江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 周蓮英

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告- csma/cd協(xié)議仿真學(xué)院：計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程班級(jí)：通信0901 學(xué)號(hào)： 3090601035 姓名： 指導(dǎo)老師：周蓮英 2012 年 1 月一、csma/cd協(xié)議工作原理（查資料）及性能分析（指標(biāo)與影響因素） csma/cd是carriersensemultipleaccess/collisiondetected的縮寫，可譯為“載波偵察聽多路訪問/沖突檢測(cè)”，或“帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問”。所謂載波偵聽（carriersense），意思是網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)工作站在發(fā)送數(shù)據(jù)前都要總線上有沒有數(shù)據(jù)傳輸。若干數(shù)據(jù)傳輸（稱總線為忙），則不發(fā)送數(shù)據(jù)；若無(wú)數(shù)據(jù)傳輸（稱總線為

2、空），立即發(fā)送準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)。所謂多路訪問（multipleaccess)意思是網(wǎng)絡(luò)上所有工作站收發(fā)數(shù)據(jù)共同使用同一條總線，且發(fā)送數(shù)據(jù)是廣播式的。所謂沖突（collision），意思是，若網(wǎng)上有兩個(gè)或兩個(gè)以上工作站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在總線上就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的混合，哪個(gè)工作站都同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在總線上就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的混合，哪個(gè)工作站都辨別不出真正的數(shù)據(jù)是什么。這種情況稱數(shù)據(jù)沖突又稱碰撞。為了減少?zèng)_突發(fā)生后又的影響。工作站在發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中還要不停地檢測(cè)自己發(fā)送的數(shù)據(jù)，有沒有在傳輸過(guò)程中與其它工作站的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，這就是沖突檢測(cè)（collisiondetected）。 csma/cd媒體訪問控制方法的工作原理，可

3、以概括如下：先聽后說(shuō)，邊聽邊說(shuō)； 一旦沖突，立即停說(shuō)； 等待時(shí)機(jī)，然后再說(shuō)；注：“聽”，即監(jiān)聽、檢測(cè)之意；“說(shuō)”，即發(fā)送數(shù)據(jù)之意。 上面幾句話意思是在發(fā)送數(shù)據(jù)前，先監(jiān)聽總線是否空閑。若總線忙，則不發(fā)送。若總線空閑，則把準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。在發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，工作站邊發(fā)送檢測(cè)總線，是否自己發(fā)送的數(shù)據(jù)有沖突。若無(wú)沖突則繼續(xù)發(fā)送直到發(fā)完全部數(shù)據(jù)；若有沖突，則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，但是要發(fā)送一個(gè)加強(qiáng)沖突的jam信號(hào)，以便使網(wǎng)絡(luò)上所有工作站都知道網(wǎng)上發(fā)生了沖突，然后，等待一個(gè)預(yù)定的隨機(jī)時(shí)間，且在總線為空閑時(shí)，再重新發(fā)送未發(fā)完的數(shù)據(jù)。csma/cd控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：原理比較簡(jiǎn)單，技術(shù)上易實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各工

4、作站處于平等地位，不需集中控制，不提供優(yōu)先級(jí)控制。但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時(shí)，發(fā)送時(shí)間增長(zhǎng)，發(fā)送效率急劇下降。性能指標(biāo)：信道利用率、吞吐量、介質(zhì)利用率csmacd的主要影響因素：傳播時(shí)延、工作站數(shù)。csmacd對(duì)站點(diǎn)個(gè)數(shù)不是很敏感，對(duì)實(shí)際的輸入負(fù)載比較敏感。csmacd對(duì)傳播時(shí)延a比較敏感。csmacd沖突不可避免。csmacd的介質(zhì)利用率隨a的上升下降較快。csmacd適合通信量不大，交互頻繁的場(chǎng)合對(duì)于csmacd幀越長(zhǎng)，吞吐量越太，要求幀具有最小長(zhǎng)度，當(dāng)有許多短消息時(shí)，帶寬浪費(fèi)嚴(yán)重。csmacd在輕負(fù)載時(shí)提供最短延遲，但對(duì)重負(fù)載敏感。主要參數(shù)：時(shí)間片 512比特時(shí)間 幀問間隔 96微秒 嘗試極限1

