当前课程知识点:网络技术与应用 > 第3讲 以太网 > 3.1 总线形以太网 > 3.1-5 CSMA/CD算法缺陷
网络是一种产品
每一种网络技术的产生都有一定的历史背景
比如当时的软硬件条件和网络的市场需求等等
因此 它不可能是完美的 总会存在一定局限性和缺陷
CSMA/CD算法因为原理简单容易实现
在一定程度上解决了总线形以太网终端争用总线的问题
但是它也存在这样的一些缺陷
一个是CSMA/CD算法只适应轻负荷的情况
第二 它存在捕获效应
三是存在冲突域直径与最短帧长之间的制约关系
首先我们来看一下第一点
所谓网络的负荷就是某一个时间段内
连接在总线上的终端要通过总线来传输数据的总量
如果总线上的终端只有少量终端需要同时发送数据的话
那么经过CSMA/CD算法的调整
重复发生冲突的机会就比较小
比如总线上有两台终端 终端B和终端D
要同时向总线发送数据
那么这个时候 显然是要发生碰撞
在碰撞以后经过后退算法计算以后
终端B和终端D的两个延迟时间因为不同
所以终端B就成功地发送了数据
如果总线上同时有大量的终端 密集地向总线发送数据
那么经过CSMA/CD算法调整以后
重复发生冲突的概率就非常的大
比如说总线上的这5台终端同时要向总线发送数据
那么显然发生了冲突
这个时候经过CSMA/CD算法 每个终端产生一个延迟时间
同时要发送数据的终端比较多
所以后退以后延迟时间相同的概率就非常的大
比如说第一次延迟以后重复发送数据的可能是A和D
因为它们的延迟时间相同 所以又一次发生了冲突
第二次在A和D进入延迟时间以后
跟前面B C D3台终端又一次延迟时间相同
所以再一次发生冲突
这样的话 有可能会导致网络上连接在总线上的终端
不是处于跟其它终端冲突当中就是处于延迟等待状态
这样的话 使得总线的利用率就非常的低
所以 CSMA/CD算法只适应轻负荷的情况
那么为什么还会使用这种算法呢
因为在当时的办公应用当中很难使得总线有重负荷的情况
但是随着网络应用的不断深入
CSMA/CD算法的这种性能缺陷不断显现出来
这是第一点
下面来看第二点 就是这种算法存在捕获效应现象
首先我们看一下什么捕获效应
首先捕获效应就是有两台终端同时要密集地往总线发送数据
就是经过CSMA/CD算法产生延迟时间以后
使得其中的一台终端长期地能够争用到总线发送数据
而另一台终端长期地争不到总线
下面举个例子来说明一下这种现象
假设K是冲突次数0 1 2一直到2的k次方减1
是一个整数序列 这是由K产生的一个整数序列
那么r是从这个整数序列中随机选取的一个值
t是协议规定的时间 延迟时间T用t×r 产生延迟时间
这是后退算法的要点
假设现在网络上有两台终端 终端A和终端B
要同时发送数据
发送完了以后 它们就发生碰撞了 因为同时要发送
那么碰撞以后 终端A和终端B的冲突次数K都是等于1
因此它们产生的整数序列都是0和1
假定在终端A和终端B的整数序列当中
分别选取的这个值是
终端A选取r的值等于0 终端B选取r的值等于1
根据r的值算出了终端A的延迟时间就比终端B的要短
因此终端A就顺利地发送了数据
发送完了以后 它再一次跟终端B同时来争用总线
那这个时候 因为终端A的MAC帧是第一次发送
所以它碰撞的次数等于1
产生的整数序列是0和1
而对于终端B来说 因为MAC帧是第二次发生碰撞了
所以K的值就等于2
整数序列是0 1 2 3
那么这个时候 终端A从整数序列里面选取一个值
比终端B选取一个值要小的概率就比较大
比如终端A的r的值选取的是1 而终端B选取的r值是3
这个时候终端A又成功地发送了数据
那么有可能造成 终端B的延迟时间比较长
终端A已经发送了好几帧MAC帧以后
又同时再次和终端B竞争总线 又再一次发生冲突
那这个时候终端A的冲突次数还是等于1
而终端B的冲突次数就等于3了
由此终端A选取的r的值比终端B选取的小的概率就更大了
所以有可能造成终端A长期的争到总线发送数据
而终端B一直争用不到总线发送数据
这就是我们说的捕获效应
