计算机网络•自顶向下方法：多址接入协议

多址接入协议

链路的两种类型

点到点链路：

• 仅连接了一个发送方和一个接收方的链路
• 一条全双工链路可以看成是由两条单工链路组成

广播链路：

• 连接了许多节点的单一共享链路，任何一个节点发送的数据可被链路上的其它节点接收到

多址接入（Multiple Access）

冲突（collision）

• 在广播链路上，若两个或多个节点同时发送，发送的信号会发生干扰，导致接收失败

多址接入协议

• 规定节点共享信道（谁可以发送）的方法
• 多址接入协议也称媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）协议

理想的多址接入协议

在速率为R bps的广播信道上

• 当只有一个节点发送时，它应能以速率R发送（信道利用率高）
• 当有M个节点发送时，每个节点应能以 R/M的平均速率发送（公平性好、信道利用率高）
• 协议是无中心的（分散式）:
  • 不需要一个特殊的节点来协调发送（健壮性好）
  • 不需要时钟或时隙同步（不需要额外的机制）
• 简单（实现和运行开销小）

MAC协议的分类

信道划分

• 将信道划分为若干子信道，每个节点固定分配一个子信道，不会发生冲突

• 关注公平性，轻负载时信道利用率不高

随机接入（竞争）

• 不划分信道，每个节点自行决定何时发送，出现冲突后设法解决
• 轻负载时信道利用率高，重负载时冲突严重

轮流使用信道

• 不划分信道，有数据的节点轮流发送，不会出现冲突
• 信道利用率高，公平性好，但需引入额外机制

信道划分的MAC协议

TDMA: 时分多址

• 将信道的使用时间划分成帧，每个节点在帧中被分配一个固定长度的时间片，每个时间片可以发送一个分组
• 节点只能在分配给自己的时间片内发送
• 若节点不发送，其时间片轮空
  

FDMA: 频分多址

• 将信道频谱划分为若干子频带
• 每个节点被分配一个固定的子频带
• 若节点不发送，其子频带空闲

CDMA: 码分多址

• 将每个比特时间进一步划分为m个微时隙（称chip）
• 每个节点被分配一个惟一的m比特码序列（称chip code）
• 发送方编码：发送“1”=发送chip code；发送“0”=发送chip code的反码
• 信号叠加：多个节点发送的信号在信道中线性相加
• 接收方解码：用发送方的chip code与信道中收到的混合信号计算内积，恢复出原数据
• 前提条件：任意两个chip code必须是相互正交的

CDMA允许所有节点同时使用整个信道！

随机接入的MAC协议

随机接入的基本思想：

• 当节点有数据要发送时，以信道速率R发送，发送前不需要协调
• 随机接入MAC协议规定如何检测冲突，以及如何从冲突中恢复

随机接入MAC协议的例子：

• 发送前不监听信道：ALOHA家族
• 发送前监听信道：CSMA家族

时分（Slotted） ALOHA

假设:

• 所有帧长度相同
• 时间被划分为等长的时隙，每个时隙传一帧
• 节点只能在时隙开始时发送
• 节点是时钟同步的（知道时隙何时开始）
• 所有节点可在时隙结束前检测到是否有冲突发生

操作:

• 节点从上层收到数据后，在下一个时隙发送
• 若时隙结束前未检测到冲突，节点可在下一个时隙发送新的帧
• 若检测到冲突，节点在随后的每一个时隙中以概率P重传，直至发送成功
  

优点

• 单个活跃节点可以信道速率连续发送
• 分散式：节点自行决定什么时候发送
• 简单

缺点

• 发生冲突的时隙被浪费了
• 由于概率重传，有些时隙被闲置
• 需要时钟同步

时分Aloha的效率

效率：当网络中存在大量活跃节点时，长期运行过程中成功时隙所占的比例

假设: 有N个活跃节点，每个节点在每个时隙开始时以概率P发送

给定节点在一个时隙中发送成功的概率 = $p(1-p{)}^{N-1}$

给定时隙中有节点发送成功的概率 = $Np(1-$