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什么是计算机网络 什么是网络协议 计算机网络的结构 数据交换之电路交换 数据交换之报文交换和分组交换 分组交换 vs 电路交换 计算机网络性能1——速率、带宽、延迟 计算机网络性能2——时延带宽积、丢包率、吞吐量/率 计算机网络体系结构概念 OSI参考模型基本概念 OSI参考模型中非端-端层物理层、数据链路层、网络层功能介绍 OSI参考模型中端-端层传输层、会话层、表示层、应用层功能介绍 TCP/IP参考模型基本概念包括五层参考模型 网络应用的体系结构 网络应用进程通信 网络应用对传输服务的需求 Web应用之HTTP协议涉及HTTP连接类型和HTTP消息格式 Cookie技术 Web缓存/代理服务器技术 传输层服务概述、传输层 vs. 网络层 传输层——多路复用和多路分用 传输层——UDP简介 传输层——可靠数据传输原理之Rdt协议 传输层——可靠数据传输之流水线机制与滑动窗口协议 传输层——TCP特点与段结构 传输层——TCP的可靠数据传输 TCP连接管理图解三次握手和四次挥手 传输层——拥塞控制原理与解决方法 TCP的拥塞控制机制 网络层服务与核心功能 网络层服务模型——虚电路网络 网络层服务模型——数据报网络 Internet网络的网络层——IP协议之IP数据报的结构 IP分片 IP编址与有类IP地址 IP子网划分与子网掩码 CIDR与路由聚合 DHCP协议 网络地址转换(NAT) ICMP互联网控制报文协议 IPv6简介 路由算法之链路状态路由算法 路由算法之距离向量路由算法 路由算法之层次路由 数据链路层概述 数据链路层——差错编码 系列文章目录多路访问控制多路访问控制(MAC)协议介绍随机访问MAC协议时隙ALOHA协议ALOHA协议CSMA协议CSMA/CD协议 前面介绍了数据链路层提供的差错检测或者说差错纠正服务它们依赖于差错编码。这里介绍链路层提供的另一种服务——多路访问控制。为此需要带大家了解多路访问控制的概念和多路访问控制(MAC)协议。 多路访问控制
多路访问控制主要是解决一类链路的使用问题。作为网络中的链路大致可以分为两类 点对点链路链路只连接两个相邻的结点。比如以太网交换机与主机间的点对点链路 广播链路 特点是物理介质被共享。这种链路比较多见。比如现在广泛使用的802.11无线局域网它的无线电频率就是被共享的
当大家共享物理介质进行通信的时候必须有一个机制来协调发送数据。为此就需要一类多路访问控制(MAC)协议。 多路访问控制(MAC)协议介绍
在单一共享广播信道这类链路中如果有两个或者两个以上结点同时传输时势必会相互干扰。也就是冲突(collision)。所以在广播链路中冲突的发生就意味着传输的一次失败。因此需要多路访问控制(MAC)协议来协调共享链路的使用。
作为多路访问控制(MAC)协议一般有一些基本性的考虑和需求
期望设计出来的MAC协议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大家在协调的过程中协议必须基于信道本身通信信道共享协调信息
理想的MAC协议是什么样的
假设给定速率为R bps的广播信道。MAC协议应该满足这些需求
当只有一个结点希望传输数据时它可以以速率 R发送当有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完全分散控制。无需特定结点协调、无需时钟、时隙同步简单不复杂
MAC协议主要分三大类 信道划分(channel partitioning)MAC协议 使用多路复用技术将信道资源划分一些资源片然后再分配下去比如TDMA、FDMA、CDMA、WDMA等 随机访问(random access)MAC协议。在计算机局域网中非常多见 信道不划分允许冲突采用冲突 “恢复” 机制 轮转(“taking turns”)MAC协议 结点轮流使用信道 随机访问MAC协议
在随机访问MAC协议中当结点要发送分组时会利用信道全部数据速率R发送分组动态性很强没有事先的结点间协调。因此就可能出现冲突两个或多个结点同时传输。所以随机访问MAC协议需要定义
如何检测冲突如何从冲突中恢复 (e.g., 通过延迟重传)
典型的随机访问MAC协议
时隙(sloted)ALOHAALOHACSMA、CSMA/CD、CSMA/CA 时隙ALOHA协议
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
运行过程
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
下面看一下示意性的示例
假设网络中有三个结点共享一个广播链路。 C表示冲突E表示空闲S表示发送成功 优点 单个结点活动时可以 连续以信道全部速率传输数据也就是占用信道的全部资源高度分散化只需同步时隙整个协议非常简单 缺点: 很容易发生冲突浪费时隙结点也许能以远小于分组传输时间检测到冲突必须要求所有结点时钟同步
效率(efficiency)长期运行时成功发送帧的时隙所占 比例 (很多结点有很多帧待发送)。
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。也就是说时隙ALOHA协议中信道被成功利用的时间仅占37%
显然时隙ALOHA协议的效率并不能让人满意。 ALOHA协议 非时隙(纯)Aloha更加简单因为无需进行时钟同步 每个结点当有新的帧生成时就会立即发送 因此冲突的可能性增大了 在t0时刻发送帧会与在[t0 -1, t01]期间其他结点发送的帧冲突 CSMA协议
载波监听多路访问协议 CSMA (carrier sense multiple access)最大的改进地方在于
发送帧之前监听信道 (载波)。如果信道空闲就发送完整帧如果信道忙则推迟发送。
但是冲突仍然可能发生。另外信号传播延迟的存在也会导致冲突的发生。这时如果继续发送数据就会浪费信道资源。
如果发送数据的同时就能判断有没有冲突就很好了在发现冲突后就终止后面数据的传输能够很好的提高信道的效率。这时CSMA/CD协议就出现了。 CSMA/CD协议
CDCollision Detection强调在发送数据帧的同时可以检测冲突。换句话说就是短时间内可以检测到冲突。在冲突后中止传输就能减少信道浪费。
对于这个协议的冲突检测机制
有线局域网易于实现通过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信号衰减很快。接收信号强度淹没在本地发射信号强度下
把这样的特性概括为“边发边听不发不听”
例题 CSMA/CD协议的效率比ALOHA更高。
