CSMAPPT演示课件

LocalAreaNetworks-CSMA/CD,(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)载波监听多路访问/冲突检测,ComputerNetworks,1,莆,服务器(Server)专用服务器/高档微机工作站或客户机(Workstation/Client)通常是微机（有盘/无盘）传输介质(Medium)双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波,网络硬件NetworkHardware,NIC(网络接口卡）亦称为“网络适配器”其他共享硬件硬盘，打印机，调制解调器，等等。网络连接设备HUB、中继器、交换机、路由器、网关、网桥等,网络硬件NetworkHardware,莆田学院校园网网络结构拓扑图,网络软件NetworkSoftware,网络操作系统（NOS）UNIX、Windows2000（Server版）等工作站操作系统Windows9X/Me/XP等各种应用软件数据库管理系统等,局域网技术之多路访问技术第十二章P.241,6,莆,几个要点,随机访问(RandomAccess)/竞争(Contention):各站点平等,没有任何站点能控制其他站点;只要遵循预定义的程序,包括介质状态的检测,满足条件的每一个站点都能传输数据。两个特点：1.每一个站点的传输随机性2.为了访问介质，各站点采用“竞争”机制在随机访问中，各站点都有权访问介质且不受控于其他站点，而如果有超过一个站点都在发送数据时，就产生了“冲突”（Collision）,要解决的几个关键问题,1.站点何时能访问介质2.如果介质忙，站点要怎么做3.各站点如何确定其数据传输是否成功4.如果发生冲突，应如何解决,以太网的介质访问控制技术IEEE802.3MediumAccessControl,CSMA/CD及其早先的技术可以叫做“随机访问”或“争用”技术。之所以说是“随机访问”，是指没有为每个站点的发送规定某个可预计或有计划的时间，站点发送的顺序是随机的。之所以说是“争用”，是指站点需要争夺线路的时间来获得发送权。这些技术中最早的是ALOHA协议.ALOHA：夏威夷人传统问候语或分别时用语,纯ALOHA协议PureALOHA,Aloha协议或称Aloha技术、Aloha网，是世界上最早的无线电计算机通信网。它是1968年美国夏威夷大学的一项研究计划的名字，由该大学的Abramson等人于70年代初研制成功的一种使用无线广播技术的分组交换计算机网络，也是世界上最早、最基本的无线数据通信协议。这项研究计划的目的是要解决夏威夷群岛之间的通信问题。Aloha网络可以使分散在各岛的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机，从而实现一点到多点的数据通信。,关于ALOHABackground:Aloha,Aloha协议或Aloha网，是世界上最早的无线电计算机通信网。它是1968年美国夏威夷大学的一项研究计划的名字。70年代初研制成功一种使用无线广播技术的分组交换计算机网络，也是最早最基本的无线数据通信协议。取名Aloha，是夏威夷人表示致意的问候语，这项研究计划的目的是要解决夏威夷群岛之间的通信问题。,Aloha网络可以使分散在各岛的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机，从而实现一点到多点的数据通信。,发送网上各站点在任何时刻只要需要，就可以自由地发送信息（以帧的形式）。信息发送完毕，发送站等待一段时间，等待时间等于信道上最远的两个站之间的传输时延的两倍。若在等待时间内收到接收站的确认信息，则表明发送成功，否则重发该数据帧。但为了避免继续冲突，各站需等待一段随机时间后再重发；若再产生冲突，则再等待一段随机时间再重发若多次重发都失败（仍收不到确认信息），则停止发送该帧。ALOHA协议的最大特点是“想说就说”。