計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計報告 CSMACD協(xié)議仿真

1、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計實(shí)驗(yàn)報告- csma/cd協(xié)議仿真學(xué)院：計算機(jī)科學(xué)與通信工程 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”，或“帶有沖突檢測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)；若無數(shù)據(jù)傳輸（稱總線為空），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

2、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)上有兩個或兩個以上工作站同時發(fā)送數(shù)據(jù)，在總線上就會產(chǎn)生信號的混合，哪個工作站都同時發(fā)送數(shù)據(jù)，在總線上就會產(chǎn)生信號的混合，哪個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。為了減少沖突發(fā)生后又的影響。工作站在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中還要不停地檢測自己發(fā)送的數(shù)據(jù)，有沒有在傳輸過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（collisiondetected）。 csma/cd媒體訪問控制方法的工作原理，可以概括如下：先聽后說，邊聽邊說； 一旦沖突，立即停說； 等待時機(jī)，然后再說；注：“聽”，即監(jiān)聽

3、、檢測之意；“說”，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)的過程中，工作站邊發(fā)送檢測總線，是否自己發(fā)送的數(shù)據(jù)有沖突。若無沖突則繼續(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)送一個加強(qiáng)沖突的jam信號，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，等待一個預(yù)定的隨機(jī)時間，且在總線為空閑時，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：原理比較簡單，技術(shù)上易實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各工作站處于平等地位，不需集中控制，不提供優(yōu)先級控制。但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時，發(fā)送時間增長，發(fā)送效率急

4、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：傳播時延、工作站數(shù)。csmacd對站點(diǎn)個數(shù)不是很敏感，對實(shí)際的輸入負(fù)載比較敏感。csmacd對傳播時延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，交互頻繁的場合對于csmacd幀越長，吞吐量越太，要求幀具有最小長度，當(dāng)有許多短消息時，帶寬浪費(fèi)嚴(yán)重。csmacd在輕負(fù)載時提供最短延遲，但對重負(fù)載敏感。主要參數(shù)：時間片 512比特時間 幀問間隔 96微秒 嘗試極限16 退避極限 10 人為干擾長 32比特 最大幀長 1518字節(jié) 最小幀長 512字節(jié) 地址字

5、段長 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) 載波偵聽過程。結(jié)點(diǎn)在發(fā)送一個幀前，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，所以可以通過判斷總線電平是否跳變來確定總線是否空閑。若總線空閑，就可啟動發(fā)送，否則繼續(xù)偵聽。2) 沖突檢測。在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，可能會產(chǎn)生沖突。所以在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，也應(yīng)該進(jìn)行沖突檢測，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，取消該幀的發(fā)送。隨機(jī)延遲的計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

6、t為結(jié)點(diǎn)重新發(fā)送需要的后退延遲時間，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)送失敗敗計算后退延遲等待后退延遲時間發(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校驗(yàn)和llc數(shù)據(jù)長度。若都正確，接收該幀，否則丟棄。三、分析、理解所給的仿真程序（對照流程圖說

7、明是如何仿真的、每個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 athread(lpvoid pparam); /線程a，代表主機(jī)a uint bthread

8、(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 thread2=afxbeginthread(bthread,null); /啟動線程b id2=thread2-m_

9、nthreadid; /獲取線程id號 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) /總線空閑 bus=bus|id1; /模擬發(fā)包 sleep(12); / 單位是毫秒，分析：本實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>

10、擬模a發(fā)送時延為12ms試驗(yàn)時可以更改時延觀察不同發(fā)送時延對碰撞的影響。擬試驗(yàn)延if(bus=id1) /無沖突，由發(fā)送方負(fù)責(zé)檢測 printf(%d send successnn,id1); /發(fā)送成功 bus=0; /內(nèi)存清零 collisioncounter=16; /復(fù)原沖如計數(shù)器 sleep(rand()%10); 分析： 本次試驗(yàn)選用隨機(jī)的幀長度相當(dāng)于重新配置，兩個線程同時進(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(randnum*(int)pow(2.0,(collisioncounter10)?10:colli

11、sioncounter)*collisionwindow); 分析：使用截至二進(jìn)制退避算法，在發(fā)生碰撞時，等待隨機(jī)時間，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;/沖突計數(shù)器初始值為16 double collisionwindow=0.05;/為爭用期

12、（51.2us），以時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檢測到總線空閑時，延時2ms進(jìn)行發(fā)送。 bus=bus|id2;/模擬發(fā)包 sleep(3); 發(fā)送時延為3ms如果將b發(fā)現(xiàn)空閑時延為0發(fā)送，而且發(fā)送時延相同，即a，b線程完全相同，會出現(xiàn)兩線程交替發(fā)送，不會出現(xiàn)碰撞，結(jié)果見下面分析。 if(bus=id2)/無沖突 printf(%d send successnn,id2); /發(fā)送成功 bus=0; /總線清零 collisioncount

13、er=16; /復(fù)原沖突計數(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,(collisioncounter10)?10:collisioncounter)*collisionwi

14、ndow); 等待隨機(jī)時間截止二進(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)時都有碰撞產(chǎn)生，經(jīng)過二進(jìn)制退避算法，隨著時間的增加，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，傳輸時延為零時（即sleep(0)）,結(jié)果如下圖所示：由圖可知，沒有傳輸時延情況下，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sleep

15、()語句需要運(yùn)行時間，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sleep()時，即兩個線程相等時，運(yùn)行結(jié)果如下：由上圖可知，數(shù)據(jù)發(fā)送過程中沒有沖突。源程序的幀間隙是程序隨即產(chǎn)生的（sleep(rand()%10)），現(xiàn)將間隙時間改為0，觀察運(yùn)行結(jié)果如下圖所示：當(dāng)兩個線程相同時，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（同時為5），運(yùn)行結(jié)果如下：由圖可知，兩個線程相同，且?guī)g隙相同的情況下，發(fā)送數(shù)據(jù)沒有碰撞，且a

16、，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)兩個線程不同時（b的反應(yīng)時間為2 ms），依然會發(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)兩個線程相同，幀間隙不同時（a的幀間隙為2 ms ，b的幀間隙為20 ms 時），結(jié)果如圖通過反復(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，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，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）對二進(jìn)制退避算法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的算法如下：非堅(jiān)持的csma：線路忙，等待一段時間，再偵聽；不忙時，立即發(fā)送；減少沖突，信道利用率降低

17、：1堅(jiān)持的csma：線路忙，繼續(xù)偵聽；不忙時，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，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是一個指定概率值）；有效平衡，但復(fù)雜：六：心得體會每次做課程設(shè)計都是一個學(xué)習(xí)和總結(jié)的過程，在這次課程設(shè)計中發(fā)現(xiàn)對于書本上的知識掌握的還是不牢固，csma/cd協(xié)議老師在上課時講的很詳細(xì)，在課程設(shè)計中感覺自己只知道個大概。盡管老師已經(jīng)該我們程序代碼，把困難程度已經(jīng)降到最低程度了，但是在做的過程中還是出現(xiàn)了很多問題，比如a,b在發(fā)送過程中改變sleep（）的值發(fā)送是否是交替進(jìn)行的，是否會發(fā)生碰撞以及操作平臺的調(diào)試等等問題。最后在老師