CSMA/CD介质访问控制方法在计算机网络技术中的应用

2023-10-19 理论教育版权反馈

【摘要】：CSMA/CD，即载波监听多路访问/冲突检测，是一种常用的局域网介质访问控制方法，属于争用型访问方式，是以太网的核心技术，适合总线型的拓扑结构。CSMA/CD 协议在检测传输介质忙或闲的状态时，是采用将信号发送到传输介质上并判断其波形从而得出结论。图4.3CSMA/CD 协议工作过程为了在CSMA/CD 协议中更好地解决冲突现象，需要明确冲突产生的时刻与信号传播距离的关系。CSMA/CD 协议使用截断二进制指数退避算法来确定碰撞后重传的时机。

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detected），即载波监听多路访问/冲突检测，是一种常用的局域网介质访问控制方法，属于争用型访问方式，是以太网的核心技术，适合总线型的拓扑结构。所谓载波侦听，是指网络上各个结点发送数据前都要检测传输介质上是否有数据传输。若有数据传输，则不发送数据；若无数据传输，立即发送准备好的数据。多路访问的意思是网络上所有结点都使用同一条总线收发数据，且发送数据是广播式的。冲突也称为碰撞，即若有两个或两个以上的结点同时在传输介质上发送数据，信号就会产生叠加，从而发生信号的混合，使得任何站点都不能辨别出真正的数据。为了避免冲突的发生，结点在发送数据的过程中还要不停地检测自己所发送的数据，是否在传输的过程中与其他结点的数据发生冲突，即冲突检测。

CSMA/CD 的工作原理可以概括为：发送端发送数据时，首先检测传输介质的空闲情况，若传输介质空闲，则可发送数据，且一边发送数据一边检测冲突；若传输介质忙，则等待一段随机时间继续尝试发送数据；若检测到有冲突发生，则即刻终止发送数据。结点检测冲突发生的具体方法为：将发送结点发出的信号波形与从总线上接收的信号波形进行比较，若总线上同时出现两个或多个发送信号，则它们重叠的结果波形与原结点发送的波形不同，说明冲突已经产生。若从总线上接收到的信号波形与原结点发送的波形相同，则说明冲突未产生。CSMA/CD协议的工作过程如图4.3所示。

CSMA/CD 协议在检测传输介质忙或闲的状态时，是采用将信号发送到传输介质上并判断其波形从而得出结论。实际上，由于电磁波在总线上总是以有限的速率传播，而发送端和接收端总是有一定的距离相隔，这便会出现——结点收到检测信号后已经判断该信道为“空闲”而实际信道可能处于“忙”的状态——判断结果与实际信道状态不符合。这种情况与开讨论会是类似的，在多人讨论会中，发言规则一般是，只要会场安静，就立即发言；即使如此，也还是会偶尔发生几个人同时抢着发言而产生冲突的情况。

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图4.3　CSMA/CD 协议工作过程

为了在CSMA/CD 协议中更好地解决冲突现象，需要明确冲突产生的时刻与信号传播距离的关系。由于信号传播的速率是确定的，因此信号传播距离与传播时间具有同等讨论价值。为了讨论方便，这里统一以时间作为讨论标准。假设在局域网的数据传输过程中，收发两端相距1 km，用同轴电缆相连，电磁波在1 km 电缆的传播时延约为5 μs。因此，A 向B 发送的数据在约5 μs 后才能传送到B。若B 在这段时间内发送自己的数据（由于B 未检测到有数据传送），则必然会在某个时间与A 发送的数据相碰撞，碰撞的结果使得两个数据都变得无用。在局域网的分析中，常将总线上的单程端到端传播时延记为τ，发送端发送数据后，最迟要经过多长时间才能知道自己发送的数据和其他站发送的数据有没有发生碰撞呢？从图4.4 不难看出，这个时间最多是两倍的总线端到端的传播时延2τ，或总线端到端往返传播时延。由于局域网上任意两个站点之间的传播时延有长有短，因此局域网必须按照最坏情况设计，即取总线两端的两个站点之间（这两个站点之间距离最大）的传播时延为端到端传播时延。传播时延对载波监听的影响如图4.4所示。