,纯ALOHA协议之原理PrincipleofPureALOHA,纯ALOHA协议之原理PrincipleofPureALOHA,接收接收站根据“帧校验字段”（同HDLC帧）值对所接收的帧进行差错检验。如果检验无差错，而且地址相符，接收站就发送一个确认帧。否则就丢弃所接收的帧。帧可能因信道噪声或同一时间其他站点传输发出的帧而损坏(发生冲突了)。任何帧相遇都会立即产生冲突（collision）纯ALOHA协议最大的缺点是最大吞吐率不到理想值的18.4%(吞吐率：成功发送的信息数与实际发送的信息数之比)。,时隙ALOHA协议SlottedALOHA,ALOHA的改进版，1972年由Robert提出，可将吞吐率提高一倍。将信道时间分为等长的时间长度,每个长度正好等于一个帧的传输时间（又称“时隙”或“分槽“Slot）。所有站点的时钟必须保持同步。各站只能在时隙的起始时间才能开始发送信息。这样只有那些都在同一个时隙开始进行传输的帧才有可能冲突。故此可能发生冲突的危险区比ALOHA降低了大约一半，在任一帧传输时无其他帧发送的概率约为0.368，即信道的吞吐率最大可达37%。,载波监听多路访问协议CSMAprotocol,纯ALOHA和时隙ALOHA的传输效率都不高，主要原因是各站独立地决定发送的时刻,使得冲突的概率很高,信道利用率下降。CSMA要求各站在发送之前先监听信道上是否有其他站点正在传送（载波监听）。如果有，就稍候；如果无，就发送。如果多个站点同时发送，就会产生冲突，导致信息混淆，传输失败。站点在传输后将等待一定时间（往返时间加上确认帧争用时间）以接收确认帧。收不到确认(因冲突)就重传。最大吞吐率远远超过纯ALOHA和时隙ALOHA，取决于传播时间（媒体长度）和帧的长度：帧越长，传播时间越短，吞吐率越高。,监听算法TypesofCSMA,使用CSMA，需要某种算法来规定发现信道忙时各站点应该采取的策略。于是就有了几种采用不同载波监听策略的CSMA技术：非坚持CSMA1-坚持CSMAP-坚持CSMA性能:CSMA时隙ALOHA纯ALOHA,非坚持CSMANon-PersistentCSMA,信道监听如果信道忙，等待一个随机时间，然后再次对信道进行监听。如果信道空闲，刚立即发送。发现冲突等待一个随机时间，然后重新开始。,1-坚持CSMA1-PersistentCSMA,信道监听如果信道忙，继续监听信道，一旦发现信道空闲，立即发送。发现冲突等待一个随机时间，然后重新开始。之所以称为“1-坚持”，原因是主机一发现信道空闲，百分之百（即概率为1）肯定发送。,p-坚持CSMAP-PersistentCSMA,信道监听如果信道忙，等待直到信道空闲。信道空闲，可能发送(概率为P)，可能延迟一个时间单位再发送(概率为1-P)。时间单位通常等于最大传播时延。发现冲突等待一个随机时间，然后重新开始。,每个站在发送数据前，先监听信道上有无其他站正在发送信息，若无，则发送数据；则有，则暂不发送，退避一段时间后再尝试。其最大的特点是“先听后说”。CSMA的监听策略有三种算法：非坚持一旦监听到信道忙就不再坚持听下去，延迟一段随机时间后再重新监听。（信道利用率不高）1-坚持监听到信道忙时仍然坚持听下去，直到空闲为止。一旦信道空闲就发送。如有冲突，等待一随机时间后再监听。（冲突较大）P-坚持监听到信道忙时仍然坚持听下去，直到空闲为止。当听到信道空闲时，以概率p发送数据。(p=1时，即为1坚持）p-坚持的主要问题是如何确定一个合适的p值。轻载时，1坚持CSMA吞吐量特性最好；重载时，非坚持CSMA吞吐量特性最好，但时间延迟增大。,小结：CSMA协议,CSMA/CD原理：介质访问规则,以太网是典型的采用竟争方式解决介质占用问题的局域网技术，它的介质访问规则有三个关键点：1.连接在介质上的多个节点对介质拥有同等的访问权限。采用竞争的方式来决定某一时刻由哪个节点来占用介质，同一时刻内可能有多个节点访问网络，这就是所谓的“多路访问”。2.