一文詳解載波監(jiān)聽(tīng)技術(shù)(CSMA算法分析)

基本介紹

在CSMA中，由于通道的傳播延遲，當(dāng)兩個(gè)站點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到總線上沒(méi)有存在信號(hào)而發(fā)送幀時(shí)，仍會(huì)發(fā)生沖突。由于CSMA算法沒(méi)有沖突檢測(cè)功能，即使沖突己發(fā)生，仍然要將已破壞的幀發(fā)送完，使總線的利用率降低。改進(jìn)方案是使站點(diǎn)在傳輸時(shí)間繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)媒體，一旦檢測(cè)到?jīng)_突，就立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)一串短的阻塞報(bào)文(Jam),通知總線上各站沖突己發(fā)生，可以提高總線的利用率。

載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)CSMA的技術(shù)，也稱做先聽(tīng)后說(shuō)LBT(Listen Before Talk）。要傳輸數(shù)據(jù)的站點(diǎn)首先對(duì)媒體上有無(wú)載波進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，以確定是否有別的站點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)。假如媒體空閑，該站點(diǎn)便可傳輸數(shù)據(jù)；否則，該站點(diǎn)將避讓一段時(shí)間后再做嘗試。這就需要有一種退避算法來(lái)決定避讓的時(shí)間，常用的退避算法有非堅(jiān)持、1－堅(jiān)持、P－堅(jiān)持三種。

非堅(jiān)持算法

算法規(guī)則為：⑴假如媒本是空閑的，則可以立即發(fā)送。⑵假如媒體是忙的，則等待一個(gè)由概率分布決定的隨機(jī)重發(fā)延遲后，再重復(fù)前一步驟。采用隨機(jī)的重發(fā)延遲時(shí)間可以減少?zèng)_突發(fā)生的可能性。非堅(jiān)持算法的缺點(diǎn)是：即使有幾個(gè)著眼點(diǎn)為都有數(shù)據(jù)要發(fā)送，但由于大家都在延遲等待過(guò)程中，致使媒體仍可能處于空閑狀態(tài)，使用率降低。

1-堅(jiān)持算法

算法規(guī)則：⑴假如媒體空閑的，則可以立即發(fā)送。⑵假如媒體是忙的，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，直至檢測(cè)到媒體是空閑，立即發(fā)送。⑶假如有沖突(在一段時(shí)間內(nèi)未收到肯定的回復(fù)），則等待一隨機(jī)量的時(shí)間，重復(fù)步驟⑴～⑵。

這種算法的優(yōu)點(diǎn)是：只要媒體空閑，站點(diǎn)就立即可發(fā)送，避免了媒體利用率的損失；其缺點(diǎn)是：假若有兩個(gè)或兩個(gè)以上的站點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，沖突就不可避免。

P-堅(jiān)持算法

算法規(guī)則：⑴監(jiān)聽(tīng)總線，假如媒體是空閑的，則以P的概率發(fā)送，而以（1-P）的概率延遲一個(gè)時(shí)間單位。一個(gè)時(shí)間單位通常等于最大傳播時(shí)延的2倍。⑵延遲一個(gè)時(shí)間單位后，再重復(fù)步驟⑴。⑶假如媒體是忙的，繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)直至媒體空閑并重復(fù)步驟⑴。

P-堅(jiān)持算法是一種既能像非堅(jiān)持算法那樣減少?zèng)_突，又能像1-堅(jiān)持算法那樣減少媒體空閑時(shí)間的折中方案。問(wèn)題在于如何選擇P的有值，這要考慮到避免重負(fù)載下系統(tǒng)處于的不穩(wěn)定狀態(tài)。假如媒體是忙時(shí)，有N個(gè)站有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，一旦當(dāng)前的發(fā)送完成時(shí)，將要試圖傳輸?shù)恼镜目偲谕麛?shù)為NP。假如選擇P過(guò)大，使NP>1，表明有多個(gè)站點(diǎn)試圖發(fā)送，沖突就不可避免。最壞的情況是，隨著沖突概率的不斷增大，而使吞吐量降低到零。所以必須選擇適當(dāng)P值使NP<1。當(dāng)然P值選得過(guò)小，則媒體利用率又會(huì)大大降低。

