导图社区 通信网 多址协议
通信网技术第四章多址协议的笔记整理。 多址协议是解决多个用户如何高效共享一个物理媒质的技术。它应尽量避免用户之间的碰撞,使信道利用率最高。
通信网第一章概论第二章 端到端的传输协议的笔记整理。从前几章研究的主机到主机的分组传递服务到转向进程到进程之间的通信信道，这正是网络体系结构中传输层(transport)的任务，由于它支持端点应用程序之间的通信，因此传输层协议有时也被称为端到端(end to end)协议。
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第四章 多址协议
4.1 多址协议概述
通信网络中的多址问题与多址协议
多址接入协议（Medium access control protocol）：在一个网络中，解决多个用户如何高效共享物理链路资源的技术。
多址协议在通信协议中的位置
多址协议的分类（根据对信道的使用规则）
固定分配多址协议：在用户接入信道时，专门为其分配一定的信道资源（如频率、时隙、码字或空间），用户独享该资源，直到通信结束。
随机多址协议：用户可随时接入信道，并且可能不会顾及其它用户是否在传输。当信道中同时有多个用户接入时，在信道资源的使用上就会发生冲突（碰撞）。
基于预约的多址协议：在数据分组传输之前，先进行资源预 约（随机竞争的方式）。一旦预约到资源，则在该资源内可进行无冲突传输。
4.2 固定多址接入协议
固定多址接入协议的特点
频分多址 ——Frequency Division Multiple Access（FDMA）
把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道（或称信道），并将这些频道分配给不同的用户使用，这些频道之间互不交叠 。
优点： ─用户之间不会产生干扰。 ─当用户数较少且数量大致固定、每个用户的业务量都较大时，FDMA是一种有效的分配方法。 • 用户数较少且数量大致固定：信道数量始终足以保证所有用户都能分配到所需的资源，从而保证所有用户都能够正常通信 • 每个用户的业务量都较大：保证了信道资源的充分利用
缺点： 当用户数较多，且数量经常变化或者通信量具有突发性（不均匀）的特点时，采用FDMA就会产生一些问题： 用户数较多且经常变化：当网络中的实际用户数少于已经划分的频道数时，很多宝贵的频道资源就白白浪费了； 用户数较多且通信量不均匀：当网络中的频道已经分配完后，即使这时已分配到频道的用户没有进行通信，其他一些用户也不能占用该频道，从而由于未分配到信道资源而无法通信。
正交频分复用OFDM
通过子信道间的相关技术减小相互间的干扰
信道利用率高、抗干扰能力
在 B3G/4G 移动通信中得到广泛应用
时分多址 ——Time Division Multiple Access, TDMA
将时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，把不同的时隙分配给不同的用户使用，使每个用户只能在指定的时隙内发送。
─ 不能有效处理用户数量的可变性和通信业务的突发性（不均匀） • 是固定多址接入协议的固有缺点
码分复用 CDM
常用的名词是码分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)
重要特点
每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交 (orthogonal)
在实用的系统中是使用 伪随机码序列
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为 码片 (chip)
4.3 随机多址接入协议
随机多址协议的特点
─ 网络中的节点地位等同； ─ 各节点可以随时接入信道； ─ 当信道中同时有多个节点接入时，在信道资源的使用上就会发生冲突（碰撞） 。
随机多址协议的分类
─ 完全随机多址接入协议——ALOHA协议 ─ 载波侦听型多址接入协议——CSMA协议
随机多址协议的目的
如何解决冲突，让发生碰撞的用户都能正常传输
4.3.1 ALOHA协议
纯ALOHA协议