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图4.4　传播时延对载波监听的影响

下面是图4.4 中一些重要的时刻：

在t=0 时，A 发送数据，B 检测到信道为空闲。

在t=τ-δ 时（这里τ-δ ＞0，δ/2 为B 开始发送数据到发生碰撞的时间），A 发送的数据还没有到达B，由于B 检测到信道空闲，因此B 发送数据。

经过时间δ/2 后，即在时，数据发生碰撞，但A 和B 都不知道发生了碰撞。

在t=τ 时，B 检测到发生了碰撞，于是停止发送数据。

在t=2τ-δ 时，A 也检测到发生了碰撞，因此也停止发送数据。

由此可见，每个站点在发送出数据后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这一小段时间是不确定的，它取决于另一个发送数据的站点到本站的距离，这种特性称为发送的不确定性。考虑最坏情况（δ→0）下，即发送端最多经过2τ 的时间后，就可以知道所发送的数据是否遭受了碰撞，这个时间称为端到端的往返时间，也称为争用期，又称为碰撞窗口。一个站点发送完数据后，只有通过争用期的“考验”，即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，才能放心地将一帧数据顺利发送完毕。

接收数据时，当网上的结点发现有数据到来，则接收，得到数据帧；再分析和判断该数据帧的接收地址是否为本结点地址；如果是，则复制接收该帧；否则，丢弃该帧。由于这种方式的数据发送具有广播性的特点，因此对于具有组地址或广播地址的数据帧，可以同时被多个结点复制和接收。(www.chuimin.cn)

【例4.2】一个运行CSMA/CD 协议的以太网，数据速率为1 Gbit/s，网段长为1 km，信号传输速率为200 000 km/s，则此以太网的最短有效帧长是多少？

【解析】根据CSMA/CD 的工作原理，最短有效帧长即在端到端往返时间内（即争用期2τ）所传出的二进制位数。故有如下计算方式：

最短有效帧长=2 ×（网段长度/信号传输速率）×数据速率

=2 ×(1/200 000)×1 Gbit=10 000 bit

如前所述，当发送方检测到冲突，便立即停止发送数据，等待一段随机时间后，继续尝试是否能够成功发送数据。这个等待的时间如何确定呢？CSMA/CD 协议使用截断二进制指数退避算法来确定碰撞后重传的时机。这种算法让发生碰撞的站点在停止发送数据后，不是等待信道空闲就立即发送数据，而是推迟（也称为“退避”）一个随机的时间。因为如果几个发生碰撞的站点都在监听信道，那么都会同时发现信道变成了空闲。如果大家都同时再发送数据，那么肯定又发生碰撞了。

具体的截断二进制指数退避算法可描述如下：

①协议规定了基本的退避时间为争用期2τ，具体的争用期时间为51.2 μs。对于10 Mbit/s的以太网，争用期内可发送512 bit 的数据，即64 B。

②从离散的整数集合[0，1，…，（2k -1）]中随机取出一个数，记为r。重传应推后的时间就是r 倍的争用期。参数k 按如下的公式计算：

k=Min[重传次数，10]

可见，当重传次数不超过10 时，参数k 等于重传次数；当重传次数超过10 时，k 就不再增大而一直等于10。

③当重传达到16 次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。

例如，在第一次重传时，k=1，随机数r 从整数{0，1}中选一个数。因此，重传的站点选择的重传推迟时间是“0”或“2τ”。

若再发生碰撞，则在第二次重传时，k=2，随机数r 从整数{0，1，2，3}中选一个数。因此，重传的推迟时间是在0，2τ，4τ，6τ 这四个时间中随机选取一个。

若连续多次发生冲突，则表明可能有多个站点参与争用信道。使用退避算法可使重传推迟的平均时间随重传次数而增大，从而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。

由上述过程可知，在采用CSMA/CD 协议的局域网中，如果在争用期（共发送了64 个字节）没有发生碰撞，则后续发送的数据就一定不会发生冲突。若发生冲突，就一定在发送的前64 个字节之内。由于检测到冲突就立即终止发送，这时已经发送的数据一定小于64 个字节，因此，凡是长度小于64 个字节的数据帧都是由于冲突而异常终止的无效帧，接收端对这种帧应该立即将其丢弃。

CSMA/CD介质访问控制方法在计算机网络技术中的应用

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