CSMA/CD

《通信網》期中論文

論文題目       CSMA/CD的工作原理  

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CSMA/CD的工作原理

專業：通信工程    姓名：  指導教師：

摘 要 CSMA/CD是一種争用型的媒體通路控制協定，即載波監聽多路通路/沖突檢測方法，應用在 ISO7層裡的資料鍊路層，通過偵聽、發送、檢測、沖突處理四個控制規程解決在公共通道上以廣播方式傳送資料中可能出現的問題（主要是資料碰撞問題）。

關鍵詞  CSMA/CD，資料鍊路層，控制規程

ABSTRACT

   CSMA/CD is a dispute with type of media access control protocol, namely carrier sense multi-channel access/collision detection methods, application in ISO7 layer data link layer, through protected reliably against detective, sent, detection, conflict handle four control procedure to solve in public channel broadcast mode transmit data of possible problems (mainly data collision problems).

Keywords： CSMA/CD, the data link layer, control procedures

目錄

1． CSMA/CD的概述... 1

2． CSMA 的工作原理... 1

3． CSMA/CD控制規程及特點... 1

3.1控制過程的處理内容... 1

3.2控制規程的特征... 3

4． CSMA/CD協定... 3

4.1 CSMA/CD協定概述... 3

4.2 MAC的幀結構... 4

4.3 MAC子層的功能... 5

5． CSMA/CD的優點... 7

6． 結束語... 7

1． CSMA/CD的概述

CSMA/CD是一種争用型的媒體通路控制協定。它起源于美國夏威夷大學開發的ALOHA網所采用的争用型協定，并進行了改進，使之具有比ALOHA協定更高的媒體使用率。另一個改進是，對于每一個站而言，一旦它檢測到有沖突，它就放棄它目前的傳送任務。換句話說，如果兩個站都檢測到信道是空閑的，并且同時開始傳送資料，則它們幾乎立刻就會檢測到有沖突發生。它們不應該再繼續傳送它們的幀，因為這樣隻會産生垃圾而已；相反一旦檢測到沖突之後，它們應該立即停止傳送資料。快速地終止被損壞的幀可以節省時間和帶寬。

2． CSMA 的工作原理

   CSMA/CD應用在 ISO7層裡的資料鍊路層，它的工作原理是：發送資料前，先監聽信道是否空閑 ，若空閑，則立即發送資料，在發送資料時，邊發送邊繼續監聽；若監聽到沖突,則立即停止發送資料.等待一段随機時間，再重新嘗試。

3． CSMA/CD控制規程及特點

3.1控制過程的處理内容

（1）偵聽：通過專門的檢測機構，在站點準備發送前先偵聽一下總線上是否有資料正在傳送（線路是否忙）？若“忙”則進入後述的“退避”處理程式，進而進一步反複進行偵聽工作；若“閑”，則一定算法原則（“X堅持”算法）決定如何發送。

（2） 發送：當确定要發送後，通過發送機構，向總線發送資料。

（3） 檢測：資料發送後，也可能發生資料碰撞。是以，要對資料邊發送，邊接收，以判斷是否沖突了。（參圖1）

圖1

（4）沖突處理：

當确認發生沖突後，進入沖突處理程式。有兩種沖突情況：偵聽中發現線路忙、發送過程中發現資料碰撞。

① 若在偵聽中發現線路忙，則等待一個延時後再次偵聽，若仍然忙，則繼續延遲等待，一直到可以發送為止。每次延時的時間不一緻，由退避算法确定延時值。

② 若發送過程中發現資料碰撞，先發送阻塞資訊，強化沖突，再進行偵聽工作，以待下次重新發送（方法同①）。

3.2控制規程的特征

① 簡單

② 具有廣播功能

③ 平均帶寬： f = F / n

④ 絕對平等，無優先級

⑤ 低負荷高效，高負荷低效

⑥ 延時時間不可預測

⑦ 傳輸速率與傳輸距離為一定值

4． CSMA/CD協定

4.1 CSMA/CD協定概述

IEEE 802.3是一個使用CSMA／CD媒體通路控制方法的LAN的綜合性标準。CSMA／CD總線的實作模型如圖6.15所示。從邏輯上可以劃分為兩大部分：資料鍊路層的媒體通路控制子層（MAC）和實體層。它嚴格對應于ISO開放系統互連模式的最低兩層。LLC子層和MAC子層在一起完成OSI模式的資料鍊路層的功能。

在實體層中把依賴于媒體的特性分離出來，使得LLC子層和MAC子層能适用于一系列媒體。在實體層内定義了兩個重要的相容接口，即依賴于媒體的媒體相關接口MDI和通路單元接口AUI。MDI是一個同軸電纜接口，所有站都必須嚴格遵守IEEE 802.3定義的實體媒體信号的确切技術規範，嚴格遵守站點正确動作的規程，要求這個實體媒體接口完全相容；AUI為第二相容接口，大多數站點都設在離開同軸電纜的連接配接處有一段距離的地方，在與同軸電纜靠近的MAC中隻有少量電路，而大部分硬體和全部軟體都在站點中，對于確定通信來說，符合這個接口并不是絕對必要的，但是由于它允許在MAC和站配合使用時有極大的靈活性，是以推薦這個接口。

MAC子層和LLC子層之伺的接口，包括發送和接收幀的設施，并提供每個操作的狀态資訊，以供高一層差錯恢複規程之用， MAC子層和實體層之間的接口，包括成幀、載波監聽、起動傳輸和解決争用（沖突控制）的信号，在兩層間傳送一對串行比特流（發送、接收）的設施和用于定時等待的功能

