通信网理论基础.pptx

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1、会计学1通信网理论基础通信网理论基础uu随机多址接入方式与排队论随机多址接入方式与排队论随机多址接入方式是一种随机多址接入方式是一种竞争访问信道技术竞争访问信道技术。在该方式中，用户可以根据自己的意愿在该方式中，用户可以根据自己的意愿随机地发送随机地发送信息信息。当两个或两个以上用户同时向同一信道发送信息时，当两个或两个以上用户同时向同一信道发送信息时，就就产生冲突（产生冲突（CollisionCollision），又称为碰撞，使得数据，又称为碰撞，使得数据发送失败。故双方都发送失败。故双方都需重发需重发。这与这与排队系统中被拒绝的情况相似排队系统中被拒绝的情况相似，只是被拒绝或，只是被拒绝或

2、被破坏的已不止一个信息。被破坏的已不止一个信息。多址接入系统可以看作多址接入系统可以看作是是M/M/1M/M/1系统系统。第1页/共63页u发展历史p较早的随机接入系统称阿罗华（ALOHA）系统，于70年代产生于夏威夷大学。通过无线信道来使用中心计算机，无线信道相当一个公用媒体，一个站或用户送出的信息可以被许多站同时接收，而每个站都是随机发送的。p技术的发展：纯ALOHA(P-ALOHA)技术时隙ALOHA(S-ALOHA)技术载波监听多址访问（CSMACarrier Sense Multiple Access）技术 带有冲突检测的载波监听多址访问（CSMA/CDCSMA with Colli

3、sion Detection）技术 目前，CSMA/CD现已成为局域网标准接入协议。第2页/共63页uu应用：主要应用于无线信道和总线型局域网中。应用：主要应用于无线信道和总线型局域网中。1 1总线型局域网总线型局域网（1 1）总线型结构：总线型结构：所有的站都通过总线连接，无交换设备所有的站都通过总线连接，无交换设备和中继器，各站通过收发器与总线连接，并通过总和中继器，各站通过收发器与总线连接，并通过总线发送或接收数据，一站发送其他的站都能收到，线发送或接收数据，一站发送其他的站都能收到，而每个站发送信息是随机的而每个站发送信息是随机的。总线型结构总线型结构 第3页/共63页（2 2）媒质访

4、问技术媒质访问技术：传统的局域网技术是建立在传统的局域网技术是建立在“共共享媒质享媒质”的基础上的，的基础上的，局域网中所有的用户终局域网中所有的用户终端共享单一的传输媒质，并以某种控制方式访端共享单一的传输媒质，并以某种控制方式访问传输媒质，以便在两个指定的终端之间传送问传输媒质，以便在两个指定的终端之间传送信息。所用的控制方式称为媒质访问技术。信息。所用的控制方式称为媒质访问技术。pp高速局域网高速局域网将将“共享媒质方式共享媒质方式”改为改为“交换交换方式方式”“交换式局域网交换式局域网”技术技术以太网交换以太网交换机机pp媒质访问控制方法：共享（随机，受控）与交媒质访问控制方法：共享（

5、随机，受控）与交换换pp典型的传统媒质访问控制方法是：典型的传统媒质访问控制方法是：CSMA/CDCSMA/CD、Token RingToken Ring、Token BusToken Bus。第4页/共63页n n总线型结构的媒质访问方式主要有两种：总线型结构的媒质访问方式主要有两种：带有冲突检测的载波监听多址访问（带有冲突检测的载波监听多址访问（CSMA/CDCSMA/CD）方式。方式。令牌总线（令牌总线（Token BusToken Bus）方式。）方式。实例：实例：工作于半双工方式下的以太网（工作于半双工方式下的以太网（EthernetEthernet）采用）采用CSMA/CDCSMA

6、/CD协议机制（协议机制（IEEE802.3IEEE802.3标准），全双工标准），全双工的以太网不采用的以太网不采用CSMA/CDCSMA/CD协议机制协议机制无线局域网（无线局域网（WLANWLAN）采用）采用CSMA/CACSMA/CA（CSMA/CSMA/Collision AvoidanceCollision Avoidance）协议机制。）协议机制。第5页/共63页2 2CSMA/CDCSMA/CD的发展过程的发展过程 纯纯ALOHA(P-ALOHA)ALOHA(P-ALOHA)技术技术 时隙时隙ALOHA(S-ALOHA)ALOHA(S-ALOHA)技术技术 载波监听多址访问（载

