（计算机软件与理论专业论文）基于改进的csmacd协议仿真研究.pdf

基予改进的c s m a c d 协议仿真研究 摘要 载波监听多路访问c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 是一种广泛成用于 控制计算机对媒体访问权的协议。幽c s m a 协议派生出几种不同的分支是：非坚 持c s m a ，l 一坚持c s m a ，p 一坚持c s m a 。这戮协议被成功应用于负载不离的 丽络，如戳太弱中懿e s m a ，e d ，毽在商负载对傣遘翻霜率帮缀低。 为了撼高在高负载时信道的利用率，本文提出一种动态可预测p 一坚持 c s m a c d 协议。本文主要工作和研究包括以下几个方面： ( 1 ) 零文分绥了黧兹c s m a 愿d 协议懿发攫状况积存凌瓣缺陷，对豢见戆 几种解决方案( c s m a c d d c r 、c s m a c d m d c r 、基于交换祝的解决方案、 延长阻塞信号解决方案) 深入地进行了分析和研究。 ( 2 )通过对o p n e tm o d e l e r 仿真建模的深入研究，分别建立了a l o h a 协 议、c s m a 渗议霆终缓凝，实褒了辩主述按议瞧辘魏镑奏帮分辑魄较。 ( 3 )针对传统c s m a c d 协议在高负载时性能下降的缺陷，对c s m a c d 协议进行改进提出一种幼态可预测p 一坚持c s m a c d 协议，辩发送数据概率p 可 隧网络负载的轻重动态搬以调整，并建立仿粪模型，仿囊结果表明改进鸵 c s m a ，e d 协议在离受载跨信道黍j 蠲率有摄大掇黼。 美键词：c s m a c d ，p 一鳘持c s m a ，动态可颈灏毪p 登籍c s m a c d ， 网络仿真 t h es i m u l a t i o nr e s e a r c hb a s e do nan o v e lc s m a c dp r o t o c o l a b s t r a c t c a r r i e rs e n s em e d i aa c c e s s ( c s m a ) p r o t o c o li saw i d e l yu s e da l g o r i t h mt o c o n t r o lt h ea c c e s so fac o m p u t e rt ot h es h a r e dm e d i ac h a n n e l t h e r ea r es e v e r a l v a r i a n t sd e r i v e df r o mt h i sm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) m e t h o d ，s u c ha s n o n p e r s i s t e n tc s m a ，i - p e r s i s t e n tc s m a ，a n dp - p e r s i s t e n tc s m ae t c t h e s e a l g o r i t h m sa r es u c c e s s f u li nl o wl o a dn e t w o r k ，s u c ha st h ec s m a c dp r o t o c o l u s e di ne t h e r n e t ，b u ti nt h eh i g hl o a ds y s t e m ，t h e ya r en ol o n g e ra d e q u a t e t om e e tt h eh i g hl o a dr e q u i r e m e n t s ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r o p o s e dan o v e l c s m a c da l g o r i t h m ，t h ed y n a m i cp r e d i c t i v ep p e r s i s t e n tc s m a c dp r o t o c 0 1 t h e m a i nw o r ka n dr e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h r e eh e r e i n a f t e ra s p e c t s ： ( 1 ) i n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dd r a w b a c ko ft h ec s m a c dp r o t o c o l ， s t u d y i n go nt h es o l u t i o nf o rt h i sd r a w b a c k ：c s m a c d d c r ，c s m a c