（控制理论与控制工程专业论文）高速以太网络协议新方法及其应用技术的研究.pdf

摘要湖南大学博士论文高速以太网络协议新方法及其应用技术的研究摘要，高速以太网络以其优越的性能价格比、系统的可平滑升级、网络管理的简单方便以及良好的投资保护得到了广泛应用。从目前国内外研究成果来看，进一步提高以太网络速率与带宽仍然是研究人员的主攻方向，作者对此进行了深入、系统的研究。广了本文综述了计算机网络技术的发展动态，讨论了高速网络技术的研究现状及存在的不足，深入研究了传统以太网络协议的运行机理，指出了c s m a c d访问协议存在的问题，提出了改进c s m a d 访问协议的新方法，在此基础上对基于新协议的以太网络应用技术进行了研究。全文共分九章，主要研究内容、归纳如下：1 针对传统以太网络协议存在的缺陷，提出了改进c s m a c d 协议的新方法，即c s m c d t d m a 混合协议。2 在c s m c d t d m a 混合协议的基础上，提出了具有动态分配重传策略的c s m a c d r r 访问协议。3 引进马尔可夫链建立了单缓冲c s m c d t i ) m a 及c s m a c d r r 协议的数学模型，并分析了它们的性能特性。4 利用二维马尔可夫链建立了有限缓冲c s m a c d r r 协议的数学模型，分析了它们的性能特性。5 对基于c s m a c d 、c s m a c d t d m a 及c s m 刖c d i 浪协议的以太网络系统进行了计算机仿真，并对仿真结果进行了分析。6 研究了基于c s m a c d r r 访问协议的以太网络应用技术，并对与其它类型网络的兼容性技术进行了分析。通过理论分析和仿真实验证明本文所提出的新型以太网络协议无论是吞吐量特性还是延时特性都明显优于传统以太网络协议，利用c s m a c d r r 协议第1 页摘要湖南大学博士论文构成的以太网络，将极大地提高网络速率与带宽。上述研究成果已相继发表，并得到有关专家的肯定。如果能使之进入实际应用将对高速以太网络技术的发展产生深远的影响：r 厂一关键词：高速以太网络、网络协议、马尔可夫链、计算机仿真、以太网模型t h en e wm e t h o d so fh i g h s p e e de t h e r n e tp r o t o c o la n dt h es t u d yo fi t sa p p l i e dt e c h n i q u ea b s t r a c t ：t h eh i g h - s p e e de t h e m e ti sa p p l i e dw i d e l yb e c a u s eo fi t ss u p e r i o rf u n c t i o n sa n dc h e a pp r i c e s ，s m o o t hu p g r a d eo ft h es y s t e m ，s i m p l ea n dc o n v e n i e n to fn e t w o r km a n a g e m e n ta n dg o o di n v e s t i n gp r o t e c t i o n f r o mc u r r e n ti n t e r n a la n de x t e r n a ls t u d i e da c h i e v e m e n t s ，f u r t h e ri m p r o v i n gs p e e da n db r o a d b a n do fe t h e r n e ti ss t i l lr e s e a r c h e r sm a i nd i r e c t i o no fa t t a c k ，w r i t e rh a ss t u d i e dd e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l yt ot h e m i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n t so f c o m p u t e rn e t w o r k st e c h n i q u ea l ei n t r o d u c e d ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o n so fh i g h - s p e e dn e t w o r k st e c h n i q u ea n di t sd e f e c ta r ed i s c u s s e d ，t h em e c h a n i s mo ft r a d i t i o n a le t h e r n e tp r o t o c o la r es t u d i e dd e e p l y , t h ed e f e c to fc s m a c dp r o t o c o la r ed i s c o v e r e d ，a n dt h en e wm e t h o d so fi m p r o v i n gc s m a c dp r o