CSMA/CD介质访问控制详解

1985 年, IEEE 802 委员会正式推出IEEE 802.3 标准, 规定了CSMA/CD 的介质访问控制方法和物理层的技术规范, 以太网是该标准的典型网络。

1.CSMA/CD 的工作过程

CSMA/CD 介质访问控制方法, 是带有冲突监测的载波侦听多路访问方法, 主要采取争用的方式来决定介质的访问权, 一般用于总线型拓扑结构的网络。 在总线型拓扑结构的网络中, 所有的计算机连接到一条物理信道上, 该物理信道承担着所有设备之间的数据传输工作。 网络中各节点之间以广播的形式传输数据帧(数据帧包括目的地址和源地址), 该数据帧能被所有连接到物理信道上的节点接收到。 目的节点通过对数据帧中的目的地址进行检测来确定为本节点的数据帧, 接收并阅读其中的数据。 若信道上同时有多个节点发送数据帧,则会造成冲突, 使得数据发送不成功。

为了确保成功发送数据帧, 以实现数据在共享传输介质上的有序发送, 以太网采取了CSMA/CD 的介质访问控制方法, 其工作过程如下。

(1) 多点接入。 在网络中多台计算机以多点接入的方式共享一根传输介质, 网络中的任意一个节点都可以发送数据。

(2) 载波侦听。 网络中每一个节点在利用总线发送数据之前, 都要先检测一下是否有其他节点在发送数据。 如果总线上没有数据传输, 则总线处于空闲状态, 就可以进行数据的传输。 如果总线上已经有数据在传输(即为总线忙), 则不能发送数据, 以免发生冲突, 需要发送数据的节点继续侦听或退避一段时间后再去侦听信道的数据传输情况。

(3) 冲突检测。 在网络中, 如果有两个或两个以上的站点同时使用共享介质进行数据传输, 就会导致冲突, 数据发送失败。 因此, 在发送数据之前, 还需要进行检测总线上是否存在冲突信号, 以太网通过检测信号电平来进行冲突检测。

由于网络中的数据帧采取的编码方式是曼彻斯特编码, 在其正常传输时, 传输总线上的信号波形会保持在一定范围内。 当总线上有多个节点同时传输数据帧时, 总线上的信号电平会发生明显的变化, 说明冲突已经产生。 如果在数据传输的过程中检测到冲突, 则应立即停止数据帧的发送, 并向网络中发送一个特殊的强化冲突信号, 确保总线上所有节点都知道线路上发生了冲突, 然后再按照二进制数退避算法随机延迟一段时间, 重新对信道进行检测。

在发送冲突信号时, 要确保网络中的所有节点都能收到, 使每个节点都能知道发生了冲突。 冲突检测时间是指从数据开始发送到冲突信号传输给网络中每个节点所花的时间, 在以太网中, 最大冲突检测时间为信号在总线上从网络一端传输到另一端时间的2 倍。(www.xing528.com)

总线上的节点在检测到冲突后, 需停止数据的发送, 然后等待一个随机时间才能尝试重新发送, 以避免再次发生冲突。 通常, 把发送数据时等待一段时间的处理方法称作退避处理, 其中退避时间的计算方法称作退避算法。

(4) 在数据传输过程中, 如果经过多次的载波侦听与冲突检测, 都不能实现数据的成功发送, 则可以暂时停止数据的发送。

采用载波侦听技术, 能减少冲突发生的概率, 更好地利用传输介质； 而采用冲突检测技术, 则能使总线上的每一个节点都能检测到冲突的发生, 并能发送冲突信号给网络中的每一个节点。

根据CSMA/CD 介质访问控制的工作过程, 可将其特点简单概括为先听后发, 边听边发, 一旦冲突, 立即停发, 随机延迟重发。

2.二进制指数退避算法

二进制指数退避算法采用CSMA/CD 的介质访问控制方法传输数据时, 如果检测到冲突, 则需要向总线上的所有节点发送一个强化冲突信号, 为了避免再次发生冲突, 所有的节点需要延迟一段时间再进行重发。 以太网采用二进制指数退避算法来决定这个延迟时间, 其具体过程如下。

设置基本的时间片为T=2a, 若某个节点在发送数据帧的过程中发生了第一次冲突, 退避时间为T； 若数据帧重复发生了冲突, 则退避时间T 加倍。 即每次按照二进制指数增加发生冲突的退避时间, 直到不产生冲突为止。 如果发送多次以后仍然存在冲突, 则丢弃该数据帧, 数据传输失败, 并进行报错。

在采用CSMA/CD 的介质访问控制方法传输数据时, 网络中的各个站点都有平等的机会去竞争共享介质的使用权, 算法实现简单, 网站维护方便。 在网络负载较小时, 站点可以较快获得对传输介质的访问权, 执行发送操作, 效率较高。 但CSMA/CD 介质访问控制方法的缺点是： 在网络负载较重时, 容易出现冲突, 使传输效率和有效带宽大为降低； 另外, 不确定的延迟时间和等待时间可能会在过程控制应用中产生严重的问题。