幀的平均傳輸時(shí)延與吞吐量的關(guān)系曲線

載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）：在CSMA中，由于通道的傳播延遲，當(dāng)兩個(gè)站點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到總線上沒(méi)有存在信號(hào)而發(fā)送幀時(shí)，仍會(huì)發(fā)生沖突。由于CSMA算法沒(méi)有沖突檢測(cè)功能，即使沖突己發(fā)生，仍然要將已破壞的幀發(fā)送完，使總線的利用率降低。一種CSMA的改進(jìn)方案是使站點(diǎn)在傳輸時(shí)間繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)媒體，一旦

網(wǎng)絡(luò)通信原理圖

基本定義

檢測(cè)到?jīng)_突，就立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)一串短的阻塞報(bào)文(Jam），通知總線上各站沖突己發(fā)生，這樣通道容量不致因白白傳送己受損的幀而浪費(fèi)，可以提高總線的利用率，這就稱作載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)協(xié)議，簡(jiǎn)寫(xiě)為CSMA/CD，這種協(xié)議己廣泛應(yīng)用于以太網(wǎng)和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中。

此時(shí)，浪費(fèi)掉的帶寬就減少為用檢測(cè)沖突所花費(fèi)的時(shí)間。那么，怎么來(lái)估算所需的沖突檢測(cè)時(shí)間呢?對(duì)于基帶總線而言，此時(shí)用于檢測(cè)一個(gè)沖突的時(shí)間等于任意兩個(gè)站之間最大的傳播延遲的兩倍，所以對(duì)于基帶CSMA/CD，要求分組長(zhǎng)度應(yīng)該至少兩倍于傳播延遲，否則在檢測(cè)出沖突之前傳輸已經(jīng)完成，但實(shí)際上分組被沖突所破壞。

發(fā)展應(yīng)用

CSMA/CD是用爭(zhēng)用的方法來(lái)決定對(duì)介質(zhì)的訪問(wèn)權(quán)。而這種爭(zhēng)用協(xié)議一般用于總線網(wǎng)。載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA) 發(fā)展情況及存在問(wèn)題：

CSMA/CD總線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是沖突控制或沖突分解問(wèn)題，即由于發(fā)送沖突而遭碰撞的報(bào)文要經(jīng)過(guò)一段隨機(jī)延時(shí)后重發(fā)，典型的沖突控制算法，亦即后退算法有以下五種：二進(jìn)制指數(shù)后退算法BEB、多項(xiàng)式后退算法PB、線性增值后退算法LIB、固定平均后退算法FMB、順序后退算法OB。

沖突檢測(cè)協(xié)議

在CSMA中，由于信道傳播時(shí)延的存在，即使總線上兩個(gè)站點(diǎn)沒(méi)有監(jiān)聽(tīng)到載波信號(hào)而發(fā)送幀時(shí)，仍可能會(huì)發(fā)生沖突。由于CSMA算法沒(méi)有沖突檢測(cè)功能，即使沖突已發(fā)生，仍然將已破壞的幀發(fā)送完，使總線的利用率降低。

一種CSMA的改進(jìn)方案是使發(fā)送站點(diǎn)傳輸過(guò)程中仍繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)媒體，以檢測(cè)是否存在沖突。假如發(fā)生沖突，信道上可以檢測(cè)到超過(guò)發(fā)送站點(diǎn)本身發(fā)送的載波信號(hào)的幅度，由此判定出沖突的存在。一于檢測(cè)到?jīng)_突，就立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)一串阻塞信號(hào)，用以通知總線上其它各有關(guān)站點(diǎn)。這樣，通道容量就不致因白白傳送已受損的幀而浪費(fèi)，可以提高總線的利用率。這種方案稱做載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)協(xié)議，簡(jiǎn)寫(xiě)為CSMA/CD，這種協(xié)議已廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)中。