节点判断网络介质是否空闲以及发送是否成功都是通过载波监听的方式来实现的。3.从1、2两点来看，以太网不可能避免两个节点同时发送数据的情况出现，这就会产生冲突，因此必须设法避免冲突造成的不可恢复的通信差错，这就要进行冲突检测。,以太网基本工作原理：介质访问规则,介质访问规则：如何控制节点访问网络介质由MAC层定义CSMA/CD：Carrier-SenseMultipleAccesswithCollisionDetection，带冲突检测的载波侦听和多路访问工作过程：先听后发边听边发冲突回退候时重发比喻：一个文雅的座谈会,当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络查看是否有其他站点正在传输，即监听信道是否空闲。如果信道忙，则等待，直到信道空闲。如果信道闲，站点就传输数据。在发送数据的同时，站点继续监听网络确信没有其他站点在同时传输数据。因为有可能两个或多个站点都同时检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数据。如果两个或多个站点同时发送数据，就会产生冲突。当一个传输结点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞信号，这个信号使得冲突的时间足够长，让其他的结点都有能发现。其他结点收到拥塞信号后，都停止传输，等待一个随机产生的时间间隙（回退时间，BackoffTime）后重发。,CSMA/CD的工作原理四句话具体过程如下：,以太网基本工作原理：载波监听机制,开始,检测介质（监听）,介质忙？,发送帧,碰撞？,随机退避时间,YES,NO,NO,YES,继续发送直至完成,以太网基本工作原理：CSMA/CD的缺点,整体效能,30%,50%,安全区域,注意区域,危险区域,网络繁忙时间：,使用设备数量,2,10,30,PC,Desktoppublishingwithlaserprinter,DisklessCAD/CAMworkstation,整体效能,以太网与CSMA/CD协议EthernetandCSMA/CD,总线型和星型拓扑的网络最常用的媒体访问控制技术是CSMA/CD(载波监听多路访问)协议。以太网是使用IEEE802.3标准（即采用CSMA/CD访问控制技术）的网络系统。最早是由施乐（Xerox）公司开发，后来由DEC和施乐公司联手拓展。它是一种使用CSMA/CD访问控制技术（遵循IEEE802.3标准）的局域网系统。85年IEEE802委员会在此基础上颁布802.3标准。以太网是最流行的局域网系统。由于以太网与其他LAN类型相比，具有易用、易安装、易维护、低成本等诸多优点，目前世界上8085%与LAN相连的PC和工作站使用以太网连接。,CSMA坚持和退避CSMAPersistenceandBackoff,载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD,载波监听目的：降低冲突次数如果信道空闲，立即发送如果信道忙，等待直到信道空闲冲突检测目的：降低冲突的影响，使信道在冲突发生可以尽快恢复使用一检测到冲突就放弃传输，等待一个随机时间，然后重新监听。,CSMA/CD执行过程,每站在发送数据前，先监听信道是否空闲；若是，则发送数据，并继续监听下去，一旦监听到冲突，立即停止发送，并在短时间内连续向信道发出一串阻塞信号（JAM）强化冲突，如果信道忙，则暂不发送，退避一随机时间后再尝试。CSMA/CD协议在CSMA协议基础上增加了发送期间检测冲突的功能。其最大特点是“先听后说,边说边听”。该协议已被IEEE802委员会采纳，并以此为依据制定了IEEE802.3标准。CSMA/CD协议同样可分为“非坚持”、“1-坚持”和“p-坚持”三种。以太网通常采用非时隙1-坚持CSMA/CD。,CSMA/CD协议的基本思想,以太网工作原理：载波监听多路访问CarrierSenseMultipleAccess(CSMA),一个站点有数据要发送时，要先将其冲突计数器清零，然后监听电缆，看是否有其他站点的载波(信号)在传送。