载波监听

在CSMA中，由于通道的传播延迟，当两个站点监听到总线上没有存在信号而发送帧时，仍会发生冲突。由于CSMA算法没有冲突检测功能，即使冲突己发生，仍然要将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。改进方案是使站点在传输时间继续监听媒体，一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串短的阻塞报文(Jam),通知总线上各站冲突己发生，可以提高总线的利用率。

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• • 概述
• • 发展背景
• • 基本定义
• • 应用
• • 具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD
• • 相关词条
• • 参考资料

载波监听-概述

 

 

载波监听

载波监听多路访问CSMA 的技术，也称做无听后说LBT(Listem Before Talk)。要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进行监听，以确定是否有别的站点在传输数据。假如媒体空闲，该站点便可传输数据；否则，该站点将避让一段时间后再做尝试。这就需要有一种退避算法来决定避让的时间，常用的退避算法有非坚持、1－坚持、P－坚持三种。

1、非坚持算法
算法规则为：⑴假如媒本是空闲的，则可以立即发送。⑵假如媒体是忙的，则等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后，再重复前一步骤。采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。非坚持算法的缺点是：即使有几个着眼点为都有数据要发送，但由于大家都在延迟等待过程中，致使媒体仍可能处于空闲状态，使用率降低。

2、1-坚持算法
算法规则：⑴假如媒体空闲的，则可以立即发送。⑵假如媒体是忙的，则继续监听，直至检测到媒体是空闲，立即发送。⑶假如有冲突(在一段时间内未收到肯定的回复)，则等待一随机量的时间，重复步骤⑴～⑵。

这种算法的优点是：只要媒体空闲，站点就立即可发送，避免了媒体利用率的损失；其缺点是：假若有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

3、P-坚持算法
算法规则：⑴监听总线，假如媒体是空闲的，则以P的概率发送，而以(1-P)的概率延迟一个时间单位。一个时间单位通常等于最大传播时延的2倍。⑵延迟一个时间单位后，再重复步骤⑴。⑶假如媒体是忙的，继续监听直至媒体空闲并重复步骤⑴。

P-坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的折中方案。问题在于如何选择P的有值，这要考虑到避免重负载下系统处于的不稳定状态。假如媒体是忙时，有N个站有数据等待发送，一旦当前的发送完成时，将要试图传输的站的总期望数为NP。假如选择P过大，使NP＞1，表明有多个站点试图发送，冲突就不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，而使吞吐量降低到零。所以必须选择适当P值使NP＜1。当然P值选得过小，则媒体利用率又会大大降低。

载波监听-发展背景

 

 

帧的平均传输时延与吞吐量的关系曲线

在总线和环形拓扑中，网络上的设备必须共享传输线路，为解决同一时间几个设备同时争用传输介质，需要有某种访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序，在设备之间交换数据。

在总线系统中，每个站都能独立地决定帧的发送，若两个或多个站同时发送，就产生冲突，同时发送的所有帧都会出错。因此一个用户发送信息成功与否在很大程度上取决于总线是否空闲的算法以及两个不同节点同时发送的分组发生冲突时所使用和中断传输的方法，总线争用技术分为载波监听多路访问(CSMA)和具有冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD)这两大类。载波监听多路访问(CSMA)的技术，也叫做先听后说(LBT)，希望传输的站首先对信道进行监听以确定是否有别的站在传输。如果信道空闲，该站可以传输，否则，该站将避让一段时间后再尝试。需要有一种退避算法来决定退让时间。常用的有三种算法。1、非坚持 CSMA；2、1-坚持CSMA；3、P-坚持CSMA。

通信中对介质的访问可以是随机的，即各工作站可以在任何时刻、任意地访问介质;也可以是受控的，即各工作站可以用一定的算法调整各站访问介质的顺序和时间。在随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMA/CD.

这种控制方式对任何工作站都没有预约发送时间，工作站的发送是随机的，必须在网络上争用传输介质，故称之为争用技术。若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信息，则这些信息会在传输线上互相混淆而遭破坏，称为“冲突”。为尽量避免由于竟争引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听”。

CSMA是从一种叫ALOHA的控制协议演变而来的，之所以要采用这种控制协议，是因为当许多用户共享一个容量为C b/s的信道时，如果两个或更多的用户同时都在共享信道上发送信息，这样就会产生冲突。习惯上把这种冲突叫做碰撞。碰撞的产生会导致冲突的用户发送都告失败。

载波监听-基本定义

 

 

载波监听

载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)：在CSMA中，由于通道的传播延迟，当两个站点监听到总线上没有存在信号而发送帧时，仍会发生冲突。由于CSMA算法没有冲突检测功能，即使冲突己发生，仍然要将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。