7、波监听多址访问（CSMACarrier Sense Multiple CSMACarrier Sense Multiple AccessAccess）技术）技术 带有冲突检测的载波监听多址访问（带有冲突检测的载波监听多址访问（CSMA/CDCSMA/CDCSMA with Collision DetectionCSMA with Collision Detection）技术）技术 3 3性能标准性能标准 多址通信系统的主要性能参数是：多址通信系统的主要性能参数是：平均通过平均通过量量、平均分组平均分组时延时延和和稳定性稳定性。第6页/共63页（1 1）平均通过量）平均通过量定义：在每个发送周期

8、定义：在每个发送周期T T0 0 时间内，成功发送的平均分时间内，成功发送的平均分组数（即数据帧数）。组数（即数据帧数）。或或更准确地更准确地，应定义成：在很长时间间隔内，成功发，应定义成：在很长时间间隔内，成功发送分组数与信道上连续传输的最大发送分组数之比。送分组数与信道上连续传输的最大发送分组数之比。可见平均通过量是一种长时间接入信道能力的百分比可见平均通过量是一种长时间接入信道能力的百分比量度。量度。在稳定状态下，一平均通过量在稳定状态下，一平均通过量 等于网络负荷等于网络负荷 （全部呼叫量（全部呼叫量 ）与分组成功发送概率）与分组成功发送概率 的乘积，的乘积，即即 第7页/共63页网络

9、负荷网络负荷 （或网络负载（或网络负载GG）：为）：为T T0 0 内总共发送的平均内总共发送的平均分组数，包括成功的和碰撞的两部分。分组数，包括成功的和碰撞的两部分。只有在不发生碰撞（被拒绝）的情况下，即当只有在不发生碰撞（被拒绝）的情况下，即当 或或 时，时，才等于才等于 。为呼损。为简单起见，后面简称平均通过量为通过量。为呼损。为简单起见，后面简称平均通过量为通过量。第8页/共63页（2 2）平均分组时延）平均分组时延 一个分组进入信道所需的时间，称为分组时延时间一个分组进入信道所需的时间，称为分组时延时间或响应时间。或响应时间。具体地说，分组时延为一个分组从信源发出瞬间开始，具体地说，

10、分组时延为一个分组从信源发出瞬间开始，到达信道，直至最后成功接收瞬间为止的这段时间。到达信道，直至最后成功接收瞬间为止的这段时间。定义平均分组时延为一个很长时间间隔内分组总延迟定义平均分组时延为一个很长时间间隔内分组总延迟与间隔内分组数之比。与间隔内分组数之比。第9页/共63页（3）稳定性系统的稳定性：在较长时间段内，其通过量和延迟特性基本保持不变。某些多址接入方案，其性能参数，在短期内可以令人满意，然而在较长时间间隔内观察却十分不理想，那么这种接入方案也是不稳定的。为了使系统能稳定地工作，必须采用一定控制，使其性能参数基本不变。第10页/共63页 4.2.4 4.2.4 多址接入系统业务分析

11、多址接入系统业务分析 一、随机多址接入技术一、随机多址接入技术二、纯阿罗华二、纯阿罗华(P-ALOHA(P-ALOHA）系统）系统 三、时隙三、时隙ALOHAALOHA（S-ALOHAS-ALOHA）系统）系统 四、载波监听多址接入（四、载波监听多址接入（CSMACSMA和和CSMA/CDCSMA/CD）系统）系统 第11页/共63页二、二、纯阿罗华纯阿罗华(P-ALOHA(P-ALOHA）系统）系统 uu纯纯ALOHAALOHA系统：系统：设有无限个用户公用一个信道，这些用户的总呼叫是设有无限个用户公用一个信道，这些用户的总呼叫是以以 为均值的为均值的泊松流。泊松流。当任一用户有信息要发送时

12、，立即以定长信息包的形当任一用户有信息要发送时，立即以定长信息包的形式发上信道，也就是以式发上信道，也就是以纯随机方式纯随机方式抢占信道。抢占信道。若有两个或两个以上的信息包在信道上发生碰撞，则若有两个或两个以上的信息包在信道上发生碰撞，则以后以后纯随机地重发纯随机地重发。纯纯ALOHAALOHA技术，又称为技术，又称为随机争用技术随机争用技术。第12页/共63页u应用ALOHA系统最初是在无线信道上实现的，为了区分各种不同的ALOHA系统，通常称最原始的ALOHA为纯ALOHA(P-ALOHA)。纯ALOHA可以工作在无线信道，也可以工作在总线型网络中。ALOHAALOHA系统的基本模型系统

