突1.通过集中器(或复用器)1)频分复用（FDM）2)时分复用（TDM）3)码分复用（CDMA无线网)4)波分复用（WDM）5)统计时分复用（STDM）原理:集中器按顺序不断扫描个端口,或采用中断技术来接受用户信息或转发。应用：比较成熟信道共享方法（一）2.使用多点接入技术原理:通过一个专用信道将所有的用户连接起来.1）受控接入:集中式控制:轮叫轮询。主机按顺序逐个询问各站是否有数据要发送.分散式控制:令牌环网。在环路中有一个特殊的帧，叫“令牌”。令牌沿环路逐站传递。只有获得令牌的站才有权发送信息。2）随机接入：总线型。所有站点可随时发送数据，争用信道，易冲突。ALOHA,CSMA和CSMA/CD信道共享方法（二）信道共享技术分类信道共享TDMFDMSTDMATDM随机接入受控接入CATVCBXCSMACSMA/CD集中控制分散控制轮询令牌静态分配动态分配媒体的多路访问控制•共享式广播信道提出的问题–可能两个（或更多）站点同时请求占用信道•解决办法：信道分配–信道的静态分配–信道的动态分配多路访问信道multiaccesschannel信道的静态分配•将信道资源N等分–例如电话干线的频分复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）–适于用户数量少且数目固定、通信量大情况•问题–资源分配不合理，不能满足用户对资源占用的不同需求–有资源浪费，效率低静态多点接入技术-FDMA:为每个用户分配一个固定的频段（频分多址FrequencyDivisionMultipleAccess）-TDMA:为每个用户分配一个固定的时隙codecode静态分配信道的缺点：仅适用于站点较少、站点数目相对固定且每个站点通信量均较大的情形，不适于突发性数据。若采用静态分配方式，将信道分为N个独立的子信道，每个子信道的数据率为C/Nbps.信道的动态分配•通过多路访问协议（MultipleAccessProtocol）动态分配信道资源，提高信道利用率•基本概念–信道争用模型–帧的发送方式–信道的状态与检测信道争用模型•站点–连接到广播网络中的每一台独立的设备，能够产生待发送帧，具有占用信道的平等权利。•单一信道–所有站点都通过同一信道发送/接收帧，某一特定时刻只允许一个站点使用信道。站点1站点2站点3站点N…...•连续时间–帧允许在任意时刻t0发送。•时间片（时隙）–将时间用时钟分离为片段，帧只允许在每个片段的开始瞬间发送。帧的发送方式tt0tt0信道的状态与检测•信道的状态•状态检测方式–载波侦听（carriersense）–非载波侦听空闲传输两个站点同时争用信道发送帧，帧被破坏冲突轮巡竞争多路访问协议分类•随机访问协议–特点站点争用信道，可能出现站点之间的冲突•受控访问协议–特点站点被分配占用信道，无冲突随机访问(RandomAccess)•Aloha–站点可在任意时刻发送帧–检测到冲突，等待一个随机时间后重发•SlottedAloha–站点只在时间片到来的瞬间发送帧–信道利用率提高一倍•CSMA(IEEE802.3和Ethernet)–站点通过载波侦听信道的情况确定发送帧的策略典型随机访问协议典型受控访问协议受控访问（ControlledAccess）•DemandAdaptive：TokenPassing–Bus•IEEE802.4–Ring•IEEE802.5•IEEE802.7（FDDI）受控多点接入—轮询（一）一.轮叫轮询主机轮流查询各站点,问有无数据要发送.如图:NN-121主机收发...二.传递轮询1.问题提出轮叫轮询的缺点：轮询帧在多点线路上不停的循环往返，形成了相当大的开销，增加了帧的等待时延。2.传递轮询（1）原理：N12N-1主机收发受控多点接入—轮询（二）三、传递轮询与轮叫轮询的比较（1）帧延时总是小于同样条件下轮叫轮询（2）站间的距离越大，传递轮询的效果比轮叫轮询越好。（3）站间的距离小，且信息较大时，二者的好处不明显。应用：传递轮询的技术教复杂，代价较高。目前应用的轮询——轮叫轮询。受控多点接入—轮询（三）多点随机接入协议（针对一跳共享的网络）1、ALOHA方式ALOHA随机接入方式有两种，一种是纯ALOHA方式，一种是分时隙ALOHA方式。两者的区别在于是否将事件分割为离散的时隙空间，即纯ALOHA方式无需全局时间同步,而分时隙ALOHA方式则必须时间同步。两者都适用于任何无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统。纯ALOHA：纯ALOHA是一种用户一旦产生需要传输的数据就完全随机的发送到无线信道上去的方式.它既可以工作在无线信道方式，也可以工作在总线式网络中。纯ALOHA系统最大吞吐量为0.184分时隙ALOHA：以一个分组的传输时间为单位，把信道划分为时隙，用户按照这种时隙同步发送分组的。系统最大吞吐量为0.368，是纯ALOHA的2倍。冲突的结果是使冲突的双方（有时也可能是多方）所发送的数据都出现差错，因而都必须进行重发。但是发生冲突的各站不能马上进行重发，因为这样做就会继续冲突下去。ALOHA系统采用的重发策略是让各站等待一段随机的时间，然后再进行重发。随机接入技术：CSMA和CSMA/CD一.CSMA的几种类型1.什么是CSMA？CarrierSenseMultipleAccess就是载波监听(CS)多点接入(MA)。方法：采用了附加的硬件装置，每个站在发送数据前监听信道上其他站点是否在发送数据。2.CSMA的类型CSMA与ALOHA的主要区别:多了一个监听装置。载波侦听多路访问协议概述•载波侦听（CarrierSense）–每个站点在使用信道前，需检测信道是否已被其他站点占用•CSMA协议分类–非坚持CSMA–坚持CSMA–P坚持CSMA–CSMA/CD(CollisionDetection)非坚持CSMA侦听/发送策略•非坚持CSMA–站点发现信道忙则不再侦听，等待一个随机时间再开始侦听/发送过程坚持CSMA（1坚持CSMA）侦听/发送策略•1-坚持CSMA–发现信道空闲后发送数据（概率为1）–发现信道忙则持续等待，直至信道空闲P-坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率p发送数据，即以概率1-p延迟一段时间后再发送。P-坚持CSMA性能：轻载时，1坚持CSMA吞吐量最大；重载时，非坚持CSMA吞吐量最大。缺点：由于传播时延的存在，冲突不可避免CSMA随机接入过程流程图如图：1kmABS5tA这时发现冲突B这时发现冲突传输延时对载波的影响CSMA/CD对冲突的解决方法•方法1（坚持与非坚持CSMA）–继续完成已经发送的冲突帧的传送过程•方法2（CSMA/CD）–尽快终止已经破坏的冲突帧的发送过程CSMA/CD概念模型信道的三种状态：•传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用•竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，争用时间片•空闲周期：所有站点都不使用信道帧帧帧帧传输竞争传输竞争传输空闲传输时间争用时间片toCSMA/CD：带冲突检测的载波监听多点访问工作原理：边发送边监听。若监听到冲突，则冲突双方都立即停止发送。信道很快空闲，从而提高效率。1-坚持的CSMA/CD：监听到信道空闲就立即发送数据，并继续监听；若监听到冲突，则立即放弃发送。冲突检测方法：比较接收到的信号电压的大小检测曼彻斯特编码的过零点比较接收到的信号与刚发出的信号站点检测到冲突后，往往发送人为干扰信号，强化冲突，以通知其他站点。如图：CSMA/CD的工作流程