【正文】 堅(jiān)持退避算法 （ 1） 不堅(jiān)持 CSMA ： （ A） 假如介質(zhì)空閑 ， 則發(fā)送； （ B） 假如介質(zhì)忙則等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后 ， 重復(fù)第一步 。 采用隨機(jī)的重發(fā)延遲時(shí)間，可以減少沖突發(fā)生的可能性。不堅(jiān)持算法的缺點(diǎn)是：即使有幾個(gè)站點(diǎn)都有數(shù)據(jù)要發(fā)送，但由于大家都在延遲等待過程中，致使介質(zhì)仍可能處于空閑狀態(tài)，使用率降低。 1堅(jiān)持 CSMA： （ 1）假如介質(zhì)空閑，則發(fā)送；（ 2） 假如介質(zhì)忙繼續(xù)監(jiān)聽，直至介質(zhì)空閑，立即發(fā)送；（ 3）假如沖突發(fā)生，則等待一段隨機(jī)時(shí)間，重復(fù)（ 1）。 這種算法的優(yōu)點(diǎn)是：只要介質(zhì)空閑，站點(diǎn)就立即發(fā)送，避免了介質(zhì)利用率的損失；其缺點(diǎn)是：假若有兩個(gè)或兩個(gè)以上的站點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，沖突就不可避免。 P－堅(jiān)持 CSMA： （ 1）假如介質(zhì)空閑，以概率 P 發(fā)送，而以（ 1－ P）的概率延遲一個(gè)時(shí)間單位 。一個(gè)時(shí)間單位通常等于最大傳播時(shí)延的 2倍。 （ 2）延遲一個(gè)時(shí)間單位后，再重復(fù)步驟（ 1） 。 （ 3）發(fā)現(xiàn)信道忙則持續(xù)等待，直至信道空閑，再以概率 P 發(fā)送數(shù)據(jù) 。 “P堅(jiān)持算法 ” 是一種既能像 “ 不堅(jiān)持算法 ” 那樣減少沖突，又能像 “ 1堅(jiān)持算法 ” 那樣減少媒體空閑時(shí)間的折中方案。問題在于如何選擇 P 的值，這要考慮到避免重負(fù)載下系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。假如介質(zhì)忙時(shí)，有 N 個(gè)站點(diǎn)有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，一旦當(dāng)前的發(fā)送完成時(shí)，將要試圖傳輸?shù)恼究偲谕麛?shù)為 NP。如果選擇 P 過大，使 NP＞ 1，表明有多個(gè)站點(diǎn)試圖發(fā)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(dāng) P 值使 NP＜ 1。當(dāng)然 P 值選得過小，則媒體利用率又會大大降低。 圖 CSMA 堅(jiān)持和退避 在 CSMA 中，由于信道傳播時(shí)延的存在，即使總線上兩個(gè)站點(diǎn)沒有監(jiān)聽到載波信號而發(fā)送幀時(shí)，仍可能會發(fā)生沖突。由于 CSMA 算法沒有沖突檢測功能，即使沖突已發(fā)生，仍然要將已破壞的幀發(fā)送完，使總線的利用率降低。 一種 CSMA 的改進(jìn)方案是使發(fā)送站點(diǎn)傳輸過程中仍繼續(xù)監(jiān)聽媒體，以檢測是否存在沖突。一旦檢測到?jīng)_突，就立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)送一串阻塞信號，用以通知總線上其它各有關(guān)站點(diǎn)。這樣，通道容量就不致白白傳送已受損的幀，可以提高總線的利用率。這種方案稱做 載波監(jiān)聽多路訪問 /沖突檢測協(xié)議 ，簡寫為 CSMA/CD，這種協(xié)議已廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)中。 載波監(jiān)聽多路訪問 /沖突檢測 CSMA/CD 的代價(jià)是用于檢測沖突所花費(fèi)的時(shí)間。對于基帶總線而言，最壞情況下用于檢測一個(gè)沖突的時(shí)間等于任意兩個(gè)站點(diǎn)之間傳播時(shí)延的兩倍。從一個(gè)站點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個(gè)站點(diǎn)開始接收數(shù)據(jù)，也即載波信號從一端傳播到另一端所需的時(shí)間，稱為信號傳播時(shí)延。 