13、的基本模型 第13页/共63页（一）工作原理 1.工作原理 纯随机方式抢占信道：某站（用户）有信息要发送时，立即发送。若在规定的时间内收到确认信号ACK，表示发送成功；未收到ACK信号，则该站重发此信号。发生碰撞后重发：每个用户是纯随机地发送信息，若在同一时间有两个或两个以上的用户同时发送，则发生碰撞而产生冲突，使这两个信息不能正确接收，数据可能会全部或部分重叠。当冲突现象发生后，数据站隔一段随机时间重发该信息。第14页/共63页纯纯ALOHAALOHA系统的工作原理系统的工作原理 第15页/共63页2.2.数学模型数学模型l l假设：假设：pp设无限多个用户公用一个信道，这些用户的总呼叫设无

14、限多个用户公用一个信道，这些用户的总呼叫到达率为（包括新发的数据帧和重发的数据帧），到达率为（包括新发的数据帧和重发的数据帧），为为泊松流泊松流。pp为简单起见，且不失一般性，用为简单起见，且不失一般性，用信息包长度来代表信息包长度来代表发送这个信息包的时间发送这个信息包的时间；pp且作如下假设：且作如下假设：设信息包（或数据帧）长度为定长，即帧长固定，设信息包（或数据帧）长度为定长，即帧长固定，用用P P表示帧长。表示帧长。为到达率；为到达率；第16页/共63页T T0 0 为服务时间，即发送一帧占用信道的时间，则有 ，为呼叫量，为呼叫量，。则则t t内有个内有个k k 呼叫或信息包发上信道

15、的概率为呼叫或信息包发上信道的概率为 t t内无包发送的概率为：内无包发送的概率为：t t内发送一个包的概率为：内发送一个包的概率为：第17页/共63页（二）性能分析 l假设：帧的到达服从泊松分布。大量的站同时随机发送数据帧时，在每个站的通信量都很小的情况下，整个系统的帧可看成是泊松过程。对于出现的重发过程，数据帧的到达不再是泊松过程，而是一个与重发策略有关的较为复杂的过程。当重发时的随机时延足够长，认为帧的到达（包括重发帧）是泊松过程是合理的。第18页/共63页 1 1发送成功概率（无碰撞的概率）发送成功概率（无碰撞的概率）n n一个帧发送成功条件：一个帧发送成功条件：该帧与该帧前后的两个帧

16、的到达时间间隔大于该帧与该帧前后的两个帧的到达时间间隔大于T T0 0 。n n一个数据帧发送成功的概率为一个数据帧发送成功的概率为 P成功概率=P连续两个到达间隔20T=20)(TP到达间隔T T用表示两个帧的到达间隔，则有用表示两个帧的到达间隔，则有 根据概率的归一性，发生碰撞的概率为根据概率的归一性，发生碰撞的概率为 第19页/共63页 2 2通过量通过量 吞吐量吞吐量S S：又称为吞吐率，等于在帧的发送时间：又称为吞吐率，等于在帧的发送时间T T0 0内内成功发送的平均帧数。成功发送的平均帧数。显然显然 00S S11。在稳定情况下，在时间在稳定情况下，在时间T T0 0内到达且能够进

17、入系内到达且能够进入系统的平均帧数（即输入负载）应等于吞吐量统的平均帧数（即输入负载）应等于吞吐量S S。网络负载网络负载(Offered load)(Offered load)GG：从网络角度看，等于在：从网络角度看，等于在T T0 0内内总共发送的平均帧数，包括发送成功的帧和因冲突总共发送的平均帧数，包括发送成功的帧和因冲突而重发的帧或发送不成功的帧。即而重发的帧或发送不成功的帧。即 第20页/共63页且有 ,当不发生冲突时，。在稳定状态下，有在稳定状态下，有 l l 通过量（有时也称通过率）通过量（有时也称通过率）定义为定义为 ca=观察时间平均成功发送的数据帧所占的时间=00TT0T内