t o c o la r ep u tf o r w a r d ，o nt h eb a s i so f t h en e wm e t h o d s ，w r i t e rs t u d i e dt h e a p p l i e dt e c h n i q u eo fe t h e m e t t h ea r t i c l ei sd i v i d e di n t on i n ec h a p t e r s ，i t sm a i nc o n t r i b u t i o n sa r et h ef o l l o w i n g s ：i f o rt h ed e f e c to ft r a d i t i o n a le t h e m e tp r o t o c o l ，an e wm e t h o do fi m p r o v i n gc s m a c dp r o t o c o li sp u tf o r w a r d ，n a m e l y , t h eh y b r i dc s m a c d - t d m ap r o t o c 0 1 2 o nt h eb a s i so ft h eh y b r i dc s m a c d - t d m ap r o t o c o l ，t h ec s m a c dp r o t o c o lw i t hd y n a m i ca l l o c a t i o nr e t r a n s m i s s i o nf u n c t i o n1 sp u tf o r w a r d 3 t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc s m a c d t d m a + a n dc s m a c d r rf o rs i n g l eb u f f e ra r eb u i l tw i t hm a r k o vc h a i n ，t h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h e ma r ea n a l y z e d 第1 1 页摘要湖南大学博士论文4 t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo tb u f f e r e dc s m a c d r _ rp r o t o c o li sb u i l tw i t hat w o - d i m e n s i o n a lm a r k o vc h a i n ，t h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h e ma r ea n a l y z e d 5 t h ee t h e m e tn e t w o r ks y s t e mo nt h eb a s i so f c s m a c d ，c s m a c d t d m aa n dc s m a c d f r rp r o t o c o la r es i m u l a t e d ，a n dt h es i m u l a t i c a lr e s u l t sa r ea n a l y z e d 6 t h ea p p l i e dt e c h n i q u eo f e t h e r n e to nt h eb a s i so fc s m a c d r rp r o t o c o la r es t u d i e d a n dt h ec o m p a t i b l et e c h n i q u ew i mo t h e rn e t w o r k st e c h n i q u ea r ea n a l y z e d t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i c a le x p e r i m e n tp r o v et h a tt h r o u g h o u ta n dd e l a yp e r f o r m a n c eo fn e we t h e m e tp r o t o c o la r eb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a le t h e m e tp r o t o c o l ，t h es p e e da n db r o a d b a n do fe t h e m e to nt h eb a s i so fc s m a c d r rp r o t o c o lw i l lb e e ne n h a n c e de x t r e m e l y a b o v es t u d i e da c h i e v e m e n t sh a v eb e e np u b l i s h e di ns u c c e s s i o n ，a n da p p r o v e db yt h