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CSMA/CD 协议

以太网采取的 2 种重要措施

CSMA/CD 协议的要点

CSMA/CD 协议工作流程

碰撞后重传的时机

CSMA/CD 协议的要点

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CSMA/CD 协议

最早的以太网：将许多计算机都连接到一根总线上。

总线特点：易于实现广播通信，简单，可靠。

为了实现一对一通信，将接收站的硬件地址写入帧首部中的目的地址字段中。仅当数据帧中的目的地址与适配器硬件地址一致时，才能接收这个数据帧。

总线缺点：多个站点同时发送时，会产生发送碰撞或冲突，导致发送失败。

以太网采取的 2 种重要措施

(1) 采用较为灵活的无连接的工作方式。

        不必先建立连接就可以直接发送数据。 对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认

(2) 发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester) 编码。

曼彻斯特编码缺点：所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

CSMA/CD 协议的要点

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ：载波监听多点接入 / 碰撞检测。

·多点接入：说明这是总线型网络。许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

·载波监听：即“边发送边监听”。不管在想要发送数据之前，还是在发送数据之中，每个站都必须不停地检测信道。

·碰撞检测：适配器边发送数据，边检测信道上的信号电压的变化情况。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（或冲突）。

检测到碰撞后：

        ·适配器立即停止发送。

        ·等待一段随机时间后再次发送。

CSMA/CD 协议工作流程

为什么要进行碰撞检测？

因为信号传播时延对载波监听产生了影响。

A 需要单程传播时延的 2 倍的时间，才能检测到与 B 的发送产生了冲突。

可见：每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。

·争用期

        ·以太网的端到端往返时延  称为争用期，或碰撞窗口。

        ·具体的争用期时间 = 51.2 μs。

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。

碰撞后重传的时机

`采用截断二进制指数退避 (truncated binary exponential backoff) 确定。

`发生碰撞的站停止发送数据后，要退避一个随机时间后再发送数据。

        1. 基本退避时间 = 。

        2.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 =  r ⅹ 基本退避时间。

        3.参数 k = Min[重传次数, 10]。

        4.当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

举例：

第 1 次冲突重传时：    

        k = 1，r  为 {0，1} 集合中的任何一个数。

第 2 次冲突重传时：    

        k = 2，r  为 {0，1，2，3} 集合中的任何一个数。

第 3 次冲突重传时：    

        k = 3，r  为 {0，1，2，3，4，5，6，7} 集合中的任何一个数。

.......

若连续多次发生冲突，表明可能有较多的站参与争用信道。 上述退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大（称为动态退避），因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。

10 Mbit/s 以太网争用期的长度

·争用期的长度 = 51.2 μs。

·对于 10 Mbit/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节。

这意味着：

·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。

·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，应当立即将其丢弃。

以太网的最大端到端长度

以太网最大端到端单程时延必须小于争用期的一半 (即 25.6 μs)，相当于以太网的最大端到端长度约为 5 km。

强化碰撞：人为干扰信号

·发送站检测到冲突后，立即停止发送数据帧，接着就发送 32 或 48 比特的人为干扰信号 (jamming signal) 。

·以太网还规定了帧间最小间隔为 9.6 μs。

CSMA/CD 协议的要点

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