信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

1、2022-3-15Computer Network12 在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，任何兩臺計算機(jī)之間都要通信，但不可能任何兩臺計算機(jī)之間都用專用線路連接。 因此需要。本節(jié)介紹共用信道的技術(shù)、種類、特性。34技術(shù) ()： (; ) 用戶根據(jù)自己的意愿，隨機(jī)使用信道，總線局域網(wǎng)。用戶接入信道必須遵守一定的規(guī)則，如集中控制(輪詢)；分散控制(令牌環(huán))。 -成對使用復(fù)用(分用)器。520世紀(jì)70年代夏威夷大學(xué)建立的無線局域網(wǎng)。特點(diǎn)：共享信道用戶可隨意發(fā)送信息多個用戶同時發(fā)送會產(chǎn)生當(dāng)通信量較小時，系統(tǒng)效率低；但用戶數(shù)據(jù)沖突的可能性不大，但仍有沖突。當(dāng)系統(tǒng)通信量很大時，沖突激增，系統(tǒng)癱瘓。6每個站自由的發(fā)送數(shù)據(jù)幀，

2、若沖突，則等待一段隨機(jī)時間后，重發(fā)。站N-11站1站2站N成功發(fā)送32547沖突重傳沖突重傳成功發(fā)送成功發(fā)送6沖突再重傳沖突重傳幀到達(dá)幀到達(dá)T0 T07性能性能(設(shè)幀到達(dá)為波松分布設(shè)幀到達(dá)為波松分布)吞吐量S(0S1)：在幀的發(fā)送時間(T0)內(nèi)發(fā)送的平均幀數(shù)。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載G：在幀發(fā)送時間(T0)內(nèi)總共發(fā)送的平均幀數(shù)。顯然G=S,若不發(fā)生沖突，G=S,G可大于1。S G e-2G （G = 0.5時, Smax 0.184）v G0.5 為不穩(wěn)定區(qū)。v 為安全起見純ALOHA的吞吐量 S 不應(yīng)超過10。0.51.01.52.0GS0.100.200.1848原理：原理： 將時間劃分為一段段時隙(Ti

3、me Slot)，每個站只能在時隙開始時自由的發(fā)送數(shù)據(jù)幀，若沖突，則等待一段隨機(jī)時間后，重發(fā)。站站1 1站站2 2沖突重傳沖突重傳幀到達(dá)幀到達(dá)幀到達(dá)幀到達(dá)9 S Ge -G (G = 1時, Smax 0.368)時隙ALOHA不穩(wěn)定區(qū)0.1840.51.01.52.0G2.5S0.200.300.100.400.368純ALOHA時隙ALOHA10表：時隙ALOHA的最大吞吐量與站數(shù)的關(guān)系 結(jié)論：結(jié)論：在采用衛(wèi)星信道的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)種，由于傳播時延太大，輪詢方式不宜采用，否則傳輸效率太低，這時主要采用ALOHA系列協(xié)議。N12351020100Smax10.50.4440.4100.3870.3

4、770.3700.36811多站共用同一通信介質(zhì)：如總線局域網(wǎng)載波監(jiān)聽多路訪問載波監(jiān)聽多路訪問CSMA(Carrier Sense Multiple Access)采用附加硬件裝置，使每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)前監(jiān)聽信道上是否有其它站在發(fā)送數(shù)據(jù)：如果信道忙，則暫不發(fā)送。如果信道空閑，發(fā)送；同時啟動2定時器；ADBC121. 非堅持(nopersistent) CSMA 若信道空閑，發(fā)送；一旦監(jiān)聽到信道忙，就不再堅持聽下去，而是根據(jù)協(xié)議推遲一個隨機(jī)時間后重新再監(jiān)聽 。不能充分利用信道2. 1-堅持CSMA 若信道空閑，發(fā)送；若信道忙，仍堅持聽下去，一直聽到信道空閑為止；然后立即發(fā)送數(shù)據(jù)。容易沖突3. P

5、-堅持CSMA 若信道空閑，發(fā)送；監(jiān)聽到信道忙，仍堅持聽下去，一直聽到信道空閑為止；然后以概率P發(fā)送數(shù)據(jù)，而以概率(1P)延遲一段時間，重新監(jiān)聽信道。上述2者折衷，但P值不好選。13 早期ALOHA系統(tǒng)的無線電發(fā)射機(jī)工作在超高頻UHF頻段，因此網(wǎng)絡(luò)中的各站可以監(jiān)聽到其它站發(fā)出的載波。 但以后發(fā)展到總線局域網(wǎng)時，采用基帶傳輸，總線上根本不存在。這時檢測到的是其它站所發(fā)送的二進(jìn)制基帶信號，但習(xí)慣上仍稱為“”。 CSMA協(xié)議是在ALOHA協(xié)議的基礎(chǔ)上提出的。它與ALOHA的主要區(qū)別是多了一個載波監(jiān)聽裝置，實(shí)現(xiàn)發(fā)送前監(jiān)聽。 1415 CSMA隨機(jī)訪問S-G比較： a=0.01時S-G曲線。，端到端時延