一种CSMA的改进方案是使站点在传输时间继续监听媒体，一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串短的阻塞报文(Jam),通知总线上各站冲突己发生，这样通道容量不致因白白传送己受损的帧而浪费，可以提高总线的利用率，这就称作载波监听多路访问/冲突检测协议，简写为CSMA/CD,这种协议己广泛应用于以太网和IEEE802.3标准中。

此时，浪费掉的带宽就减少为用检测冲突所花费的时间。那么，怎么来估算所需的冲突检测时间呢?对于基带总线而言，此时用于检测一个冲突的时间等于任意两个站之间最大的传播延迟的两倍，所以对于基带CSMA/CD，要求分组长度应该至少两倍于传播延迟，否则在检测出冲突之前传输已经完成，但实际上分组被冲突所破坏。

载波监听-应用

 

CSMA/CD是用争用的方法来决定对介质的访问权。而这种争用协议一般用于总线网。载波监听多路访问(CSMA) 发展情况及存在问题：

CSMA/CD总线网络中的一个关键技术问题是冲突控制或冲突分解问题，即由于发送冲突而遭碰撞的报文要经过一段随机延时后重发，典型的冲突控制算法，亦即后退算法有以下五种:二进制指数后退算法BEB、多项式后退算法PB、线性增值后退算法LIB、固定平均后退算法FMB、顺序后退算法OB.

载波监听-具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD

 

 

网络通信原理图

在CSMA中，由于信道传播时延的存在，即使总线上两个站点没有监听到载波信号而发送帧时，仍可能会发生冲突。由于CSMA算法没有冲突检测功能，即使冲突已发和，仍然将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。

一种CSMA的改进方案是使发送站点传输过程中仍继续监听媒体，以检测是否存在冲突。假如发生冲突，信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号的幅度，由此判定出冲突的存在。一于检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上其它各有关站点。这样，通道容量就不致因白白传送已受损的帧而浪费，可以提高总线的利用率。这种方案称做载波监听多路访问/冲突检测协议，简写为CSMA/CD，这种协议已广泛应用于局域网中。

CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。对于基带总线而言，最坏情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两个站之间传播时延的两倍。从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据，也即载波信号从一端传播到另一端所需的时间，称为信号传播时延。信号传播时延(μs)= 两站点的距离(m)/信号传播速度(200m/μs)。假定A、B两个站点位于总线两端，两站点之间的最大传播时延为tp。当A站点发送数据后，经过接近于最大传播时延tp时，B站点正好也发送数据，此时冲突便发生。发生冲突后，B 站点立即可检测到该冲突，而A站点需再经过一份最大传播时延tp后，才能检测出冲突。也即最坏情况下，对于基带CSMA/CD来说，检测出一个冲突的时间等于任意两个站之间最大传播时延的两倍(2tp)。

数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间和为数据传输时延；同理，数据传输时延也表示一个接收站点开始接收数据帧，到该数据帧接收完毕所需的时间。数据传输时延(s)=数据帧长度(bit)/数据传输速率(bps)。若不考虑中继器引入的延迟，数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧被另一个站点全部接收所需的总时间，等于数据传输时延与信号传播时延之和。

由上述分析可知，为了确保发送数据站点在传输时能检测到可能存在的冲突，数据帧的传输时延至少要两倍于传播时延。换句话说，要求分组的长度不短于某个值，否则在检测出冲突之前传输已经结束，但实际上分组已被冲突所破坏。

由于单向传输的原因，对于宽带总线而言，冲突检测时间等于任意两个站之间最大传播时延的4倍。所以，
对于宽带CSMA/CD来说，要求数据帧的传输时延至少4倍于传播时延。

在CSMA/CD算法中，一旦检测到冲突并发完阻塞信号后，为了降低再次冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再使用CSMA方法试图传输。为了保证这种退避操作维持稳定采用了一种称为二进制指数退避和算法，其规则如下：(1)对每个数据帧，当第一次发生冲突时，设置一个参量L=2；(2)退避间隔取1到L个时间片中的一个随机数，1个小时片等于两站之间的最大传播时延的两倍；(3)当数据帧再次发生冲突，由将参量L加倍；(4)设置一个最大重传次数，超过该次数，则不再重传，并报告出错。

二进制指数退避算法是按后进先出LIFO(List In First Out)的次序控制的，即未发生冲突或很少发生冲突的数据帧，具有优先发送的概率；而发生过多次冲突的数据帧，发送成功的概率就更少。

IEEE 802.3就是采用二进制指数退避和1-坚持算法的CSMA/CD媒体访问控制方法。这种方法在低负荷时，如媒体空闲时，要发送数据帧的站点能立即发送；在重负荷时，仍能保证系统的稳定性。由于在媒体上传播的信号会衰减，为确保能检测出冲突信号，CSMA/CD总线网限制一段无分支电缆的最大长度为500米。