5、6 退避極限 10 人為干擾長(zhǎng) 32比特 最大幀長(zhǎng) 1518字節(jié) 最小幀長(zhǎng) 512字節(jié) 地址字段長(zhǎng) 48比特二、csma/cd協(xié)議基本工作流程 1.以太幀的發(fā)送流程1) 載波偵聽過(guò)程。結(jié)點(diǎn)在發(fā)送一個(gè)幀前，必須偵聽總線是否空閑。由于以太的數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼方式，所以可以通過(guò)判斷總線電平是否跳變來(lái)確定總線是否空閑。若總線空閑，就可啟動(dòng)發(fā)送，否則繼續(xù)偵聽。2) 沖突檢測(cè)。在數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生沖突。所以在發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，也應(yīng)該進(jìn)行沖突檢測(cè)，只要發(fā)現(xiàn)沖突就應(yīng)該停止發(fā)送數(shù)據(jù)。3) 隨機(jī)延遲后重發(fā)。在檢測(cè)到?jīng)_突、停止發(fā)送后，結(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)延遲后重發(fā)。若重發(fā)16次后還沒成功，則宣告發(fā)送失敗，取消該幀

6、的發(fā)送。隨機(jī)延遲的計(jì)算方法一般采用截止二進(jìn)制指數(shù)后退算法。該算法可表示為：t=2*r*a。其中t為結(jié)點(diǎn)重新發(fā)送需要的后退延遲時(shí)間，a為沖突窗口值，r為隨機(jī)數(shù)，從0到2k1中取值，k的取值為min（n,10），n為該幀已被發(fā)送的次數(shù)，下圖為以太幀的發(fā)送流程。發(fā)送幀裝配幀總線忙？啟動(dòng)發(fā)送沖突？發(fā)送完成？沖突加強(qiáng)沖突次數(shù)加1沖突多于16？發(fā)送失敗敗計(jì)算后退延遲等待后退延遲時(shí)間發(fā)送成功nnnn2.以太幀接收流程幀接收流程大致可以分為以下三個(gè)步驟：1) 檢查是否發(fā)生沖突，若發(fā)生沖突，則丟棄該幀，若沒有沖突，進(jìn)入下一步。2) 檢查該幀的目的地址看是否可以接收該幀，若可以接收，則進(jìn)入下一步。3) 檢查crc

7、校驗(yàn)和llc數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。若都正確，接收該幀，否則丟棄。三、分析、理解所給的仿真程序（對(duì)照流程圖說(shuō)明是如何仿真的、每個(gè)sleep函數(shù)的作用）#include stdafx.h#include csmacd.h#include #include #include #include #ifdef _debug #define new1 debug_new #undef this_file his_file=_file_; #endif /static char t cwinthread *thread1,*thread2; /定義變量 dword id1,id2,bus=0; /初始化共享 uint

8、athread(lpvoid pparam); /線程a，代表主機(jī)a uint bthread(lpvoid pparam); /線程b,代表主機(jī)b using namespace std; int _tmain(int argc,tchar* argv,tchar*envp) int nretcode=0; if(!afxwininit(:getmodulehandle(null),null, :getcommandline(),0) cout_t(fata1 error:mfc initialization failed)m_nthreadid; /獲取線程id號(hào) thread2=afxb

9、eginthread(bthread,null); /啟動(dòng)線程b id2=thread2-m_nthreadid; /獲取線程id號(hào) getchar(); return nretcode; uint athread(lpvoid pparam) /線程a（主機(jī)a） int i=0; /發(fā)送成功次數(shù) int collisioncounter=16; /沖突計(jì)數(shù)器初始值為16 double collisionwindow=0.05; /沖突窗口值取0.05 int randnum=rand()%3; /隨機(jī)數(shù) 可用srand函數(shù)改變隨機(jī)函數(shù)的種子，改善隨機(jī)性loop:if (bus=0) /總線空

10、閑 bus=bus|id1; /模擬發(fā)包 sleep(12); / 單位是毫秒，分析：本實(shí)驗(yàn)?zāi)M模a發(fā)送時(shí)延為12ms試驗(yàn)時(shí)可以更改時(shí)延觀察不同發(fā)送時(shí)延對(duì)碰撞的影響。擬試驗(yàn)延if(bus=id1) /無(wú)沖突，由發(fā)送方負(fù)責(zé)檢測(cè) printf(%d send successnn,id1); /發(fā)送成功 bus=0; /內(nèi)存清零 collisioncounter=16; /復(fù)原沖如計(jì)數(shù)器 sleep(rand()%10); 分析： 本次試驗(yàn)選用隨機(jī)的幀長(zhǎng)度相當(dāng)于重新配置，兩個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行監(jiān)聽。 / 模擬幀間隙i+; printf(主機(jī)a發(fā)送成功次數(shù)=%dnn,i); if(i0) sleep(ran

