多路访问控制(MAC)协议

1 多路访问控制(MAC)协议

1.1 两类“链路”

• 点对点链路
  
  • 拨号接入的PPP
  • 以太网交换机与主机间的点对点链路

• 广播链路 (共享介质)

  • 早期的总线以太网
  • HFC的上行链路
  • 802.11无线局域网

  

• 单一共享广播信道

  • 两个或者两个以上结点同时传输：干扰(interference)
  • 冲突(collision)：结点同时接收到两个或者多个信号→接收失败！

多路访问控制协议(multiple access control protocol)

• 采用分布式算法决定结点如何共享信道，即决策结点何时可以传输数据
• 必须基于信道本身，通信信道共享协调信息！
• 无带外信道用于协调

1.2 理想MAC协议

给定： 速率为R bps的广播信道

期望：

1. 当只有一个结点希望传输数据时，它可以以速率 R发送.
2. 当有M个结点期望发送数据时，每个节点平均发送数据的平均速率是R/M
3. 完全分散控制:
   • 无需特定结点协调
   • 无需时钟、时隙同步
4. 简单

1.3 MAC协议分类

三大类：

• 信道划分(channel partitioning)MAC协议
  
  • 多路复用技术
  • TDMA、 FDMA、 CDMA、 WDMA等
• 随机访问(random access)MAC协议
  
  • 信道不划分，允许冲突
  • 采用冲突“恢复”机制
• 轮转(“taking turns” )MAC协议
  
  • 结点轮流使用信道

2 信道划分MAC协议

2.1 信道划分MAC协议： TDMA

• TDMA: time division multiple access

  • “周期性”接入信道
  • 每个站点在每个周期，占用固定长度的时隙(e.g.长度=分组传输时间)
  • 未用时隙空闲(idle)
  • 例如： 6-站点LAN， 1,3,4传输分组， 2,5,6空闲

  

2.2 信道划分MAC协议： FDMA

• FDMA: frequency division multiple access

  • 信道频谱划分为若干频带(frequency bands)
  • 每个站点分配一个固定的频带
  • 无传输频带空闲
  • 例如: 6站点LAN, 1,3,4频带传输数据, 2,5,6频带空闲。

  

3 随机访问MAC协议

• 当结点要发送分组时：
  
  • 利用信道全部数据速率R发送分组
  • 没有事先的结点间协调
• 两个或多个结点同时传输： ➜ “冲突”
• 随机访问MAC协议需要定义:
  
  • 如何检测冲突
  • 如何从冲突中恢复 (e.g., 通过延迟重传)
• 典型的随机访问MAC协议：
  
  • 时隙(sloted)ALOHA
  • ALOHA
  • CSMA、 CSMA/CD、 CSMA/CA

3.1 时隙ALOHA协议

假定：

• 所有帧大小相同
• 时间被划分为等长的时隙(每个时隙可以传输1个帧)
• 结点只能在时隙开始时刻发送帧
• 结点间时钟同步
• 如果2个或2个以上结点在同一时隙发送帧，结点即检测到冲突

运行:

• 当结点有新的帧时，在下一个时隙(slot)发送
  
  • 如果无冲突：该结点可以在下一个时隙继续发送新的帧
  • 如果冲突：该结点在下一个时隙以概率p重传该帧，直至成功

• 优点:
  
  • 单个结点活动时，可以连续以信道全部速率传输数据
  • 高度分散化：只需同步时隙
  • 简单
• 缺点:
  
  • 冲突，浪费时隙
  • 空闲时隙
  • 结点也许能以远小于分组传输时间检测到冲突
  • 时钟同步

效率(efficiency): 长期运行时，成功发送帧的时隙所占比例 (很多结点，有很多帧待发送)。

• 假设: N个结点有很多帧待传输，每个结点在每个时隙均以概率p发送数据
• 对于给定的一个结点，在一个时隙将帧发送成功的概率= p(1-p)N-1
• 对于任意结点成功发送帧的概率= Np(1-p)N-1
• 最大效率: 求得使Np(1-p)N-1最大的p*
• 对于很多结点，求Np*(1-p*)N-1当N趋近无穷时的极限，可得:
  
  • 最大效率= 1/e = 0.37

最好情况: 信道被成功利用的时间仅占37%！

3.2 ALOHA协议

• 非时隙(纯)Aloha：更加简单，无需同步
• 当有新的帧生成时
  
  • 立即发送
• 冲突可能性增大:
  
  • 在t0时刻发送帧，会与在[t0-1, t0+1]期间其他结点发送的帧冲突

3.3 CSMA协议

载波监听多路访问协议CSMA (carrier sense multiple access)

发送帧之前，监听信道(载波)：

• 信道空闲：发送完整帧
• 信道忙：推迟发送
  
  • 1-坚持CSMA
  • 非坚持CSMA
  • P-坚持CSMA
• 冲突可能仍然发生：
  
  • 信号传播延迟
• 继续发送冲突帧：浪费信道资源

3.4 CSMA/CD协议

CSMA/CD: CSMA with Collision Detection

• 短时间内可以检测到冲突
• 冲突后传输中止，减少信道浪费
• 冲突检测:
  
  • 有线局域网易于实现：测量信号强度，比较发射信号与接收信号
  • 无线局域网很难实现：接收信号强度淹没在本地发射信号强度下

“边发边听，不发不听”

例题

在一个采用CSMA/CD协议的网络中， 传输介质是一根完整的电缆， 传输速率为1 Gbps， 电缆中的信号传播速度是200 000 km/s。 若最小数据帧长度减少800比特， 则最远的两个站点之间的距离至少需要：
A.增加160 m B.增加80 m
C.减少160 m D.减少80 m

CSMA/CD效率

4 轮转访问MAC协议

• 信道划分MAC协议：
  
  • 网络负载重时，共享信道效率高，且公平
  • 网络负载轻时，共享信道效率低！
• 随机访问MAC协议：
  
  • 网络负载轻时，共享信道效率高，单个结点可以利用信道的全部带宽
  • 网络负载重时，产生冲突开销
• 轮转访问MAC协议：
  
  • 综合两者的优点！

4.1 轮询(polling)

• 主结点轮流“邀请”从属结点发送数据
• 典型应用：
  
  • “哑(dumb)” 从属设备
• 问题：
  
  • 轮询开销
  • 等待延迟
  • 单点故障

4.2 令牌传递(token passing)

• 控制令牌依次从一个结点传递到下一个结点.
• 令牌：特殊帧
• 问题:
  
  • 令牌开销
  • 等待延迟
  • 单点故障

5 MAC协议总结

• 信道划分MAC协议：时间、频带、码片划分
  
  • TDMA、 FDMA、 CDMA
• 随机访问MAC协议：
  
  • ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD
  • CSMA/CD应用于以太网
  • CSMA/CA应用802.11无线局域网
• 轮转访问MAC协议：
  
  • 主结点轮询；令牌传递
  • 蓝牙、 FDDI、令牌环网