18、成功发送的数据帧数=T0 内成功发送的数据帧数=S第21页/共63页时：时：注注：包括包括新发和重发新发和重发部分，不稳定性已在新负载小于部分，不稳定性已在新负载小于0.50.5时出现。时出现。第22页/共63页纯纯ALOHAALOHA系统的通过量与网络负荷的关系曲线系统的通过量与网络负荷的关系曲线 第23页/共63页n n结论：结论：在纯在纯ALOHAALOHA系统中，网络负荷系统中，网络负荷（或网络（或网络负载负载G G）0.50.5，系统能够稳定工作，在，系统能够稳定工作，在实际中为了安全起见，纯实际中为了安全起见，纯ALOHAALOHA系统的系统的通过量只能在通过量只能在1010左右。

19、左右。纯纯ALOHAALOHA系统最多只能有系统最多只能有18.418.4的时间的时间能成功地发送信息，而不发生碰撞，实现能成功地发送信息，而不发生碰撞，实现正常通信。其他时间处于碰撞或空闲状态，正常通信。其他时间处于碰撞或空闲状态，显然效率是很低的。显然效率是很低的。第24页/共63页n n优点：优点：这种方式基本上不用控制设备，碰撞也可这种方式基本上不用控制设备，碰撞也可以不去检测，只是在久无回答后就重发即以不去检测，只是在久无回答后就重发即可，可，当当 较小时，较小时，就是说基本上可以，就是说基本上可以顺利通信。顺利通信。n n缺点：缺点：当当 时，成功发送的帧数减小，重发时，成功发送的

20、帧数减小，重发频繁，使得网络的频繁，使得网络的 进一步增大，系统进一步增大，系统将趋于不稳定。积压的数据帧数会无限增将趋于不稳定。积压的数据帧数会无限增加，恶性循环下去，通过量逐渐下降直至加，恶性循环下去，通过量逐渐下降直至零。零。碰撞后的数据帧如何重发，是影响稳定性碰撞后的数据帧如何重发，是影响稳定性的主要因素。的主要因素。第25页/共63页例例4.16 4.16 假假定定许许多多异异步步终终端端通通过过多多点点线线路路连连到到主主机机，线线路路的的数数据据率率为为4800bit/s4800bit/s，设设每每份份报报文文有有6060个个字字符符。而而用用户户用用键键盘盘输输入入一一份份报报

21、文文需需2 2分分钟钟。每每个个字字符符用用10bit10bit进进行行编编码码，则则每每个个终终端端的的平平均均数数据据率率仅仅有有5bit/s5bit/s（6010bit6010bit）/(260s)=5bit/s/(260s)=5bit/s。试试问问：如如采采用用纯纯ALOHAALOHA方方式式，取取 =0.10.1，该该系系统统一一共共可可容纳多少交互式用户？容纳多少交互式用户？第26页/共63页 4.2.4 4.2.4 多址接入系统业务分析多址接入系统业务分析 一、随机多址接入技术一、随机多址接入技术 二、纯阿罗华二、纯阿罗华(P-ALOHA(P-ALOHA）系统）系统三、三、时隙时

22、隙ALOHAALOHA（S-ALOHAS-ALOHA）系统）系统 四、载波监听多址接入（四、载波监听多址接入（CSMACSMA和和CSMA/CDCSMA/CD）系统）系统 第27页/共63页pp目的：目的：为了降低碰撞，提高吞吐量。为了降低碰撞，提高吞吐量。pp时隙时隙ALOHAALOHA系统（系统（S-ALOHAS-ALOHA）：）：它是纯它是纯ALOHAALOHA的改进形式。的改进形式。在信道上分时隙。网内所有用户都与主时钟同步，在信道上分时隙。网内所有用户都与主时钟同步，有通信要求的用户只能在主时钟规定的等长时隙有通信要求的用户只能在主时钟规定的等长时隙内送到信道，也就是到达信道的时刻只

23、能是各时内送到信道，也就是到达信道的时刻只能是各时隙的起始时刻。主时钟的同步信息要向所有用户隙的起始时刻。主时钟的同步信息要向所有用户广播。广播。第28页/共63页（一）（一）S-ALOHAS-ALOHA工作原理工作原理（1 1）S-ALOHAS-ALOHA系系统统把把时时间间分分成成一一段段段段等等长长的的时时隙隙（SLOTSLOT），记记为为T T0 0，并并规规定定，不不论论帧帧何何时时产产生生，每每个个用用户户只只能能在在每每个个时时隙隙的的前前沿发送信息。沿发送信息。发送发送 T T0 0长长度度的的确确定定：每每个个帧帧正正好好在在一一个个时时隙隙内内发发送送完完毕毕。当当一一个个

