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第5题

知识点： CSMA/CD访问控制方式传输速率 CSMA/CD协议传输介质信号

关键词：传输介质数据网络协议信号传输章/节：局域网

在一个釆用CSMA/CD协议的网络中，传输介质是一根电缆，传输速率为1Gbps,电缆中的信号传播速度是200000km/s。若最小数据帧长度减少800位，则最远的两个站点之间的距离应至少(5)才能保证网络正常工作。

A. 增加160m

B. 增加80m

C. 减少160m

D. 减少80m

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第32题 2011年下半年

28%

在以太网半双工共享式连接中，我们无需流量控制；而在全双工交换式连接中要考虑流量控制，其原因是(32)。

第37题 2017年下半年

51%

采用CSMA/CD协议的基带总线，段长为2000m，数据速率为10Mb/s，信号传播速度为200m/μs，则该网络上的最小帧长应为（）比特。

第68题 2009年下半年

52%

在采用CSMA/CD控制方式的总线网络上，设有N个节点，每个节点发送帧的概率为P，则某个指定节点发送成功的概率为(68)。


知识点讲解
· CSMA/CD访问控制方式 · 传输速率 · CSMA/CD协议 · 传输介质 · 信号

CSMA/CD访问控制方式

在CSMA中，如果在总线上的两个站点都没有监听到载波信号而几乎同时都发送数据帧，但由于信道传播时延的存在，这时仍有可能会发生冲突，如下图所示。在传播延迟期间，如站点2有数据帧需要发送，就会和站点1发送的数据帧相冲突。由于CSMA算法没有冲突检测的功能，即使冲突已发生，仍然将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。

CSMA发生冲突的情景

一种CSMA的改进方案是使发送站点传输过程中仍然继续监听媒体介质，以检测是否存在冲突。如果发生冲突，信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号的幅度，由此判断出冲突的存在。于是只要一旦检测到冲突存在，就立刻停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上其他各有关站点。这样通道信道就不至于因白白传送已受损的数据帧而浪费，总体上可以提高总线的利用率。这种方案也就是CSMA/CD，这种协议已广泛应用于局域网中。

冲突检测时间的计算

CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。对于基带总线而言，最坏情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两个站点之间传播时延的两倍。从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据，也即载波信号从一端传播到另一端所需的时间，称为信号传播时延。

信号传播时延(μs)=两站点的距离(m)／信号传播速度(200m/μs)

在上述公式中，信号传播速度一般为光速的2/3左右，即约每秒20万公里。相当于200m/μs。所以，公式中最后计算出的信号传播时延是以μs为单位的。

数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间称为数据传输时延。同理，数据传输时延也表示一个接收站点开始接收数据帧，到该数据帧接收完毕所需的时间。

数据传输时延(s)=数据帧长度(b)／数据传输速率(b/s)

同样需要注意的是，在上述公式中，数据传输速率与上面刚刚讲到的信号传播速度并不是同一个概念，数据传输速率是网络的一个性能指标，如十兆以太网的数据传输速率为10Mb/s，即10×10⁶b/s。但是在数据传输时延与信号传播时延两者之间还是存在一些关联的，下面会进一步分析。

如下图所示，假定A、B两个站点位于总线两端，两站点之间的最大传播时延为tp。当A站点发送数据后，经过接近于最大传播时延tp时，B站点此时正好也发送数据，这样冲突便发生了。发生冲突后，B站点立即可检测到该冲突，而A站点需再经过一段最大传播时延tp后，才能检测出冲突。也即最坏情况下，对于基带CSMA/CD来说，检测出一个冲突的时间等于任意两个站之间最大传播时延的两倍（2tp）。

时间计算

由上述分析可知，为了确保发送数据站点能够在数据传输的过程中可以检测到可能存在的冲突，数据帧的传输时延至少要两倍于信号传播时延，公式如下。

数据传输时延(μs)≥信号传播时延(μs)×2

换句话说，必须要求分组的长度不短于某个值，否则在检测出冲突之前数据传输已经结束，但实际上分组已被冲突所破坏。这就是为什么以太网协议中的数据帧必须要求一个最短长度的真正原因。把公式1和公式2代入到公式3中后，并作一些简单变换，由此进一步推导出了CSMA/CD总线网络中最短数据帧长度的计算关系式，如下：