11、dnum*(int)pow(2.0,(collisioncounter10)?10:collisioncounter)*collisionwindow); 分析：使用截至二進(jìn)制退避算法，在發(fā)生碰撞時(shí)，等待隨機(jī)時(shí)間，進(jìn)行監(jiān)聽和發(fā)送。goto loop; /下一次嘗試發(fā)送 else printf(%ld send failurenn,id1);/重發(fā)次數(shù)超過(guò)16次，宣布發(fā)送失敗 else /總線忙 goto loop; /繼續(xù)載波偵聽 return 0; uint bthread(lpvoid pparam)/線程b int j=0; /發(fā)送成功次數(shù) int collisioncounter=16

12、;/沖突計(jì)數(shù)器初始值為16 double collisionwindow=0.05;/為爭(zhēng)用期（51.2us），以時(shí)間為單位的沖突窗口 int randnum=rand()%3;/隨機(jī)數(shù) loop: if(bus=0)/總線空閑 sleep(2); / 可用隨機(jī)函數(shù)模擬其他用戶隨機(jī)接入。分析： b檢測(cè)到總線空閑時(shí)，延時(shí)2ms進(jìn)行發(fā)送。 bus=bus|id2;/模擬發(fā)包 sleep(3); 發(fā)送時(shí)延為3ms如果將b發(fā)現(xiàn)空閑時(shí)延為0發(fā)送，而且發(fā)送時(shí)延相同，即a，b線程完全相同，會(huì)出現(xiàn)兩線程交替發(fā)送，不會(huì)出現(xiàn)碰撞，結(jié)果見下面分析。 if(bus=id2)/無(wú)沖突 printf(%d send su

13、ccessnn,id2); /發(fā)送成功 bus=0; /總線清零 collisioncounter=16; /復(fù)原沖突計(jì)數(shù)器 sleep(rand()%10); j+; printf(主機(jī)b發(fā)送成功次數(shù)=%dnn,j); if(j!=10) /不夠10次開始下一次發(fā)送 goto loop ; else printf(%d send collisionnn,id2); bus=0; collisioncounter-; /沖突計(jì)數(shù)器減1 if(collisioncounter0) /隨機(jī)延遲重發(fā)，延遲算法用截止二進(jìn)制指數(shù)后退算法 sleep(randnum*(int)pow(2.0,(colli

14、sioncounter10)?10:collisioncounter)*collisionwindow); 等待隨機(jī)時(shí)間截止二進(jìn)制指數(shù)后退算法goto loop; else printf(%d send failurenn,id2); else /總線忙 goto loop; /繼續(xù)裝載波偵聽 return 0; 四、運(yùn)行結(jié)果分析（改變sleep函數(shù)參數(shù)大小、抓圖說(shuō)明結(jié)果）源程序運(yùn)行結(jié)果：由圖可知，線程a和b發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)都有碰撞產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)二進(jìn)制退避算法，隨著時(shí)間的增加，碰撞的次數(shù)逐漸減少，后面沒有沖突。改變sleep()函數(shù)參量的值，理想情況下，傳輸時(shí)延為零時(shí)（即sleep(0)）,結(jié)果如下圖所

15、示：由圖可知，沒有傳輸時(shí)延情況下，還是有發(fā)送碰撞產(chǎn)生，主要原因是線程b程序中的第一個(gè)sleep()語(yǔ)句需要運(yùn)行時(shí)間，后面數(shù)據(jù)全部發(fā)送成功還是因?yàn)檫\(yùn)行了退避二進(jìn)制算法，當(dāng)去掉線程b的第一個(gè)sleep()時(shí)，即兩個(gè)線程相等時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如下：由上圖可知，數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中沒有沖突。源程序的幀間隙是程序隨即產(chǎn)生的（sleep(rand()%10)），現(xiàn)將間隙時(shí)間改為0，觀察運(yùn)行結(jié)果如下圖所示：當(dāng)兩個(gè)線程相同時(shí)，幀間隙為0的情況下，主機(jī)a連續(xù)發(fā)送三次數(shù)據(jù)后，主機(jī)b搶到信道，連續(xù)發(fā)送十次數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢，接著a發(fā)送剩余的七次數(shù)據(jù)。這樣不能體現(xiàn)發(fā)送的公平性。所以應(yīng)該設(shè)置幀間隙。下面改變幀間隙，a和b幀間隙相同時(shí)（