那么这种捕获效应说明CSMA/CD算法
不是一个对所有终端都公平竞争总线的算法
那么为什么还会用它呢
因为这个算法的捕获效应是在网络应用过程当中发现的
那么一旦发现这个现象以后
大家都认为这个一个非常严重的问题
如果不能解决的话
会严重影响基于CSMA/CD算法的总线形以太网的发展
这是第二个
下面我们来看第三个
就是冲突域直径与最短帧长之间的制约关系
首先我们来看一下什么叫冲突域直径
在总线形以太网总线上的终端
任何一个时刻只能有一台终端发送数据
如果有多台终端发送数据 那么一定发生冲突
把具有这种传输特性的网络所覆盖的范围 称为冲突域
而在这个冲突域里面 相距最远的两个终端之间的距离
称为冲突域直径
那么这个冲突域直径假设记为R
因为电信号在电缆当中传输的速率等于2/3光速
把这个冲突域直径R长度内 电信号传播的时间记为t
那么R和t之间在无中继器就存在这样一个线性关系
R等于t×(2/3)C
那么为了后面讨论 方便起见
有时候就把t作为冲突域直径来讨论
那么前面我们讲过中继器的功能可以把电信号再生
那么从理论上来说 有了中继器以后
冲突域可以无限扩大 冲突域直径就可以无限的长
那么这个冲突域是否可以无限呢
下面我们来分析一种相互之间冲突极端的现象
这是一个总线形以太网里的两台终端 终端A和终端B
假定是冲突域里面相距最远的两台终端
冲突域直径用t来表示
假设终端A在t0时刻要向终端B发送一个数据
那么这个信号要经过t时间才能到达终端B
那么如果在t0到t0+t期间 终端B也向总线发送数据的话
那么必然会产生冲突
那么极端的现象是什么呢
终端B刚刚发送数据 马上就检测到冲突发生了
那么终端B马上就停止发送数据并且发送一个阻塞信号
告诉终端A这边已经发送冲突了
但是这个冲突的信号要经过t时间才能到达终端A
也就是说终端A在发生冲突以后
要经过t时间才能感受到终端B和它的信号发生冲突了
终端A在发送MAC帧到接收到发生冲突的这个时间
就相当于是两个t了
终端A在什么情况下检测到冲突才是有意义的呢
我们前面讲过
CSMA/CD算法是终端发送数据时边发送边检测
如果检测到MAC帧发生冲突了
那么就知道这个MAC帧就要重新发送
终端A必须是要在发送MAC帧的时候
检测到这个冲突才有意义
这就意味着终端A要发送的MAC帧的时间要大于2t
才能检测到这种极端的冲突现象
结果就是如果冲突域直径是t的话
那么终端A发送的MAC帧的长度就要大于等于2t
那么我们把这个2t时间之内发送的MAC帧的长度
称为最短帧长
这个最短帧长是多长呢 多少个二进制位呢
我们可以算一下
假设终端的发送数据的速率是S 冲突域直径是t
最短帧长为Lmin等于2t×S
那么这个里面t是以太网标准是有规定的
比如10Mbps以太网标准规定t的时间是25.6us
那么我们可以由此算出这个最短帧长就等于64B
大家还记不记得 我们前面讲MAC帧的时候曾经讲过
MAC帧的总的数据长度是一个范围
可以是46字节到1500个字节以内
那么这个里面设置一个下限和上限
为什么上限的值1500个字节以前已经讲过了
当时没有说为什么要有46个字节的下限
现在应该明白了为什么要有46个字节这样的限制
因为最短帧长是64个字节
64个字节减掉地址还有其它类型等这样字节的长度
正好是46个字节
那么最短帧长的限制对网络速率的发展有什么影响呢
我们来看一下
如果总线形以太网数据传输速率从10M提升到100M的话
假设冲突域直径不变
那么最短帧长就由64B上升为640B
也就意味着 如果发送了2B的数据
按照100Mbps 最短帧长也要连续发送640B
如果我们保持最短帧长64B不变
冲突域直径就由原来的25.6us减少2.56us
那么我们把它算成长度的冲突域直径的话
无中继冲突域直径R等于512m
如果网络的速度再从100Mbps发展到1000Mbps的话
如果冲突域直径不变 最短帧长就增大到6400B
而最短帧长还是64B不变
那么冲突域直径t的值就是0.256us
