CSMA/CD协议

目录

一、最早的以太网——总线网

 二、以太网采取的 2 种重要措施

三、CSMA/CD协议的要点

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一、最早的以太网——总线网

1.最早的以太网：将许多计算机都连接到一根总线上。

2.总线特点：易于实现广播通信，简单，可靠。

3.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。 

4.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。

 二、以太网采取的 2 种重要措施

为了通信的简便，以太网采取了以下两种措施：

1. 采用较为灵活的无连接的工作方式。

（1）不必先建立连接就可以直接发送数据。

（2）对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。

注：这样做可以使以太网工作起来非常简单，而局域网信道的质量很好，因通信质量不好产生差错的概率是很小的。因此，以太网提供的服务是尽最大努力的交付，即不可靠的交付。

2.当目的站收到有差错的数据帧时（例如：用CRC查出有差错），就把帧丢弃，其他什么也不做。对有差错帧是否需要重传则由高层来决定。例如，如果高层使用TCP协议，那么TCP就会发现丢失了一些数据。于是经过一定的时间后，TCP就把这些数据重新传递给以太网进行重传。但以太网并不知道这是重传帧，而是当做新的数据帧来发送。

 3.同一时间只能允许一台计算机发送数据。以太网采用最简单的随机接入来协调总线上各计算机的工作，但有很好的协议用来减少冲突发生的概率，以太网使用的协议是CSMA/CD。

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。 

三、CSMA/CD协议的要点

1、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。协议的实质是“载波监听”和“碰撞检测”。

2、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。在发送前检测信道，是为了避免冲突。如果检测出已经有其他站在发送，则本站就暂时不要发送数据。在发送中检测信道，是为了及时发现如果有其他站也在发送，就立即中断本站的发送。这就称为碰撞检测。

3、碰撞检测（冲突检测）：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）。

注：在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。因此，任何一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，其适配器就要立即停止发送。 等待一段随机时间后再次发送。

 CSMA/CD 协议工作流程

（1）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，设图中的局域网两端的站A和B相距1km，用同轴电缆相连。电磁波在1km电缆的传播时延约为。因此，A向B发出的数据，在约后才能传到B。换言之，B若在A发送的数据到达B之前发送自己的帧（因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息），则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。

（2）在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收（但必须边发送边监听信道）。因此使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。

（3）发送的不确定性

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。这一小段时间是不确定的，它取决于另一个发送数据的站到本站的距离。因此，以太网不能保证在检测到信道空闲后的某一时间内，一定能够把自己的数据帧成功的发送出去（因为存在产生碰撞的可能）。

 ：总线上的单程端到端传播时延

 如图，A 至多需要单程传播时延的 2 倍的时间（2），才能检测到与 B 的发送产生了冲突。

（4）争用期：以太网的端到端往返时延 2  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。

（5）碰撞后重传的时机

以太网采用截断二进制指数退避 (truncated binary exponential backoff) 算法确定碰撞后重传的时机。 这种算法让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。

为了尽可能减少重传时再次发生冲突的概率，退避算法有如下具体的规定：

1、基本退避时间 = 2， 具体的争用期时间 = 51.2 μs。

2、从整数集合 [0, 1, … , ( - 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。 参数 k = Min[重传次数, 10]，可见当重传次数不超过10时，参数k等于重传次数；但当重传次数超过10时，k就不再增大而一直等于10。

3、当重传达 16 次仍不能成功时（这表明同时打算发送数据的站太多，以致连续发生冲突），则丢弃该帧，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。

（6）10 Mbit/s 以太网争用期的长度

争用期的长度 = 51.2 μs 。对于10Mbit/s以太网，在争用期内可发送512比特，即64字节。也可以说争用期是512比特时间。1比特时间就是发送1比特所需的时间。

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。

（7）以太网的最大端到端长度

信号在以太网上传播1km大约需要5μs 。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。

（8）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) ，以便让所有用户都知道发生了碰撞。 以太网还规定了帧间最小间隔为 9.6 μs。

 如上图所示，A站从发送数据开始到发现碰撞并停止发送的时间间隔是。A站得知碰撞已经发生时所发送的强化碰撞的干扰信号的持续时间是。图中的B站在得知发生碰撞后，也要发送人为干扰信号，但为简单起见，图中并未画出。发生碰撞使A浪费时间。可是整个信道被占用的时间还要增加一个单程端到端的传播时延。因此总线被占用的时间是。 以太网规定了帧间最小间隔为 9.6 μs。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

（9）CSMA/CD 协议的要点归纳