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CH3数据链路层(2)

CH3数据链路层(2)


计算机网络
广播信道

outline
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1.局域网数据链路层 2.CSMA/CD协议 3.使用集线器星型拓扑(*)

3.3.1 局域网数据链路层
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局域网最主要的特点是:网络为一个单位所拥 有,且地理范围和站点数目均有限。
局域网具有如下的一些主要优点:

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(1)具有广播功能。从一个站点可访问全网。
(2)便于系统的扩展和逐渐地演变,各设备 的位置可灵活调整和改变。 (3)提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

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(a)是星形网。(b)是环形网,最典型的就是令牌环形网

(token ring),它又称为令牌环。(c)为总线网,各站直接
连在总线上。
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总线网可使用两种协议。一种是传统以太网使用的 CSMA/CD,另一种是令牌传递总线网。(d)是树形网,它 是总线网的变型。

局域网需要解决的重大问题
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如何使众多用户能够合理且方便地共享信道 媒体资源, 即信道分配策略,也就是局域 网的广播信道的共享技术。 技术上有两种方法:静态划分信道与动态媒 体接入控制。

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1、静态划分信道
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包括频分多路复用、时分复用、波分复用和码 分复用等。 特点是: 预先将信道固定的分配给各个网络节点,各节 点之间不会产生冲突。 这种协议简单,信道利用率高,但不够灵活, 不适合计算机网络中节点的随时增加或退出、 以及数据的突发传输特点。

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2、动态分配策略
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包括随机接入和受控接入(或称控制访问) 随机接入:又称“争用”,所有用户可随机的 发送信息
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必须解决“碰撞/冲突”问题。

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受控接入:用户只有获得信道的使用权才能发 送信息。
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不会出现碰撞,特别适合网络负载较重的情况。

以太网
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“传统以太网”表示最早进入市场的10 Mbit/s速率的以太网。 以太网属于随机接入方式。

以太网的两个标准
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1. 以太网标准 (了解)
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82年,形成DIX Ethernet V2 是世界上第一 个局域网产品(以太网)的规约。 83年,IEEE以 DIX Ethernet V2为基础制定 了一个以太网标准 802.3。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标 准只有很小的差别,因此可以将 802.3 局域 网简称为“以太网”。

IEEE802参考模型:
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只有物理层和数据链路层:局域网只是 局部地区的计算机通信网,不存在路由 选择问题,因此它不需要网络层。 链路层划分为MAC子层和 LLC子层:
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逻辑链路控制子层LLC (Logical Link Control) 媒体接入控制子层MAC (Medium Access Control)

局域网参考模型
LLC 子层看不见 下面的局域网
网络层 逻辑链路控制 媒体接入控制 LLC MAC 物理层 站点 1 局域网 网络层 LLC MAC 物理层 站点 2 数据 链路层

链路层的划分
LLC 子层看不见 下面的局域网
网络层
逻辑链路控制 LLC 网络层 LLC 局域网

媒体接入控制

MAC
物理层

MAC
物理层

数据 链路层

站点 1
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站点 2

MAC子层:负责处理链路层中与接入各种传输媒 体有关的问题,主要功能:
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数据帧的封装与解封、MAC协议的实现和维护、比特 差错检测、寻址。

链路层的划分
LLC 子层看不见 下面的局域网
网络层
逻辑链路控制 LLC 网络层 LLC 局域网

媒体接入控制

MAC
物理层

MAC
物理层

数据 链路层

站点 1
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站点 2

LLC子层:负责处理链路层中与传输介质无关的 问题,主要功能:
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逻辑连接的建立和释放、向高层提供服务接口、差错 控制、帧编号.

以后一般不考虑 LLC 子层
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由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准 中的几种局域网,因此现在 802 委员 会制定的逻辑链路控制子层 LLC(即 802.2 标准)的作用已经不大了。 很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

课件制作人:谢希仁

2、网络适配器作用
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网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络 接口卡NIC (Network Interface Card),但现 在更多的人愿意使用更为简单的名称“网卡”。 网卡和计算机之间的通信则是通过计算机主板上 的I/O总线以并行传输方式进行的,如图5-3所 示。

网卡的作用
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串并转换 数据帧的发送与接收 差错检测

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网卡不是完全自治的单元,通常称为半自治单 元。 当网卡收到一个有差错的帧时,它就丢弃此帧 而不必通知它所插入的计算机。 当网卡收到一个正确的帧时,它就使用中断来 通知该计算机并交付给网络层。当计算机要发 送一个IP数据报时,就由协议栈向下交给网卡 组装成帧后发送到局域网。