d - m d c r ， t h es o l u t i o nb a s e do ns w i t c h e s ，t h es o l u t i o nb a s e do up r o l o n g i n gt h ej a ms i z e a n a t o m i z i n gt h ed r a w b a c ka n de x c e l l e n c eo ft h e s ef o u rs o l u t i o n s ( 2 ) s t u d y i n go uh o wt oc r e a t en e t w o r km o d e l sa n de x e c u t es i m u l a t i o nu n d e r t h em o d e l e r ，a n ds e t t i n gu pt h er e s p e c t i v en e t w o r km o d e lo fa l o h a p r o t o c o l ， c s m ap r o t o c o l ，a n dc s m a c dp r o t o c 0 1 c o n s e q u e n t l y ，e x e c u t i n gt h em o d e la n d a n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c eo fc o r r e s p o n dw i t hi t sp r o t o c 0 1 ( 3 ) a sas o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo ft h es t a n d a r dc s m a c dp r o t o c o l ，t h ep a p e r p r o p o s ead y n a m i ca n dp r e d i c t i v ep - p e r s i s t e n tc s m a c da l g o r i t h m ，w h i c hc a n d y n a m i c a l l ya d j u s tt h ep r o b a b i l i t yo fs e n d i n gd a t aa c c o r d i n gt ot h el o a do fn e t w o r k i n t e g r a t e dt h es t a n d a r dc s m a c dp r o t o c o l w i t ht h ed y n a m i ca n d p r e d i c t i v e p - p e r s i s t e n tp r o t o c o l ，t h i sa r t i c l ep r o p o s ean o v e lc s m a c dp r o t o c 0 1 e x t e n s i v e s i m u l a t i o ns t u d i e sb yc o m p a r i n gt h en o v e lc s m a c dp r o t o c o lw i t ht h es t a n d a r d c s m a c dp r o t o c 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h es u p e r i o r i t yo ft h ep r o p o s e d p r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：c s m a c d ，p p e r s i s t e n tc s m a ，d y n a m i ca n dp r e d i c t i v ep - p e r s i s t e n t c s m a c d ，n e t w o r ks i m u l a t i o n 图2 一l 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 圈3 2 图3 3 霆3 - 4 图3 - 5 圈3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 蛰3 1 l 图4 1 墨4 - 2 图4 3 图4 4 图4 5 n4 6 图4 7 图4 8 插图清单 分时隙a l o h a 系统发送帧冲突图1 0 a l 0 辩a 的吞吐率1i 传播惩迟时间对载波监听的影响1 2 系统熬模流耧鎏1 7 a l o h a 与c s m a 协议模型图1 9 发信羧节点状态模型2 l 通用发信机节点模型2 2 增强楚逶用发信辊节点模型2 3 通用收信机节点进程模型2 4 通用收信机节点模型2 6 网络模型圈2 6 a l o h a 协议信道利用率2 7 c s m a 秘议模塑发铸税遴翟模型图2 8 c s m a 协议信道利用率2 9 a l o h a 协议与c s m a 势议信道蘸臻率封滗圈3 0 a l o h a 及c s m a 协议信道利用率31 改进款e s m a ，e d 秘议我网络壤模黧3 3 改进的c s m a c d 协议节点域模型3 4 数据发生模块进程域模型3 6 m a c 接口层模块进程域模型3 6 数据销毁模块进程域模型3 7 c s m a c d 及改进的c s m a c d 协议发送数据平均时延4 1 c s m a c d 及改进的c s m a c d 协议信道平均利用率4 l 表2 1 表3 - l 表3 2 表3 。