CSMACA协议的基本原理
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CSMACA协议
1.1 载波侦听多路访问
根据具体的监听/发送策略,可将CSMA分为:
⾮持续CSMA(英语:non-persistent CSMA)
当要发送帧的设备侦听到线路忙或发⽣冲突时,会随机等待⼀段时间再进⾏侦听;若发现不忙则⽴即发送;此策略可以减少冲突,但会导致信道利⽤率降低,以及较长的延迟。1-持续CSMA(英语:1-persistent CSMA)
当要发送帧的设备侦听到线路忙或发⽣冲突时,会持续侦听;若发现不忙则⽴即发送。当传播延迟较长或多个设备同时发送帧的可能性较⼤时,此策略会导致较多的冲突,导致性能降低。p-持续CSMA(英语:p-persistent CSMA)
当要发送帧的设备侦听到线路忙或发⽣冲突时,会持续侦听;若发现不忙,则根据⼀个事先指定的概率p来决定是发送帧还是继续侦听(以p的概率发送,1-p的概率继续侦听);此种策略可以达到⼀定的平衡,但对于参数p的配置会涉及⽐较复杂的考量。
正确使⽤以上策略可以在⼀定程度上减少冲突的发⽣,但⽆法彻底解决冲突问题。1.2 CSMA/CD
载波监听多路访问/冲突检测,此⽅案要求设备在发送帧的同时要对信道进⾏侦听,以确定是否发⽣冲突,若在发送数据过程中检测到冲突,则进⾏如下冲突处理操作:
发送特殊阻塞信息并⽴即停⽌发送数据:特殊阻塞信息是连续⼏个字节的全1信号,此举意在强化冲突,以使得其它设备能尽快检测到冲突发⽣。
在固定时间內等待随机的时间,再次发送。
此⽅案应⽤于以太⽹(DIX Ethernet V2)标准,IEEE 802.3标准1.3 CSMA/CA
载波监听多路访问/冲突避免,此种⽅案采⽤主动避免碰撞⽽⾮被动监测的⽅式来解决冲突问题。可以满⾜那些不易准确监测是否有冲突发⽣的需求,如⽆线局域⽹。CSMA/CA协议主要使⽤两种⽅法来避免碰撞:
设备欲发送帧,且监听到信道空闲时,维持⼀段时间后,再等待⼀段随机的时间依然空闲时,才送出信息。由于各个设备的等待时间是分别随机产⽣的,因此很⼤可能有所区别,由此可以減少冲突的可能性。RTS-CTS握⼿(英语:handshake):设备欲发送帧前,先发送⼀个很⼩的RTS(Request to Send)帧给⽬标端,等待⽬标端回应CTS(Clear to Send)帧后,才开始传送。此⽅式可以确保接下来传送信息時,不会发⽣冲突。同时由于RTS帧与CTS帧都很⼩,让传送的⽆效开销变⼩。
1. ALOHA协议概述
在数据网络中,目前已得到广泛应用的随机多址接入技术有两类:ALOHA多址和扩频码分多址(CDMA),它们是两种不同类型随机多址技术,在理论研究和实际应用中均占有重要地位。
ALOHA多址通信是指采用ALOHA信道结构的通信,可以使分散的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机,从而实现一点到多点的数据通信。最初是由夏威夷大学研究出来为了解决夏威夷群岛间通信问题的,自1970年以来,已设计了多种用于卫星通信和地面通信的ALOHA多址协议[1][2]。
它的主要优点为:
允许大量间断性工作的发射机共享同一个信道,不需要路由选择与交换,建网简单。
利用ALOHA信道进行数据通信时,中心台或服务器只需要一个高速接口,而不必为网中每个用户提供单独接口。
但是ALOHA网的重要意义并不在于这是第一个用无线信道实现计算机通信的网络,而在于它首次在无线信道中引入了数据包广播结构,使每个用户随时都可以给另一个用户发送信息,完全不需要同步。
ALOHA系统分为两种典型的类型:纯ALOHA(P-ALOHA)和时隙ALOHA(S-ALOHA)。下面将分别从他们的性能一一分析。
2. 纯ALOHA协议
纯ALOHA基本思想是:当用户有帧即可发送,采用冲突监听与随机重发机制。这样的系统是竞争系统(contention system)。在P-ALOHA系统中,任何时间有一用户要发送信息时,立即以定长信息包形式,将欲发送出去的信息送入信道。即用户以随机方式抢占信道。因为信道是广播式的,如果没有冲突出现,则认为是发射成功;若通信用户和其它用户发生碰撞,信息包和一个或更多其它用户信息包重叠,则发射失败,必须重发。若还重叠,则随机独立的重新排定碰撞信息包,再一次重发,直至发射成功。