24、帧帧到到达达后后，一一般般都都要要在在缓缓冲冲器器中中等等待待一一段段时时间间（小小于于T T0 0），到下一个时隙的前沿到来时才发送出去。到下一个时隙的前沿到来时才发送出去。（2 2）当当在在一一个个时时隙隙内内有有两两个个或或两两个个以以上上的的帧帧到到达达时时，则则在在下下一一个个时时隙隙将将产产生生冲冲突突，两两组组数据完全重叠。数据完全重叠。冲突冲突第29页/共63页（3 3）冲突后重发的策略与纯）冲突后重发的策略与纯ALOHAALOHA相似。相似。重发重发 时隙时隙ALOHAALOHA系统的工作原理系统的工作原理 第30页/共63页（二）性能分析（二）性能分析l l假假定定：用用户

25、户数数（站站数数）很很大大（理理论论上上应应为为无无穷穷大大），而而每每一一个个站站发发送送一一个个帧帧的的概概率率很很小小（理理论论上上应应趋趋于于零零）。在在这这个个条条件件下下，各各站站随机地发送帧的总效应，才相当于泊松过程。随机地发送帧的总效应，才相当于泊松过程。为为了了简简化化分分析析，假假设设条条件件与与纯纯ALOHAALOHA系系统统相同。相同。然然而而实实际际上上站站的的数数目目总总是是有有限限的的，经经理理论论推推导导（略略）可可得得知知，只只要要有有2020个个站站（或或更更多多），就就可可以以利利用用由由无无穷穷多多站站的的模模型型所所得得出出的的各各种种结论和公式。结论

26、和公式。第31页/共63页 1 1发送成功概率发送成功概率l l发发送送成成功功条条件件：如如果果在在T T0 0 内内无无两两个个或或两两个个以以上上的的帧帧到到达达，则则在在一一个个T T0 0 内内可可成成功功发发送送一一个个数数据据帧帧。因因为为若若在在该该帧帧发发送送时时隙隙内内有有新新包包到到达达，必必须须等等到到下下一一个个时隙才可发送。时隙才可发送。l l发送成功的概率为发送成功的概率为 发生碰撞的概率为发生碰撞的概率为 第32页/共63页2 2通过量通过量 时隙时隙ALOHAALOHA与纯与纯ALOHAALOHA系统的通过量曲线系统的通过量曲线 第33页/共63页结论：结论：

27、S-ALOHAS-ALOHA比纯比纯ALOHAALOHA的通过量提高了一倍。的通过量提高了一倍。代价：代价：以全网同步控制为代价。以全网同步控制为代价。第34页/共63页 4.2.4 4.2.4 多址接入系统业务分析多址接入系统业务分析 一、随机多址接入技术一、随机多址接入技术 二、纯阿罗华二、纯阿罗华(P-ALOHA(P-ALOHA）系统）系统 三、三、时隙时隙ALOHAALOHA（S-ALOHAS-ALOHA）系统）系统四、载波监听多址接入（四、载波监听多址接入（CSMACSMA和和CSMA/CDCSMA/CD）系）系统统 第35页/共63页pp目的：目的：进一步提高通过量进一步提高通过量

28、pp载载 波波 监监 听听 多多 址址 接接 入入 方方 式式：简简 称称 CSMACSMA，是是ALOHAALOHA（P-ALOHAP-ALOHA，S-ALOHAS-ALOHA）系系统统的的一一种种改改进进形形式式，适适用用于于延延时时较较小小的的总总线线网网，采采用用先先听后送听后送的技术。的技术。pp载载波波监监听听多多址址接接入入系系统统也也是是一一种种完完全全分分散散控控制制的的方方式式，通通信信的的收收发发进进程程和和信信息息格格式式均均由由通通信信协议保证。协议保证。第36页/共63页FF（一）工作原理及分类（一）工作原理及分类 （二）非坚持监听（CSMA-NP）协议 （三）坚持

