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在普通的通信系统中#xff0c;信道共享方式有3种#xff1a;点对点、点对多点和多点共享。
1.1 点对点
点对点是最简单的信道共享方式。其特点是只有两个节点共享无线信道。在单信道时#xff0c;两个节点可以通过半双工方式实现共享#xff0c;在双信…1. 信道共享方式
在普通的通信系统中信道共享方式有3种点对点、点对多点和多点共享。
1.1 点对点
点对点是最简单的信道共享方式。其特点是只有两个节点共享无线信道。在单信道时两个节点可以通过半双工方式实现共享在双信道时可实现全双工通信。
1.2 点对多点
点对多点一般用于有固定基础设施控制的无线信道例如蜂窝移动系统的无线信道。这时终端在中心站的控制下共享一个或多个无线信道。
1.3 多点共享
多点共享是指多个终端共享一个广播信道。以太网就是最典型的多点共享方式(仅指HUB的应用对交换机来说就不是了).在多点共享方式中一个终端发送信号所有的终端都可以听到即相当于一个全互连的网络.因此这种共享方式下的信道也称为一跳共享广播信道.
2. 多点共享使用的信道共享技术
多点共享使用的信道共享技术又可以分为三种即信道复用静态、随机接入动态和受控接入动态。
2.1 静态多点接入技术
信道复用 指多个用户通过复用器(multiplexer)和分用器(demultiplexer)来共享信道信道复用主要用于将多个低速信号组合为一个混合的高速信号后在高速信道上传输。其特点是需要附加设备并集中控制其接入方法是顺序扫描各个端口或使用中断技术。信道复用技术分为频分复用时分复用波分复用码分复用空分复用统计复用极化波复用。
TDMA:为每个用户分配一个固定的时隙;
FDMA:为每个用户分配一个固定的频段;
时分复用TDMTime Division Multiplexing
FDM/频分复用 当信道带宽大于各路信号的总带宽时可以将信道分割成若干个子信道每个子信道用来传输一路信号这就是频分多路复用Frequency Division Multiplexing, FDM)
这些静态的方法在用户数较少而固定且每个用户通信量较大的情况下是简单有效的接入方案。
但是当用户数目较多且通信量具有突发特征时就不适用。必须采用动态多点接入技术。
2.2 动态多点接入技术
动态多点接入技术可分为受控接入和随机接入两类。
2.2.1 随机接入
特点是所有的用户都可以根据自己的意愿随机地向信道上发送信息。当两个或两个以上的用户都在共享的信道上发送信息的时候就产生了冲突(collision)它导致用户的发送失败。
随机接入技术主要就是研究解决冲突的网络协议。随机接入实际上就是争用接入争用胜利者可以暂时占用共享信道来发送信息。
随机接入的特点是站点可随时发送数据争用信道易冲突但能够灵活适应站点数目及其通信量的变化。
典型的随机接入技术有ALOHA、CSMA、CSMA/CD。
数据链路层动态随机分配信道时对随机访问MAC协议ALOHACSMACSMA/CDCSMA/CA
ALOHACSMACSMA/CD的区别仅在于是否对信道进行监听和是否有碰撞检测
1、ALOHA不监听无碰撞检测
2、CSMA有监听无碰撞检测
3、CSMA/CD有监听有碰撞检测。
4、CSMA/CA有监听尽量避免冲突。
监听CS发送时先判断其他站点是否正在发送数据监听到有数据正在发送就不发了根据不同策略等待一段时间即CSMA的三种退避算法后再进行发送。但由于通道的传播延迟仍然可能出现发送端发送完毕数据帧正在传输中接收端未接受到的情况这种情况不会被监听到此时发送数据依然有可能发生碰撞。
碰撞检测CD在无碰撞检测的情况下发送方不知道信道上是否发生了碰撞。就算信道上发生了数据帧的碰撞被破坏掉的帧依旧会持续发送到接收方然后接受方提供反馈之后发送方才能发现产生了碰撞浪费了时间。有碰撞检测即发生碰撞就立刻从碰撞点返回消息发送方收到消息后立刻停止发送等待一段时间后再重传提高了信道利用率。碰撞检测需要对信道持续监听。
冲突避免CA发送包的同时不能检测到信道上有无冲突只能尽量“避免”。
2.2.1.1 CSMA vs. ALOHA