16、同時(shí)為5），運(yùn)行結(jié)果如下：由圖可知，兩個(gè)線程相同，且?guī)g隙相同的情況下，發(fā)送數(shù)據(jù)沒有碰撞，且a，b交替發(fā)送數(shù)據(jù)，一直到發(fā)送結(jié)束。同樣道理，當(dāng)兩個(gè)線程不同時(shí)（b的反應(yīng)時(shí)間為2 ms），依然會(huì)發(fā)生碰撞。運(yùn)行二進(jìn)制退避算法后，a，b繼續(xù)交替發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個(gè)線程相同，幀間隙不同時(shí)（a的幀間隙為2 ms ，b的幀間隙為20 ms 時(shí)），結(jié)果如圖通過(guò)反復(fù)更改a，b幀間隙的值，當(dāng)b幀間隙為a的幀間隙10倍時(shí)，出現(xiàn)上圖結(jié)果，沒有出現(xiàn)輪流發(fā)送，也沒有出現(xiàn)碰撞（兩線程相同）。當(dāng)兩線程幀間隙相差較小時(shí)，上述結(jié)果體現(xiàn)不明顯。五、協(xié)議的改進(jìn)（如增加用戶數(shù)后采用某種監(jiān)聽和發(fā)送策略）對(duì)二進(jìn)制退避算法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的算法如

17、下：非堅(jiān)持的csma：線路忙，等待一段時(shí)間，再偵聽；不忙時(shí)，立即發(fā)送；減少?zèng)_突，信道利用率降低：1堅(jiān)持的csma：線路忙，繼續(xù)偵聽；不忙時(shí)，立即發(fā)送；提高信道利用率，增大沖突：p堅(jiān)持的csma：線路忙，繼續(xù)偵聽；不忙時(shí)，根據(jù)p概率進(jìn)行發(fā)送，另外的1-p概率為繼續(xù)偵聽（p是一個(gè)指定概率值）；有效平衡，但復(fù)雜： 罿莆莆衿裊莆蒈螞膄蒞薀袈肀蒄蚃蟻羆蒃莂袆袂肀蒅蠆袈聿蚇羄膇肈莇螇肅肇葿羃罿肆薁螅裊肅蚄薈膃膄莃螄聿膄蒆薇羅膃薈螂羈膂莈薅袇膁蒀袀膆膀薂蚃肂腿蚅衿羈膈莄蟻襖羋蒆袇螀芇蕿蝕肈芆羋裊肄芅蒁螈羀芄薃羃袆芃蚅螆膅節(jié)蒞蕿肁節(jié)蕆螅羇莁薀薇袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肅莇蚆蚄罿莆莆衿裊莆蒈螞膄蒞薀袈肀蒄蚃蟻羆

18、蒃莂袆袂肀蒅蠆袈聿蚇羄膇肈莇螇肅肇葿羃罿肆薁螅裊肅蚄薈膃膄莃螄聿膄蒆薇羅膃薈螂羈膂莈薅袇膁蒀袀膆膀薂蚃肂腿蚅衿羈膈莄蟻襖羋蒆袇螀芇蕿蝕肈芆羋裊肄芅蒁螈羀芄薃羃袆芃蚅螆膅節(jié)蒞蕿肁節(jié)蕆螅羇莁薀薇袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肅莇蚆蚄罿莆莆衿裊莆蒈螞膄蒞薀袈肀蒄蚃蟻羆蒃莂袆袂肀蒅蠆袈聿蚇羄膇肈莇螇肅肇葿羃罿肆薁螅裊肅蚄薈膃膄莃螄聿膄蒆薇羅膃薈螂羈膂莈薅袇膁蒀袀膆膀薂蚃肂腿蚅衿羈膈莄蟻襖羋蒆袇螀芇蕿蝕肈芆羋裊肄芅蒁螈羀芄薃羃袆芃蚅螆膅節(jié)蒞蕿肁節(jié)蕆螅羇莁薀薇袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肅莇蚆蚄罿莆莆衿裊莆蒈螞膄蒞薀袈肀蒄蚃蟻羆蒃莂袆袂肀蒅蠆袈聿蚇羄膇肈莇螇肅肇葿羃罿肆薁螅裊肅蚄薈膃膄莃螄聿膄蒆薇羅膃薈螂羈膂莈薅袇