29、监听（三）坚持监听（CSMA-PCSMA-P）协议）协议 （四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（CSMA/CDCSMA/CD）第37页/共63页（一）工作原理及分类（一）工作原理及分类1.1.工作原理工作原理 n n与与ALOHAALOHA技技术术的的主主要要区区别别：是是总总线线上上每每个个用用户户节节点点（各各站站）多多了了一一个个附附加加的的硬硬件件装装置置，称称为为载载波波监监听听装装置置，它它的的功功能能是是每每个个站站在在发发送送数数据据前前先先监监听听，以以接接收收到到信信息息与与否否来来判判断断线线路路上上的的忙忙闲闲状状态态，各各用

30、用户户只只能能在在总总线线空空闲闲时时启启动动发发送送数数据据。先先听后送听后送第38页/共63页 监监听听发发送送过过程程：每每个个站站在在发发送送数数据据前前，监监听听信信道道是是否否空空闲闲，监监听听装装置置以以接接收收到到信信息息与与否否来来判判断断线线路路的的忙忙闲闲状状态态，如如果果空空闲闲，则则该该站站可可发发送送数数据据，若若忙忙，则则该该站站就就暂暂时时不不发发送送数数据据，而而是是按按某某种种算算法法，隔隔一一段段时间后再尝试发送。时间后再尝试发送。重重发发过过程程：数数据据发发送送以以后后，该该站站点点在在规规定定的的时时间间内内若若收收到到对对方方的的确确认认信信号号A

31、CKACK，则则发发送送成成功功，可可以以进进行行下一个数据的发送尝试，否则重发该数据。下一个数据的发送尝试，否则重发该数据。第39页/共63页2 2监听方式监听方式 你知道吗？你知道吗？FF早早期期的的ALOHAALOHA系系统统的的无无线线电电发发射射机机工工作作在在超超高高频频（UHFUHF）频频段段，因因此此各各站站可可以以监监测测到到其其它它各各站站发发出出的的载载波波，后后来来发发展展到到总总线线型型局局域域网网，若若采采用用基基带带传传输输，则则不不存存在在载载波波，但但各各站站可可以以检检测测到到其其他他站站所所发发送送的的二二进进制制代代码码，习惯上仍称这种检测为习惯上仍称这

32、种检测为“载波监听载波监听”。ppCSMACSMA技技术术的的优优点点：是是通通过过采采用用先先听听后后送送技技术减少了冲突，提高了整个系统的吞吐量。术减少了冲突，提高了整个系统的吞吐量。第40页/共63页监监 听听 方方 式式 1 1坚持监听（坚持监听（CSMA-CSMA-）信道坚持监听（信道坚持监听（CSMA-PCSMA-P）概率概率p p坚持监听（坚持监听（CSMA-CSMA-p p）信道非坚持监听（信道非坚持监听（CSMA-CSMA-NPNP）第41页/共63页（）非非 坚坚 持持 监监 听听（CSMA-NPCSMA-NP）方方 式式（NPNPnonpersistentnonpersi

33、stent）：用用户户监监听听装装置置听听到到信信道道忙忙状状态态信信号号后后，停停止止监监听听，再再过过一一个个随随机机时时间间后后，再再监监听听，直直到到听听到到信信道道闲闲状状态态信信号号后后再再发发送送数据。数据。（）坚坚持持监监听听（CSMA-PCSMA-P）(P(Ppersistent)persistent)方方式式：用用户户一一直直连连续续在在监监听听，一一旦旦发发现现信信道道空空闲闲就就以以不不同同方式发送数据。方式发送数据。1 1坚坚持持监监听听：监监听听装装置置一一直直在在连连续续监监听听，一一发发现现信信道道空闲就发送数据；空闲就发送数据；概概率率p p坚坚持持监监听听：

34、监监听听装装置置听听到到空空闲闲状状态态信信号号后后，以以概率概率p p 发送数据，即线路空闲也可能不发送数据。发送数据，即线路空闲也可能不发送数据。第42页/共63页nCSMA/CD(CSMA with Collision Detection)：尽管有载波监听装置，但因监听方式和不可避免的线路传输时延，仍有可能多个用户同时发信息包，致使数据相互碰撞。除监听外还进行冲突检测的方式，称为CSMA/CD。当检测到本用户的数据已被碰撞，就立即停止发送，而不等这个数据发完。这样可进一步提高通过量和信道利用率。第43页/共63页3 3CSMACSMA技术分类技术分类 1 1坚持监听坚持监听CSMA(S-

