基本介紹
- 中文名：載波監聽
- 好處：可以提高匯流排的利用率
- 改進方案：使站點在傳輸時間持續監聽媒體
- 方式：傳送阻塞報文(Jam)
- 領域：計算機網路通訊
基本介紹,非堅持算法,1-堅持算法,P-堅持算法,發展背景,基本定義,發展套用,衝突檢測協定,
基本介紹
載波監聽多路訪問CSMA的技術，也稱做先聽後說LBT(Listen Before Talk）。要傳輸數據的站點首先對媒體上有無載波進行監聽，以確定是否有別的站點在傳輸數據。假如媒體空閒，該站點便可傳輸數據；否則，該站點將避讓一段時間後再做嘗試。這就需要有一種退避算法來決定避讓的時間，常用的退避算法有非堅持、1－堅持、P－堅持三種。
非堅持算法
算法規則為：⑴假如媒本是空閒的，則可以立即傳送。⑵假如媒體是忙的，則等待一個由機率分布決定的隨機重發延遲後，再重複前一步驟。採用隨機的重發延遲時間可以減少衝突發生的可能性。非堅持算法的缺點是：即使有幾個著眼點為都有數據要傳送，但由於大家都在延遲等待過程中，致使媒體仍可能處於空閒狀態，使用率降低。
1-堅持算法
算法規則：⑴假如媒體空閒的，則可以立即傳送。⑵假如媒體是忙的，則繼續監聽，直至檢測到媒體是空閒，立即傳送。⑶假如有衝突(在一段時間內未收到肯定的回覆），則等待一隨機量的時間，重複步驟⑴～⑵。
這種算法的優點是：只要媒體空閒，站點就立即可傳送，避免了媒體利用率的損失；其缺點是：假若有兩個或兩個以上的站點有數據要傳送，衝突就不可避免。
P-堅持算法
算法規則：⑴監聽匯流排，假如媒體是空閒的，則以P的機率傳送，而以（1-P）的機率延遲一個時間單位。一個時間單位通常等於最大傳播時延的2倍。⑵延遲一個時間單位後，再重複步驟⑴。⑶假如媒體是忙的，繼續監聽直至媒體空閒並重複步驟⑴。
P-堅持算法是一種既能像非堅持算法那樣減少衝突，又能像1-堅持算法那樣減少媒體空閒時間的折中方案。問題在於如何選擇P的有值，這要考慮到避免重負載下系統處於的不穩定狀態。假如媒體是忙時，有N個站有數據等待傳送，一旦當前的傳送完成時，將要試圖傳輸的站的總期望數為NP。假如選擇P過大，使NP>1，表明有多個站點試圖傳送，衝突就不可避免。最壞的情況是，隨著衝突機率的不斷增大，而使吞吐量降低到零。所以必須選擇適當P值使NP<1。當然P值選得過小，則媒體利用率又會大大降低。
幀的平均傳輸時延與吞吐量的關係曲線
幀的平均傳輸時延與吞吐量的關係曲線發展背景
在匯流排和環形拓撲中，網路上的設備必須共享傳輸線路，為解決同一時間幾個設備同時爭用傳輸介質，需要有某種訪問控制方式，以便協調各設備訪問介質的順序，在設備之間交換數據。在匯流排系統中，每個站都能獨立地決定幀的傳送，若兩個或多個站同時傳送，就產生衝突，同時傳送的所有幀都會出錯。因此一個用戶傳送信息成功與否在很大程度上取決於匯流排是否空閒的算法以及兩個不同節點同時傳送的分組發生衝突時所使用和中斷傳輸的方法，匯流排爭用技術分為載波監聽多路訪問（CSMA）和具有衝突檢測的載波監聽多路訪問（CSMA/CD）這兩大類。載波監聽多路訪問（CSMA）的技術，也叫做先聽後說（LBT），希望傳輸的站首先對信道進行監聽以確定是否有別的站在傳輸。如果信道空閒，該站可以傳輸，否則，該站將避讓一段時間後再嘗試。需要有一種退避算法來決定退讓時間。常用的有三種算法。1、非堅持CSMA；2、1-堅持CSMA；3、P-堅持CSMA。
通信中對介質的訪問可以是隨機的，即各工作站可以在任何時刻、任意地訪問介質；也可以是受控的，即各工作站可以用一定的算法調整各站訪問介質的順序和時間。在隨機訪問方式中，常用的爭用匯流排技術為CSMA/CD.