3.3.2 CSMA/CD 协议
以太网为“总线结构”,通信方式为“广播通信”。 ? 如何实现一对一的通信? 必须在发送帧首部写明接收站的地址,仅当数据帧的目的地 址与计算机的地址一致时,该机才接收此帧。如图:
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匹配电阻(用来吸收总线上传播的信号)

匹配电阻

只有 D 接受 B 发送的数据 A 不接受 B B向 D 发送数据 C 不接受 D 接受 E 不接受

在以太网的广播方式下实现一 对一的通信
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总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发 送的数据信号。 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入 的地址一致,因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机(A, C 和 E)都检测到不是 发送给它们的数据帧,因此就丢弃这个数据帧 而不能够收下来。 通过在数据帧首部加入地址,在具有广播特性 的总线上实现了一对一的通信。

以太网简化通信采取的措施
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采用较为灵活的无连接的工作方式,即 不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号,也 不要求对方发回确认。
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理由:局域网信道的质量很好,因信道质量 产生差错的概率是很小的。

以太网提供的服务
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以太网提供的服务是不可靠的交付,即 尽最大努力的交付。 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃 此帧,其他什么也不做。差错的纠正由 高层来决定。 如果高层发现丢失了一些数据而进行重 传,但以太网并不知道这是一个重传的 帧,而是当作一个新的数据帧来发送。

以太网发送的数据都使用 曼彻斯特(Manchester)编码
码元 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1

基带数字信号
曼彻斯特编码 出现电平转换

载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD
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问题:如何协调总线上所有计算机的工作?即 如何解决共享总线带来的碰撞/冲突? 解决方法:采用CSMA/CD 技术
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CSMA/CD : Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 译文:带有冲突检测的载波监听多路访问 CSMA/CD的基本思想:当一个节点要发送数据时, 首先监听信道;如果信道空闲就发送数据,并继续 监听;如果在数据发送过程中监听到了冲突,则立 刻停止数据发送,等待一段随机的时间后,重新开 始尝试发送数据。

关于CSMA/CD的要点:
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“多点接入”:表示许多计算机以多点接入的 方式连接在一根总线上,即总线型拓扑结构。 “载波监听”:指每一个站在发送数据之前先
要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据, 如果有,则暂时不要发送数据,以免发生碰撞。 “载波”就是总线上计算机发送的数据信号。

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“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信
道上是否发生了冲突。

碰撞检测方法
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“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信 道上的信号电压大小。 当几个站同时在总线上发送数据时,总线上的 信号电压摆动值将会增大(互相叠加)。 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的 门限值时,就认为总线上至少有两个站同时在 发送数据,表明产生了碰撞。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检 测”也称为“冲突检测”。

碰撞产生的原因
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问题:利用“载波监听”,每个站在信道“空闲” 时才发送数据,为什么还会产生冲突? 情况1:当A和B 同时监听到总线是空闲时,同 时发送数据,会产生冲突。 情况2:电磁波在总线上的传播速率是有限的 (即有传播时延) 。当A 发出的信息还未传送 到 B之前,B的载波监听检测不到 A 所发送的信 息,于是B 发送了自己的帧,则必然要在某个时 间和 A 发送的帧发生碰撞。如下图 碰撞的结果是两个帧都变得无用。

t=0

A

1 km 碰撞

B

B 发送数据
t=??? t=?

t t = 2? ? ?

A 检测到发生碰撞 B 检测到发生碰撞

单程端到端 传播时延记为?

t=0

A

1 km 碰撞

B

B 发送数据
t=??? t=?

t t = 2? ? ? t=0 A 检测到 信道空闲 发送数据

A 检测到发生碰撞 B 检测到发生碰撞 A A A A STOP STOP A B B B B B

单程端到端 传播时延记为?
t=??? B 检测到信道空闲 发送数据 t=???/2 发生碰撞 t=? B 检测到发生碰撞 停止发送

t = 2? ? ? A 检测到 发生碰撞

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使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全 双工通信而只能进行双向交替通信(半双 工通信)。 每个站在发送数据之后的一小段时间内, 存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均 通信量远小于以太网的最高数据率。

