媒体访问控制（MAC）子层

第四章

局域网的数据链路层拆成两个子层：

• 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
• 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。

1. 信道分配问题

可将信道分配划分为两类：静态信道分配和动态信道分配

• 静态： 频分复用、时分复用、波分复用、码分复用
• 动态：随机接入（竞争）、受控接入（无冲突、有限的竞争）

传统的静态分配方法不适用用户较多的数据网络，不适用突发性的流量
动态分配方法：竞争法协议、无冲突发协议、有限竞争协议
动态信道分配假设：
（1）流量独立 （independent traffic）
（2）单信道 （single channel）
（3）冲突可观察 （observable collision）
（4）时间连续或分槽 （continuous or slotted time）
（5）载波侦听或无侦听 （carrier sense of no carrier sense）

2. 多路访问协议

2.1 Pure ALOHA 协议

• 信息帧随时传输。
• 传输过程中，站点侦听检测冲突的发生。
• 如果发生冲突，传输站点等待一个随机时间，然后重新发送。如果发了好几次得不到确认，就放弃。
  根据算法，给定一个“帧时”内希望有G帧，生成k帧的概率服从泊松分布，流量与吞吐量关系图中，当G=0.5，S=1/2e ≈ 0.184，即最好信道利用率为18%，结果并不令人满意。 但对于这种任何人都可以随意发送的传输方式，想达到100%成功率是不可能的。

2.2 Slotted ALOHA（ 分槽时隙协议）

信道上的时间被分成离散的时间间隔即时槽，其大小相当于帧的传输时间。所有站点的时钟保持同步。站点只有在时槽开始时才能传输数据。
其最大信道利用率为$1/e$, 及0.368

例题1：考虑在低负载情况下纯ALOHA和分槽ALOHA的延迟。试问哪个延迟更小？
解：纯ALOHA可以立即开始发送，在负载低的情况下，碰撞小，传输成功可能性大，基本上没有延迟。在分槽ALOHA，需要等待下一个时间槽到达才能发送。会产生半个时间槽的延迟。

例题2：
一群ALOHA用户每秒产生50个请求，包括原始的请求和重传的请求， 时间槽单位40ms。

1. 首次发送成功的几率？
   G = 50 * 0.04 = 2
   P0 = $e^{-G}$ = $e^{-2}$
2. 恰好k次冲突之后成功的概率是？
   Qk = $(1-P0{)}^k\ast p0$
3. 所需传送次数的期望值是？
   1Q1+2Q2+3Q3+… = $e^G$ = 7.4

2.3 CSMA载波侦听多路访问协议 Carrier Sense Multiple Access

传播时间很短，帧传输速率很慢。当一个站点发送帧后，别的站点马上就能知道。pure ALOHA 和 slotted ALOHA 都没有利用这个特性。

四种CSMA协议：

• 1坚持CSMA协议
  侦听信道，空闲则传输；否则继续侦听；如果发生冲突，等待随机时间后继续侦听。
  特点：性能更好、更“礼貌”。
  缺点：A、B等都需要等C发送结束。信号传播的延迟受带宽延迟影响。

• 非坚持CSMA协议
  信道若空闲则传输；否则等待随机一段时间，再检查信道；如果发生冲突，等待随机时间后，再检查信道。
  特点：信道利用率更好，但延迟比1坚持更大。

• P坚持（IEEE 802.11 使用 P-坚持协议的改进版）
  信道若空闲则以概率P发送，以概率（1-P）延迟到下一个时间槽，并重复侦听；若信道忙或发生冲突，等待随机时间后，再重复第一步。
  特点：信道利用率更好，但延迟比1坚持更大。

• CSMA/CD 带冲突检测的载波侦听多路访问
  载波侦听：站点能检测到链路是忙or闲
  冲突检测：侦听到冲突，立即停止传输

无冲突协议

• 基本位图协议
  规则：在实际传送数据前先广播发送意愿。N个竞争槽，数据帧d位，则低负载率情况的信道效率：发送时平均需要等待N个槽，低序号1.5N，高序号0.5N，信道利用率$d/(d+N)$。
• 二进制倒计协议
  规则：一个站只要看到自己的地址位中0值位置被改写成了1，则它必须放弃竞争。信道利用率为 $d/(d+log2N)$，适合大规模网络。

有限竞争协议 Limited-contention Protocol

结合竞争协议和无冲突协议的优势
低负载下的延迟（竞争方法），高负载下的信道利用率（无冲突方法）
对称竞争信道的获得概率
设共有 k 个站竞争信道，每个站在单个时间槽中的传输概率为 p，在一个给定时间槽中，某站能获得信道的概率是 $kp(1-p{)}^{k-1}$，最佳值为 $[(k-1)/k{]}^{k-1}$，由曲线图可见，站数多时成功率下降至 1/e。
有限竞争：将所有站划分组，减少每个时间槽中的竞争数量，使每组行为接近图左侧

无线局域网协议

冲突避免多路访问（MACA, Multiple Access with Collision Aviodance）

—The End——

最后

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