CSMA/CD的代價(jià)是用于檢測(cè)沖突所花費(fèi)的時(shí)間。對(duì)于基帶總線而言，最壞情況下用于檢測(cè)一個(gè)沖突的時(shí)間等于任意兩個(gè)站之間傳播時(shí)延的兩倍。從一個(gè)站點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個(gè)站點(diǎn)開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，也即載波信號(hào)從一端傳播到另一端所需的時(shí)間，稱為信號(hào)傳播時(shí)延。信號(hào)傳播時(shí)延（μs)=兩站點(diǎn)的距離（m)/信號(hào)傳播速度（200m/μs）。假定A、B兩個(gè)站點(diǎn)位于總線兩端，兩站點(diǎn)之間的最大傳播時(shí)延為tp。當(dāng)A站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)接近于最大傳播時(shí)延tp時(shí)，B站點(diǎn)正好也發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)沖突便發(fā)生。發(fā)生沖突后，B 站點(diǎn)立即可檢測(cè)到該沖突，而A站點(diǎn)需再經(jīng)過(guò)一份最大傳播時(shí)延tp后，才能檢測(cè)出沖突。也即最壞情況下，對(duì)于基帶CSMA/CD來(lái)說(shuō)，檢測(cè)出一個(gè)沖突的時(shí)間等于任意兩個(gè)站之間最大傳播時(shí)延的兩倍（2tp）。

數(shù)據(jù)幀從一個(gè)站點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送，到該數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢所需的時(shí)間和為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；同理，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延也表示一個(gè)接收站點(diǎn)開(kāi)始接收數(shù)據(jù)幀，到該數(shù)據(jù)幀接收完畢所需的時(shí)間。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延（s)=數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度(bit)/數(shù)據(jù)傳輸速率（bps）。若不考慮中繼器引入的延遲，數(shù)據(jù)幀從一個(gè)站點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送，到該數(shù)據(jù)幀被另一個(gè)站點(diǎn)全部接收所需的總時(shí)間，等于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延與信號(hào)傳播時(shí)延之和。

由上述分析可知，為了確保發(fā)送數(shù)據(jù)站點(diǎn)在傳輸時(shí)能檢測(cè)到可能存在的沖突，數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)延至少要兩倍于傳播時(shí)延。換句話說(shuō)，要求分組的長(zhǎng)度不短于某個(gè)值，否則在檢測(cè)出沖突之前傳輸已經(jīng)結(jié)束，但實(shí)際上分組已被沖突所破壞。

由于單向傳輸?shù)脑?，?duì)于寬帶總線而言，沖突檢測(cè)時(shí)間等于任意兩個(gè)站之間最大傳播時(shí)延的4倍。所以，

對(duì)于寬帶CSMA/CD來(lái)說(shuō)，要求數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)延至少4倍于傳播時(shí)延。

在CSMA/CD算法中，一旦檢測(cè)到?jīng)_突并發(fā)完阻塞信號(hào)后，為了降低再次沖突的概率，需要等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，然后再使用CSMA方法試圖傳輸。為了保證這種退避操作維持穩(wěn)定采用了一種稱為二進(jìn)制指數(shù)退避和算法，其規(guī)則如下：⑴對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)幀，當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時(shí)，設(shè)置一個(gè)參量L=2；⑵退避間隔取1到L個(gè)時(shí)間片中的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，1個(gè)小時(shí)片等于兩站之間的最大傳播時(shí)延的兩倍；⑶當(dāng)數(shù)據(jù)幀再次發(fā)生沖突，由將參量L加倍；⑷設(shè)置一個(gè)最大重傳次數(shù)，超過(guò)該次數(shù)，則不再重傳，并報(bào)告出錯(cuò)。

二進(jìn)制指數(shù)退避算法是按后進(jìn)先出LIFO(List In First Out）的次序控制的，即未發(fā)生沖突或很少發(fā)生沖突的數(shù)據(jù)幀，具有優(yōu)先發(fā)送的概率；而發(fā)生過(guò)多次沖突的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送成功的概率就更少。

IEEE 802.3就是采用二進(jìn)制指數(shù)退避和1-堅(jiān)持算法的CSMA/CD媒體訪問(wèn)控制方法。這種方法在低負(fù)荷時(shí)，如媒體空閑時(shí)，要發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站點(diǎn)能立即發(fā)送；在重負(fù)荷時(shí)，仍能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于在媒體上傳播的信號(hào)會(huì)衰減，為確保能檢測(cè)出沖突信號(hào)，CSMA/CD總線網(wǎng)限制一段無(wú)分支電纜的最大長(zhǎng)度為500米。