争用期
问题: 发送端经过多长时间才能确定已发送的数据帧传 输成功,即没有发生碰撞 ? ? 答案: 最先发送数据帧的站,在发送数据帧后至多经过 时间 2? (两倍的端到端的传播时延,即往返时 延)就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 ? 以太网的端到端往返时延 2? 称为争用期,或碰 撞窗口。 ? 争用期的意义:经过争用期这段时间还没有检 测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞。
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问题:如何在产生碰撞后尽量避免再次 发生碰撞? 解决方法:推迟一个随机时间后再重试, 比如采用“截断二进制指数退避算法”

截断二进制指数类型退避算法
(truncated binary exponential type)
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发生碰撞的站在停止发送数据后,要推迟 (退避)一个随机时间才能再发送数据。
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确定基本退避时间,一般是取为争用期 2?。 定义重传次数 k ,k ? 10,即 k = Min[重传次数, 10] 从整数集合[0,1,…, (2k ?1)]中随机地取出一个 数,记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本 退避时间。 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧,并 向高层报告。

争用期的长度与最短有效帧长
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以太网的争用期为 51.2 ?s 对于 10 Mb/s 以太网,在争用期内可发送512 bit,即 64 字节。 以太网在发送数据时,若前 64 字节没有发生冲 突,则后续的数据就不会发生冲突。如果发生冲 突,就一定是在发送的前 64 字节之内。 因此,以太网规定了最短有效帧长为 64 字节, 凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中 止的无效帧(或称为碎片)。

强化碰撞
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当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时, 除了立即停止发送数据外,还要再继续发 送若干比特的人为干扰信号(jamming signal),以便让所有用户都知道现在已经 发生了碰撞。 如下图:

人为干扰信号 B 发送数据 A 发送数据
A 开始冲突 B ? TB A 检测 到冲突 信 道 占 用 时 间

TJ t ?

B 也能够检测到冲突,并立即停止发送数据帧,接 着就发送干扰信号。这里为了简单起见,只画出 A 发送干扰信号的情况。

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练习 1、CSMA/CD定义的冲突检测时间是____ A.信号在最远两个端点之间往返传输时间 B.信号从线路一端传输到另一端的时间。 C.从发送开始到收到应答的时间。 D.从发送完毕到收到应答时间。

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2. CSMA/CD方法用来解决多结点如何共享共用总线 传输介质问题,在采用CSMA/CD的网络中_____。 A、不存在集中控制的结点。 B、存在一个集中控制的结点。 C、存在多个集中控制结点。 D、可以有也可以没有集中控制结点。

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3. 若10Mbps的CSMA/CD局域网的节 点最大距离为2.5Km,信号在媒体中的 传播速度为2×100000000m/s。求该 网的最短帧长。

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4.A. B两站相距2km,使用CSMA/CD协议,信号在 网络上的传播速率为200000km/s,两站的发送速率 为1Gbps,A先发送数据,如果发生碰撞,求: (1)最先发送数据的A站最晚经过多长时间才检测到发 生了碰撞? (2)检测到碰撞后,A已经发送了多少位(假设A要发 送的帧足够长)?

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解: (1)最先发送的数据A站最晚经过两倍的传播时 延才检测到发生了碰撞: T=2?=2* (2km)/(200000km/s)=20us (2) L=1Gb*20us=20000bit

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5、某局域网采用CSMA/CD协议实现价质访问
控制,数据传输率为10Mbps,主机甲和乙之间 的距离为2km,信号传播速度是200000km/s。 若主机甲和乙发送数据时发生冲突,则从开始发 送时刻起,到两台主机均检测到冲突止,最短需 要多长时间,最长需要多长时间。(假设主机甲 和乙在发送数据过程中,其他主机不发送数据。 )

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3.4使用广播信道的以太网
3.4.1使用集线器的星型拓扑
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传统以太网可使用的传输媒体有四种:
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同轴电缆(粗缆或细缆) 双绞线 光缆

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这样,以太网就有四种不同的物理层。
以太网媒体接入控制 MAC

10BASE5 粗缆

10BASE2 细缆

10BASE-T 双绞线

10BASE-F 光缆

铜缆或铜线连接到以太网 的示意图
主机箱 网卡 主机箱 主机箱 DB-15 连接器 收发器

收发器电缆 插入式 分接头 MDI BNC 连接器 插口 RJ-45 插头

双绞线

内导体

MAU

外导体屏蔽层

保护外层

BNC T 型接头

集线器

粗缆以太网10BASE5

细缆以太网10BASE2

双绞线以太网10BASE-T

星形网 10BASE-T
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不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要 用两对双绞线,分别用于发送和接收。 在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高 的设备,叫做集线器(hub)。 集线器使用了大规模集成电路芯片,因此这 样的硬件设备的可靠性已大大提高了。

