第十二章 CSMA(2)

纯ALOHA协议 ALOHA协议
Pure ALOHA 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。
多 路 访 问
P.241
几个要点
随机访问(Random Access)/竞争 竞争(Contention): 随机访问 竞争 各站点平等,没有任何站点能控制其他站点 没有任何站点能控制其他站点;只要遵循预 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 包括介质状态的检测,满足条件的每一个站点都 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。 能传输数据。 两个特点： 两个特点： 1.每一个站点的传输随机性 每一个站点的传输随机性 每一个站点的传输 2.为了访问介质，各站点采用“竞争”机制 为了访问介质， 为了访问介质 各站点采用“竞争” 在随机访问中， 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， 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） 冲突” ）
监听算法
Types of CSMA 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 CSMA技术： 非坚持CSMA 1-坚持CSMA P-坚持CSMA 性能: CSMA > 时隙 ALOHA > 纯 ALOHA
非坚持CSMA 非坚持CSMA
时隙ALOHA协议 时隙ALOHA协议
Slotted ALOHA
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%。
以太网基本工作原理： 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-Sense Multiple Access with Collision Detection，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
关于ALOHA 关于ALOHA Background: 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 网络可以使分散在各岛的多个用
载波监听多路访问协议
CSMA protocol
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。
Computer Networks
Local Area Networks ------ CSMA/CD
(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) 载波监听多路访问/ 载波监听多路访问/冲突检测
网络硬件
Network Hardware
① 服务器(Server) 专用服务器/高档微机 ② 工作站或客户机(Workstation/Client) 通常是微机（有盘/无盘） ③ 传输介质(Medium) 双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波
2
10
30
使用设 备数量
以太网与CSMA/CD协议 以太网与CSMA/CD协议 Ethernet and CSMA/CD
网络硬件
Network Hardware
④ NIC(网络接口卡） 亦称为“网络适配器” ⑤ 其他共享硬件 硬盘，打印机，调制解调器，等等。 ⑥ 网络连接设备 HUB、中继器、交换机、路由器、网关 、网桥等
莆田学院校园网网络结构拓扑图
网络软件
Network Software
① 网络操作系统（NOS） UNIX、 Windows 2000（Server版）等 ② 工作站操作系统 Windows 9X/Me/XP等 ③ 各种应用软件 数据库管理系统等
NonNon-Persistent CSMA 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CSMA 坚持CSMA
1-Persistent CSMA
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。
要解决的几个关键问题
1.站点何时能访问介质 站点何时能访问介质 2.如果介质忙，站点要怎么做 如果介质忙， 如果介质忙 3.各站点如何确定其数据传输是否成功 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 如果发生冲突， 如果发生冲突
以太网的介质访问控制技术
IEEE 802.3 Medium Access Control 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 夏威夷人传统问候语或分别时用语
户通过无线电信道来使用中心计算机， 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。 从而实现一点到多点的数据通信。
纯ALOHA协议之原理 ALOHA协议之原理 Principle of Pure ALOHA
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” ALOHA协议的最大特点是“想说就说”。 协议的最大特点是
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 先听后说”。 大的特点是“先听后说 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 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 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。
以太网基本工作原理： 以太网基本工作原理： 载波监听机制
开始 检测介质 （监听）
YES
介质忙？
NO
发送帧
YES
随机退 避时间
碰撞？
NO
继续发送直至完成
以太网基本工作原理： 以太网基本工作原理： CSMA/CD 的缺点
整体效能
30%
50%
网络繁忙时间：％
安全区域
整体效能
PC
注意区域
危险区域
Desktop publishing with laser printer Diskless CAD/CAM workstation
比喻：一个文雅的座谈会
CSMA/CD的工作原理四句话具体过程如下： 的工作原理四句话具体过程如下： 的工作原理四句话具体过程如下
当一个站点想要发送数据的时候， 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。 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。 如果信道忙，则等待，直到信道空闲。 如果信道闲，站点就传输数据。 如果信道闲，站点就传输数据。 在发送数据的同时， 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。 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。 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。 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， 当一个传输结点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞信 这个信号使得冲突的时间足够长， 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。 能发现。 其他结点收到拥塞信号后，都停止传输， 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， 产生的时间间隙（回退时间，Backoff Time）后重发。 ）后重发。