er e l e v a n te x p e g s i ft h en e wp r o t o c o lc a nb ea p p l i e da c t u a l l yi tw i l le x e ga l lf a r r e a c h i n gi n f l u e n c et ot h ed e v e l o p m e n to f h i g h s p e e de t h e m e t k e y w o r d s ：h i g h - s p e e de t h e r n e t ，n e t w o r kp r o t o c o l ，m a r k o vc h a i n ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，e t h e r n e tm o d e l 第1 i i 页第一章绪论湖南大学博士论文第一章绪论1 1 引言随着现代计算技术、通信技术和微电子技术的飞速发展以及它们之间的相互渗透，极大地加速了计算机网络技术的更新与繁荣。电话、电视、计算机及通信卫星等领域正在悄然融合，信息的获取、传送、存储与处理之间的孤岛现象随着计算机网络和多媒体技术的发展而逐渐消失，曾经独立发展的电信网、电视网和计算机网将合而为- - i “。可以说计算机及其网络技术正在促发一场改变人类社会生产和生活方式的信息革命。尽管计算机网络技术在过去几十年里取得了较大发展，但是，随着计算机技术的不断进步，各种应用对网络功能的要求也越来越高，如分布式计算、分布式交互、动态视频及虚拟现实等方面都需要高速网络，而现有的网络速率仍然无法满足日益增加的各类应用的需要，因此，研究高速通信网络技术已经成为信息技术领域的一个重要分支，并已列入到国家的重点攻关课题1 3 1 。本章介绍了计算机网络技术的进展及计算机网络的组成与分类、分析了驱动高速网络技术发展的原因以及a t m 、i p 与千兆位以太网的技术特点，简要论述了国内外高速局域网络技术的研究现状及其不足，并由此引出本文的基本研究思路。1 2 计算机网络的产生及发展计算机网络实质上是计算机与通信相结合的产物。在电器时代到来之前，由于还不具备发展远程通信的先决条件，因此通信事业发展非常缓慢。从1 9世纪4 0 年代到2 0 世纪3 0 年代，电磁技术广泛用于通信，1 8 4 4 年电报的发明，1 8 7 6 年电话的出现，成为了近代电信事业的开端，为迅速传递信息提供了方便。1 9 4 6 年世界上第一台计算机诞生，它的出现和发展特别是与通信技术的融合使其应用发生了根本性的改变【4 i 。第1 页第一章绪论湖南大学博士论文到了2 0 世纪6 0 年代末，计算机网络已开始进入实用阶段，早期主要集中于广域网w a n ( w i d ea r e an e t w o r k ) 5 1 。在w a n 技术中，首先出现的是一些专用网络，例如，i b m 公司的系统网络体系结构s n a 和d e c 公司的数字网络体系结构d n a 等。1 9 6 8 年，关国国防部高级研究计划署a r p a 网( 最初只有4 个节点) 的研究和实施，为计算机网络的发展做出了重要贡献f 6 j 。a r p a网的原理可以用分组交换( p a c k e ts w i t c h ) 来概括，它奠定了现在大多数计算机网络“存储转发”的基础。7 0 年代中，国际电报电话咨询委员会c c i t f 制定了分组交换网标准x 2 5 t ”。7 0 年代末，国际标准化组织i s o 制定了开放系统互连参考模型o s i 1 l m t l l ，作为一种支持系统开放的标准，它对计算机网络技术朝标准化、规范化方向发展具有重要的指导意义。7 0 年代末出现，8 0 年代迅速发展的局域网l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) ，为计算机网络进入办公室奠定了基础【9 | 。进入8 0 年代以来，随着计算机技术和通信技术的发展以及通信业务的多媒体化，使得宽带通信技术得到了很大的发展【1 0 1 。如光纤分布式数据接口f d d i ( f i b e rd i s t r i b u t e dd a t ai n t e r f a c e ) 、分布式队列总线d q d b ( d i s t r i b u t e dq u e u ed u a lb t i s ) 和多兆比数据交换服务s m d s ( s w i t e h e dm u l t i - m e g a b i td a t as e r v i c e ) 等城域网m a n ( m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 标准不断推出【l l 】。在广域网方面，帧中继f r ( f r a m er e l a y ) 和以异步传输模式a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 为标志的宽带综合数字网b i s d n ( b r o a d b a n d i s d n ) 的发展【”1 ，开创了人类步入多媒体时代的新纪元。