站点 集线器 RJ-45 插头

两对双绞线
图5-6 使用集线器的双绞线以太网

10BASE-T以太网
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10BASE-T 的通信距离稍短,每个站到集线 器的距离不超过 100 m。 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网 的出现,既降低了成本,又提高了可靠性。 10BASE-T 双绞线以太网的出现,是局域网 发展史上的一个非常重要的里程碑,它为以 太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基 础。

双绞线以太网 10BASE-T
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工作速率为10Mbps,采用基带信号,T表示传 输媒体式双绞线(Twisted Pair) 采用100欧姆的UTP双绞线 拓扑结构:表面上为星型(实际上为总线型), 即所有站点均连接到一个中心集线器上 每个电缆段不超过100m 逻辑上仍是总线网,各工作站使用CSMA/CD协 议,因此又称“星型总线网”或“盒中总线网”

集线器
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集线器:使用电子器件来模拟实际电缆线 的工作,因此整个系统仍然像一个传统的 以太网那样运行。

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集线器有如下一些特点。 (1)从表面上看,使用集线器的局域网在物 理上是一个星型网,但由于集线器是使用电子 器件来模拟实际电缆线的工作,因此,整个系 统仍像一个传统以太网那样运行。 也就是说,使用集线器的以太网在逻辑上仍是 一个总线网,各站共享逻辑上的总线,使用的 还是CSMA/CD协议(更具体些,是各站中的适 配器执行CSMA/CD协议)。

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(2)一个集线器有许多端口,一个集线器很 像一个多端口的转发器。 (3)集线器工作在物理层,它的每个端口都 具有发送和接收数据的功能。当集线器的某个 端口接收到工作站发来的比特时,不进行碰撞 检测,而是简单地把这个比特向所有其他端口 转发。 若两个端口同时有信号输入(即发生碰 撞),那么,所有的端口都收不到正确的帧。 如图5-7所示是具有3个端口的集线器的示意图。

集 线 器 双绞线 适配器 工作站 适配器 工作站 适配器 工作站

图5-7

具有3个端口的集线器

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(4)集线器采用了专门的芯片,进行 自适应串音回波抵消。

3.4.2 以太网的信道利用率
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以太网的信道被占用的情况:即扣除全部控 制信息后的数据率与信道容量之比 争用期长度为 2?,即端到端传播时延的两 倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。 帧长为 L (bit),数据发送速率为 C (b/s),因 而帧的发送时间为 L/C = T0 (s)。

课件制作人:谢希仁

以太网的信道利用率
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一个帧从开始发送,经可能发生的碰撞后,将再 重传数次,到发送成功且信道转为空闲(即再经过 时间 ? 使得信道上无信号在传播)时为止,是发 送一帧所需的平均时间。
发生碰撞 争用期 争用期 2 τ 2 τ … 争用期 占用期 发 送 成 功 τ t

τ 2 T0 发送一帧所需的平均时间
课件制作人:谢希仁

参数 a
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要提高以太网的信道利用率,就必须减小 ? 与 T0 之比。在以太网中定义了参数 a,它是以太 网单程端到端时延 ? 与帧的发送时间 T0 之比:

a?

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? a→0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来, 并立即停止发送,因而信道利用率很高。 ? a 越大,表明争用期所占的比例增大,每发 生一次碰撞就浪费许多信道资源,使得信道 利用率明显降低。

T0

对以太网参数的要求
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当数据率一定时,以太网的连线的长度 受到限制,否则 ? 的数值会太大。 以太网的帧长不能太短,否则 T0 的值会 太小,使 a 值太大。

课件制作人:谢希仁

信道利用率的最大值 Smax
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在理想化的情况下,以太网上的各站发送数据都 不会产生碰撞(这显然已经不是 CSMA/CD,而 是需要使用一种特殊的调度方法),即总线一旦 空闲就有某一个站立即发送数据。

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发送一帧占用线路的时间是 T0 + ?,而帧本身的 发送时间是 T0 。于是我们可计算出理想情况下 的极限信道利用率 Smax为:

S max

T0 1 ? ? T0 ? ? 1 ? a

(3-3)


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