3.6.3 媒体接入控制 —— 动态接入控制 —— 随机接入 —— CSMA_CD.pdf

1. 背景

对于使用广播信道的总线型以太网，就会出现各种 碰撞（冲突）现象。
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2. 基本概念

媒体接入控制-动态接入控制-随机接入方式：
CSMA/CD 协议
（载波监听多址接入/碰撞检测）
（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）
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（1）多址接入（MA）：多个站连接在一条总线上，竞争使用
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（2）载波监听（CS）：每一个站在发送帧之前先要检测一下总线上是否有其他站点在发送帧（“先听后说”）

  • 若检测到 总线空闲 96 比特时间，则发送这个帧
  • 若检测到总线忙，则继续检测并等待总线转为 空闲 96 比特时间，然后发送这个帧。

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（3）碰撞检测（CD）：每一个正在发送帧的站边发送 边检测碰撞（“边说边听”）
一旦发现总线，上出现碰撞，则立即停止发送，退避一段随机时间后再次发送(“一旦冲突，立即停说，等待时机，重新再说” ）。
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（4）强化碰撞
以太网还采取一种叫做 强化碰撞 的措施。当发送帧的站点一旦检测到碰撞，除了 立即停止发送帧 外，还要再继续发送32比特或48比特的 人为干扰信号(Jamming Signal) ，以便有 足够多的碰撞信号 使所有站点 都能检测出碰撞。

3. 争用期（碰撞窗口）

注意：

  • τ：以太网单程端到端传播时延。
  • δ：B站发送数据 到 B站检测到碰撞 所经历的一段时间。
  • t：纵轴向下，时间的正向进行。
  • 电磁波在 1km1km 电缆传播时延约等于5μs.

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  • 主机 最多 经过 2\tau2τ（即δ→0）的时长就可检测到本次发送是否遭受了碰撞
  • 因此，以太网的端到端往返传播时延 2\tau2τ 称为 争用期 或 碰撞窗口
  • 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
  • 每一个主机在自己发送帧之后的一小段时间内，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帧的主机到本主机的距离，但不会超过总线的端到端往返传播时延，即一个争用期时间。

  • 显然，在以太网中发送帧的主机越多，端到端往返传播时延越大，发生碰撞的概率就越大。因此，共享式以太网不能连接太多的主机，使用的总线也不能太长。
    10Mb/s以太网把争用期定为 512 比特发送时间，即 51 .2μs,因此其总线长度不能超过 5120m，但考虑到其他一些因素，如信号衰减等，以太网规定总线长度不能超过 2500m。

    4. 最小帧长

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    A站 发送一个帧 完毕后，不再针对该帧进行碰撞检测，不知道已发送完毕的帧是否遭遇碰撞，不进行重传。而这时候C站 检测到信道空闲时间 96 bit，发送帧，将 产生碰撞。显然，以太网的帧长不能太短！

  • 以太网规定最小帧长为64字节，即512比特（512比特时间即为争用期）

    • 如果要发送的数据非常少，那么必须加入一些填充字节,使帧长不小于64字节。
  • 以太网的 最小帧长确保了主机可在帧发送完成之前就检测到该帧的发送过程中是否遭遇了碰撞
    • 如果在争用期（共发送64字节）没有检测到碰撞,那么后续发送的数据就一定不会发生碰撞;
    • 如果在争用期内检测到碰撞，就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节，因此 凡长度小于64字节的帧都是由于碰撞而异常中止的无效帧。

最小帧长计算公式
最小帧长 = 争用期 * 数据传输速率

5. 最大帧长

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6. 截断二进制指数退避算法

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7. 信道利用率

（1）一般信道利用率

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（2）极限信道利用率

发送一帧所用时间为 T_0+\tauT0+τ，帧本身发送时间为 T_0T0，则信道利用率计算公式如下
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8. 小结：

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9. 测试题

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解析

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CSMA/CD协议曾经用于各种总线结构以太网和双绞线以太网的早期版本中。现在的以太网基于交换机和全双工连接，不会有碰撞，因此没有必要使用CSMA/CD协议。