1 3 计算机网络的组成与分类1 - 3 1 计算机网络的组成计算机网络的组成主要包括以下三个部分【”i ：为用户提供服务的工作站。提供数据传输和交换功能的通信子网。通信双方根据事先约定好的和必须遵守的规则，并保证通信顺利进行的通信协议。第2 页笙二兰堕堡塑堕查兰竖主堡兰1 3 2 计算机网络的分类计算机网络的分类方法很多，概括起来有以下几种4 1 ：按网络使用的交换技术分类，有电路交换、报文交换、分组交换和混合交换。其中，混合交换是在同一网络中使用电路交换和分组交换，例如a t m交换。按网络使用的拓扑结构进行分类，有集中式网络、分散式网络和分布式网络。按网络的通信性能进行分类，有资源共享计算机网络、分布式计算机网络和远程通信网络。按使用的网络技术不同进行分类，有陆地网、卫星网、分组无线电网和局域网。按传输业务和媒体进行分类，有高速宽带通信、综合业务数字网i s d n和同步光纤网s o n e t 等。最常用的分类方法是按作业范围进行分类，可分为多处理机系统、局域网、城域网和广域网等。如图1 1 所示。地理箍o 面l n f 愚镰络i 跚l l 高遗局壤络h n t 城域同络t 埘t 广壤罔络圈1 1 不同作业范圈的各类网络比较第3 页一量一鼍艟辗赫第一章绪论湖南大学博士论文1 4 高速网络技术发展原因及趋势1 4 1 驱动高速网络技术发展的因素推动高速网络技术发展的原因是多方面的，归结起来，主要有以下几个因素：1 计算机硬件的发展在过去三十多年，计算机的处理速度提高了上千万倍，而网络速率只提高了几千倍，网络速率已无法跟上系统硬件的发展速度，成为整个系统的瓶颈，其速率亟待提高。例如1 9 8 0 年以太网产品刚问世时，p c 的处理能力只有o 3 m i p s ，以太网速率已达1 0 m b p s ，而现在p c 的处理能力高达上万个m i p s ，且每个m i p s 的p c 处理能力的价格仍在大幅度下降。2 分布式计算的出现早期的用户对网络带宽的要求并不很高，访问率也远低于1 m b p s ，因此网络可以很容易满足这些要求，但对于分布式计算特别是客户机服务器计算环境，要使网络能够提供的数据率必须与计算机的c p u 和内部r a m 速率相当，而目前一个普通工作站的数据率即可轻松达到千兆位以上的范围。可以说分布式计算推动计算机网络向千兆位级之上发展。i n t e r a c t 就是典型的分布式计算网络，这个世界上应用最广泛的客户机服务器网络正在全球飞速发展，i n t e r a c t信息量急剧增加，为解决i n t e r n e t 的带宽不足，科研人员正在对其改造以使之达到千兆位级。3 多媒体技术的应用对于数据网络，应用对延迟及带宽不太敏感，t c p i p 能够自动识别延迟的变化，e m a i l 、f t p 等也都能动态地适应t c p 所提供的带宽，很少有人计较文件转输快慢的细微区别。但实时多媒体技术的应用对网络服务质量提出了非常高的要求，如图像处理、动态视频、可视计算、实时仿真等要求网络具有千兆位以上的速率及延迟 1 1 4 , 的通信。4 信息量的高速膨胀一方面，网络上的无限商机，促使企业联网及部门之间的网络互连，另一方面，现代软件的开发者将计算机硬件的性能挖掘到了极限，开发出更为复杂、第4 页第一章绪论湖南大学博士论文对频带要求更高的应用，加之多媒体信息传输的蔓延，导致在网络上传递的数据、文件、图像、声音等成几何级数增长，信息量的高速膨胀刺激用户对千兆位级以上网络的需求。1 4 2 高速网络技术的发展趋势未来的计算机网络将向更高的网络带宽、更好的网络兼容性、更大的信息共享、更宽的网络传输距离和更低的网络成本方向发展。高速网络将更加开放、高度集成、超高速率和智能化。也就是说，体系结构与接口标准更加开放，异构网络便于互联；不同的服务与应用高度集成，所有的消息既能单点传输，也能多点投递；各种网络能提供高速传输、高效协议处理和高品质的网络服务，能高速低延迟地传送用户信息：网络的传输和处理智能化，能向用户提供更为方便、友好的应用接口，在路由选择、拥塞控制和网络管理等方面显示出更强的主动性【1 6 】。总之，未来高速网络技术将随着信息革命的不断深化而得到广泛的研究和关注。1 5 几种重要的高速网络技术当前，在高速通信网络技术中，以下三种技术起主导作用，即异步传输模式( a t m ) 技术、婵技术与干兆位以太网技术。1 5 1a t m 技术a t m 是一种将信息划分为4 8 个字节的固定长度，再附加5 个字节的控制信息进行传输的信息复用和交换技术。a t m 继承了分组交换的统计复用技术，通过信息中的信元头来区分不同的通路，用户若无信息发送，则不占用时隙，该时隙可分配给别的用户，提高了信道利用率。它吸收了电路交换的快速交换特点，简化了传统分组交换协议的层次，网络速率可轻松达到千兆位数量级，网络节点无需执行复杂的差错控制和流量控制等功能，处理时延大大降低。a t m 具有分组交换和电路交换的优点，一是传输速率可灵活改变，既可传送交换速度低至于1 k b p s 的遥测信息，又能支持变速业务：二是交换时延低，均支持实时与非实时业务，能提供数据、话音、图像、电视、多媒体等业务，第5 页第一章绪论湖南大学博士论文实现各种业务的综合应用；三是信道利用率高，采用统一的统计时分技术，实现信元的复用和交换f 1 7 i 。