“监听”可以通过监测电缆上是否有电流（每个比特大致为1820毫安）来实现。每个比特是以10MHz(快速以太网为100MHz）的时钟频率进行曼彻斯特编码后发送的。如果信道没有空闲，就等待，直到信道空闲。然后还要再等一个小的“帧间隔”（IFG）时间（最小为9.6微秒）以便让所有接收站点有时间为下一轮的传输作好准备。【帧间隔】以太网数据帧之间的最小时间间隔，用于设备恢复，以便下一帧数据的接收。任何一个以太网帧，则在传输前都要等待一个帧间隔时间。只有此期间网络持续空闲，才能开始试发送。帧间隔使网路上的各个设备都有相同的机会获得发送权。,以太网工作原理：冲突检测CollisionDetection(CD),CSMA并不能避免两个站点同时发送。如果两个站点都想发送，而且都监听到信道是空闲的，它们将都认定目前无人在使用信道。这样就会产生冲突。每个正在发送数据的站点都继续监听自己的发送过程。如果发现冲突（如同轴电缆上的电流值超过24毫安），就立即停止发送，而改发一个32比特的阻塞码。发送阻塞码的目的是确保各接收方将因CRC差错而丢弃该帧。带冲突检测的监听算法把浪费带宽的时间减少到检测冲突的时间。为保证在帧传输时间内能检测到冲突，要求限制最小帧长(持续时间应不小于2倍的最大传播时延)。接收站将对小于最小帧长的帧当作冲突碎片处理而丢弃之。,以太网的性能（1）PerformanceofEthernet(1),如果只有一个站点要发送，该站点可占用整个传输信道，所以可获得将近100%的信道利用率。即在一个10Mbps的网络上可获得将近10Mbps的吞吐量。如果有两个或更多个站点要同时发送，线路利用率和吞吐率就会下降部分带宽被冲突和退避延迟消耗了。实际上，一条共享10Mbps以太网络通常只能提供24Mbps的吞吐量给所连接的各个站点。,以太网的性能（2）PerformanceofEthernet(2),随着网络利用率的增加，特别是如果有许多站点争用时,可能出现过载情况。此时，网络的吞吐量将急剧下降，信道容量的大部分被CSMA/CD算法耗费掉，只有极小部分用于传送有用的数据。为什么一个共享的以太网要求站点数不得超过1024个，原因就在此。许多工程师以利用率达到40%作为LAN过载的临界值。利用率较高的LAN将出现高冲突率，传输时间也极可能变化很大（由于退避）。使用网桥或交换机将LAN分成两个或更多个冲突域将是极其有益的。,时隙SlotTime,为了确保所有站点都能在发送站完成发送前开始接收到帧，以太网规定了最小帧长（如要求每个帧有效长度不小于64个字节）。最小帧长与网络跨距、所用的传输媒体类型以及信号达到LAN的最远端时需要通过的中继器的数目有关。所有这些因素定义了一个称为“以太网时隙”的参数。带宽为10Mbps或100Mbps的以太网时隙为512比特（64字节，对10Mbps以太网为51.2微秒）时间，带宽为1000Mbps的以太网时隙为4096比特（512字节）时间。,以太网工作原理：退避重发RetransmissionBack-Off,在一个繁忙的网络上，如果所有站点在冲突发生后都试图立即重发，肯定会引起所谓“二次冲突”。所以，要求采取措施将同时重发的概率降低到最小。以太网技术使用的是所谓“随机退避时间”，即每个站点选择一个随机数，乘以时隙时间（即最小帧长时间51.2微秒）。规定重发前必须先等这一个随机时间。退避算法中还规定须对重发次数（N）进行计数，并将最大重发次数限定为16次，即16次冲突后站点将放弃发送，并报告一个错误。每次重发时,发送站点先构造一个数列:0,1,2,3,4,5,.L，其中L为2K-1，K=N，K10。然后从该数列中随机取一个数R。发送站点退避等待（延迟发送）时间为Rx时隙时间，即Rx51.2微秒（对10Mbps以太网）。,二进制指数退避算法BinaryExponentialBackoffAlgorithm,当网络中出现冲突时，发生冲突的发送站点将延迟（退避）一个时间（由退避算法决定）后才能重发。