6、與幀發(fā)送時間T0之比。/T0 16 CSMA隨機(jī)訪問D-S(平均時延吞吐率)比較：17n 帶的多路訪問協(xié)議 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detectionn 監(jiān)聽到信道空閑就發(fā)送數(shù)據(jù)，并繼續(xù)監(jiān)聽下去，(電磁波在電纜中以有限速率傳播)，如果聽到發(fā)生沖突，立即放棄此數(shù)據(jù)幀的傳送。同時發(fā)送(通常采用32 bit長的1和0交替的比特塊) ，使網(wǎng)上所有用戶知道發(fā)生了沖突。n 可分成時隙/非時隙，分成非堅持/p堅持/1堅持等。：電信號疊加幅度(考慮信號衰減)；曼徹斯特編碼過零點(diǎn)偏移。18CSMA/CD流程圖：19爭用期爭用期(碰撞窗口)假設(shè)信號

7、在兩個相距最遠(yuǎn)的站點(diǎn)間傳輸時間為 。最壞情況，時間后傳到對方，發(fā)生沖突，又需時間傳回來。即站點(diǎn)在2時間后都沒有聽到?jīng)_突，才可確信抓住了信道。AB 注注：電磁波在1Km的電纜中傳播時延約5us。20基帶傳輸基帶傳輸 沖突時間沖突時間 說明：說明： 若B剛發(fā)出幾個比特就發(fā)生沖突，B檢測到?jīng)_突立刻停止發(fā)送，由于沖突時間很短，沖突信號經(jīng)線路衰減，可能使A檢測不出沖突。為此站點(diǎn)B在停止發(fā)送報文后，隨即發(fā)送一個加強(qiáng)沖突信號(Jam)，以保證有關(guān)站點(diǎn)能可靠地檢測到?jīng)_突。21數(shù)據(jù)幀干擾信號 TJABTBt B 發(fā)送數(shù)據(jù)A 檢測到?jīng)_突開始沖突信道占用時間A 發(fā)送數(shù)據(jù) B也能夠檢測到?jīng)_突，并立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接

8、著發(fā)送干擾信號。為了簡單起見，只畫出 A 發(fā)送干擾信號的情況。22n以太網(wǎng)取 51.2 s 為爭用期長度。不僅考慮了以太網(wǎng)端到端時延，還包括可能存在轉(zhuǎn)發(fā)器所增加的時延，以及強(qiáng)化沖突的JAM信號的持續(xù)時間等因素。n對于 10 Mb/s 以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)。n以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突。 23n使用CSMA/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信(半雙工通信)。n每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。 n這種使整個以太網(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。 24解決沖突

9、幀重發(fā)所需的時延 1. 從離散整數(shù)集合0,1,. 中隨機(jī)選擇一個數(shù) r，k= Min重發(fā)次數(shù)，10 2. 重發(fā)所需要的時延t就是r倍的基本退避時延(2)， 3. 每當(dāng)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送一個報文,則又默認(rèn)為信道競爭程度降低了,節(jié)點(diǎn)將t重置為最小值， 4. 當(dāng)重發(fā)16次仍不成功時，丟棄該幀，向高層匯報。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：重發(fā)次數(shù)越多，時延越大。不公平，實(shí)時性不好，抖動大。該算法在無線自組網(wǎng)(Ad hoc)、IEEE802.11中也使用。 12 k25 CSMA隨機(jī)訪問S-G比較：a=0.0126 CSMA/CD的MAC被認(rèn)為是Xerox最初的研究工作以來最重要的進(jìn)展，它用及其簡單的算法，可以在多個設(shè)備之間進(jìn)