信號傳播時(shí)延 = 兩站點(diǎn)的距離 /信號傳播速度 如圖所示，假定 A、 B 兩個(gè)站點(diǎn)位于總線兩端，兩站點(diǎn)之間的最大傳播時(shí)延為 tp。當(dāng) A 站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)后，經(jīng)過接近于最大傳播時(shí)延 tp時(shí)， B 站點(diǎn)正好也發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)沖突便發(fā)生。發(fā)生沖突后， B 站點(diǎn)立即可檢測到該沖突，而 A站點(diǎn)需再經(jīng)過一段最大傳播時(shí)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(gè)沖突的時(shí)間等于任意兩個(gè)站點(diǎn)之間最大傳播時(shí)延的兩倍 (2tp)。由于單向傳輸?shù)脑?，對于寬帶總線而言，沖突檢測時(shí)間等于任意兩個(gè)站點(diǎn)之間最大傳播時(shí)延的 4 倍。 退避算法 在 CSMA/CD 算法中，一旦檢測到?jīng)_突并發(fā)完阻塞信號后，為了降低再次沖突的概率，需要等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)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(wěn)定，采用了一種稱為二進(jìn)制指數(shù)退避的算法，其規(guī)則如下： (1)對每個(gè)數(shù)據(jù)幀，當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時(shí)，設(shè)置一個(gè)參量 L=2； (2)退避間隔取 1 到 L 個(gè)時(shí)間片中的一個(gè)隨機(jī)數(shù)， 1個(gè)時(shí)間片等于兩站之間的最大傳播時(shí)延的兩倍； (3)當(dāng)數(shù)據(jù)幀再次發(fā)生沖突，則將參量 L 加倍； (4)設(shè)置一個(gè)最大重傳次數(shù)，超過該次數(shù)，則不再重傳，并報(bào)告出錯。 二進(jìn)制指數(shù)退避算法是按后進(jìn)先出的次序控制的，即未發(fā)生沖突或很少發(fā)生沖突的數(shù)據(jù)幀，具有優(yōu)先發(fā)送的概率；而發(fā)生過多次沖突的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送成功的概率就更少。 CSMA/CD 操作的流程圖 媒體忙？ 發(fā)送幀 碰撞？ 發(fā)送完？ 發(fā)送 Jam N≥16? Yes No No Yes 發(fā)送成功 Yes 發(fā)送失敗 No 延遲隨機(jī)時(shí)間 No Yes 發(fā)送 碰撞次數(shù) N+1 Enther(以太網(wǎng) ) 就是采用二進(jìn)制指數(shù)退避和 ” 1堅(jiān)持算法 ” 的 CSMA/CD 介質(zhì)訪問控制方法。這種方法在低負(fù)荷時(shí) (如介質(zhì)空閑 )，要發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站點(diǎn)能立即發(fā)送；在重負(fù)荷時(shí)，仍能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 IEEE 介質(zhì)訪問控制協(xié)議 MAC 幀格式 : IEEE MAC 幀中包括前導(dǎo)碼 P、幀起始定界符 SFD、目的地址 DA、源地址 SA、表示數(shù)據(jù)字段字節(jié)數(shù)長度的字段LEN 、要發(fā)送的數(shù)據(jù)字段、填充字段 PAD 和幀校驗(yàn)序列 FCS等 8個(gè)字段。這 8個(gè)字段中除了數(shù)據(jù)字段和填充字段外，其余的長度都是固定的。 