多路访问链路和协议
点对点链路
- 链路上只有一个发送方和一个接收方
广播链路
- 多个发送和接受节点连接到相同，单一，共享的广播信道；
- 任一节点传输一个帧时，信道广播该帧，其它每个节点都收到帧的一个副本；
- 节点同时具有发送帧和接受帧的能力；
多路访问问题
- 研究如何协调多个发送节点和接收节点对一个共享广播信道的访问；
碰撞
- 多个节点同时传输帧，所有节点同时接收多个帧；
- 碰撞发生时，通常没有任何一个节点能有效地获得任何传输的帧；
多路访问协议
- 规范节点在共享广播信道上传输行为的协议；
类别
- 信道划分协议，随机接入协议，轮流协议；
理想特性
-
对速率为R bps的广播信道：
- 仅有一个节点发送数据时，该节点吞吐量 R bps；
- 当M个节点发送数据时，每个节点在某段适当定义的时间内有R/M的平均传输速率；
- 协议是分散的，不会因为某个主节点的故障而导致整个系统的崩溃；
- 协议是简单的，实现不昂贵；
信道划分协议
- 将信道资源分片，每个节点获得
的信道资源
优点 消除碰撞，公平；
缺点 即使信道空闲，节点也有的速率上限；
时分多路复用(TDM)
- 对支持N个节点通信的协议，将时间划分为时间帧，每个时间帧划分为N个时隙，把每个时隙分配给每个节点；
频分多路复用(FDM)
- 将信道划分为等带宽的不同频段，把每个频段分配给每个节点；
码分多址(CDMA)
- 对每个节点分配一种不同的编码；
- 每个节点用它唯一的编码来对它发送的数据编码；
- 对精心选择的编码，CDMA网络具有良好的特性：不同的节点能够同时传输，且它们各自相应的接收方能够正确接收发送方编码的比特数据，即使存在其它节点的干扰传输；
- 码分多址分配的是码片资源，按码分多址的编码方式每个有效数据比特都会被编码为多个信道数据比特，每个节点实际上也只能获得
- CDMA技术使用广泛，如蜂窝电话；
随机接入协议
- 一个传输节点总以信道的全部速率发送；
- 当有碰撞时，涉及碰撞的每个节点反复地重发它的帧，直至该帧无碰撞地发送；
- 当节点经历一次碰撞后，它等待一个随机时延后重发帧；
以太网是一种流行的CSMA协议
时隙ALOHA协议
- 最简单的随机接入协议；
假设
- 所有帧由L比特构成；
- 时间被划分为L/R秒的时隙，即一个时隙等于传输一帧的时间；
- 节点只在时隙起点开始传输帧；
- 节点同步，每个节点都知道时隙何时开始；
- 若一个时隙中存在帧碰撞，则所有节点都能在该时隙结束前检测到该碰撞事件；
节点操作
- 若节点有一个新帧待发送，它等到下一个时隙开始并在该时隙传输整个帧；
- 若无碰撞，该节点成功传输帧；
- 若有碰撞，该节点能在时隙结束前检测到碰撞；该节点以概率p在后续的每个时隙中重传该帧，直至该帧被成功传输；
时隙ALOHA效率
- 有碰撞或所有节点都因概率传输而等待的时隙是被浪费的；
- 成功时隙 恰有一个节点传输数据的时隙；
- 效率 当有大量节点要传输大量帧时，长期运行中成功时隙的份额；
- 理论分析可确定，当有大量节点要传输大量帧时，效率
,即仅有37%的时隙做有效工作；
- 同时，有
的碰撞时隙；
ALOHA协议
- 纯ALOHA协议不要求节点同步传输，即在逻辑上，没有一个公共的，周知的逻辑时隙时钟；
- 当节点从上层收到一个新的待传输帧，节点立即广播该帧；
- 若一个传输的帧发生了碰撞，节点每经过一个帧传输时长就以概率p重传帧；
- 理论分析可确定，当有大量节点要传输大量帧时，效率为
,即为时隙ALOHA协议的一半；
载波侦听多路访问(CSMA)
- ALOHA协议的特点在于，一个节点的传输决定独立于连接到该信道上的其它节点；
特别是，一个节点不关心它开始传输时是否有其它节点正在信道上传输；
而且，即使有其它节点干扰它的传输，节点也不会停止传输当前帧；
载波侦听
节点在传输前侦听信道，若信道忙，节点等待直至检测到在一小段连续的信道空闲时间再开始传输；
即使所有节点都采用了载波侦听技术，由于端到端信道传播时延（空间差造成的时间差），碰撞仍是可能的，即某节点通过侦听，事实上只能确认在一段极小时延前，信道上没有节点正在传播数据；
具有碰撞检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)
碰撞检测(collision detection)
- 节点在传输帧的同时也监听信道，若监听到碰撞，则停止传输，并在重新开始传输前等待一段随机时间；
- 若无碰撞检测，即使出现了碰撞节点也会完全传输已发送了碰撞的无用帧；
- 碰撞检测可以使节点在碰撞发生后的一个很短的时延里结束不必要的传输；
- 事实上，所有多路访问协议都有某种形式的碰撞检测，因为协议必须判断一个帧的传输是否成功；此处的碰撞检测是指近乎实时的碰撞检测；
节点行为
- 网络适配器从网络层获得一个数据报，准备链路层帧，将之放入帧适配器缓存中；
- 若帧适配器侦听到信道空闲，则它开始传输帧；若适配器侦听到信道忙，则适配器等待直到信道空闲；
- 传输过程中，适配器监听信道；若无碰撞，该帧顺利传输；若发生了碰撞，立即中止传输；
- 中止传输后，适配器等待一个随机时间量，而后返回步骤2；
随机时间间隔
- 碰撞发生后节点会等待一个随机时间间隔以防再次碰撞；
- 问题在于时间间隔的选取；
- 理想间隔应当满足：碰撞节点数较少时，时间间隔短；碰撞节点数较多时，时间间隔长；
二进制指数后退算法
- 在帧经历了连续n次碰撞后，节点随机从集合{0,2,4....2^(n-1)}中选取一个K值作为时间间隔；
- 实践中，限制n的最大值为10，即超过10次碰撞后，n的值被锁定为10，且一旦碰撞此时超过某特定值（16），则协议停止尝试并向上层通告错误；
CSMA/CD 效率
- 当有大量节点要发送大量帧时，帧在信道中无碰撞传输的时间在长期运行中所占的份额；
信号在任意两节点间传播所需的最大时间
传输一个最大长度以太网帧的时间
轮流协议
- 信道划分协议公平无碰撞但在活跃节点少时低效；
- 随机访问协议在活跃节点少时高效但存在碰撞浪费；
- 轮流协议试题综合以上二者的特点；
轮询协议
- 指定一个主节点，主节点轮询每个节点；
- 主节点依次通知每个节点它被允许的传输量，在该节点传输完毕后（传完最大传输量或无更多待传输数据），主节点再通知下一个节点；
- 引入了轮询时延，即主节点通知从节点的时延；
- 主节点故障会导致信道崩溃；
令牌传递协议
- 令牌 小特殊帧，以某种次序在所有节点间传播；
- 当节点收到令牌时，当且仅当它有数据要传输时，它才持有该令牌并传输一个最大限制内的数据而后将令牌传递给下一个节点；否则，它立即向下一个节点传输令牌；
- 一个节点的故障（如不肯释放令牌）可能导致信道崩溃；