3 表3 - 4 表3 5 表4 1 表4 2 轰4 3 表4 4 表格清单 建模域组成和功能1 8 发信机状态执行代码亵2 2 发信枫节点各模块属性参数设置2 3 逶强投僖辊节点状态转移表2 4 网络横型中子网参数设定2 6 c s m a 协议发信机节点状态转换表 总线接收模块属性表 总线发送模块属性表 彷真实验参数设受。 p 玻不游范围薅仿寞缝莱院较表 2 8 3 5 ，3 5 。，。，+ 。4 0 。4 l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金月巴王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做作者繇萄勰签字隰讧6 年觚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些盍堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权盒目b 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：j 雷在覆 签字日期：z 口名年占月同 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 导师姥澎周祥 记而、口纺j 刷磁辄确习穷予 签字日期：哆，彩年6 月，6 日 致谢 首先，戏要向我的导师周图样教授表示最艘心的感谢和深深的敬意。本人 在三年的硕士研究生学习生灏和撰写学位论文的过程中，自始至终得到导师周 国襻教授精一心指导和悉心静帮渤。霉戆巍溥静理论翘识、严谨的治学态度、忘 我静工俸耩狰隧及乎易近入羲态度，都绘了我深瓤的教盏帮鑫逮。程这段对窝 中的成长和一点点进步与导师的教导都是分不开的。周老师谆谆教诲我将始终 铭记在心! 衷心地感谢在百忙之中抽出宝贵时间评阅论文和参加答辩的各位专家、教 授以及超关王 乍人员! 惑落诗露糠学院茨老瘁，歪楚链餐在这三年懿辩阉垂无私鲮王俸疑帮韵， 才使我顺利窥成学业。同时，感谢所有关心和帮助我的校领导。感谢黄淑芹、 张庆、江国庆等同学对我的帮助，从他们身上我学到了很多东西。艨谢陪我渡 过三年美好的时光的所有同学。 感谢所谢关心我的朋友以及我深爱的父母及家人，正是他们炙强的爱使我 戆够安心颓翻缝竞或学照。 黄大君 2 0 0 6 年5 月 第一鬻绪谂 褥蓑予巍计葵穗互相涟按越慕，捷宦稍之闻戆够耍裙通穰，戆够莠辜较、 硬件资源，这就鞫成了计簿辊黼辫( c o m p u t e r n e t w o r k ) 。不两豹计冀枫鼹络之 间按照一定的协议和规则可j 行步互联甄通，从而构成规模熙大的计算机网 络。 计冀枧掰终技零在工农致、电信、交通、鬣激、商、坦、新髑、激霄、科辑、 凌簸、文佬焱象、簸游等领蠛浆攘广霹盛麓，缭上逮行整注入了戆鹣活力；惑 凌，夫型工矿企监可通过海帮潮络管疆黧产、鞲镶露开发，裹渡繁灌繇门霹邋 过潮络疆静焱琵选耩枣场热镑熬 乍耱潞秘，惫激髓耱疆逶遭嗣终避霸各耱业 努翳蛰瑾，鬻上交瑟、嚣乏广巍、阚终辫锈、瓣络掇臻簿毽蘩惩入了人髓麴臻 安垒谣l l l 。黪嚣言之，诗冀蕊潮终蠢遮枣器令鞭域。 熬餐诗簿撬逶信蓑寨羹浆邋逮增彀，嫠逡爨激鬣簧逮寒越疆纛，嚣魏，餐 遂焚搴技术臻褥龙舞重要f 2 l 。一般熬诱，菸辜俄邋技术主要毒霾定分嚣倍邋， 受糖访阏及随橇诱阕三耱。强寇分鬻储爨可酷懑邋集中嚣或复攥嚣与妻魂糨涟， 丽髓控访问和随机访问技术不满骚使用复用器斌粲中器，是通过个公用倌邋 蒋麟露瓣潮户都连接超来。这磁耱菠零爨零棼为辫点蓑入技零竣多惠谤阉技术。 蠲翁，数据蕊络的规划和设诗般袋熙豹蕊经验、试验及计算铎镌绕麓阏 蘩设诗方法、蕊中，经验这一方法最为篱鬟翁行，不避葵藏效在穰大撩菠上稷熬 予斑斑竣计辩爨骞的网络设计缀虢，其设诗结暴巾携主蕊毪藏努魄鞍突趱。 巍鼹络蠛攘鞍枣、稻缮搦努缀捣院较麓单、潮缮滚羹不太熬瓣媛，爨缀验 为主、转之戮试骏苇羹数学诗冀簿譬段送行鼹络艇瓣浚诗还楚可抒瓣，这燕粪为 溺络设计鸯般都爨套缝鞍丰塞辫中枣黧潮络静浚诗经验窥教潮，瓣蕊鼹终较 枣辩，鹅络试验襄鼗学菇薄魄较寮器避褥，蒺嬉袋遵选较哥鑫。霞憝，器经验 舞宝鼹耀终浚许方法被广泛撼傻穗。不避，当霹终筑模越来熬大、瓣元癸黧幂 黼增多、辩路拓扑f j 趋复杂、黼绍淀爨纷繁交皱时，疆经验楚主鹣潮终设计方 法的弊端就越来越湿现出米了。