7 1 6 6 2 01500 046 4 前導(dǎo)碼 P SFD DA SA LEN 數(shù)據(jù) PAD FCS SFD：幀起始定界符 LEN：幀長度字段 DA： 目的地址 SA ：源地址 PAD：填充字符 FCS ：幀校驗(yàn)序列 前導(dǎo)碼字段 P 占 7 個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)的比特模式為 “ 10101010”，用于實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的時(shí)鐘同步。幀起始定界符字段 SFD 占 1個(gè)字節(jié)，其比特模式為“ 10101011”，它緊跟在前導(dǎo)碼后，用于指示一幀的開始。前導(dǎo)碼的作用是使接收端能根據(jù) “ 1”、 “ 0” 交變的比特模式迅速實(shí)現(xiàn)比特同步，當(dāng)檢測到連續(xù)兩位 “ 1”(即讀到幀起始定界符字段 SFD 最末兩位 )時(shí)，便將后續(xù)的信息遞交給 MAC 子層。 地址字段 :包括目的地址字段 DA和源地址字段 SA。目的地址字段占 2個(gè)或 6個(gè)字節(jié) ,用于標(biāo)識接收站點(diǎn)的地址 ,它可以是單個(gè)的地址 ,也可以是組地址或廣播地址。 DA字段最高位為 0表示單個(gè)地址 ,該地址僅指定網(wǎng)絡(luò)上某個(gè)特定站點(diǎn) 。DA字段最高位為其余位不為全 1表示組地址 ,該地址指定網(wǎng)絡(luò)上給定的多個(gè)站點(diǎn) 。DA字段為全 1,則表示廣播地址 ,該地址指定網(wǎng)絡(luò)上所有的站點(diǎn)。源地址字段也占 2個(gè)或 6個(gè)字節(jié) ,但其長度必須與目的地址字段的長度相同 ,它用于標(biāo)識發(fā)送站點(diǎn)的地址。在 6字節(jié)地址字段中 ,可以利用其 48位中的次高位來區(qū)分是局部地址還是全局地址。局部地址是由網(wǎng)絡(luò)管理員分配 ,且只在本網(wǎng)中有效的地址 。全局地址則是由 IEEE統(tǒng)一分配的 ,采用全局地址的網(wǎng)卡出廠時(shí)被賦予惟一的 IEEE地址 ,使用這種網(wǎng)卡的站點(diǎn)也就具有了全球獨(dú)一無二的物理地址。 為使 CSMA/CD協(xié)議正常操作 ,需要維持一個(gè)最短幀長度 ,必要時(shí)可在數(shù)據(jù)字段之后、幀校驗(yàn)序列 FCS之前以字節(jié)為單位添加填充字符。這是因?yàn)檎诎l(fā)送時(shí)產(chǎn)生沖突而中斷的幀都是很短的幀 ,為了能方便地區(qū)分出這些無效幀 , MAC幀的 最短幀長 。對于 1OMbps的基帶 CSMA/CD網(wǎng) ,MAC幀的總長度為 641500字節(jié)。由于除了數(shù)據(jù)字段和填充字段外 ,其余字段的總長度為 18個(gè)字節(jié) ,所以當(dāng)數(shù)據(jù)字段長度為 0時(shí) ,填充字段必須有 46個(gè)字節(jié)。 幀校驗(yàn)序列 FCS字段是 32位 (即 4個(gè)字節(jié) )的循環(huán)冗余碼 (CRC),其校驗(yàn)范圍不包括前導(dǎo)碼字段 P及幀起始定界符字段 SFD。 類型字段標(biāo)識出以太網(wǎng)幀所攜帶的上層數(shù)據(jù)類型，如 16進(jìn)制數(shù) 0x0800代表 IP協(xié)議數(shù)據(jù)， 16進(jìn)制數(shù) 0x809B代表 AppleTalk協(xié)議數(shù)據(jù)， 16進(jìn)制數(shù) 0x8138代表 Novell類型協(xié)議數(shù)據(jù)等 。 以太網(wǎng)的最短有效幀 對 10Mbps以太網(wǎng) ,在爭用期內(nèi)可發(fā)送 512bits,即 64字節(jié) 故規(guī)定：最短有效幀為 64字節(jié) 若幀長 64字節(jié)，則視為無效幀（沖突碎片） 即由于沖突而異常中止的幀 在爭用期內(nèi)檢測到?jīng)_突，就不再發(fā)送數(shù)據(jù)，也即若發(fā)生沖突，最多只會發(fā)送 64字節(jié)的數(shù)據(jù) . 