最短数据帧长(b)=任意两站点间的最大距离(m)／信号传播速度(200m/μs)×数据传输速率(Mb/s)×2

由于单向传输的原因，对于宽带总线而言，冲突检测时间等于任意两个站之间最大传播时延的4倍。所以对于宽带CSMA/CD来说，要求数据帧的传输时延至少4倍于传播时延。

二进制指数退避和算法

在CSMA/CD算法中，一旦检测到冲突并发完阻塞信号后，为了降低再次冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后使用CSMA方法试图再次传输。为了保证这种退避操作维持稳定采用了一种称为二进制指数退避的算法，其规则如下：

（1）对每个数据帧，当第一次发生冲突时，设置一个参量L=2。

（2）退避间隔取1～L个时间片中的一个随机数，1个时间片等于两站之间的最大传播时延的两倍。

（3）当数据帧再次发生冲突，将参量L加倍。

（4）设置一个最大重传次数，超过该次数，则不再重传，并报告出错。

注意：在以太网中规定，最多重传16次，否则向上层程序报错。参量L的最大值不超过1024。

二进制指数退避算法是按后进先出（Last In and First Out，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，发送成功的概率就更小。

以太网就是采用二进制指数退避和1-坚持算法的CSMA/CD媒体访问控制方法。这种方法在低负荷时（如媒体空闲），要发送数据帧的站点能立即发送；在重负荷时，仍能保证系统的稳定性。它是基带系统，使用曼彻斯特（Manchester）编码，通过检测通道上的信号存在与否来实现载波监听。发送站的收发器检测冲突，如果冲突发生，收发器的电缆上的信号超过收发器本身发的信号幅度。由于在媒体上传播的信号会衰减，为确保能正确地检测出冲突信号，CSMA/CD总线网限制一段无分支电缆的最大长度为500m。

传输速率

传输速率是指数据在信道中传输的速度。可以用码元传输速率和信息传输速率两种方式来描述。

码元是在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字。这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，而这个间隔被称为码元长度。码元传输速率又称为码元速率或传码率。码元速率又称为波特率，每秒中传送的码元数。若数字传输系统所传输的数字序列恰为二进制序列，则等于每秒钟传送码元的数目，而在多电平中则不等同。单位为“波特／秒”，常用符号Baud/s表示。

信息传输速率即位率，位／秒（b/s），表示每秒中传送的信息量。

设定码元传输速率为RB，信息速率Rb，则两者的关系如下：

Rb=RB×log₂M

其中，M为采用的进制。例如，对于采用十六进制进行传输信号，则其信息速率就是码元速率的4倍；如果数字信号采用四级电平即四进制，则一个四进制码元对应两个二进制码元（4=2²）。

CSMA/CD协议

CSMA/CD是一种适用于总线结构的分布式介质访问控制方法，是IEEE 802.3的核心协议。CSMA的基本原理是，当一个站在发送数据之前，先监听信道上是否有其他站发送的载波信号，若有，则说明信道正忙；否则信道是空闲的。然后根据预定的策略决定：

.若信道空闲，是否立即发送。

.若信道忙，是否继续监听。

监听算法

监听算法并不能完全避免发送冲突，但若对以上两种控制策略进行精心设计，则可以把冲突概率减到最小。据此，有以下3种监听算法。

1）非坚持型监听算法

当一个站准备好帧，发送之前先监听信道：

①若信道空闲，立即发送；否则转②。

②若信道忙，等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后，重复①。

由于等待了一个由概率分布决定的随机重发延迟，从而减少了冲突的概率；然而，可能出现的问题是因为延迟而使信道闲置一段时间，这使信道的利用率降低，而且增加了发送时延。

2）1-坚持型监听算法

当一个站准备好帧，发送之前先监听信道：

①若信道空闲，立即发送；否则转②。

②若信道忙，继续监听，直到信道空闲后立即发送。

这种算法的优缺点与前一种正好相反：有利于抢占信道，减少信道空闲时间；但是多个站同时都在监听信道时必然发生冲突。

3）P-坚持型监听算法

P-坚持型监听算法吸取了以上两种算法的优点，但较为复杂。

①若信道空闲，以概率P发送，以概率（1-P）延迟一个时间单位。一个时间单位等于网络传输时延期τ。

②若信道忙，继续监听，直到信道空闲，转①。

③若发送延迟一个时间单位τ，则重复①。

冲突检测（CD）原理

载波监听只能减小冲突的概率，而不能完全避免冲突。当两个帧发生冲突后，若继续发送，将会浪费网络带宽。如果帧比较长，对带宽的浪费就很可观。为了进一步改进带宽的利用率，发送站应采取边发边听的冲突检测方法。具体如下。