1 5 2i p 技术i p 是i n t e m e tp r o t o c o l 的简称，其主要功能有：无连接数据报传送、数据报路由选择和差错控制。i p 协议提供主机间不可靠、无连接数据传送，i p 的特点是“尽力”将报文传送到目的主机，而不管传输正确与否，不进行检验，不回送证实，也不保证分组的正确顺序，这些功能留给上层协议t c p 来完成。i p 协议是t c p 协议的基础。1 9 8 9 年w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 的出现使i n t e m e t从单纯的数据通信网络发展成为世界范围内可共享和发送信息的分布文件系统，i p 协议也因此得到普及。i p 协议具有其它通信协议所没有的突出优点：一是i p 为一种网络互连协议，容易实现异构网络的互连；二是i p 采用无连接技术，适于电子邮件、信息检索等非实时短报文通信；三是具有统一的寻址体系，网络可扩展性强；四是i p 协议采用独立服务的模块化结构，可以支持多种不同的应用，业务扩充便利【l ”。1 5 3 千兆位以太网技术千兆位以太网是对1 0 m b p s 和1 0 0 m b p s8 0 2 3 以太网标准的一个扩展。千兆位以太网提供了1 0 0 0 m b p s 的原始数据带宽，同时和现有各类以太网网点保持完全兼容。千兆位以太网提供全双工或半双工工作模式，在半双工的情况下，千兆位以太网继续采用c s m a c d 访问协议，初期的千兆位以太网产品建立在光纤信道物理信号传输技术的基础之上，适用于在光纤导线上达到1 0 0 0 m b p s的数据传输速率。随着硅芯片技术和数字信号处理技术的发展，最终的产品已能够有效地支持5 型非屏蔽双绞线上的千兆位以太网操作。干兆位以太网的优点非常突出，一是优越的性能价格比，千兆位以太网体现了快速以太网带给以太网的性价比优点，它将以2 至3 倍于当今的快速以太网的成本提供1 0 倍于它的性能：二是可平滑的升级，千兆位以太网保留了8 0 2 3 和以太网标准，用户能够在保留现有应用程序、操作系统、i p 、i p x 及a p p l e 附k 等协议以及网络管理平台与工具的同时，方便地升级至千兆位以太网：三是网络管理简单方便，管理人员不用以高成本改变他们的网络，不用学习和采用新的系统范围的第6 页第一章绪论湖南大学博士论文技术或者网络管理方法，便可显著增加纯带宽；四是良好的投资保护，当网络升至千兆位性能后，继续保留现有的线缆、操作系统、协议、驱动程序和桌面应用程序，保护了用户在网络上的投资2 0 】f 2 l 】。a t m 技术、i p 技术与千兆位以太网技术具有各自的优势，也存在各自的缺点，将其视为互相竞争、互不相容的技术是非常错误的。因为在高速网络中，没有一项技术能够满足所有需求，适合所有的环境。千兆位以太网基于单模光纤的传输距离仅仅4 0 0 0 米，在广域联网方面几乎无能为力，但提高局域网主干速度、升级传统以太网却得心应手。而a t m 技术的强项在高速广域网的互连。i p 则主宰上层应用，也将是未来发展的主流，特别是i p 技术仍在进一步完善，试图将应用从数据领域扩展到话音和视频领域。因此，只有在网络升级过程中切实考虑用户的特定需求，将千兆位以太网技术、i p 技术和a t m 技术优势互补，才能提供比较完美的网络升级解决方案，合理地解决网络升级问题，将用户带入通畅的高速网络世界。将这几种技术结合在一起构建非常有效的企业内部i n t r a n e t 就是例证。实事上a t m 技术、i p 技术与千兆位以太网技术未来的发展可能在单独存在后，走互补共存，相互融合之路【”l 。1 6 高速局域网络技术的研究现状局域网l a n 是一种覆盖地理范围较小的计算机网络，它是从远程分组交换通信网络和i o 总线结构计算机系统派生出来的【2 3 】。l a n 出现于7 0 年代末期，8 0 年代获得了飞速发展与大范围的普及，9 0 年代步入繁荣时期。局部网络技术所涉及的范围很广，就其拓扑结构来说，一般可以分为四类：即星形网、环形网、总线网和树形网。其局域网有以太网( c s m a c d 网) 、基于a t m 的局域网、令牌总线网、令牌环网和a r c n e t 网。其中以太网技术和a t m 局域网技术发展最快、应用前景看好。一段时间内，a t m 网因具有可靠的服务质量( q o s ) 保证、低延时、能够为不同的传输提供不同的服务等优越特性，被视为未来通信技术的发展方向1 。但随着以太网技术的不断革新与改造，其速度由快速以太网发展到千兆位以太网甚至更高的速率，导致了高速局域网络技术阵营的大分裂。由于世界上大部分用户采用的是以太网技术，且千兆位以太网保留了与1 0 m 以太网相同的8 0 2 3第7 页第一章绪论湖南大学博士论文帧格式，没有对信息传输格式作任何变动，网络升级方案较其他技术在投资和性能上要平滑得多，因此千兆位以太网以其卓越的性能价格比，焕发出了强大的生命力，千兆位以太网技术已经成为局域网用户的首选技术彤】。以太网技术作为高速局域网技术研究的前沿课题之一，我国国家自然科学基金对此领域也给予了积极资助，并列入信息科学部的重点支持项目。据统计，在我国利用以太网技术构造l a n 己占有8 0 左右的市场份额，如何进一步提高以太网络技术的性能特性，并使之更好地与其它类型的网络实现无缝连接，在我国具有深远的现实意义。