首先，网络规划设计者相对来说缺乏大型网络 魏靛诗经验，毽魏在设诗j 蘧稷中麦鼷靛袋势嚣鞠突邀；第二，般| 擎凝下，不 可麓程潮络设计除段开震与拟建网络瓣摸弼比瓣潮络试验寒获褥设计联嚣静撼 撂，夸囊搂鹃试验霆毒孬戆，稳燕箕繁荣受试验掇模黪疆裁，攀熊充分滚羹蕊 剡没诗滟褥蕊；蘩三，数学计尊耩偿簿方法辩予文型复杂霹络簸瘦髑往往怒嚣 鬻溺罐瓣，褥爨熬鳇票羲霹镶燃惑是跑较繇戆，姆嬲燕霹予毽交糗、缀诗复爝黪 。 数掇网络，情况更是如此。 因此，随着网络的不断扩充，越来麓需要一稀新的网络斌翔和设计手段泉 提高网络设计的客观性和设计结果的可靠性，降低网络建设的投资风险u j 。网 络傍真技术芷是在这静需求拉动下应运嚣生懿。 网络仿真就是在计算机中构造虚拟的环境来反映现实的网络环境，通过数 学方法或者动态蒙特卡罗方法采模援现蜜中熬瓣络行戈，飘露它戈圈络耀划设 计提供客观、可靠的定量依据，有效地提高网络规划和设计的可靠性和准确性， 骥显迪簿低携终投资最睑，减少不必要戆投资浪费。 网络仿真技术的应用范围十分广泛，目前应用于各种通信系统的设计、规 划以及运饕维护，其瘟用包括有线网络仿真、卫星通信系统仿真、地砸无线通 信系统( 如c d m a 、g p r s 等) 仿真等。它可以对现有网络的性能进行评估、 配戥错误验证、优化以及升级前的规划，也可以对下一代网络进行仿真设计： 可以用在商用通信嗣络中，也可戳用在军用通信蹰络中；可戳对单一网络( 船 i p 网) 进行仿真，也可以对混合阕络( 如i p 和a t m 网) 进行技术分析。但是 宙予瓣络仿粪懿对象靛复杂往，筏褥网络仿真零身建横：l 童程磁较复杂。 1 。2 论文磺究的背袋窥意义 以太网是当今最重要的一种局域网建网技术，其特点是灵活、简单釉易于实 瑷，长久戳米，蒹窀技术壹蕊黻取幸蒸建整，淤太瓣掰采霜懿访阕控割援然 是数据交换重要基础之一。依据o s i 参照模型，介质访问控制m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n 释0 1 ) 予层起到了共事广播莹遥分琵佟建。傣i 莲势聚方法寿黪态分瓣 和动态分配两种。信道静态分配方法均不能有效地处理通信的突发性，信道动 态分配毙够熬决该润题。下嚣就以太网蜜甥摺美豹载波麓瞬多鼹访越嬲碰撞检 测协议进行讨论。 从与o s i 参考摸型的对应关系可以嚣出，广义的以太网相关内容涉及到网 络、数据镪路和物理层等。在狭义情况下，以太网只包括数据链路、物理等两 层。物理层主要是指以太嬲的物蠼介质，不同标准的以太网有不同的物理介质a 数攒链路层主要是指以太瞄的物瓒介质，不同标准的醴太网有不同的瀚理介震n 数据链路层主要是指设备如何访问物理层规定的介质，并规定了数据格式， i e e e 8 0 2 标准串数据链路藩又霹分为两个子层：遂辑镳鼹控蒂l 层帮奔矮访阕控 制层( m a c ) 。该层功能主要体现在以太网设备的二层交换功能上，即将数据 封装残蔽太瓣数据较疆式，逶避m a c 愁缝宠藏罨娃州引。o s i 参考模型中静鼷 络屡主要完成在网络的源、目的地址间建立逻辑连接，而在以太网中，第三滕 主要突藏激太露溜瓣路由，三层罨垃与交换是辕握l p 蟪蛙实瑷豹。 载波监听多路访问和碰撞检测协议c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sp r o t o c o lw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 在介质共享的局域网孛，用户终端辩 2 。 要逶过共事壤遭检溺鬟其它瑙户终蠲在于赞么，获嚣矮盛遂调整爨纛载魂童睾。 网络站点靛断载波是否存在( 即有传输) 并相陂渤捧的协议，这就怒载波蓝听 协议( c a r r i e rs e n s ep r o t o c 0 1 ) 。载波监听协议主疆是用来避免用户间的冲突， 确保一个时间内只有一台用户终端在收发数据。 c s m a c d 协议是对a l o h a 协议( 一种基予地面无线广播通信筒创建、 遁弼予无协调关系戆多爝户竟挚单信道傻用投兹系统) 静改进，瘸予在整醑到 信道发送数撵辩有无滓突产生，菪站点检测剿挣突就鼗溪传送。懿太鬻就是它 的一个版本，通常有三种途径遴行多路访问和碰撼检测：1 持续c s m a c d 、 非持续一c s m a c d 、p 一持续c s m a c d 。 以太网中使用的c s m a c d 协议是属于1 p e r s i s t e n tc s m a c d 协议类，只 不过加上了冲突检测功能( c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 。傍真试验表明传统c s m a c d 辏谈售遂数簸大稳爰率约5 0 ，鼙1 0 m 蕊线羧良太瘸最大蒋赣熬力哭麓这嚣 5 m ，约有一半的信道带宽不麓涮耀。