2011年軟件水平考試網絡工程師全面復習資料(14)
貳.局域網和城域網
一.CSMA/CD
1. CSMA/CD(帶沖突檢測的載波監聽多路訪問控制)
CSMA/CD是一種常用爭用的方法來決定對媒體訪問權的協議，這種爭用協議只適用于邏輯上屬于總線拓撲結構的網絡。在總線網絡中，每個站點都能獨立地決定幀的發送，若兩個或多個站同時發送幀，就會產生沖突，導致所發送的幀都出錯。因此，一個用戶發送信息成功與否，在很大程度上取決于監測總線是否空閑的算法，以及當兩個不同節點同時發送的分組發生沖突后所使用的中斷傳輸的方法。總線爭用技術可分為載波監聽多路訪問CSMA和具有沖突檢測的載波監聽多路訪問CSMA/CD兩大類。
2. 載波監聽多路訪問CSMA
載波監聽多路訪問CSMA的技術，也稱做無聽后說LBT(Listem Before Talk)。要傳輸數據的站點首先對媒體上有無載波進行監聽，以確定是否有別的站點在傳輸數據。如果媒體空閑，該站點便可傳輸數據;否則，該站點將避讓一段時間后再做嘗試。這就需要有一種退避算法來決定避讓的時間，常用的退避算法有非堅持、1-堅持、P-堅持三種。
a、非堅持算法
算法規則為：
⑴如果媒本是空閑的，則可以立即發送。
⑵如果媒體是忙的，則等待一個由概率分布決定的隨機重發延遲后，再重復前一步驟。
采用隨機的重發延遲時間可以減少沖突發生的可能性。非堅持算法的缺點是：即使有幾個著眼點為都有數據要發送，但由于大家都在延遲等待過程中，致使媒體仍可能處于空閑狀態，使用率降低。
b、1-堅持算法
算法規則：
⑴如果媒體空閑的，則可以立即發送。
⑵如果媒體是忙的，則繼續監聽，直至檢測到媒體是空閑，立即發送。
⑶如果有沖突(在一段時間內未收到肯定的回復)，則等待一隨機量的時間，重復步驟⑴～⑵。
這種算法的優點是：只要媒體空閑，站點就立即可發送，避免了媒體利用率的損失;其缺點是：假若有兩個或兩個以上的站點有數據要發送，沖突就不可避免。
c、P-堅持算法
算法規則：
⑴監聽總線，如果媒體是空閑的，則以P的概率發送，而以(1-P)的概率延遲一個時間單位。一個時間單位通常等于最大傳播時延的2倍。
⑵延遲一個時間單位后，再重復步驟⑴。
⑶如果媒體是忙的，繼續監聽直至媒體空閑并重復步驟⑴。
P-堅持算法是一種既能像非堅持算法那樣減少沖突，又能像1-堅持算法那樣減少媒體空閑時間的折中方案。問題在于如何選擇P的有值，這要考慮到避免重負載下系統處于的不穩定狀態。假如媒體是忙時，有N個站有數據等待發送，一旦當前的發送完成時，將要試圖傳輸的站的總期望數為NP。如果選擇P過大，使NP>1，表明有多個站點試圖發送，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P值使NP<1。當然P值選得過小，則媒體利用率又會大大降低。
3. 具有沖突檢測的載波監聽多路訪問CSMA/CD
在CSMA中，由于信道傳播時延的存在，即使總線上兩個站點沒有監聽到載波信號而發送幀時，仍可能會發生沖突。由于CSMA算法沒有沖突檢測功能，即使沖突已發和，仍然將已破壞的幀發送完，使總線的利用率降低。
一種CSMA的改進方案是使發送站點傳輸過程中仍繼續監聽媒體，以檢測是否存在沖突。如果發生沖突，信道上可以檢測到超過發送站點本身發送的載波信號的幅度，由此判斷出沖突的存在。一于檢測到沖突，就立即停止發送，并向總線上發一串阻塞信號，用以通知總線上其它各有關站點。這樣，通道容量就不致因白白傳送已受損的幀而浪費，可以提高總線的利用率。這種方案稱做載波監聽多路訪問/沖突檢測協議，簡寫為CSMA/CD，這種協議已廣泛應用于局域網中。
CSMA/CD的代價是用于檢測沖突所花費的時間。對于基帶總線而言，最壞情況下用于檢測一個沖突的時間等于任意兩個站之間傳播時延的兩倍。從一個站點開始發送數據到另一個站點開始接收數據，也即載波信號從一端傳播到另一端所需的時間，稱為信號傳播時延。信號傳播時延(μs)=兩站點的距離(m)/信號傳播速度(m/μs)。假定A、B兩個站點位于總線兩端，兩站點之間的最大傳播時延為tp。當A站點發送數據后，經過接近于最大傳播時延tp時，B站點正好也發送數據，此時沖突便發生。發生沖突后，B 站點立即可檢測到該沖突，而A站點需再經過一份最大傳播時延tp后，才能檢測出沖突。也即最壞情況下，對于基帶CSMA/CD來說，檢測出一個沖突的時間等于任意兩個站之間最大傳播時延的兩倍(2tp)。
數據幀從一個站點開始發送，到該數據幀發送完畢所需的時間和為數據傳輸時延;同理，數據傳輸時延也表示一個接收站點開始接收數據幀，到該數據幀接收完畢所需的時間。數據傳輸時延(s)=數據幀長度(bit)/數據傳輸速率(bps)。若不考慮中繼器引入的延遲，數據幀從一個站點開始發送，到該數據幀被另一個站點全部接收所需的總時間，等于數據傳輸時延與信號傳播時延之和。
由于單向傳輸的原因，對于寬帶總線而言，沖突檢測時間等于任意兩個站之間最大傳播時延的4倍。所以，
對于寬帶CSMA/CD來說，要求數據幀的傳輸時延至少4倍于傳播時延。
在CSMA/CD算法中，一旦檢測到沖突并發完阻塞信號后，為了降低再次沖突的概率，需要等待一個隨機時間，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定采用了一種稱為二進制指數退避和算法，其規則如下：
(1)對每個數據幀，當第一次發生沖突時，設置一個參量L=2;
(2)退避間隔取1到L個時間片中的一個隨機數，1個小時片等于兩站之間的最大傳播時延的兩倍;
(3)當數據幀再次發生沖突，由將參量L加倍;
(4)設置一個最大重傳次數，超過該次數，則不再重傳，并報告出錯。
二進制指數退避算法是按后進先出LIFO(List In First Out)的次序控制的，即未發生沖突或很少發生沖突的數據幀，具有優先發送的概率;而發生過多次沖突的數據幀，發送成功的概率就更少。
IEEE 802.3就是采用二進制指數退避和1-堅持算法的CSMA/CD媒體訪問控制方法。這種方法在低負荷時，如媒體空閑時，要發送數據幀的站點能立即發送;在重負荷時，仍能保證系統的穩定性。由于在媒體上傳播的信號會衰減，為確保能檢測出沖突信號，CSMA/CD總線網限制一段無分支電纜的最大長度為500米。
【編輯推薦】