Aloha是一种简单的通信方案最初由夏威夷大学开发用于卫星通信。在Aloha方法中通信网络中的每个源在每次有帧要发送时发送数据。如果帧成功到达目的地则传输下一帧。如果目的地没有接收到帧则会再次发送该帧。
CSMACarrier Sense Multiple Access是一种媒体访问控制MAC协议其中节点只有在验证没有其他通信量之后才能在共享传输媒体上传输数据。
2.2.1.2 ALOHA协议
如前所述Aloha是一个简单的通信协议网络中的每个源只要有一个帧要发送就发送数据。如果帧传输成功则将发送下一帧。如果传输失败源将再次发送相同的帧。
半双工无线链路或两个无线广播系统都能很好地工作。但是当网络变得更复杂时例如具有多个源和目的地的以太网使用一个公共数据路径时就会出现由于数据帧冲突而导致的问题。当通信量增大时碰撞问题变得更严重。这会降低网络的效率因为帧碰撞会导致两个帧中的数据丢失。
时隙Aloha是对原始Aloha协议的改进其中引入了离散时隙来提高最大吞吐量同时减少冲突。这是通过只允许信源在时隙开始时传输来实现的。
ALOHA分为纯ALOHA协议和时隙ALOHA两种无监听直接发检测到碰撞后等待一段随机时间后再重传。
1. 纯ALOHA
工作原理站点只要产生帧就立即发送到信道上规定时间内若收到应答表示发送成功否则重发。
重发策略等待一段随机的时间然后重发如再次冲突则再等待一段随机的时间直到重发成功为止
优点简单易行
缺点极容易冲突
竞争系统多个用户以某种可能导致冲突的方式共享公用信道的系统
2. 时隙ALOHAS-ALOHA
基本思想把信道时间分成离散的时间槽槽长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。
可以避免冲撞到发送了一半的帧但依然有可能多个帧同时在在一个时间槽开始时进行发送然后再在信道中产生碰撞。比纯ALOHA的信道利用率提升一倍。
2.2.1.3 CSMA协议
CSMA协议是一种概率MAC协议其中节点在共享信道如电气总线上传输之前验证信道是否空闲。在发送之前发送器尝试检测通道中是否有来自另一个站的信号。如果检测到信号则发射器等待持续传输完成然后再开始传输。这是协议的“载波感知”部分。“多址”定义多个站点在信道上发送和接收信号并且由单个节点发送的信号通常由使用该信道的所有其他站点接收。载波感知多址碰撞检测CSMA/CD和载波感知多址避碰CSMA/CA是CSMA协议的两种改进。CSMA/CD通过在检测到碰撞时立即停止传输从而提高CSMA的性能CSMA/CA通过在信道被检测到繁忙时将传输延迟一个随机间隔来改善CSMA的性能。
载波监听多路访问CSMA的技术也称做先听后说LBT(Listen Before Talk。要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进行监听以确定是否有别的站点在传输数据。假如媒体空闲该站点便可传输数据否则该站点将避让一段时间后再做尝试。这就需要有一种退避算法来决定避让的时间常用的退避算法有非坚持、1坚持、P坚持三种。
1. 非坚持算法
算法规则为
⑴假如媒本是空闲的则可以立即发送。
⑵假如媒体是忙的则等待一个随机时间后再次监听进行发送。采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。
优点减少冲突
缺点是即使有几个站点都有数据要发送但有可能大家可能等待时延都比较长致使媒体仍可能处于空闲状态使用率降低。
2. 1-坚持算法
算法规则
⑴假如媒体空闲的则可以立即发送。
⑵假如媒体是忙的则继续监听直至检测到媒体是空闲立即发送。
优点是只要媒体空闲站点就立即可发送避免了白白浪费空闲时间减少媒体空闲时间
其缺点是假若有两个或两个以上的站点有数据要发送那么检测到媒体是空闲时候这些站点会同时发送数据一定会产生冲突。
3. P-坚持算法
算法规则
⑴监听总线假如媒体是空闲的则以P的直接发送而以1-P的概率延迟一个时间单位再次监听进行发送。一个时间单位通常等于最大传播时延的2倍。
P-坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的折中方案P取1时就是1-坚持P取0时就是非坚持。系统忙的时候可以选择P小一些闲的时候选择P大一些。