35、CSMA-CSMA(S-CSMA-1)1)p p坚持监听坚持监听CSMA(S-CSMA-CSMA(S-CSMA-p p)坚持监听坚持监听 (S-CSMA-P)(S-CSMA-P)CSMA CSMA 时隙时隙CSMACSMA（S-CSMAS-CSMA）非坚持监听非坚持监听 (S-CSMA-(S-CSMA-NP)NP)坚持监听坚持监听 (S-CSMA-P)(S-CSMA-P)非时隙非时隙CSMACSMA，协议同上，协议同上CSMA/CCSMA/CD D时隙时隙CSMACSMACD(S-CSMA/CD)CD(S-CSMA/CD)，协议同上，协议同上非时隙非时隙CSMACSMACDCD，协议同上，协议

36、同上第44页/共63页 （一）工作原理及分类（一）工作原理及分类F（二）非坚持监听（CSMA-NP）协议 （三）坚持监听（三）坚持监听（CSMA-PCSMA-P）协议）协议 （四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（CSMA/CDCSMA/CD）第45页/共63页（二）非坚持监听（CSMA-NP）协议 为信道上单程最大的端到端的传播时延（即取总线上靠两端的两个端点间的传播时延，是最坏的情况）。当某站发送完数据帧后，需经过到达对方，经过2，发方才能收到对方发过来的确认信息ACK。传播时延对载波监听的影响传播时延对载波监听的影响 第46页/共63页p 发生碰

37、撞的原因有两个：发生碰撞的原因有两个：两个站或多个站同时监听到信道空闲，同时发送数据两个站或多个站同时监听到信道空闲，同时发送数据造成冲突。造成冲突。由于传输时延的存在，使得在时间内，监听装置检测由于传输时延的存在，使得在时间内，监听装置检测不到信道上信息包的存在，而发送数据。不到信道上信息包的存在，而发送数据。只讨论只讨论的情况的情况！第47页/共63页CSMA-NPCSMA-NP系统的通过量曲线系统的通过量曲线 其中，其中，第48页/共63页n n缺点：缺点：造成信道空闲时间的浪费造成信道空闲时间的浪费,在延迟一个随机时在延迟一个随机时间内间内,可能出现信道空闲的情况，影响了信道利用率可能

38、出现信道空闲的情况，影响了信道利用率的提高。的提高。第49页/共63页 （一）工作原理及分类（一）工作原理及分类 （二）非坚持监听（CSMA-NP）协议FF（三）坚持监听（三）坚持监听（CSMA-PCSMA-P）协议）协议 （四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（CSMA/CDCSMA/CD）第50页/共63页（三）（三）坚持监听（坚持监听（CSMA-PCSMA-P）协议）协议 pp坚持监听（坚持监听（CSMA-PCSMA-P）方式又分为：）方式又分为：1 1坚持监听坚持监听概率概率p p坚持监听两种方式。坚持监听两种方式。pp非坚持，非坚持，1 1坚

39、持，坚持，p p 概率坚持的特点概率坚持的特点 非坚持：不能充分利用信道刚刚转入空闲期这段时间。非坚持：不能充分利用信道刚刚转入空闲期这段时间。1 1坚坚持持：在在信信道道刚刚刚刚转转入入空空闲闲期期这这段段时时间间，容容易易产产生生冲冲突。突。p p坚坚持持：在在一一定定程程度度上上克克服服了了上上述述缺缺点点，但但无无法法选选择择一一个能用于各种通信量强度的个能用于各种通信量强度的p p值。值。第51页/共63页 CSMA-PCSMA-P系统的通过量曲线系统的通过量曲线 其中，其中，第52页/共63页uu特点特点（1 1）CSMA-PCSMA-P方式在发送数据前进行载波监听，故减少了方式在

40、发送数据前进行载波监听，故减少了冲突的机会；冲突的机会；（2 2）由于传输时延）由于传输时延的存在，冲突不可避免，一旦发生冲的存在，冲突不可避免，一旦发生冲突，信道就被浪费了突，信道就被浪费了(T T0 0+)时间；时间；（3 3）较适用于延时较小的总线型。）较适用于延时较小的总线型。第53页/共63页 （一）工作原理及分类（一）工作原理及分类 （二）非坚持监听（CSMA-NP）协议 （三）坚持监听（三）坚持监听（CSMA-PCSMA-P）协议）协议 FF（四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（CSMA/CDCSMA/CD）第54页/共63页（四）带有

