CSDM及CD优缺点综述.docx

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CSDM及CD优缺点综述

CSDM/CD的优缺点综述

引言

以太网技术最初是由Xerox公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体,采用载波多路访问和冲突检测机制。

以太网凭其其性价比高、扩展性强、容易安装开通、可靠性高以及通信速率高等优点而成为网络运营商的首选。

然而以太网采用CSMA/CD碰撞检测方式,网络负荷较大时,网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求,这是必须首要解决的问题。

以太网的MAC层协议采用CSMA/CD协议（IEEE802.3），CSMA/CD是以太网中各个节点对总线资源访问的仲裁机制，是以太网的基础，再者，CSMA/CD网络在长期试错中己经从单总线型网络发展到了堆叠式网络,但其不确定性本质上并未得到解决，对其进行研究有利于深入了解以太网性能（如平均包延时和吞吐量）。

为了避免它的不确定性，人们尝试了很多种冲突仲裁技术。

v硬件技术：

将以太网交换机或集线器将网络划分成更小的网段,达到减小冲突域的目的。

实践表明这种方法是行之有效的,然而它在提高节点的访问率的同时也增加了硬件设备的投资。

v软件技术：

将CSMA/CD协议改进成一种Token-CSM/CD混合控制协议。

负荷较轻时，采用CSMA/CD协议具有很好的实时性；负荷较重时,采用总线优先级轮循Tokenbus方式更佳,但该方法增加了网络的负担。

以上无论是哪种技术都是基于“网络分级”的思想,即把一个大网络分级，形成数级网络。

随着快速以太网和交换式以太网技术的快速发展，以太网的非确定性问题得到了很好的改进，使得一应用成为了可能。

◆以太网的通信速率从以前的10M、100M增加到如今的1000M、10G。

在相同的数据吞吐量的情况下，通信速率的提高可以减轻网络负荷、减小网络传输的延时，大大降低了网络碰撞机率。

◆采用星型网络拓扑结构，以太网交换机把网络划分为若干个网段。

交换机的数据存储、转发的功能，使得各端口之间的输入和输出数据帧得到缓冲，发生碰撞几率变小；与此同时，交换机还过滤网络上传输的数据，使得每个网段内节点间数据只限在本地网段内进行传输，不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，降低了所有网段和主干网的网络负荷。

◆全双工通信使端口上分别同时接收和发送报文帧，这样也不会发生冲突。

因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信模式），或碰撞机率大大降低（半双工通信模式），因此使以太网通信确定性和实时性大大提高。

正文

光纤以太网的发展简史

标准以太网

20世纪80年代后期，基于非屏蔽双绞线的结构化布线系统得到了广泛应用，推动了IEEE公布了使用双绞线为物理媒质的10Mb/s以太网标准（10BASE-T）。

快速以太网

随着用户对上网速率的提高及网络服务的全面升级，对网络容量不断增加，传统标准的以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量速度需求。

于1995年公布了快速以太网标准IEEE802.3u。

千兆以太网

1998年，IEEE制定了以光纤为媒质，并且兼半双工和全双工两种模式的千兆以太网标准—IEEE802.3z。

实现了以太网速率和容量的再一次升级。

万兆以太网

2002年IEEE发布了万兆（10Gb/s）以太网标准-IEEE802.3ae。

2012英特尔信息技术峰会（IDF2012）在国家会议中心隆重开幕。

来自Inter公司的技术工程师ConReilly和产品工程师BrianJohnson都表示：

数据中心正在逐步向万兆以太网技术过渡来满足当今网络爆炸性的数据需求，万兆以太网迎来了它的黄金时代。

光纤以太网的体系结构

以太网的数据单元成为帧在帧中使用MAC地址来标记发送方和接收方。

字段

前同步码

帧首定字符

目的地址

源地址

长度/类型

帧数据

填充字节

CRC校验

字节数

7

1

6

6

2

0-1500

46-0

4

CSMA/CD工作原理

CSMA/CD冲突检测原理

CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection载波侦听，多址接入/碰撞检测）是一种基于共享媒质网络访问采用半双工方式工作技术，已广泛应用于局域网中。

CSMA/CD的工作原理可以用以下几句话来概括：

先听后发，边听边发，冲突停发，延迟重发。

（1）当一个站点想要发送数据时，首先检测网络，查看是否有其它站点正在传输数据。

（2）如果信道忙，则等待，直到信道空闲；如果信道空闲，站点就准备好要发送的数据。

（3）在发送数据的同时，站点继续侦听网络，确信没有其他站点在同时传输数据才继续传输数据。

因为可能存在两个（或多个）站点都同时等待发送，并检测到网络空闲，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。