退避算法要求每个发送站点在试图重新传输前必须等待的时间应为时隙（51.2微秒）的整数倍。该整数的取值则由下式决定：0R2K-1，式中K=min(N,10)变量K实际上是冲突的次数，只是最大值为10。所以，R的范围是0至1023（K=10时）。R的实际取值是由每个以太网站点的随机程序决定的。随着连续冲突次数的增加，可能产生的退避时间范围将呈指数增加。规定最大重发次数不超过16次。,退避示例Exampleforbackoff,在两次冲突之后,N=2，于是K=2，数列范围为0,1,2,3，表明再次冲突的概率为四分之一。对应的等待时间则为0,51.2,102.4,153.6微秒中的一个。在三次冲突之后，N=3，数列范围为0,1,2,3,4,5,6,7，表明再次冲突的概率为八分之一。而在四次冲突之后，N=4，数列范围变成0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15，表明再次冲突的概率为十六分之一。,10Mbps以太网访问控制流程,退避算法,以太网的MAC子层功能,以太网的MAC子层负责执行CSMA/CD协议：发送和接收数据封包a.帧处理（帧定界，帧同步）b.寻址（源地址和目的地址处理）c.错误检测（物理介质传输错误）介质存取管理a.介质分配（冲突避免）b.竞争化解（冲突处理）,IEEE802.3帧格式IEEE802.3FrameFormat,前同步字段：56个0和1交替出现的比特帧起始字段：帧起始字界符（10101011）帧的总长度:64至1518字节(从目标地址到帧校验字段),IEEE802.3帧字段IEEE802.3FrameFields,前同步字段：用于接收方进行位同步帧起始字段：标明帧开始处，并使接收方得以确定帧其余部分第一个比特的位置目标地址和源地址字段：可以是唯一的物理地址组地址全局地址长度/类型字段：LLC子层数据长度，或者是信息类型，取决于该帧是按IEEE802.3标准，还是按早期的以太网标准LLC数据字段：由LLC子层提供的数据单元填充字段：使帧有足够长度以便进行冲突检测帧校验字段：除前同步、帧起始和帧校验三个字段外，其余字段的32位循环冗余码,最大帧长度MaximumFrameLength,任何长度超过1518字节的帧被称为“超长帧”，将被接收站自动丢弃。,最小帧长度MinimumFrameLength,任何长度小于64字节的帧被称为“冲突碎片”或“残余帧”，将被接收站自动丢弃。,以太网的帧类型EthernetFrameTypes,802.3的帧格式,62位2位6字节6字节2字节46-1500字节4字节,类型值不超过1500时，表示数据字段长度；等于8888（十六进制）时，表示MAC控制帧，等于8100（十六进制）时，表示VLAN-tagged（标识）帧，用来辅助路由和网络管理。值为其他时，表示非标准的专用帧。,以太网的帧格式,以太网MAC子层：如何工作,发送过程最开始是生成正确的前导/SFD序列，接着是真正的帧内容（包括DA，SA，长度/类型以及数据），最后是作为FCS字段的计算出的CRC序列。MAC层可有效地将主机（计算机）传递给它的面向字节的数据进行转化，并将其串行化为可在网络介质上进行传输的位流。,以太网MAC子层：如何工作,接收过程MAC层将输入的位流重新转化为由字节构成的帧。MAC层检查所接收到的位流，找出帧起始位置，并丢弃前导和帧起始SFD字段。然后MAC层将所接收帧中的目标地址字段值与并与本机的MAC地址进行比较。如果不匹配，便丢弃接收帧。如果匹配则将对所接收的帧独立计算其CRC值，并将计算结果与从接收帧FCS字段（最后4个字节）中值CRC比较。如果彼此不匹配，MAC层就发出“出错”报告。如果正确，就将数据字段上传给LLC子层。,MAC地址MACAddress,MAC地址又称硬件地址或物理地址。使用MAC地址的不是以太网就是令牌环网。硬件地址为48位，写成12个十六进制数字。书写时可以不带