近年来，在国内外期刊和国际会议上发表了一些这方面的成果【2 6 j 【2 7 i 【2 8 】【2 ，概括起来，引起人们兴趣的主要有以太网络协议实现技术及其性能分析、基于c s m a c d ( 载波监听，碰撞检测) 的实现方法及结构分析、高速以太网与a t m及i p 协议的连接模型建立和实现方法、提高以太网速率和带宽技术研究、网络介质及网络拓扑结构研究、超大规模网络管理技术研究、网络安全技术研究等，在国内有国防科技大学计算机学院、成都电子科技大学宽带光纤传输与通信系统技术国家重点实验室、北京邮电大学程控交换技术与通信网国家重点实验室等做了许多这方面的工作。目前国内外在高速以太网络技术方面的研究主要存在以下不足之处：一是对以太网络技术的研究主要放在现有网络方案的改进提高上，并未从以太网协议本身的改进及实现方法角度去探讨，以使之更加适应高速网络技术发展的需要：二是对网络之间的互相连接缺乏深入的研究，没有从根本上解决无缝连接问题：三是对以太网络的拥塞控制主要通过退避算法来实现，未能从根本上解决以太网络协议在高速率、高负载条件下，吞吐量急剧下降，延时急剧上升的缺陷：四是协议的改进是以耗费大量的带宽为代价的，不能适应高速以太网发展的需要。第8 页第一章绪论湖南大学博士论文1 7 本文的主要工作简介本文从传统的以太网络体系结构入手，运用现代数学工具和计算机仿真技术对传统以太网络协议及其互连技术进行深入系统的理论研究，提出了适于高速局域网络运行的新型访间协议，并设计出使高速以太网与其它类型网络能够更好地实现灵活高效连接的新型以太网络协议模型，为以太网络技术更好地运用到高速局域网以及成为未来宽带通信网络的骨干技术创造了条件。本文所研究的课题已经得到国家教育部博士重点基金的资助。论文具体研究内容包括以下几个方面：1 基于i e e e8 0 2 3c s m a c d 访问协议标准，提出一种新的c s m a c d t d m a 混合协议。2 在c s m 刖c d t d m a 混合协议的基础上，进一步提出了具有动态分配重传策略的c s m c d 访问协议。3 利用马尔可夫链建立了两种新协议在单缓冲条件下的数学模型，并对其运行机理进行了理论分析。4 用二维状态向量描述了有限缓冲c s m a c d r r 网络系统，并利用二维马尔可夫链建立了相应的数学模型。5 对以太网络协议的计算机仿真技术进行了研究。6 建立了c s m a c d ，r r 访问协议在以太网络中的应用模型，并对其与其它类型的网络互连技术进行了研究。全文共分九章，除第一章外其余各章内容安排如下：第二章首先回顾了传统以太网络协议的产生与发展过程，分析了以太网络的理论基础和c s m a c d 协议的参考模型，详细讨论了c s m a c d 协议的介质访问控制方法，比较了几种不同争用协议的性能特性，指出了c s m a c d 访问协议存在的问题。第三章通过对新型以太网络协议研究背景的分析，提出了改进c s m 们d访问协议的新方法：即c s m a c d t d m a 混合协议和具有动态分配重传策略的c s m a c d 访问协议( 简称为c s m a c d ，r r 访问协议) ，最后探讨了以太网络协议模型的建立和性能评价方法。第四章利用马尔可夫链建立了单缓冲c s m c d t d m a 混合协议的数学第9 页第一章绪论湖南大学博士论文模型，在数学分析过程中，通过对每个工作站只能容纳一个报文的假定，使数学分析大为简化，最后求出了吞吐量和帧平均时延两个重要的性能参数。第五章利用第四章相同的方法建立了单缓冲c s m a c d r r 访问协议的数学模型，求出了吞吐量和帧平均时延两个重要性能参数。第六章在第五章的基础上进一步讨论了有限缓冲c s m a c d r r 访问协议的性能特性，利用二维状态向量b = ( i ，) 描述了有限缓冲c s m a c d r r网络系统，用二维马尔可夫链建立了相应的数学模型，求出了平均周期长度、吞吐量、帧平均排队长度、帧平均时延、平均积压站数、实际输入速度、阻塞概率等重要性能参数。第七章研究了高速以太网络协议的计算机仿真方法，利有蒙特卡洛法仿真了c s m c d 、c s m c d t d m a 、c s m c d r r 访问协议。给出了三种访问协议的仿真流程图和仿真程序，对仿真结果进行了分析。第八章对具有动态分配重传策略的c s m 刖c d r r 访问协议的应用技术进行了研究，建立了c s m a c d r r 访问协议的理论模型和体系结构。并对c s m a c d r r 访问协议与其它协议的兼容性进行了研究。第九章对本文的研究工作作出了总结，指出了深入研究高速以太网络技术的重要性，并对某些未解决的问题作了展望。第l o 页第二章传统以太网络协议湖南大学博士论文第二章传统以太网络协议2 1 引言传统以太网络( e t h e m e t ) 协议是指i e e e8 0 2 3 标准所描述的基于c s m a c d( 载波监听多路访问碰撞检测) 总线的物理层和介质访问控制子层协议【4 | 。传统以太网络协议属于随机访问技术。所谓随机访问是指所有各站都能随机争用媒体信道，其提出的初衷纯粹是基于计算机之间通信的猝发特性，由于猝发信息具有信息短且传送不频繁的特点，这就使得两个或两个以上的工作站企图同时发送帧的概率很小，因此它可以避免其它访问协议浪费信道的现象。