图2-1示出了P-ALOHA信道的典型例子。有三个用户A,B,C共享一个ALOHA信道。为了简化问题,我们假设传播时延为零。即认为3个站点(用户)非常靠近。
CSMACA协议
802.11中采⽤CSMA/CA协议来规定多个⼯作节点共⽤信道的问题。
CSMA/CA的全称是Carrier sense multiple access with collision avoidance
该协议可以分为两个部分来看:
1.Carrier sence:每个节点在传输之前,先对信道进⾏监听,看有没有其他节点在占⽤信道进⾏传输。
2.collision avoidance:如果有节点占⽤信道,则等待⼀段时间,再进⾏监听。
在监听信道的时候,有隐藏节点问题存在。例如:
三个节点A,B,D. A的监听范围只覆盖到B,覆盖不到D;D的监听范围只覆盖到B,覆盖不到A。
假如A给B发送数据,⽽D监听不到这⼀情况,D也给B发送数据,此时就会发⽣碰撞,导致B⽆法正常接收A或D的数据。
降低隐藏节点影响的⽅法是使⽤RTS/CTS包。A发送RTS包给B,B收到RTS后,发送CTS给A,A收到CTS后才能给B发送数据。在此同时:
C探测到A发送的RTS,但是探测不到B发送的CTS,因此C可以发送数据包,不会影响B接收A的数据包。
D探测不到A发送的RTS,但是探测到B发送的CTS,因此D不能发送数据包,因为会影响B接收A的数据包。
E能探测到RTS和CTS,因此也不能发送数据包。
当节点使⽤信道发送了数据之后,要收到对端发来的ACK才知道数据正确被对⽅接收了,否则可能发⽣碰撞导致丢包,此刻就要等待重发,等待的时间采⽤退避算法。t,2t,4t...
3.2.1 Internet协议
1.TCP/IP体系结构
计算机网络是由许多计算机组成的,要实现网络计算机之间数据传输,必须要做两件事,确定数据传输目的地址和保证数据迅速可靠传输的措施,这是因为数据在传输过程中很容易丢失或传错,Internet使用一种专门的计算机协议TCP/IP,以保证数据安全、可靠地到达指定的目的地,TCP/IP主要由传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)和网间协议IP(Internet Protocol)组成。TCP/IP是一个四层协议体系结构,如图3.1所示。
Internet 对应的TCP/IP协议
图3.1 TCP/IP体系结构
在这个结构里,每一层负责不同的功能:
链路层,有时也称作数据链路层或网络接口层,通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆(或其他任何传输媒介)的物理接口细节。
网间层,有时也称作互联网层,处理分组在网络中的活动,例如分组的路由选择。在TCP/IP协议组件中,网间层协议包括IP协议(网际协议)、ICMP协议(Internet互联网控制报文协议)等。
传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议组件中,有两个互不相同的传输协议:TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)。
TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层,确认接收到的分组,设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于传输层提供了高可靠性的端到端的通信,因此应用层可以忽略所有这些细节。
而另一方面,UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机,但并不保证该数据报能到达另一端。任何所需的可靠性必须由应用层来提供。
应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的TCP/IP实现都会提供一些通用的应用程序,例如,Telnet 远程登录、FTP文件传输协议、SMTP 用于电子邮件的简单邮件传输协议和SNMP 简单网络管理协议。