4.2 MAC的幀結構

MAC幀是在MAC子層實體間交換的協定資料。幀的格式如圖6.16所示。幀的8個字段為：前導碼、幀起始定界符、目的位址、源位址、表示資訊字段長度的長度字段、要發送的以LLC資料、需要進行填充的字段和幀校驗序列字段。這8個字段除LLC資料和填充字段外，長度都是固定的。

前導碼字段包含7個位元組，它用于使PLS（實體收發信号）電路和收到的幀達到穩态同步。幀起始定界符（SFD）字段是10101011序列，它緊跟在前導碼後，表示一幀的開始。位址字段包括目的位址字段和源位址字段。目的位址字段規定該幀發往的目的地。源位址字段用于辨別起始發送該幀的站。MAC子層有兩類位址：即單個位址和成組位址，單個位址說明該位址與網絡上一個特定站有關，成組位址說明是多目的地的位址，它與給定網絡上的一個或多個站有關。也可以是廣播位址，即表示網絡上所有站的一組位址。

長度字段是兩個位元組字段，其值表示資料字段中LLC資料的位元組數量，資料字段包含資料序列，為了CSMA／CD協定的正常操作需要一個最小幀長度，必要時可在LLC資料字段之後，FCS之前以位元組為機關加以填充。幀校驗序列（FCS）字段是發送和接收都要使用循環備援校驗碼（CRC）算法所産生的FCS字段的CRC碼，幀的長度為64個位元組到1518位元組之間。

4.3 MAC子層的功能

IEEE 802.3标準提供了MAC子層的功能說明，主要有資料封裝和媒體通路管理兩個方面， MAC功能子產品如圖6.17所示。資料封裝（發送和接收資料封裝）包括成幀（幀定界和幀同步）、編址（源位址及目的位址的處理）和差錯檢測等。媒體通路管理包括媒體配置設定和競争處理。

（1）發送資料封裝部分的功能

當LLC子層請求發送一幀時，MAC子層的發送資料封裝部分用LLC子層所提供的資料結構組幀，它将一個前導碼P和一個幀起始定界符SFD附加到幀的開頭部分，還将PAD附加到結尾部分，以確定傳送幀的長度滿足最小幀長的要求，它還要附加目的位址和源位址，長度計數字段和幀校驗序列，然後把組成的幀交給MAC子層的發送媒體通路管理部分以供發送。

（2）發送媒體通路管理部分的功能

借助于監視實體層收發信号（PLS）部分提供的載波監聽信号，發送媒體通路管理設法避免發送信号與媒體上其它資訊發生沖突。在媒體空閑時，經短暫的幀間延遲（提供給媒體恢複時間）之後，就啟動幀發送，然後，MAC子層将串行位流送給PLS接口以供發送，PLS完成産生媒體上電信号的任務。同時，監視媒體和産生沖突檢測信号。在沒有争用的情況下，即完成發送。完成發送後，MAC子層通過LLC與MAC間的接口通知LLC子層，等待下一個發送請求。假如産生沖突，PLS接通沖突檢測信号，接着發送媒體通路管理開始處理沖突。首先，它發送一個稱為阻塞（Jam）的位序列來強制沖突，這就保證了有足夠的沖突持續時間，以使其它與沖突有關的發送站都得到通知，在阻塞信号結束時，發送媒體通路管理就停止發送。

發送媒體通路管理在随機選擇的時間間隔後再進行重發嘗試，在重複的沖突面前反複進行重發嘗試，發送媒體通路管理用二進制指數退避算法調整媒體負載。然後，或者重發成功，或者媒體故障或過載的情況下，放棄重發嘗試。

（3）接收媒體通路管理部分的功能

首先由PLS檢測到達幀，使接收與前導碼同步，并接通載波監聽信号。接收媒體通路管理部件要檢測到達的幀是否錯誤，幀長是否超過最大長度，是否為8位的整倍數，還要過濾沖突的信号，即把小于最小長度的幀過濾掉。

（4）接收資料解封部分的功能

這一部分檢驗幀的目的位址字段，決定本站是否應該接收該幀，如位址符合，将送到LLC子層，并進行差錯檢驗。

下面列出1EEE 802.3 MAC協定的10Mbps實作方案的參數值。

參數數值:

　　Slot Time（時間片） 512比特時間

　　Inter Frame Gap（幀問間隔） 9．6微秒

　　attempt limit（嘗試極限） 16

　　Back off limit（退避極限） 10

　　Jam size（人為幹擾長） 32比特

　　max Frame size（最大幀長） 1518位元組

　　min Frame size（最小幀長） 512位元組

　　address size（位址字段長） 48比特

5． CSMA/CD的優點

原理比較簡單，技術上易實作，網絡中各工作站處于平等地位 ，不需集中控制，不提供優先級控制。但在網絡負載增大時，發送時間增長，發送效率急劇下降。

6． 結束語

其中小論文已寫完比，而我卻有一種說不出的難受。四年的讀書生活即将劃上一個句号，而于我的人生卻隻是一個逗号，我将面對又一次征程的開始。四年的求學生涯在師長、親友的大力支援下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即将付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻給一位平凡的人，我的老師。我不是您最出色的學生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學嚴謹，學識淵博，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學術目标，領會了基本的思考方式，感謝我的爸爸媽媽，焉得谖草，言樹之背，養育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心願。從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這裡請接受我誠摯謝意！