①发送期间同时接收，并把接收的数据与站中存储的数据进行比较。

②若比较结果一致，说明没有冲突，重复①。

③若比较结果不一致，说明发生冲突，立即停止发送，并发送一个简短的干扰信号（Jamming），使所有站都停止发送。

④发送Jamming信号后，等待一段随机长的时间，重新监听，再试着发送。

二进制指数后退算法

按照二进制指数后退算法，后退时延的取值范围与重发次数n形成二进制指数关系。随着重发次数n的增加，后退时延t_ζ的取值范围按2的指数增大。即第一次试发时n的值为0，每冲突一次，n的值加1，并按式（4-5）计算后退时延，即

为了避免无限制的重发，要对重发次数n进行限制。通常当n增加到某一个最大值时停止发送，并向上层协议报告发送错误，等待处理。

CSMA/CD的实现

对于基带总线和宽带总线，CSMA/CD的实现基本上是相同的，但也有一些差别。

差别一是载波监听的实现。对于基带系统，是检测电压脉冲序列。对于宽带系统，监听站接收RF载波以判断信道是否空闲。

差别二是冲突检测的实现。对于基带系统，是把直流电压加到信号上来检测冲突。对于宽带系统，有几种检测冲突的方法。方法之一是把接收的数据与发送的数据逐位比较；另一种方法用于分裂配置，由端头检查是否有破坏了的数据，这种数据的频率与正常数据的频率不同。

传输介质

网络传输介质是指在网络中传输信息的载体，常用的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类。无线传输介质是指在两个通信设备之间不使用任何物理连接，而是通过空间传输的一种技术。无线传输介质主要有微波、红外线和激光等。它们的抗干扰性都比较差；有线传输介质是指在两个通信设备之间实现的物理连接部分，它能将信号从一方传输到另一方，有线传输介质主要有双绞线（twist-pair）、同轴电缆和光纤3种。

双绞线

（1）物理特性：双绞线由按规则螺旋结构排列的两对或四对绝缘线组成。一对线可以作为一条通信电路，各个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小。

（2）传输特性：双绞线最普遍的应用是语音信号的模拟传输。使用双绞线通过调制解调器（Modem）传输模拟数据信号时，数据传输速率目前单向可达56kbps，双向可达33.6kbps，24条音频通道总的数据传输速率可达230kbps。使用双绞线发送数字数据信号，一般总的数据传输速率可达2Mbps。

（3）连通性：双绞线可用于点对点连接，也可用于多点连接。

（4）地理范围：双绞线用于远程中继线时，最大距离可达15km；用于10Mbps局域网时，与集线器的距离最大为100m。

（5）抗干扰性：在低频传输时，其抗干扰能力相当于同轴电缆。在10~100kHz时，其抗干扰能力低于同轴电缆。

（6）价格：双绞线的价格低于其他传输介质，并且安装、维护方便。

双绞线分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）与非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）。屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层。屏蔽层可减少辐射，防止信息被窃听，也可阻止外部电磁干扰的进入，使屏蔽双绞线比同类的非屏蔽双绞线具有更高的传输速率。非屏蔽双绞线电缆具有以下优点：无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间；重量轻，易弯曲，易安装；将串扰减至最小或加以消除；具有阻燃性；具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。

对于双绞线，用户最关心的是表征其性能的几个指标。这些指标包括衰减、近端串扰、阻抗特性、分布电容、直流电阻、衰减串扰比及回波损耗等。目前，常见的双绞线有三种线型，分别是5类线、超5类线和6类线，前者线径细，而后者线径粗。

（1）5类线：电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100Base-T和10Base-T网络。这是最常用的以太网电缆。

（2）超5类线：具有衰减小、串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值和信噪比、更小的时延误差，性能得到很大提高。主要用于千兆位以太网。

（3）6类线：电缆的传输频率为1~250MHz，6类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比应该有较大的余量，它提供2倍于超5类的带宽。6类布线的传输性能远远高于超5类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。6类与超5类的一个重要的不同点在于：改善了在串扰以及回波损耗方面的性能，对于新一代全双工的高速网络应用而言，优良的回波损耗性能是极重要的。6类标准中取消了基本链路模型，布线标准采用星形的拓扑结构，要求的布线距离为：永久链路的长度不能超过90m，信道长度不能超过100m。

