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知识路径： > 计算机网络原理 > 局域网 > 防问控制方式 > CSMA/CD访问控制方式 >
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被考频率：高频率
总体答错率：50%
知识难度系数： 
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考试要求：掌握
相关知识点：3个
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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。
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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。
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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。
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信号传播时延(μs)=两站点的距离(m)／信号传播速度(200m/μs)
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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。
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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。
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数据传输时延(s)=数据帧长度(b)／数据传输速率(b/s)
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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。
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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）。
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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。
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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：
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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
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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。
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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：
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（1）对每个数据帧，当第一次发生冲突时，设置一个参量L=2。
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（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。
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（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。
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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。
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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。
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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。
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