41、冲突监测的载波监听多址接入系统（CSMA/CD）lCSMA/CD：每当发出数据后就检测是否与用户所发的数据帧发生了碰撞。这可比较从信道收到的和本站发出的每个比特，如发现不一致，说明已与其他数据帧碰撞。一旦发现碰撞，立即停止发送，以使信道不致无效地继续被占用。将这种方式称为带有冲突检测的载波监听多址接入系统（CSMA/CD）。第55页/共63页 工作原理工作原理（1 1）先听后发监听到信道空闲就发送数据帧。监听到信道空闲就发送数据帧。（2 2）边发边听在在发发送送数数据据后后继继续续监监听听，进进行行冲冲突突检检测测。一一种种可可行行的的冲冲突突检检测测方方法法是是：在在发发送送帧帧的的时时候候

42、也也同同时时进进行行接接收收，将将从从信信道道上上接接收收到到的的信信号号逐逐比比特特地地与与发发送送的比特相比较。若不一致，则说明发生了冲突。的比特相比较。若不一致，则说明发生了冲突。（3 3）冲突停止发发送送数数据据的的站站一一旦旦检检测测到到冲冲突突，该该站站就就立立即即停停止止发发送送数数据据，并并发发送送一一简简短短的的阻阻塞塞信信号号。使使所所有有的的站站点点都都知知道道已已发发生生了了冲冲突突，停停止止发发送送数数据据，转转入入闲闲期。期。（4 4）延迟重发在在发发送送阻阻塞塞信信号号后后，该该站站延延迟迟一一段段随随机机时时间，然后采用间，然后采用CSMACSMA方式再次尝试发

43、送。方式再次尝试发送。阻阻 塞塞 信信 号号 的的 产产 生生：发发 送送 若若 干干 比比 特特 的的 人人 为为 干干 扰扰 信信 号号（jamming signaljamming signal）。）。第56页/共63页ppCSMA/CDCSMA/CD与与CSMACSMA的区别：的区别：CSMA/CDCSMA/CD增加了一个功能，就是增加了一个功能，就是边发送边监听边发送边监听。只要监听到发生冲突，则冲突的双方都必须停止发只要监听到发生冲突，则冲突的双方都必须停止发送送这就是这就是冲突检测功能冲突检测功能。举例：p以太网的核心技术就是CSMA/CD媒质访问控制方法。p无线局域网（WLAN）

44、中的IEEE802.11标准中没有采用CSMA/CD协议，而是采用了CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波监听多址接入/冲突避免）协议，这是因为在无线网络中冲突检测比较困难。第57页/共63页CSMA-NP/CDCSMA-NP/CD系统的通过量曲线系统的通过量曲线 其中，其中，第58页/共63页其中，其中，CSMA-NP/CDCSMA-NP/CD系统的通过量曲线系统的通过量曲线 CSMA-PCSMA-P系统的通过量曲线系统的通过量曲线 CSMA-NPCSMA-NP系统的通过量曲线系统的通过量曲线 时隙时

45、隙ALOHAALOHA与与纯纯ALOHAALOHA系统的通过量曲系统的通过量曲线线 第59页/共63页u CSMA、CSMA/CD方式的特点：分散控制或随机竞争性地占用信道；在有传输时延的情况下，不可避免地会发生碰撞。适用于延时较小的总线型。，当当时，时，CSMA/CDCSMA/CD方式的通过量比方式的通过量比CSMACSMA好，但设备复杂，好，但设备复杂，且这种好处，在时延增加后也将逐渐消失。且这种好处，在时延增加后也将逐渐消失。为了进一步改善性能，减少碰撞，为了进一步改善性能，减少碰撞，CSMACSMA系统可以系统可以采用采用概率概率p p发送数据帧的方式，或发送数据帧的方式，或优先制优先制发送数据帧发送数据帧的方式，或的方式，或分时隙分时隙的方式。的方式。第60页/共63页结论：采用复杂的协议可减小碰撞，提高通过率，但最大通过量愈高，设备也将愈复杂。要完全消采用复杂的协议可减小碰撞，提高通过率，但最大通过量愈高，设备也将愈复杂。要完全消除碰撞，一般需采用非竞争的集中控制方式。除碰撞，一般需采用非竞争的集中控制方式。=0.01=0.01时的各种随机接入方式的通过量与网络负荷的关系曲线时的各种随机接入方式的通过量与网络负荷的关系曲线 第61页/共63页谢谢！第62页/共63页