同轴电缆

（1）物理特性：同轴电缆也由两根导体组成，有粗细之分，它由套置单根内导体的空心圆柱体构成。内导体是实芯或者是绞合的，外导体是整体的或纺织的。内导体用规则间距的绝缘环或硬的电媒体材料来固定，外导体用护套或屏蔽物包着。

（2）传输特性：50Ω电缆专用于数字传输，一般使用曼彻斯特编码，数据速率可达2Mbps。CATV（Community Antenna Television，有线电视网）电缆可用于模拟和数字号传输，传输模拟信号，频率可以高达300~400MHz；对数字信号，已能达到50Mbps。

（3）连通性：同轴电缆可用于点对点连接，也可用于多点连接。

（4）地理范围：典型基带电缆的最大距离限于数千米，而宽带网络则可以延伸到数十千米的范围。

（5）抗干扰性：同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强，同轴电缆的抗干扰性取决于应用和实现。一般对较高频率的干扰，它的抗干扰性优于双绞线。

（6）价格：安装质量好的同轴电缆的成本介于双绞线和光纤之间，维护方便。

光纤

（1）物理特性：光学纤维是一种直径极细（2~125μm）、柔软、能传导光波的介质。各种玻璃和塑料都可用来制造光学纤维。光缆具有圆柱形的形状，由三个同心部分组成：纤芯、包层和护套。

（2）传输特性：光纤利用全内反射来传输经信号编码的光束。它分多模和单模方式两种，多模的带宽为200MHz/km~3GHz/km，单模的带宽为3GHz/km~50GHz/km。

（3）连通性：光纤最普通的使用是在点到点的链路上。

（4）地理范围：光纤信号衰减极小，它可以在6~8km的距离内不使用中继器实现高速率数据传输。

（5）抗干扰性：不受电磁干扰和噪声千扰的影响。

（6）价格：目前光纤系统比双绞线系统和同轴电缆系统贵，但随着技术的进步，它的价格会下降以与其他材料竞争。

单模光纤中，模内色散是比特率的主要制约因素。由于其比较稳定，如果需要的话，可以通过增加一段一定长度的“色散补偿单模光纤”来补偿色散。零色散补偿光纤就是使用一段有很大负色散系数的光纤来补偿在1550nm处具有较高色散的光纤，使得光纤在1550nm附近的色散很小或为零，从而可以实现光纤在1550nm处具有更高的传输速率。

多模光纤中，模式色散与模内色散是影响带宽的主要因素。技术工艺能够很好地控制折射率分布曲线，给出优秀的折射率分布曲线，对渐变型多模光纤，可限制模式色散而得到高的模式带宽。

单模光纤的光纤跳线一般用黄色表示，接头和保护套为蓝色，传输距离较长，芯线窄，需要激光源，耗散小，高效。多模光纤的光纤跳线一般用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色，传输距离较短，宽芯线，聚光好，耗散大，低效。

一般来说，多模光纤要比单模光纤便宜。如果对传输距离或传送数据的速率要求不严格，那么，多模光纤在大多情况下都可以表现得很好。单模光纤虽然成本高，但是具有散射小的特点，可以应用在长距离传输或者需要高速数据速率的场合。

为了便于记忆，这里把有线传输的介质归纳成如下表所示。

有线传输介质比较

在有关传输介质方面，还需要掌握各种以太网所使用的介质类型，如下表所示。

以太网常用传输介质

信号

任务间同步的另一种方式是异步信号。在两个任务之间，可以通过相互发送信号的方式，来协调它们之间的运行步调。

所谓的信号，指的是系统给任务的一个指示，表明某个异步事件已经发生了。该事件可能来自于外部（如其他的任务、硬件或定时器），也可能来自于内部（如执行指令出错）。异步信号管理允许任务定义一个异步信号服务例程ASR（Asynchronous Signal Routine），与中断服务程序不同的是，ASR是与特定的任务相对应的。当一个任务正在运行的时候，如果它收到了一个信号，将暂停执行当前的指令，转而切换到相应的信号服务例程去运行。不过这种切换不是任务之间的切换，因为信号服务例程通常还是在当前任务的上下文环境中运行的。

