MAC层协议总结

news2024/12/23 22:30:16

一、现存问题

广播网络存在问题

当信道的使用存在竞争时，如何分配信道的使用权----->如一个人停止讲话，另外可能两个或多个人同时讲话，当只有单个信道时，怎么决定下一个讲话的人？------>为了解决这个问题，制定协议。

广播信道也被称为多路访问信道（multiaccess channel）或随机访问信道（random access channel）。

用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的子层，称为介质访问控制层MAC（medium access control）子层。

二、信道分配问题

局域网和城域网中的静态分配

传统方案：频分多路复用，将带宽分为N等份分给N个用户，每个用户有自己的频段，因此无冲突。

以上方案适用于用户较少且数目固定的情况，用户数目多且变化时，或通信量是突发的，会有资源浪费和短缺。

从上面的计算可知，采用FDM的延时变为原来排队的N倍，同样的TDM也是一样的，会有时隙的闲置等问题。因此，必须采用信道的动态分配。

局域网和城域网中的动态分配

假定：

1. 站模型：有N个独立的站；
2. 单通道假设：所有通信通过单信道进行；
3. 冲突假设：两个帧同时发生，会互相重叠导致冲突，信号难以辨认。
4. 连续时间：帧在任何时候开始发送；
5. 时隙：时间被分为离散的区间--时隙，帧在时隙开始的一瞬间开始发送。
6. 载波侦听（carrier sense）：所有站在使用信道以前都可以检测到，信道是否正在使用，如果信道正忙，其他站点不会再使用，直到信道空闲。
7. 非载波侦听：各站在使用信道前不检测信道，只是盲目地发送，事后才知道本次传送是否成功。

三、多路访问协议

ALOHA协议

ALOHA是世界上最早的无线电计算机通信网，70年代初研制成功一种使用无线广播技术的分组交换计算机网络，也是最早最基本的无线数据通信协议，取名ALOHA是夏威夷人表示歉意的问候语。

基本思想：适用于任何无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统，包括纯ALOHA和分隙ALOHA，区别在于是否将时间分为离散的时隙。前者不需全局时间同步，后者必须时间同步。

纯ALOHA

基本思想：只要用户有数据待发，就让他们发，虽然存在冲突导致帧破坏的可能，但由于广播的反馈，发送方可以侦听信道得知发出的帧是否被破坏。

多个用户以某种可能导致冲突的方式共享共用信道的系统被称为竞争（contention）系统。

帧产生的示意图如下所示，图中各帧长度相同。

- 工作原理：站点只要产生帧，就立即发送到信道上，规定时间内若收到应答，表示发送成功，否则重发；
- 重发策略：等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止。
- 存在问题：任何时候，只要两帧试图同时使用信道就会产生冲突，并破坏冲突帧的内容；
- 优点：简单易行；
- 缺点：极容易冲突；

分隙ALOHA

基本思想：用时钟来统一用户的数据发送，方法是将时间分为离散的时间段，每段时间对应一帧，计算机不会立刻传输信息帧，而是会等到下一时隙才传送。

- 重发策略：同纯ALOHA协议；
- 代价：需要全网同步，可设置一个特殊站点，由该站点发送时钟信号；

载波侦听多路访问协议

网络站点侦听载波是否存在（有无传输）并相应动作的协议，被称为载波侦听协议（carrier sense protocol）。

持续CAMA

当站点要传输数据时，首先侦听信道，看是否有其他站点正在传送，如果信道正忙，持续等待直到侦听到信道空闲时，将数据送出。若发生冲突，站点就等待随机长的时间，然后重新开始。

存在问题：信道传输结束后，可能存在两个站点同时检测到空闲，一起传输从而冲突的情况；

非持续CAMA

发送前，站点会侦听信道的状态，如果没有其他站点发送，就开始发送。如果信道正在使用，将不再继续侦听该信道，而是等待一个随机时间后，再重复上述过程。

存在问题：利用率稍高于持续CAMA的同时，时延会略长。

p-持续CSMA

用于分隙信道：站点传送之前侦听信道，如果信道空闲，以概率p传送，概率q=1-p将该次发送推迟到下一时隙；如果下一时隙仍然空闲，继续上述过程，一直重复，知道发送成功或信道忙为止。

通过对比信道利用和载荷曲线，可以看出：

从上图可以看出

- 持续和非持续的CSMA是对ALOHA协议的改进，保证在侦听到信道忙时无新站点开始发送；
- 另一改进是站点检测到冲突就取消传送，描述如下。
- 有冲突检测的CSMA

带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD(carrier sense access with collision detection)：在t0点处，一个站点已完成了帧的传送，其他想要发送的站点现在都可以尝试发送。如果两个或两个以上的站点同时决定传送，将会产生冲突。通过检测回复信号的能量或脉冲宽度并将其与传送信号比较，就可判断是否产生了冲突。