工作原理 ─ 如果一个空闲的节点有一个分组到达，则立即发送该分组，并期望不会和其它节点发生碰撞； ─ 一旦分组发生碰撞，则随机退避一段时间后进行重传。
碰撞分析
如何减少碰撞？缩短易受破坏区间！
时隙ALOHA协议
易受破坏区间缩短为纯ALOHA的一半！
4.3.2 载波侦听型多址协议（I）-概述
CSMA协议的基本原理
如果一节点有分组要发送，它首先检测信道是否空闲，如果信道上有其他分组正在传输，则该节点将等到信道空闲后再发送 。
优点：能够减少要发送的分组与正在传输的分组之间的碰撞， 提高传输效率。
硬件要求：节点需采用附加的硬件装置，使它能够检测（侦听）到信道上有无分组在传输。
CSMA协议的实现形式
非坚持型CSMA
当分组到达时： ─ 若信道空闲，则立即发送分组； ─ 若信道处于忙状态，则 分组的发送将被延迟，且节点不再跟踪信道的状态（所谓非坚持：即节点暂时不检测信道，处于退避状态）， 延迟结束后节点再次检测信道状态，并重复上述过程，如此循环，直到将该分组发送成功为止。
1-坚持型CSMA
当分组到达时： ─ 若信道空闲，则立即发送分组； ─ 若信道处于忙状态，则 该节点一直坚持检测信道状态，直至检测到信道空闲后，立 即（以概率1）发送分组。 • 当系统业务量比较小时，能及时监测到信道空闲，从而使信道资源得到充分利用 • 当系统业务量比较大时，可能由于多个节点同时检测到信道空闲后又同时立即发送分组，而引发大量碰撞
p-坚持型CSMA
当分组到达时： ─ 若信道空闲，则立即发送分组； ─ 若信道处于忙状态，则 该节点一直坚持检测信道状态，直至检测到信道空闲后，不是立即发送分组，而是以概率p发送该分组
影响CSMA协议性能的主要参数—信道（载波）检测时延
定义：发送节点开始发送到其它节点检测到信道忙之间的时延。
构成：包括两部分，即发送节点到检测节点的传播时延和物理层检测时延 （即检测节点开始检测到检测节点给出信道是忙或闲所需的时间）。
应用场景
单跳全连通网络 网络中所有的节点都可以接收到其它节点发送的数据。
非时隙CSMA 协议
时隙 CSMA 协议
CSMA/CD Collision Detection ）协议
多跳网络 网络中部分节点之间不能直接通信/单跳不可达，需要经过若干次中继才能通信。
CSMA/CA（Collision avoidance）协议（无线局域网标准IEEE802.11中采用）
4.3.2 载波侦听型多址协议（II）-非时隙CSMA、时隙CSMA
非时隙CSMA协议
工作过程 • 当分组到达时， ─如果信道空闲，则立即发送该分组。 ─如果信道忙，则分组被延迟一段时间后，重新检测信道。（非坚持型） • 如果信道忙或发送时与其它分组碰撞，则该分组变成等待重传的分组。每个等待重传的分组将重复地尝试重传，重传间隔相互独立且服从指数分布。
控制算法 （1）若有分组等待发送，则转到第（2）步，否则处于空闲状态，等待分组到达。 （2）监测信道： ─ 若信道空闲，启动发送分组，发完返回第（1）步。 ─ 若信道忙，放弃监测信道，选择一个随机时延的时间长度t开始延时（此时节点处于退避状态）。 （3）延时结束，转至第（1）步
主要特点 在发送数据前先监测信道，一旦监测到信道忙时，能主动的退避 一段时间（暂时放弃监测信道），避免要发送的分组与正在传输分组之间 的碰撞
时隙CSMA协议
时隙划分 ─ 把时间轴分成宽度为β的时隙（注意：时隙ALOHA中时隙的宽度 为一个分组的长度，这里的时隙宽度为归一化载波检测时延）。 ─ 系统中的任一分组都必须在一个时隙的起点开始传输。
分组传输过程
空闲时隙到达：如果分组到达一个空闲的时隙，它将在下一个空闲时隙开始传输 。
忙时隙到达：如果某节点的分组到达时，信道上有分组正在传输，则该节点变为等待重传的节点，它将在当前分组传输结束后的后续空闲时隙中以概率qr进行传输 。
系统通过率
典型随机多址接入协议性能
4.3.2 载波侦听型多址协议（III）-CSMA/CD、CSMA/CA
有碰撞检测功能的载波侦听型多址协议CSMA/CD
4.4 冲突分解算法
基本思想
如果系统中发生碰撞，则 ─ 新到达分组在系统外等待； ─ 介入碰撞的分组均成功传输后，再让新分组传输。
树形分裂算法（Tree Splitting Algorithm）
先到先服务分裂算法（FCFS Splitting Algorithm）