這種控制方式對任何工作站都沒有預約傳送時間，工作站的傳送是隨機的，必須在網路上爭用傳輸介質，故稱之為爭用技術。若同一時刻有多個工作站向傳輸線路傳送信息，則這些信息會在傳輸線上互相混淆而遭破壞，稱為“衝突”。為儘量避免由於競爭引起的衝突，每個工作站在傳送信息之前，都要監聽傳輸線上是否有信息在傳送，這就是“載波監聽”。CSMA是從一種叫ALOHA的控制協定演變而來的，之所以要採用這種控制協定，是因為當許多用戶共享一個容量為C b/s的信道時，如果兩個或更多的用戶同時都在共享信道上傳送信息，這樣就會產生衝突。習慣上把這種衝突叫做碰撞。碰撞的產生會導致衝突的用戶傳送都告失敗。
載波監聽
載波監聽基本定義
載波監聽多路訪問/衝突檢測（CSMA/CD）：在CSMA中，由於通道的傳播延遲，當兩個站點監聽到匯流排上沒有存在信號而傳送幀時，仍會發生衝突。由於CSMA算法沒有衝突檢測功能，即使衝突己發生，仍然要將已破壞的幀傳送完，使匯流排的利用率降低。一種CSMA的改進方案是使站點在傳輸時間繼續監聽媒體，一旦檢測到衝突，就立即停止傳送，並向匯流排上發一串短的阻塞報文(Jam），通知匯流排上各站衝突己發生，這樣通道容量不致因白白傳送己受損的幀而浪費，可以提高匯流排的利用率，這就稱作載波監聽多路訪問/衝突檢測協定，簡寫為CSMA/CD，這種協定己廣泛套用於乙太網和IEEE802.3標準中。
網路通信原理圖
網路通信原理圖此時，浪費掉的頻寬就減少為用檢測衝突所花費的時間。那么，怎么來估算所需的衝突檢測時間呢?對於基帶匯流排而言，此時用於檢測一個衝突的時間等於任意兩個站之間最大的傳播延遲的兩倍，所以對於基帶CSMA/CD，要求分組長度應該至少兩倍於傳播延遲，否則在檢測出衝突之前傳輸已經完成，但實際上分組被衝突所破壞。
發展套用
CSMA/CD是用爭用的方法來決定對介質的訪問權。而這種爭用協定一般用於匯流排網。載波監聽多路訪問（CSMA) 發展情況及存在問題：
CSMA/CD匯流排網路中的一個關鍵技術問題是衝突控制或衝突分解問題，即由於傳送衝突而遭碰撞的報文要經過一段隨機延時後重發，典型的衝突控制算法，亦即後退算法有以下五種：二進制指數後退算法BEB、多項式後退算法PB、線性增值後退算法LIB、固定平均後退算法FMB、順序後退算法OB.
衝突檢測協定
CSMA/CD的代價是用於檢測衝突所花費的時間。對於基帶匯流排而言，最壞情況下用於檢測一個衝突的時間等於任意兩個站之間傳播時延的兩倍。從一個站點開始傳送數據到另一個站點開始接收數據，也即載波信號從一端傳播到另一端所需的時間，稱為信號傳播時延。信號傳播時延（μs)=兩站點的距離（m)/信號傳播速度（200m/μs）。假定A、B兩個站點位於匯流排兩端，兩站點之間的最大傳播時延為tp。當A站點傳送數據後，經過接近於最大傳播時延tp時，B站點正好也傳送數據，此時衝突便發生。發生衝突後，B 站點立即可檢測到該衝突，而A站點需再經過一份最大傳播時延tp後，才能檢測出衝突。也即最壞情況下，對於基帶CSMA/CD來說，檢測出一個衝突的時間等於任意兩個站之間最大傳播時延的兩倍（2tp）。
數據幀從一個站點開始傳送，到該數據幀傳送完畢所需的時間和為數據傳輸時延；同理，數據傳輸時延也表示一個接收站點開始接收數據幀，到該數據幀接收完畢所需的時間。數據傳輸時延（s)=數據幀長度(bit)/數據傳輸速率（bps）。若不考慮中繼器引入的延遲，數據幀從一個站點開始傳送，到該數據幀被另一個站點全部接收所需的總時間，等於數據傳輸時延與信號傳播時延之和。
由上述分析可知，為了確保傳送數據站點在傳輸時能檢測到可能存在的衝突，數據幀的傳輸時延至少要兩倍於傳播時延。換句話說，要求分組的長度不短於某個值，否則在檢測出衝突之前傳輸已經結束，但實際上分組已被衝突所破壞。