本章简要介绍了传统以太网络协议的产生与发展过程、网络的体系结构、i e e e8 0 2 3m a c 帧结构、c s m 刖c d 媒体访问控制方法、c s m c d 协议性能特性以及几种争用协议的性能比较，指出了传统以太网络协议存在的不足之处。2 2 以太网络协议的产生与发展最早采用随机访问技术的是美国夏威夷大学的a l o h a 网。对于纯a l o h a 系统，各工作站完全独立地随机发送数据，如果发现和其它站冲突，则冲突各站随机延长一段时间，荐重新发送，这种方式比较简单，当负载增加时，碰撞次数也随之增加，a l o h a 网的信道利用率仅为1 8 。为了改进纯a l o h a 系统，提出了一种时分a l o h a 系统，又称为开槽a l o h a网( s l o t t e da l o h a ) 。它的原理是将信道上的时间分割成固定的槽，其大小等于帧传输的时间，所有工作站都配以同步时钟，各站要发送数据，只能在时间槽边界点上开始，因此只有当两个站要发送的帧在时间上全部覆盖才会发生冲突，从而提高了信道的利用率，一其最大利用率为3 7 t 。从a l o h a 网采用的争用技术导致了用于局域网的介质访问方法，即c s m a( 载波监听多路访问) 的出现，c s m a 访问协议规则如下：一个站要发送帧，首先需先监听信道，看是否有其它站的发送信号存在，如信道空闲，则可以发第1 1 页第二章传统以太网络协议湖南大学博士论文送，如信道忙，则等待一段时间后重试。c s m a 可以避免大部分碰撞，只有当两个或两个以上的工作站在信道传播延时的时间内同时发送信号才会出现碰撞，它有三种不同的坚持退避算法，如图2 1 所示”。非坚持i 譬塑罂芝i ：盖萎黔鬻釜i 一卜ho u m m ”n驾蔫：酋；! = 鼍氛空闲以概率：三要塞空望鐾发鬟屠五。；t ，主i ；芑茹，。：墨蠹如果冲突退避然后再尝试：j ：；羔；莲产对于c s m a 访问协议，由于没有检测冲突的功能，即使碰撞已经出现，仍然将已破坏的帧发送完，导致信道利用率降低】。于是提出一种载波监听多路访问碰撞检测协议，简写为c s m a c d ，该协议现已广泛应用于局域网络2 3i e e e8 0 2 3c s m c d 标准c s m a c d 访问协议起源于7 0 年代中期美国施乐( x e r o x ) 公司的p a l o a l t o研究中心研制的以太网( e t h e m e t ) ，经过修改后，于1 9 8 5 年以i e e e8 0 2 3 标准公布，由此以太网在全世界得到广泛应用，现已占据局域网8 0 左右的市场份额。2 3 1i e e e8 0 2 3 的体系结构图2 2 给出了i e e e8 0 2 3 的体系结构l 】。媒体访问控制m a c 子层使用c s m a c d 协议，逻辑链路控制l l c 子层使用m e e8 0 2 3 标准，物理层由物理信令p l s ( p h y s i c a ls i g n a l i n g ) 子层和物理媒体连接p m a ( p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 子层组成。p l s 子层向m a c 子层提供服务，负责比特流的曼彻斯特编解码和监听载第1 2 页第二章传统以太网络协议湖南大学博士论文波。p m a 子层向p l s 提供服务，完成碰撞检测，超长控制( j a b b e rc o n t r 0 1 )和收发比特流。疆卜柏理嫩体连接姒l 卜瑚晌连接单元 i i 卜连接单元接口m i 攥体相关接口图2 2i e 髓e9 0 2 3 的两种体系结构8 0 2 3 标准规定，物理层的这两个子层可以在不同或同一设备中实现。若p l s 和p m a 不在同一设备中，p l s 子层使用连接单元接口a u i ( a t t a c h m e n tu n i ti n t e r f a c e ) 连接到媒体连接单元m a u ( m e d i u r na t t a c h m e n tu n i t ) 。m a u 由p a m和媒体相关接口m d i ( m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 组成。a u i 相当于收发器电缆，它定义m a u 和p l s 连接的电缆和连接器的机械与电气特性，同时还定义通过该接口的信号特性。m d i 与特定的传输媒体有关，它相当于分接头( t a p ) ，定义电缆段，连接电缆段的连接器以及电缆两端的终端负载特性。若p l s 和p m a 处于同一设备中，就不需要使用a u i 和m a u ，但d t e ( 数据终端设备) 与传输媒体接口部件m d i 还是需要的，使用这种方法组网比较经济。2 3 2i e e e8 0 2 3 的m a c 子层1 m a c 帧格式e t h e m e t 上发送的数据是按一定的格式进行的，并将此数据格式称为帧，第1 3 页第二章传统以太网络协议湖南大学博士论文如图2 3 所示【7 l 。帧由8 个字段组成，即前导码，帧起始定界符，帧的源和目的地址，表示信息字段长度的长度字段，逻辑链路控制帧，填充字段及帧校验序列字段。