MAC(多路访问控制)协议-Toy模板网

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前言

MAC(多路访问控制)协议

提示：以下是本篇文章正文内容

一、MAC协议

在数据链路层中，存在两种链路点对点链路和广播式链路

点对点链路：相邻两结点之间通过一个链路相连，没有第三者
应用：PPP协议，常用于广域网

广播式链路：所有主机共享通信介质
应用：早期的总线以太网，HFC的上行链路，802.11无线局域网

MAC(多路访问控制)协议
在一个单一共享广播信道，两个或者两个以上结点同时传输会产生干扰(interference)，发生冲突(collision)，若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

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

二、MAC协议分类

MAC协议主要分为三类信道划分(channel partitioning)MAC协议，随机访问(random access)MAC协议，随机访问(random access)MAC协议

MAC(多路访问控制)协议

1.信道划分MAC协议

信道划分的实质就是通过分时、分频、分码方法把原来的一条广播信道，逻辑上分为几条用于两个结点之间通信的互不干扰的子信道，实际上就是把广播信道转变为点对点信道

(1)时分多路复用 TDMA: time division multiple access
一种数字或者模拟（较罕见）的多路复用技术，实现两个以上的信号或数据流可以同时在一条通信线路上传输，其表现为同一通信信道的子信道，但在物理上来看，信号还是轮流占用物理信道的

周期性地接入信道，每个站点在每个周期，占用固定长度的时隙(长度=
分组传输时间)，会有未用时隙空闲(idle)产生

MAC(多路访问控制)协议
6-站点LAN， 1,3,4传输分组， 2,5,6空闲
显然，若数据少的时候，信道的利用率不高，只有在数据多的情况下，数据的利用率比较高

(2)频分多路复用 FDMA frequency division multiple access
频分多路复用是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术，用户在分配到一定的频带后，在通信的过程中始终占用这个频带

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，充分利用信道的带宽
MAC(多路访问控制)协议
6站点LAN, 1,3,4频带传输数据, 2,5,6频带空闲

2.随机访问MAC协议

在随机访问协议中，不采用集中控制方式解决发送信息的次序问题，所有用户能根据自己的意愿随机地发送信息，占用信道全部速率

随机访问MAC协议需要定义:
(1)如何检测冲突
(2)如何从冲突中恢复 (通过延迟重传)

典型的随机访问MAC协议：

1.时隙(sloted)ALOHA
2.ALOHA
3.CSMA、 CSMA/CD、 CSMA/CA

(1)时隙ALOHA协议
思想：把时间划分成若干相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络通道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻传送

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

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

MAC(多路访问控制)协议
开始时1，2，3冲突，传输顺序：2->1->3

优点:

(1)单个结点活动时，可以连续以信道全部速率传输数据
(2)高度分散化：只需同步时隙
(3)简单

缺点：

(1)冲突，浪费时隙
(2)空闲时隙
(3)结点也许能以远小于分组传输时间检测到冲突
(4)时钟同步

效率(efficiency): 长期运行时，成功发送帧的时隙所占比例

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

在最好的情况下，信道被成功利用的时间仅占37%

(2)ALOHA协议
思想：不监听信道，不按时间槽发送，随机发送，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
MAC(多路访问控制)协议
P(给定结点成功发送帧)
= P(该结点发送) .P(无其他结点在[t0-1, t0]期间发送帧) .P(无其他结点在[t0, t0+1]期间发送帧)
= p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1
= p . (1-p)2(N-1)
选取最优的p，并令n->无穷大
= 1/(2e) = 0.18

所以比时隙ALOHA协议更差

(3)CSMA协议
Carrier Sense Multiple Access (CSMA)，是一种允许多个设备在同一信道发送信号的协议，其中的设备监听其它设备是否忙碌，只有在线路空闲时才发送

思想：发送帧之前，监听信道

监听结果
1.信道空闲：发送完整帧

2.信道忙：推迟发送
(1)1-坚持CSMA
如果一个主机想要发送信息，那必须要监听信道，若信道不忙，则发送数据；若信道忙，则一直监听，知道信道空闲就马上传输

(2)非坚持CSMA
如果一个主机想要发送信息，那必须要监听信道，若信道不忙，则发送数据；若信道忙，则一直监听，知道信道空闲就马上传输

(3)P-坚持CSMA
如果一个主机想要发送信息，那必须要监听信道，若信道不忙，则以P的概率发送数据；若信道忙，等待一个随机的时间后再次监听

比较
MAC(多路访问控制)协议
冲突可能仍然发生：信号传播延迟
若继续发送冲突帧：浪费信道资源

(4)CSMA/CD(CSMA/CD协议)协议
短时间内可以检测到冲突, 冲突后传输中止，减少信道浪费==(边发送边监听）==

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
MAC(多路访问控制)协议

假设：网络带宽： R bps，数据帧最小长度： Lmin (bits)，信号传播速度： V (m/s)
MAC(多路访问控制)协议
若想检测的冲突，并停止发送，需满足L / R ≥ 2dmax / V
即：

示例：

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

分析：

根据CSMA/CD协议工作原理， 有
Lmin/R=2*dmax/V,则dmax=(V/2R)*Lmin
根据CSMA/CD协议工作原理， 有
Lmin/R=2*dmax/V,则dmax=(V/2R)*Lmin
将V=200 000 km/s, R=1 Gbps, ΔLmin =-800bit,代入得：
Δdmax =(200000*103/(2*109))*(-800)=-80 m

CSMA/CD效率
假设，Tprop = LAN中2个结点间的最大传播延迟，ttrans = 最长帧传输延迟
则效率为：
MAC(多路访问控制)协议
tprop 趋近于0或者ttrans 趋近于∞时，效率趋近于1

3.轮转访问MAC协议

信道划分MAC协议：
(1) 网络负载重时，共享信道效率高，且公平
(2)网络负载轻时，共享信道效率低

随机访问MAC协议：
(1)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
(2)网络负载重时，产生冲突开销

轮转访问MAC协议：
既要不产生冲突，又要发送时占全部带宽(综合两者的优点）

轮询访问控制的特点：在轮询访问中，用户不能随机地发送信息，而要通过一个集中控制的监控站，以循环方式轮询每个结点，再决定信道的分配。当某结点使用信道时，其他结点都不能使用信道，主要分为轮询协议与令牌传递协议

(1)轮询(polling)协议
轮询协议要求节点中有一个被指定为主节点，其余节点是从属节点，主节点以循环的方式轮询每一个从属节点，“邀请”从属节点发送数据（实际上是向从属节点发送一个报文，告诉从属节点可以发送帧以及可以传输帧的最大数量），只有被主节点“邀请”的从节点可以发送数据，没有被“邀请”的节点不能发送，只能等待被轮询

MAC(多路访问控制)协议