8字節(jié) 6字節(jié) 6字節(jié) 2字節(jié) 前同步碼 目的地址 源地址 類型 數(shù)據(jù) CRC 461500字節(jié) 4字節(jié) 以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu) CSMA/CD 最短幀長計(jì)算舉例 (1) 基本原理 1) 單程信號傳播時(shí)延： τ =L/v 式中： L鏈路長 (米 ), v 信號傳播速度 2) 沖突檢測時(shí)間： t=2τ =2L/v 3）一個(gè)幀的發(fā)送時(shí)間： t=Lf/c 式中： Lf 幀長 ,c 數(shù)據(jù)速率 4）最小幀長 : Lfmin = 2τc =2(L/v)c (2) 實(shí)例 : 若 10Mbps 的 CSMA/CD 總線網(wǎng)結(jié)點(diǎn)間最大距離為 ,信號在電纜中的傳播速度為 2*108 m/s,求該網(wǎng)的最小幀長 Lfmin 解： c = 10Mbps = 10*106 b/s, L=2500m V = 2*108m/s Lfmin = 2* (L/v)*c = 2*2500m/(2*108m/s)*10*106b/s = 250 bit MAC子層的功能 標(biāo)準(zhǔn)提供了 MAC子層的功能說明，內(nèi)容主要有 數(shù)據(jù)封裝 和 媒體訪問管理 兩個(gè)方面。數(shù)據(jù)封裝 (發(fā)送和接收數(shù)據(jù)封裝 )包括成幀 (幀同步和幀定界 )、編址 (源地址及目的地址的處理 )和差錯檢測(物理媒體傳輸差錯的檢測 )等；媒體訪問管理包括媒體分配和競爭處理。 MAC 功能模塊如圖所示。 網(wǎng)卡的作用 10BASE5 10BASE2 10BASET 10BROAD36 10BASEF 傳輸媒體 編碼技術(shù) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 最大段長 每段節(jié)點(diǎn) 基帶同軸電纜 曼徹斯特碼 總 線 500 m 100 基帶同軸電纜 曼徹斯特碼 總 線 185 m 30 非屏蔽雙絞線 曼徹斯特碼 星 形 100 m 寬帶同軸電纜 差分 PSK碼 總線 /樹形 1800 m 850 nm光纖 曼徹斯特碼 星 形 500 m 33 IEEE 物理層規(guī)范 IEEEE 委員會在定義可選的物理配置方面表現(xiàn)了極大的多樣性和靈活性。為了區(qū)分各種可選用的實(shí)現(xiàn)方案，該委員會給出了一種簡明的表示方法： 〈 數(shù)據(jù)傳輸率 (Mpbs) 信號方式 最大段長度 (百米 ) 如 10BASE 10BASE 10BROAD36。但 10BASEF有些例外，其中的 T表示雙絞線、 F表示光纖。 IEEE 10Mbps可選方案見下表。 傳統(tǒng)以太網(wǎng)的連接方法 類別 (1) 10Base5 : 粗纜 Ether (2) 10Base2 : 細(xì)纜 Ether (3) 10BaseT : 雙絞線 ,星型 Ether (4) 10BROAD36:寬帶 Ether (5) 10BaseFL :光纖 Ether 10Base5 1) 分插頭 : 插入電纜 2) 收發(fā)器 : 發(fā)送 /接收 沖突檢測 電氣隔離 超長控制 3) AUI : 連接件單元接口 4) 用于骨干網(wǎng) 10Base2 1) BNC T型接頭 2) 無需插入電纜 3) 用于辦公室 LAN 10BaseT 1) Hub（集線器）相當(dāng)于多端口轉(zhuǎn)發(fā)器 2) 用于辦公室 LAN 3) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形，邏輯上仍然是總線形。 4) 轉(zhuǎn)發(fā)器 /中繼器的作用：擴(kuò)充信號傳輸距離。將信號放大并整形后再轉(zhuǎn)發(fā)，消除信號傳輸?shù)氖д婧退p 10BaseF (1) 使用光纖進(jìn)行長距離連接，最適于建筑物間的連接 (2) 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 1) 10BASEFP(Passive 無源的 ) 定義了一個(gè)最多能把 33個(gè)站點(diǎn)連接到一個(gè)無源中心的星型系統(tǒng)。 10BASEFP網(wǎng)段的長度可達(dá) 500米。 2)10BASEFL(Link, 異步點(diǎn) 點(diǎn)鏈路 ) 一個(gè) 10BASEFL段可以連接兩塊網(wǎng)卡、兩