10、行信道使用仲裁，而不需要使用中央控制設(shè)備。高層協(xié)議和應(yīng)用程序完全不知道底層MAC的仲裁。它們對信道的本質(zhì)一無所知，而只關(guān)心以太網(wǎng)通過信道用幀交換的能力。 對以太網(wǎng)的設(shè)計者而言，CSMA/CD是LAN的精髓。 。不僅在以太網(wǎng)領(lǐng)域不斷發(fā)展，其簡單的算法成就了一批基于CSMA的新的應(yīng)用。如802.11(CSMA/CA)，Lonworks(p堅持CSMA)，CAN(帶優(yōu)先級CSMA)等等。27CSMA/CD與局域網(wǎng)性質(zhì)與局域網(wǎng)性質(zhì)() 普遍應(yīng)用的以太網(wǎng)采用CSMA/CD，要使CSMA/CD正常工作，要求以太網(wǎng)滿足網(wǎng)上幀長度64至1518字節(jié)。(決定)每種傳輸介質(zhì)組建的局域網(wǎng)有一定覆蓋范圍；如單細(xì)纜網(wǎng)段

11、185米(10BASE-2),單個粗纜網(wǎng)段500米(10BASE-5), 且網(wǎng)段個數(shù)有上限。網(wǎng)絡(luò)速率越高，要是CSMA/CD工作，傳輸介質(zhì)應(yīng)當(dāng)越短。100M網(wǎng)絡(luò)？如何解決？28 ALOHA及及CSMA都存在信道沖突問題都存在信道沖突問題，原因是由于各站點(diǎn)發(fā)送是的。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越大，沖突概率越大，沖突的存在導(dǎo)致報文重傳，因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載太大時吞吐率會下降，進(jìn)一步增大負(fù)載，網(wǎng)絡(luò)會失去穩(wěn)定性，造成死鎖。 為解決沖突，可采用受控采用受控，即各站點(diǎn)訪問通道按預(yù)先設(shè)計好的規(guī)則有控制地進(jìn)行。為了不發(fā)生沖突而又能獲得較高通道利用率，可對通道采用“按需分配”原則，輪訓(xùn)/令牌屬于這一類。 時分多路復(fù)用及頻分多路復(fù)用方式

12、時分多路復(fù)用及頻分多路復(fù)用方式, 即預(yù)先給每個站點(diǎn)分配所用的通道時間片或頻帶，就不會有信道沖突。但這兩種方式對突發(fā)性很高的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ览寐什桓摺?9集中式控制 輪詢(Polling)輪叫輪詢傳遞輪詢分散式控制令牌環(huán)網(wǎng)(Token Ring)30主機(jī)按順序從站1開始逐個詢問，直到站N；一輪完成再從站1重新開始新一輪。被詢問站若有數(shù)據(jù)發(fā)送即可發(fā)給主機(jī)；若無發(fā)一控制幀給主機(jī)，表示無數(shù)據(jù)可發(fā)；然后主機(jī)詢問下一站。1 2 N-1 N收發(fā)主機(jī)主機(jī)31主機(jī)向站N發(fā)出輪詢幀。站N在發(fā)送完數(shù)據(jù)或告訴主機(jī)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，將相鄰站N-1的地址附上。站N-1檢測到自己的地址，知道站N把發(fā)送權(quán)轉(zhuǎn)移到本站；以此類推，

13、直到站1。站1完成后將主機(jī)地址附上，把發(fā)送權(quán)交回主機(jī)。下一輪循環(huán)開始。1 2 N-1 N收發(fā)主機(jī)32 令牌方式是一種按一定順序在各站點(diǎn)間傳遞令牌(Token: 一組規(guī)定的數(shù)據(jù)幀)的介質(zhì)訪問控制方法。得到令牌的站點(diǎn)獲得在信道上發(fā)送的權(quán)利，如果該站點(diǎn)有報文待發(fā)，就將令牌置為“忙”，表示通道已被占用，然后發(fā)報，發(fā)完之后，就將令牌置為“空”，隨即將令牌傳遞給下一站點(diǎn)；如果該站點(diǎn)無報文發(fā)送，則隨即將剛收到的令牌轉(zhuǎn)發(fā)給下一站點(diǎn)。 令牌訪問原理既可用于環(huán)形網(wǎng)，又可用于總線網(wǎng)，當(dāng)用于總線環(huán)境時，就構(gòu)成令牌總線網(wǎng)(邏輯環(huán))。 Token Ring是IBM倡導(dǎo)的一種MAC技術(shù)。 33頻分復(fù)用FDM時分復(fù)用TDM統(tǒng)