若无冲突则继续发送，直到发完全部数据。

（4）若有冲突，则立即停止发送数据，并进行碰撞处理。

这时需要发送一个32bit的加强冲突JAM（阻塞）信号通知网络上所有工作站——网路上发生了冲突。

然后，等待一个预定的随机时间，当在总线为空闲时，再重新发送未发完的数据。

图1和图2的差异是：

等待一个延迟后,需不需要再监听信道。

这个算法是按照后进先出的次序控制的,即未发生冲突或很少发生冲突的帧,具有优先发送的概率,而过多冲突的帧,发送成功的概率反而小。

CSMA/CD二进制指数退避算法

二进制指数退避算法是按"后进先出"（LastInFirstOut，LIFO）的次序控制的，即未发生冲突或很少发生冲突的数据帧具有优先发送的概率；而发生过多次冲突的数据帧，发送成功的概率更少。

二进制指数退避算法的规则如下：

✧当第一次发生冲突时，退避重发时间在0～1个时隙中随机抽取一个再重发（立即发送或等待一个时隙）。

✧当帧再次冲突时，退避时间参数的最大值加倍，即是原来L值的2次方。

退避重发时间在0～3（22-1）个时隙中随机抽取一个再重发。

✧当冲突N次，由此时的退避时间参数的最大值为最初L值的2N倍。

退避重发时间在0～（2N-1）个时隙中随机抽取一个再重发。

✧可以设置一个最大重传次数，超过此值，不再重发，并报告出错。

一般是第10次冲突之后，随机数的时间间隙数就固定在1023上，不再增加了。

✧16次冲突后，就会放弃努力，并且给发送数据的站点返回一个错误报告。

由上述分析可知，为了确保发送数据站点在传输时能及时检测到可能存在的冲突，数据传输时延至少要两倍于信号传播时延，其目的就是不要让数据在全部传输完才收到有冲突发生的信号，这样既浪费了时间，又浪费了带宽。

由此可以得CSMA/CD总线网络中最短帧长的计算关系式如下所示：

最短数据帧长（bit）=2×数据传输速率（b/s）×两站点间的距离/200（m/μs）。

结论

据国际著名网络提供商Cisco公司公布的统计资料，日前以太网已是世界上应用最多、网络节点超过95%的网络。

上述综述表明交换式l00M以太网能提供足够的带宽、减少冲突；全双工网络与具有优先权的送机制能够改善其不确定性。

在10M以太网中,发送一个包时延超过2ms的状况,5年也不会发生一次。

美国电力研究院的实验结果可保证在4ms以内这些都是对以太网CSMA/CD“方便”的实践。

实践表明,在轻载荷下,持续介质访问控制方法CSMA/CD发送数据的效率仍然较高,即使在重载荷下,通过网络分级技术也可以满足用户的需求。

因此,尽管共享介质环境的冲突不可避免,但由于共享介质环境具有成本低的优势,使得共享介质环境在一个时期还会存在。

如果以太网技术不淘汰则CSMA/CD协议就不会退役。

所以准确理解CSMA/CD作过程,对于学习、研究、设计和规划以太网具有十分重要的意义。

参考文献

[1]顾畹仪，李国瑞.第1版.光纤通信系统（修订版）北京：

北京邮电大学出版社,2006

[2]原荣.光纤通信.第2版.北京：

电子工业出版社，2006

[3]杨祥林，孟宇.第2版.北京：

国防工业出版社，2009

[4]蔡皖东.计算机网络技术.西安:

西安电子科技大学出版社,1998

[5]美Ciscosystem公司.思科网络技术学院教程（第一、二学期）（第三版）.北京:

人民邮电出版社,2004:

158）163

[6]罗桂兰，赵海，张文波，赵明，张浩华.论CSMA/CD协议的数学原理.

ACTAAUTOMATICASINICA.VOL.33,NO,5,May,2007

结语

通过这次文献综述的写作，我从中学到了不少知识，尤其自学的能力有了很大的提高。

一直习惯于课堂老师“满堂灌”的学习模式，对于一些知识也一知半解，课后很少再去想想为什么。

孔子曾说：

温故而知新。

文献综述不是胡乱的杂糅，而是在于高度浓缩了几十篇甚至上百篇散乱无序的同类文献之成果与存在问题或争论焦点，对其进行了归纳整理，使之达到了条理化和系统化的程度。

在次文献综述中我开始确立了目标，接着查阅了很多有关的书籍，对其中的小知识先弄懂后再进行总结。

检索信息的能力，归纳总结能力，基本word排版能力都有锻炼和长进。