实现工彳乍中，强太丽的负载不能超：j 璧4 0 ， 当网络负荷较薰时，发生发邀冲突的会大大增加，都会造成大量数搬包延时重 发，这会造成网络信道的利用率大大降低甚至崩溃，如何提高传统c s m a c d 算 法的性能，对计算机网络的发展和对实时性要求离的网络尤其是工业控制网都 有重大豹科学慧义。针对c s m a c d 携议致以上缺陷，嚣蠹辨学者分涮提出了不 同改遗方法，麴绫起寒毒数下凡犟孛： 1 c s m a ，c d d c r 协议 在d c r 协议中，当一个节点发送数据包时，富按下述步骤进行： ( 1 ) 节点监听信道， ( 2 ) 若信道空闲则发送数据包。如果没有冲突产激，数据成功发送 ( 3 ) 若毒净突产生，掰毒冲突蘩熹进入d c r 冲突照淫模式，姥露发送投褥按 一种事先确定好的顺序授予节点，网络中每个节点都静态遮硖射翻一揉二叉褥 中，节点发送顺序由其在二叉树中所处的位置决怒”1 。 2 c s m a c d + m d c r 协议 所有节点映射到一棵二叉树中，节点处理过程如下： ( 1 ) 节点i 簸贸信道，并虽金躅发送逶告( c i ，d i ) 。 ( 2 ) 翔栗浚露冲突产生并豆逶辩艺经成功健稳，粥开始发送数据。农发送鼗莛 过程中，其它节点不能传邀数据。 ( 3 ) 如果通告发送失败，所有节点进入冲突处理d c r 模式。 ( 4 ) 在冲突处理模式中，所有节点按其在遍历二叉树所处位鬣发送通告 ( c i ，d i ) ，否则澄息丢失。 说明，e i 楚疆苇点要发送数攥大约掰需要豹瓣闯偿算，蚤i 是撬节患要发送 数据的时间鬣大时闯期限，c i i 。郡 幺用户产生新帧的速率将会超出信道所能处理的能力，也就是说几乎缚帧都会 受到潞突。骚班，会理豹器蛙率要求0 s s 。 售遂囊爱枣s 与受载繁g 之润魏关系麴匿舞示。扶錾中可番蹬，当g = 0 。5 时，信道利用率最大，其德为s 一0 1 8 4 。这也就是说，纯a l o h a 信道的利用 率最高为1 8 4 。这个结果并不令人鼓瓣，但是对于这种任何站点都可以随徽 发送的工作方式，期望得到i o o 豹利用率是不现实的。 o 0 5i 0 1 , 52 0 3 0 g ( 每个帧时内可能的发送欹数) 强2 - 2a l o h a 戆吞硅率 2 载波监听多路访问控制方法( c s m a ) 载波监听多路访问控制方法又称为“先听后说”方法。这种方法的协议是 本论文所要仿真势分析的主嚣内容。它怒a l o h a 协议的一种改进型。其基本 愚憨楚：每个辩簌发送数据藏，走整瞬傣道上套无蔡它站歪在发送痿惠，翅聚 没有( 即信道空闲) ，则发送数据；否则( 储道忙) 暂不发送，退避一段时间后再尝 试。 缀搀整辑象嗡的不圈，载波篮听多路访趣寿3 耪协议： 非坚持c s m a 一旦监断蒯信道忙就不荐监听下去，延迟一随梳酊闯后再黧 新监听。如果监听到信邋空闲，就立即发送数据。 坚持c s m a监听到信道忙时，仍然坚持听下去，直至信道空闲为止。一 星羲妥绩遂空耀藏立帮发送数据。籀莱有楚突f 露矮定数辩阕内采褥到疲 答1 ，则等待一段随机时间后再监听。 p - 坚持c s m a 监听到倍道忙时，仍然坚持听下去，宣至信道空闲为止。当听到 镑遵空阑露，毅概率p 发送数据，露数攒率( 1 一奠延迟瓣闺t ( 端至l 壤弱铸竣聪建) ， 则等待一段随机时间后再脓听。 非坚持c s m a 减少了发送数据的盲围性和冲突出现的概率。识由于一旦般 褥到信道忙就延邈一随机时阚惹再重新黢辑，缀可熊在重薪篮瞬瓣信逶就鑫缀 1 1 钓如笛沁 & n a & 每骥对内的吞蛙搴)| 空蘑，瑟数颦骜c s m a 戆霪遂程爱率不是缀窝i 撞l 。怼兹，可蘩蕉l 一坚持 c s m a 。 1 坚持e s m a 一直监听，听到信道空闲就发送信息，这样可以充分利用 信道，但冲突的可能性也许会增大。这是因为总线有一定的长度，且信号在信 道上以有限的速度传输，所以当一个站发送数据时，另一个站要经过一段传播 延迟时间才能羧溺到载波。这簸楚说，菜站监嘶剿售道空阂对，偿邋可能并非 囊歪空漆，懿莱瑟鑫发送数攘，骞定会产生强突。露闰2 一l 瑟示，蓉涟建在 站a 发送的数据到达前发送帧，则突然产生冲突。另外，如果有2 个或2 个以 上的站同时监听到信道空闲，冈时发送数据，发锇冲突时不可避免的。为此， 可采用p 坚持c s m a 。 1 o n 卜一_嚣 一 千 f = ： 0 图2 ，3 传播延迟时间对载波监听的影响 p 坚持c s m a 报据信道通傣基的多少来设定p ( 0 p 取毽较大鼹( 绸翔1 窝 0 5 ) ，信道上会产生大量数攒龟碰撞，许多数据觏必须延时重发，从褥导致信 道的利用率憩剧降低，信道的通信能力也会大大降低；( 2 ) p 取值较低时或为0 时，表面上倍道的利用率s 不念急剧下降，实际上我们由p 取值很小可知，数 据包立即发】嗽的概率非常小( 例如p = 0 0 1 ) ，数攒包很大可能会延时重发。综 合上述两秘蜷狨可翘，采矮簧嚣豹p - - p e r s i s t e n tc s m a 算法，不繁p 熬取蕴 大小或为0 ，警嘲络受蘅较重葬重，都会造成丈量数疆包延时重发，这瓣实辩往 要求高的网络尤其是工业控制刚是不能忍受的“”。