14、計(異步)時分復(fù)用ATDM波分復(fù)用WDM碼分復(fù)用CDMA34FDM頻分復(fù)用的所有用戶在同樣時間占用不同的帶寬資源。頻帶2頻帶3頻帶4頻帶5頻帶6頻帶7頻帶8頻帶9頻帶10頻帶11頻帶12頻帶13頻帶1頻率 原來的帶寬原來的帶寬 帶寬被升頻帶寬被升頻多路復(fù)用后的通道35時分復(fù)用TDM的所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。T1、E1()、STM-1(155Mb/s)、STM-4(155Mb/s)等都是最常用的TDM系統(tǒng)。時間ACDABCDABCDBTDM幀TDM幀TDM幀36TDM同步時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用STDM (Synchronous TDM), 將時間片預(yù)先分配給各信道，時間片大

15、小固定不變。異步時分多路復(fù)用異步時分多路復(fù)用(統(tǒng)計時分復(fù)用)ATDM(Asynchronous TDM)使用ATDM幀傳送復(fù)用數(shù)據(jù)。允許動態(tài)分配時間片。每一ATDM幀的時隙數(shù)小于連接在集中器上的信道數(shù)。各信道有了數(shù)據(jù)就隨時發(fā)往集中器的輸入緩存，由集中器按順序掃描，將緩存數(shù)據(jù)放入STDM幀，沒有數(shù)據(jù)的緩存就跳過。當(dāng)一幀滿就發(fā)送。時間片序號和信道號之間無固定對應(yīng)關(guān)系，發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，也傳送發(fā)送、接收信道號。復(fù)用器復(fù)用器(multiplexer)和分用器分用器(demultiplexer),它們之間就是用戶共享的高速信道。37波分復(fù)用WDM，即光的頻分復(fù)用。多束不同頻率的光通過棱柱或光柵，合

16、成到一根共享的光纖上。波長間隔幾十nm。傳到目的地后再將它們分解開來。與電系統(tǒng)的FDM不同是光纖系統(tǒng)FDM使用的衍射光柵是無源的，因此極其可靠。遠(yuǎn)距離傳送，可采用摻洱光纖放大器EDFA(1550nm)。0123456782.5Gb/s1310nm復(fù)用器復(fù)用器1500nm1501nm1502nm1503nm 1504nm1505nm1506nm1507nm0123456782.5Gb/s1310nm分用器分用器1500nm1501nm1502nm1503nm 1504nm1505nm1506nm1507nmFA20Gb/s120km38(Code Division Multiplexing Ac

17、cess)基本思想是不同子信道采用不同碼型。劃分編碼空間。系統(tǒng)中每個站點(diǎn)的不同子信道指派一段專用的代碼空間。CDMA中，每被分成m個短的時間段，稱。通常m=64或m=128(系統(tǒng)中至多容納m個站)。每個站被指定一個唯一的m位的碼片序列(chip sequence)。所有碼片序列都是兩兩正交。發(fā)送1時，為碼片序列，發(fā)送0時，為碼片序列的反碼。若分配給某站的碼片序列為11010111，則該站要發(fā)送1時，就發(fā)11010111，而要發(fā)0時，發(fā)00101000。 39 ：A：00011011，B：00101110，C：01000010，若A站發(fā)1，B站發(fā)0，C站不發(fā)，則各站收到的碼片序列是什么？ A:

18、( -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)A: ( -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) B: ( -1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) B: ( -1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) C: ( -1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1) C: ( -1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1) A A發(fā)發(fā)1: 1: -1-1 -1 -1 -1-1 +1 +1 +1+1 -1 -1 +1+1 +1 +1 B B發(fā)發(fā)0: 0: +1+1 +1 +1 -1-1 +1 +1 -1-1 -1 -1 -1-1 +1 +1 C C不發(fā)不發(fā): : 芯片序

19、列芯片序列: : 0 0 0 0 -2-2 +2 +2 0 0 -2 -2 0 0 +2 +2 40向量S表示站S的碼片向量，T表示其它任何站的碼片向量，若兩者正交則內(nèi)集為正交則內(nèi)集為0(則則S與各站的碼片反碼的與各站的碼片反碼的向量內(nèi)積也是向量內(nèi)積也是0)：miiiTSmTS101miiiSSmSS111 碼片向量規(guī)格化內(nèi)積miiiSSmSS11)(1)( 碼片向量和碼片反碼向量的規(guī)格化內(nèi)積41假設(shè)站X接收到的碼片序列為R(各個站發(fā)送的碼片序列之和)，X站想知道S站(碼片序列為S)發(fā)送的信號是什么？根據(jù)，求RS的內(nèi)積(其它站的信號都被過濾掉)內(nèi)積為1，則S站發(fā)送比特1；內(nèi)積為1，則S站發(fā)送比特0；。42三