19、膁蒀袀膆膀薂蚃肂腿蚅衿羈膈莄蟻襖羋蒆袇螀芇蕿蝕肈芆羋裊肄芅蒁螈羀芄薃羃袆芃蚅螆膅節(jié)蒞蕿肁節(jié)蕆螅羇莁薀薇袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肅莇蚆蚄罿莆莆衿裊莆蒈螞膄蒞薀袈肀蒄蚃蟻羆蒃莂袆袂肀蒅蠆袈聿蚇羄膇肈莇螇肅肇葿羃罿肆薁螅裊肅蚄薈膃膄莃螄聿膄蒆薇羅膃薈螂羈膂莈薅袇膁蒀袀膆膀薂蚃肂腿蚅衿羈膈莄蟻襖羋蒆袇螀芇蕿蝕肈芆羋裊肄芅蒁螈羀芄薃羃袆芃蚅螆膅節(jié)蒞蕿肁節(jié)蕆螅羇莁薀薇袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肅莇蚆蚄罿莆莆衿裊莆蒈螞膄蒞薀袈肀蒄蚃蟻羆蒃莂袆袂肀蒅蠆袈聿蚇羄膇肈莇螇肅肇葿羃罿肆薁螅裊肅蚄薈膃膄莃螄聿膄蒆薇羅膃薈螂羈膂莈薅袇膁蒀袀膆膀薂蚃肂腿蚅衿羈膈莄蟻襖羋蒆袇螀芇蕿蝕肈芆羋裊肄芅蒁螈羀芄薃羃袆芃蚅螆膅節(jié)蒞蕿肁

20、節(jié)蕆螅羇莁薀薇袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肅莇蚆蚄罿莆莆衿裊莆蒈螞膄蒞薀袈肀蒄蚃蟻羆蒃莂袆袂肀蒅蠆袈聿蚇羄膇肈莇螇肅肇葿羃罿肆薁螅裊肅蚄薈膃膄莃螄聿膄蒆薇羅膃薈螂羈膂莈薅袇膁蒀袀膆膀薂蚃肂腿蚅衿羈膈莄蟻襖羋蒆袇螀芇蕿蝕肈芆羋裊肄芅蒁螈羀芄薃羃袆芃蚅螆膅節(jié)蒞蕿肁節(jié)蕆螅羇莁薀薇袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肅莇蚆蚄罿莆莆衿裊莆蒈螞膄蒞薀袈肀蒄蚃蟻羆蒃莂袆袂肀蒅蠆袈聿蚇羄膇肈莇螇肅肇葿羃罿肆薁螅裊肅蚄薈膃膄莃螄聿膄蒆薇羅膃薈螂羈膂莈薅袇膁蒀袀膆膀薂蚃肂腿蚅衿羈膈莄蟻襖羋蒆袇螀芇蕿蝕肈芆羋裊肄芅蒁螈羀芄薃羃袆芃蚅螆膅節(jié)蒞蕿肁節(jié)蕆螅羇莁薀薇袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肅莇蚆蚄罿莆莆衿裊莆蒈螞膄蒞薀袈肀蒄蚃蟻羆蒃莂袆袂肀蒅蠆袈聿蚇羄膇肈莇螇肅肇葿羃罿肆薁螅裊肅蚄薈膃膄莃螄聿膄蒆薇羅膃薈螂羈膂莈薅袇膁蒀袀膆膀薂蚃肂腿蚅衿羈膈莄蟻襖羋蒆袇螀芇蕿蝕肈芆羋裊肄芅蒁螈羀芄薃羃袆芃蚅螆膅節(jié)蒞蕿肁節(jié)蕆螅羇莁薀薇袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肅莇蚆蚄罿莆莆衿裊莆蒈螞膄蒞薀袈肀蒄蚃蟻羆蒃莂袆袂肀蒅蠆袈聿蚇羄膇肈莇螇肅肇葿羃罿肆薁螅裊肅蚄薈膃膄莃螄聿膄蒆薇羅膃薈螂羈膂莈薅袇膁蒀袀膆膀薂蚃肂腿蚅衿羈膈莄蟻襖羋蒆袇螀芇蕿蝕肈芆羋裊肄芅蒁螈羀芄薃羃袆芃蚅螆膅節(jié)蒞蕿肁節(jié)蕆螅羇莁薀薇袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肅莇蚆蚄罿莆莆衿裊莆蒈螞膄蒞薀袈肀蒄蚃蟻羆蒃莂袆袂肀蒅蠆袈