CSMA的三种算法是监听时的退避算法与碰撞时的不同发生碰撞时都是等待一段随机时间再重传个人理解。
2.2.1.4 载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD
由于CSMA在产生碰撞后会依然传送被破坏掉的帧这样会白白浪费信道容量一种改进方法是增加碰撞检测。
CSMA/CD比CSMA增加了碰撞检测在传输时间继续监听媒体一旦检测到冲突就立即停止发送并向总线上发一串短的阻塞报文(Jam通知总线上各站冲突己发生停止发送数据可以提高总线的利用率这就称作载波监听多路访问/冲突检测协议简写为CSMA/CD。
CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。对于基带总线而言最坏情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两个站之间传播时延的两倍即快要发送到终点时发生碰撞再折回花了两倍时间。
1 二进制指数回退算法
二进制指数回退算法是CSMA/CD检测到碰撞后需要重传时的回退算法独有的与前面不一样
是从离散的整数集合[0,1,2……(2k-1)]中随机的取出一个数r等待的时延为r倍的基本退避时间k为碰撞的次数最大取10基本退避时间为2倍的传播时延即争用期。
当冲突次数超过16次后发送失败认为网络过于拥挤无法发送丢弃传输的帧发送错误报告。
2 最小帧长
如果帧长过小信道上就可能存在多个数据帧当发生冲撞时收到返回时不知道究竟是哪个发生了冲撞所以规定了最小帧长。
最小帧长等于2倍的传播时延*传播速率
这样可以在发现碰撞时保证信道上只发出了一条数据。为什么取2倍的传播时延2t是因为如果发生碰撞碰撞反馈信息会最晚在2t时间内返回。收到反馈消息后最多只需要判断2t时间内发出的是哪一条帧进行重发就可以了。
换个说法现在正在发送一条帧还没从发送端发完时收到了一条碰撞反馈此时从前找2t个时间内只可能存在一个数据帧就知道是哪个帧出现了问题。假如帧长过短的话2t时间内可能存在好多帧就不知道是哪个出现问题了。
10MB/S以太网以51.2us为争用期一秒可发送512bit数据即64Byte所以一般选择64B作为最小帧长。
2.2.1.5 CSMA/CA 协议
CSMA/CD适用于小规模有线以太网在大规模无线局域网中由于碰撞过多并不适用由此可以采用避免碰撞的CA协议。
CSMA/CACarrier Sense Multiple Access with Collision Avoid即带有冲突避免的载波侦听多路访问是一种数据传输是避免各站点之间数据传输冲突的算法其特点是发送包的同时不能检测到信道上有无冲突只能尽量“避免”。
利用此协议时先向信道发送一个RTS帧承载地址、大概传输时间等信息接收方会相应一个CTS帧与发送方预约信道此时信道就只允许这两方之间进行数据传输避免了冲突。接收方收到数据后进行CRC循环冗余检验没有问题返回ACK确认帧有问题重传。
CA协议无法完全避免冲突只是预约好信道后不会产生冲突。因为发送RST帧时也有可能与其他的RST帧产生冲突不过控制消息要比数据短的多冲突后等待随机重发二次冲突的概率也小很多。
2.2.1.6 其他
随机控制访问协议优点是负载轻的时候效率高负载重的时候冲突开销大其他协议还有
同为动态分配信道协议的轮询访问协议优点是动态划分没有冲突缺点是有轮询开销或令牌开销、等待延迟、单点故障。
还有基于多路复用技术的静态信道划分协议有FDMTDMWDMCDM优点是没有冲突负载时都得到利用效率高缺点是负载低时无法利用全部带宽效率低。
贴个总结图(不准确)来源见水印
2.2.2 受控接入
特点是各个用户不能随意接入信道而必须服从一定的控制规则。
受控接入又可以分为集中式控制和分布式控制。
典型的有多点线路轮询和令牌传递。
轮询属于集中式控制控制节点按一定顺序逐一询问各用户节点是否有信息发送。如果有则被询问的用户节点就立即将信息发送给控制节点如没有则控制节点依次询问下一节点。
令牌环属于分布式控制在环路中通过特殊的令牌环帧沿着环路逐站传递只有获得令牌的节点才有权发送信息。当信息发送完毕就将令牌传递给下一站。
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