信号机制与中断处理机制非常相似，但又各有不同。它们的相同点是：

.都具有中断性：在处理中断和异步信号时，都要暂时地中断当前任务的运行；

.都有相应的服务程序；

.都可以屏蔽响应：外部硬件中断可以通过相应的寄存器操作来屏蔽，任务也能够选择不对异步信号进行响应。

信号机制与中断机制的不同点是：

.中断是由硬件或特定的指令产生，而信号是由系统调用产生；

.中断触发后，硬件会根据中断向量找到相应的处理程序去执行；而信号则通过发送信号的系统调用来触发，但系统不一定马上对它进行处理；

.中断处理程序是在系统内核的上下文中运行，是全局的；而信号处理程序是在相关任务的上下文中运行，是任务的一个组成部分。

实时系统中不同的任务经常需要互斥地访问共享资源。当任务试图访问资源时被正使用该资源的其他任务阻塞，可能出现优先级反转的现象，即当高优先级任务企图访问已被某低优先级任务占有的共享资源时，高优先级任务必须等待直到低优先级任务释放它占有的资源。如果该低优先级任务又被一个或多个中等优先级任务阻塞，问题就更加严重。由于低优先级任务得不到执行就不能访问资源、释放资源。于是低优先级任务就以一个不确定的时间阻塞高优先级的任务，导致系统的实时性没有保障。下图为是一个优先级反转的示例。

一个优先级反转的示例

如上图所示，系统存在任务1、任务2、任务3（优先级从高到低排列）和资源R。某时，任务1和任务2都被阻塞，任务3运行且占用资源R。一段时间后，任务1和任务2相继就绪，任务1抢占任务3运行，由于申请资源R失败任务1被挂起。由于任务2的优先级高于任务3，任务2运行。由于任务3不能运行和释放资源R，因此任务1一直被阻塞。极端情况下，任务1永远无法运行，处于饿死状态。

解决优先级反转问题的常用算法有优先级继承和优先级天花板。

优先级继承协议

L. Sha、R. Rajkumar和J. P. Lehoczky针对资源访问控制提出了优先级继承协议（Priority Inheritance Protocol，PIP）。

PIP协议能与任何优先级驱动的抢占式调度算法配合使用，而且不需要有关任务访问资源情况的先验知识。优先级继承协议的执行方式是：当低优先级任务正在使用资源，高优先级任务抢占执行后也要访问该资源时，低优先级任务将提升自身的优先级到高优先级任务的级别，保证低优先级任务继续使用当前资源，以尽快完成访问，尽快释放占用的资源。这样就使高优先级任务得以执行，从而减少高优先级任务被多个低优先级任务阻塞的时间。低优先级任务在运行中，继承了高优先级任务的优先级，所以该协议被称作优先级继承协议。

由于只有高优先级任务访问正被低优先级任务使用的资源时，优先级继承才会发生，在此之前，高优先级任务能够抢占低优先级任务并执行，所以优先级继承协议不能防止死锁，而且阻塞是可以传递的，会形成链式阻塞。另外，优先级继承协议不能将任务所经历的阻塞时间减少到尽可能小的某个范围内。最坏情况下，一个需要μ个资源，并且与v个低优先级任务冲突的任务可能被阻塞min（μ，v）次。

优先级冲顶协议

J. B. Goodenough和L. Sha针对资源访问控制提出了优先级冲顶协议（Priority Ceiling Protocol，PCP）。

PCP协议扩展了PIP协议，能防止死锁和减少高优先级任务经历的阻塞时间。该协议假设所有任务分配的优先级都是固定的，每个任务需要的资源在执行前就已确定。每个资源都具有优先级冲顶值，等于所有访问该资源的任务中具有的最高优先级。任一时刻，当前系统冲顶值（current priority ceiling）等于所有正被使用资源具有的最高冲顶值。如果当前没有资源被访问，则当前系统冲顶值等于一个不存在的最小优先级。当任务试图访问一个资源时，只有其优先级高于当前系统冲顶值，或其未释放资源的冲顶值等于当前系统冲顶值才能获得资源，否则会被阻塞。而造成阻塞的低优先级任务将继承该高优先级任务的优先级。

已经证明，PCP协议的执行规则能防止死锁，但其代价是高优先级任务可能会经历优先级冲顶阻塞（Priority ceiling blocking）。即高优先级任务可能被一个正使用某资源的低优先级任务阻塞，而该资源并不是高优先级任务请求的。这种阻塞又被称作回避阻塞（avoidance blocking），意思是因为回避死锁而引起的阻塞。即使如此，在PCP协议下，每个高优先级任务至多被低优先级任务阻塞一次。使用PCP协议后，能静态分析和确定任务之间的资源竞争，计算出任务可能经历的最大阻塞时间，从而能分析任务集合的可调度性。在PCP协议下，高优先级任务被阻塞时会放弃处理器，因此，访问共享资源的任务可能会产生4次现场切换。

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