这8 个宇段除l l c 的数据和填充字段外，长度都是固定的。下面分别加以简述。前导码字段由7 个字节组成。其功能是使p l s ( 物理收发信号) 电路和收到帧建立比特同步。编码形式为“1 ”或“0 ”交替构成的二进制序列，最后一比特为0 。在这种编码形式下，经过曼彻斯编码后为一周期性方波。s f d ：起始定界符一个字节l l c ：逻辑链路控制帧d a ；目的地址，2 6 个字节p a d ：填充字段s a ：源地址，2 - 6 个字节f c s ：帧校验序列长度：数据字段长度，2 个字节图2 38 0 2 3 的m a c 帧格式帧起始定界符( s f d ) 是m a c 帧的第2 个字段，其编码形式为“1 0 1 0 1 0 11 ”序列，长度刚好为一个字节，该字段的功能是指示一幅帧的开始。地址字段包括目的地址字段和源地址字段。目的地址字段( d a ) 为第3个字段，长度为6 个字节。该字段用来指出帧要发往的工作站。源地址( s a )在目的地址字段之后，其长度也为6 个字节。该字段功能是指示发送该帧的工作站地址。长度字段为第5 个字段，其长度为2 个字节，用来指示紧随其后的逻辑链路控制( l l c ) 数据字节的长度，长度单位为字节数。l l c 数据字段是帧要传送的用户数据，该数据由l l c 子层提供或接收。填充( 队d ) 字段紧接在l l c 数据字段之后，用来对l l c 数据进行填充，以保证帧有足够的长度，以适应前面所述的碰撞检测的需要。帧检验序列( f c s ) 字段处于帧的最后，其长度为3 2 比特，用于检验帧在传输过程中有无差错对于发送和接收算法两者都使用循环冗余检验( c r c )来产生f c s 字段的c r c 值。2 地址格式地址字段包括两部分，处于前面的地址字段为目的地址，处于后面的为源地址。i e e e8 0 2 3 标准规定，源地址字段中第l 比特恒为0 。第1 4 页第二章传统以太网络协议湖南大学博士论文目的地址字段有较多的规定，原因是某帧有可能发给某一个工作站，也可能发送给一组工作站，还有可能发送给所有的工作站，后两种情况称为组播和广播。目的地址字段的格式如图2 4 所示川。当该字段第一比特为0 时，表示帧要发送给某一工作站，即所谓单站地址。当该字段第一比特为“1 ”时，表示发送给一组工作站，即所谓组地址。全“l ”的组地址表示广播地址。i 一4 8 比特ii g = 0 单站地址b = l 组地址u i l = 0 全局地址u l = ! 局部地址图2 4 目的地址字段格式2 4c s 凇c d 媒体访问协议对于c s m 刖c d 媒体访问协议，一个工作站在发送前，首先监听媒体上是否有载波存在。如果监听到有载波存在，工作站便推迟自己的传输。如果监听到媒体为空闲，则立即开始进行传输。在监听到媒体忙而等待传输情况下，当传输中的帧最后一比特通过后，应继续等待至少9 6 u s ，以提供适当的帧间间隔，随后便可进行传输。如果有两个或两个以上的工作站试图同时发送帧，则会出现冲突而造成废帧，这种现象称之为碰撞。为保证以太网络中使用这种操作机制的正常运行，还需要具备检测有无碰撞的机制，这便是碰撞检测( c d ) ，也就是说一个工作站发送过程中仍要不断检测是否出现碰撞。出现碰撞的另一种情况是由下述原因造成的，即信号在l a n 上传播有一定的时延，对于粗缆而言，信号在其上的传播速度是光速的7 7 ，对于细缆，在其上的传播速度为光速的6 5 ，由于这种传播延时，虽然l a n 上某一工作站己开始发送，但由于另外一个工作站尚未检测到第一个工作站的传输也启动发送，从而造成碰撞。帧长度要足以在发完之前就能检测到碰撞，否则碰撞检测就失去了意义。因此，i e e e8 0 2 3第1 5 页第二章传统以太网络协议湖南大学博士论文标准中定义了一个间隙时间，其大小为往返传播时间与为强化碰撞而有意发送的干扰序列时间之和。这个间隙时间可用来确定最小的m a c 帧长。检测到碰撞之后，涉及该次碰撞的站要丢弃各自开始的传输，转而继续发送一种特殊的干扰信号，使碰撞更加严重，以便警告l a n 上所有工作站。在此之后，两个碰撞的站都采用退避策略，即都设置一个随机间隔时间，当此间隔期满后才能启动发送。当然如果这两个工作站所选的随机间隔时间相同。碰撞将会继续产生。为避免这种情况的出现，退避时间应为一个服从均匀分布的随机量。同时，由于碰撞产生的重传加大了网络的通信流量，所以，当出现多次碰撞后，它应退避一个较长的时间。为了决定这个退避时间，一个通用的退避算法称为截断二进制指数退避( t r u n c a t e db i n a r ye x p o n e n t i a lb a c ko i f ) 算法1 4 】，其基本过程如下：退避时延是间隔时间的整数倍：为防止不成功发送无限进行，规定了最大尝试次数，超过了这个次数，则不再重传，并报告出错；当帧重复发生一次碰撞后，选择的退避时延为间隔时间的r 倍；r 是0 r 2 范围间的随机整数：k 是m i n ( n ，1 0 ) ，即为尝试次数与1 0 中最小的个。由此可简单写成：k = m i n ( 尝试次数，1 0 )r - 随机数( 0 ，2 )退避时延- - - r 间隔时间这种算法是按后进先出的次序控制的，对无碰撞或碰撞次数较少的帧具有优先发