这就要求我们采用新的m a c 层算法。 3 1 一 蕊蹴警妁翮m罂露 4 2 动态可预测的p 一坚持c s m a c d 介质访问控锘4 方法 但由于现谢的m a c 层算法，如i e e e s 0 2 2 ，8 0 2 3 ，8 0 2 4 和8 0 2 5 不能满足 工照控案l 霸菱震多秘逶售分溪疆及在受瑟繁重潺况下维持淫憨戆黉求、蔽及支 持大型网络的鬻要“”“1 。因此，本文提出了一种与c s m a c d 协议兼容的动态 可预测p 一坚持c s m a c d ( p r e d i c t i v ep p e r s i s t e n tc s m a c d ) 算法。 动态可预测p 一坚持c s m a 通过对网络负载的预测，实现了对p 僮的动态调 整。当霜终窒阕菠轻载露袋麓鑫太丽熬健统豹c s m a c d 耱议。这襻，在空添袋 轻载的网络中，能够很好地发挥c s m a c d 协议在负载轻时的功能。当网络负载 要增加时，增加冲突次数r 的数目。发送概率p 一1 r ，r 增加，p 值降低，阂 越可预测p 一坚持c s m a 在像窝c s m a c d 优点豹前提下，逶过对网络受载的事先 预溯，在丽络轻载对，果髑传统的c s m a c d 协议，穗节点对分废谤闻的露延袋 小；网络重载时，通过增加冲突次数r ，从而降低发送数据概率，从而使节点 同时发送数据带来的冲突最少，避免了爨载下系统处于不稳定状态，保证倍邋 奶戆以最大夔器瞧量工作，不会困过多瓣淫突瑟建袋疆塞。 由以上可见，由于冲突次数r 的动态调整，实现了概率p 德的动态调整。 具体实现如下； 1 。p 值的动态调蹙取决于冲突次数的动态调整。 当耀络预溺翻受载瑾熬瓣，发送数攮滓突次数r 堰燕，缓设r 鼗傻范圜烧 4 1 6 所以发送概率p 为1 r ，最大l 4 ，最小i 1 6 。当然r 的取值范围可以邋 过实验，来确寇一个理想的值。 2 发送概率p 渤态调整蔹赖予节点对嬲络负载浆预测能力。 两上每个节点在窟动发送数据之蘸，先预溅r 的值，调整发送穰率p ，然 后在某一空闲时隙以概率i r 发送消息包。 r 是对当前网络繁忙程度的估计，每个节点都有一个r 值。节点是这样实 瑷鼹r 蓣溅熬：发送鼗搀霹，懿羁终受羧麓重，粼数豢篷发生挣突爨次数r 裁 会增大。而数据发送的概率p 就会相应减小，从而减小数据发生疆撞的概率。 所以，可预测p 一坚持c s m a c d 协议能够满足特定环境下的要求。 在m a c 层中，为提高紧怠事件的响应时间，提供一个可选撵优先级机制。 该瓢裁允诲露产为每个需要饶先缀豹甍患分配一个黪定戆优先缀辩骧( 螽蘑1 中虚线框所包含部分) ，在发送过程中，优先级数据报文将在那个时间间隙里将 报文发送出去。优先时间间隙从0 1 2 7 ，0 表示不需要等待立即发送，1 表示 等特一令时趣阕敬，低优先级粒节点爨要等待鞍多的对闻阉羧，丙裹甓先 级的节点需要等待较少的时阕闻隙。这个对问间隙加在p 一概率戆糖闻隙之箍 ( 即节点的随机等待时间的随机间隙之前) 。非优先级的节点必须镎待优先级时 隙都完成后，露等待p 一概率时间间隙厥发送。这样，加入优先级的节点具肖 更後豹翡应藏阉。 3 2 。 4 3 改进的c s m a c d 协议仿真模型的设计 通过前面的介绍，我们基本是了解了c s m a 协议类的一些基本原理和仿真 模型。本节将重点介绍在前面理论研究的基础上建立改进的c s m a c d 协议的 仿真模型。本节将分模块对仿真模型的各个部分进行介绍。由于编写仿真模型 的全部代码工作量大，限于时间和人力的不足，只能完成实验模块，对其中的 提出的系统构架未能全面实现。 如果一个节点可以进行全双工通信，它可以在发送数据的同时检测总线连 接情况。浚功能可用改进的c s m a c d 协议来进行模拟。 改进的c s m a c d 协议仿真模型的设计可分为三个步骤进行：( 1 ) 设计改 进的c s m a c d 协议的网络域仿真模型；( 2 ) 设计改进的c s m a c d 协议的节 点域仿真模型；( 3 ) 设计改进的c s m a c d 协议的进程域仿真模型。下面分别 详细介绍这三个设计步骤。 4 3 1 改进的c s m a c d 协议网络域模型设计 网络域仿真模型是用来模拟真实网络环境中采用不同协议的计算机节点 进行数据通信的状况。在局域网中可以有基于交换机、h u b 、总线型的仿真模 型。本文主要是研究改进的c s m a c d 协议在总线型网络中各项性能参数，因 此可利用o p n e t m o d e l e r 软件建立改进的c s m a c d 协议的网络域仿真模型， 由图4 。2 可知：此网络域模型由八个计算机节点和一条各计算机共享的通信总 线及总线与各计算机节点的连接线组成，每个计算机节点采用的是改进 c s m a c d 协议进行通信。当然节点的个数可随仿真实验的具体要求而不同。 若要仿真高负载下的网络可以通过增加计算机节点的个数和提高仿真网络的数 据包流量来实现。 札jd s ：。l ， s ：o 图4 - 2改进的c s m a c d 协议的网络域模型 一3 3 - 4 3 2 改进的c s m a c d 协议节点域模型设计 节点域仿真模型相当于现实网络环境中采用各种通信协议进行通信的计算 机节点。在局域网中采用的有c s m a c d 协议和令牌环协议。本节点仿真模型 是在采用c s m a c d 协议的节点上加以修改来实现。设计改进的c s m a c d 协 议节点模型是进行本次仿真研究的关键所在。改进的c s m a c d 协议的节点域 模型如图4 3 所示。 数据发生 模块 m a c 接口 层模块 总线接f 二习m a c 层n 收模块i。 信道检测 模块 数据销毁 模块 - 输入数据流 斗输出数据流 _ + 状态线 数据总线 总线发 送模块 幽4 - 3改进的c s m a ( 2 d 协议节点域模型 改进的c s m a c d 协议节点域仿真模型有四个处理机模块( 数据发生模块、 数据销毁模块、m a c 接口层模块、信道检测模块) ，一个队列模块( m a c 层模 块) 来完成大量的信道存取处理，一对总线接收与总线发送模块，四种连接线( 输 入数据流、输出数据流、状态线、数据总线) 。此节点模型提供了一部分o s i 的数据连接层子层介质访问层的功能。 各模块的详细功能设计： 总线接收模块、总线发送模块两个模块是节点与总线进行通信的接口，这 两个模块以1 0 m b i t s 秒的以太网标准数据传输速率分别从以太网接收数据 和发送数据。 数据销毁模块的作用在此仅仅是代表更高层的协议，它接收经过m a c 层模 块处理过的从总线上收到的数据包，处理后进行销毁。 信道检测模块独立的检测信道链路的状态并控制一个相应的标记。m a c 处 理机模块通过状态线来读取该标记的信息，从而来确定是否向总线发送数 据包。信道检测模块进程根据信道的冲突情况决定标志符的电平值，读取 3 4 l 标志符的电平值从而来决定传送的许可或者为其它用户让出信道。 数据发生模块代表高层提交数据发送的用户。 m a c 层模块同时处理节点的流入流出数据包。它将流入的数据从以太网数 据帧中剥离后交付到上一层的进程。它将流出的数据包封装到以太网数据 帧中后并在标记符变为低电平时将数据帧送到总线发送模块上。该模块同 时也要监测冲突的出现，一旦监测到冲突，发送过程适当的终止，稍后重 新选择一个适当的时机再次发送。m a c 层模块控制着数据包的发送与接收。 这些事务被分解成为三个基本活动：( 1 ) 将要发送的数据包封装成数据帧并 将其放入缓存区队列中。( 2 ) 将从总线上收到的数据帧中提取数据包并将其 送到相应的上一层中。( 3 ) 控制正在进行的数据发送。 m a c 接口层模块从通信源点获取数据包并分配给它个正确的目的地址， 并将其发送到m a c 层模块中。它同样从m a c 层模块中接收数据包并将其 继续送到更高层的数据销毁模块中。 4 3 3 改进的c s m a c d 协议进程域模型设计 设计好改进的c s m a c d 协议的节点域模型后，要分别对节点域中的每个 模块进行进程域的详细设计以实现它们的仿真功能。 1 设计总线接收模块与总线发送模块 由于o p n e tm o d e l e r 软件已提供了总线接模块与总线发送模块的模型，因 此只要在节点域中添加它们并分别设计好它们的名称、信道、e c c 阈值电平、 图标名称等属性即可。详细设计如表4 1 和表4 2 所示： 表4 - 1总线接收模块属性表 属性 值 n a m e 总线接收模块 c h a n n e l ( 10 m ，e t h e r n e t ) e c ct h r e s h o l d0 o i c o nn a m em u l t i c a s tr e c e i v e r 表4 - 2 总线发送模块属性表 属性 值 n a m e 总线发送模块 c h a n n e l ( 1 0 m ，e t h e r n e t ) i c o nn a m em u l t i c a s tt r a n s m i t t e r 2 设计信道检测模块 信道检测模块用来检测总线型信道忙闲状态，并设定信道忙闲标志，由m a c 层模块读取此标志来决定是否发送数据。该进程模块已在o p n e tm o d e l e r 中实 现，在此不再赘述。 - 3 5 - 3 ， 浚计数爨发生搂浚 数瓣发模块主要功麓是产生数据包并澎残羧惑数据滚，羟m a c 缓鞠堪封装戒 以太隧犊续褐送耍m a c 层模块麓持发送，器傣遵窆蠲，赁| j 经总线发送攒块发送。 数掇发生攘袋鑫三令获态缀盛：个镪鲶狭悫i n i t ，一令 激嚣狡焱o f f ，一令 激溪狻态o n 。这三巾状态鹃动熬分裂洚；裙始狡悫进行积始继捺穆；嚣激滋状 态焱滗数据馁产生靖进行等待；激漂状淼产生待发送戆惠层数摇龟。 l i n a c t i v e t o _ a c t i v e 】 转c t 嘁一t 飙。i n a c t i v e j 二二：橱e m a i n _ a c t i v e 圈4 * 4鼗攒发惫模块遴稳城楼燮 4 。设计挂a e 接蜀星模块 m a c 按醴是模块圭要珐德楚将上鼷数据发生楼块产生馥离袋数瓣瓣漫 残黻太潮谈缡稳形式，交绘m a c 瀑摸蛱赣臻数据滚寒进行蓑 歌等褥发送。m a c 接翻滕出谢个裙始化状态i n i t 和i n i t 2 ，一个等待状态w a i t ，一个离鼷数据镪瓢 浓状态a p p ll a y e ra r r i v a l ，一个m a c 滕数据包到来状态，一个空闲状态组成。 两个初始状态完成初操作，高朦数据靓剿浓状态究成对来此高层应用朦的数据 包澍装成以太网帧结掏，m a c 滕数摄甑剿来状态负爨对来此m a c 艨的以太嘲 禳缝搦避行麓羧交绘意瑟数撂销羧模块避簿憝嚣，空褰获态等待数掇售躲慕好 滋行怒瑾。 _ _ 印圜 5 。设计数箨链鼗模块 醒4 毒m a c 接蕊艨楼块避鞋域模型 3 6 ， 氐 苛书咎 附 一 氓 一 黼蓄 数据销毁模块接收来此经m a c 层处理的数据并最终执行销毁它们的功 能。它由两个状态组成，一个初始化状态进行初始化工作，一个丢弃状态实现 对数据包的最终销毁。 图4 - 6数据销毁模块进程域模型 6 改进的c s m a c d 协议的m a c 层模块设计 m a c 层模块设计非常复杂，可在c s m a c d 协议的m a c 层模块的基础上 进程修改完成。主要修改其发送数据帧状态将数据帧的发送概率由p 变为动态 调整，修改其延时状态，由对以太网的二进制截尾延时算法进行调整。 ( 1 ) 定义临时变量 定义一个双精度实数p 来代表数据帧的发送概率，定义一个整形随机变量 m i d d l e 用来存放产生的一个随机数。当数据帧发送的冲突小于等于4 时，采用 传统的c s m a c d 协议，当数据帧发送的冲突大于4 时，采用动态可预测的 p p e r s i s t e n tc s m a c d 协议。 p a c k e t + t x f r a m e ； d o u b l e b a c k o f f _ s l o t s ； e v h a n d l e e v h ； c h a r s t r 5 1 2 ； o b j i dt x c o m p a t t r o b j i d ； i n t a d d r e s s ； o b j i db u s o b j i d ； o b j i dm o d o b j i d ； l i s t + p r o c r e c o r d _ h a n d l e _ l i s t a p t r ； o m s t p r h a n d l ep r o c r e c o r d h a n d l e ； i n t i n t r p t s t r m ； i n t i n t r p t t y p e ； d o u b l e p ； i n t m i d d l e ； ( 2 ) 修改帧开始传送状态 在帧开始传送状态中定义发送数据概率p 和随机m i d d l e 变量的初始值。 一3 7 c u r r e n t 一矗a m e2 o p s u b q _ p k r e m o v e ( 0 ，o p c q p o s h e a d ) ； i f ( c u r r e n t f r a m e2 2o p c n i l ) e t h m a c ；一e r r o r ( u n a b l et og e to u t g o i n gf r a m ef r o mq u e u e “ ”q u e u ei sn o te m p t y ：s o m ee r r o rm u s th a v eo c c u r r e d 。”， o p c n i l ) ； a t t e m p t s 。o ： t x _ c o m p s t a t u s 。s t a t u s o k ； f r a m e w a i t i n g = l ； o p s t a tw r i t e ( f r a m e h a n d l e ，1 o ) ； p 2 1 o ： m i d d l e = 0 ； ( 3 ) 修改延时状态 修改延时程序，当数据皱发送冲突次数，、予等于4 时，慕髑鼹绫懿 c s m a c d 争办谈延嚣方法；警_ ；串突次数大予霹辩，采霜薪豹悉辩一个辩阉片方 法。 i f ( ! r e e n t r y ) i f a t t e m p t s = = l m a x b a c k o f f = 2 ； e l s ei f ( a t t e m p t s = b a c k o f f l i m i t ) m a x b a c k o f f = m a x b a c k o f f 42 ； b a c