而且如果换算成距离的长度R的话也就51.2米了
也就是说这个网络失去了意义
所以冲突域直径与最短帧长之间的制约关系
严重影响了网络速度的发展
总线形以太网发展到这个时候可以说是走到尽头了
如果不进行一场技术革命 以太网将可能面临淘汰
-课程先导语
--先导语
-1.1 网络内涵
--网络内涵
-1.2 互联网发展过程
--互联网发展过程
-1.2 互联网发展过程--作业
-1.3 交换方式
--电路交换
-- 虚电路交换
--数据报交换
--三种交换方式比较
--html
-1.3 交换方式--作业
-1.4 计算机网络体系结构和协议
--分层结构
--OSI体系结构
-1.4 计算机网络体系结构和协议--作业
-第一讲内容的启示
--html
-例题分析
--例题分析
-测验--作业
-本讲内容简介
-2.1 数据传输系统
-2.1 数据传输系统--作业
-2.2 信号
--2.2 信号
-2.2 信号--作业
-2.3 编码和调制
--2.3-1 编码
--2.3-2 调制
-2.3 编码和调制--作业
-2.4 差错控制
-2.4 差错控制--作业
-2.5 传输媒体
--2.5 传输媒体
-2.5 传输媒体--作业
-2.6 Packet Tracer6.2使用说明
-第二讲内容的启示
--html
-例题分析
--例题分析
-测验--作业
-以太网发展过程与内容简介
-以太网发展过程与内容简介--作业
-3.1 总线形以太网
-3.1 总线形以太网--作业
-3.2 网桥与冲突域分割
-3.2 网桥与冲突域分割--作业
-3.3 交换式以太网与VLAN
-3.3 交换式以太网与VLAN--作业
-3.4 以太网标准
-3.4 以太网标准--作业
-第三讲内容的启示
--html
-例题分析
--例题分析
-案例设计
--案例设计
-测验--作业
-本讲内容简介
--无线局域网
-4.1 无线局域网概述
-4.1 无线局域网概述--作业
-4.2 无线局域网应用方式
-4.2 无线局域网应用方式--作业
-4.3 无线局域网MAC层
-4.3 无线局域网MAC层--作业
-4.4 终端接入无线局域网过程
-4.4 终端接入无线局域网过程--作业
-4.5 无线局域网设计和分析
-第四讲内容的启示
--html
-例题分析
--例题分析
-测验--作业
-本讲内容简介
-- IP与网络互连
-5.1 网络互连机制
-5.1 网络互连机制--作业
-5.2 网际协议
-5.2 网际协议--作业
-5.3 IP分组传输过程
-5.3 IP分组传输过程--作业
-5.4 路由表建立过程
-5.4 路由表建立过程--作业
-5.5 IP over以太网
-5.5 IP over以太网--作业
-5.6 三层交换机与VLAN间通信过程
-5.7 Internet控制报文协议
-5.7 Internet控制报文协议--作业
-第五讲内容启示
--html
-案例设计
--案例设计
-例题分析
-测验--作业
-本讲内容简介
--本讲内容简介
-6.1 Internet接入控制机制
-6.1 Internet接入控制机制--作业
-6.2 以太网和ADSL接入技术
-6.2 以太网和ADSL接入技术--作业
-6.3 家庭局域网接入方式与无线路由器
-6.3 家庭局域网接入方式与无线路由器--作业
-6.4 接入综合演示实验
-6.4 接入综合演示实验--作业
-第六讲内容的启示
--html
-例题分析
--第六讲 例题分析
-测验--作业
-本讲内容简介
--传输层
-7.1 传输层服务特性
--传输层服务特性
-7.1 传输层服务特性--作业
-7.2 端口号
--端口号
-7.3 用户数据报协议UDP
-7.3 用户数据报协议UDP--作业
-7.4 传输控制协议TCP
--TCP特点和格式
-- TCP的几点说明
-7.4 传输控制协议TCP--作业
-第七讲内容启示
--html
-例题分析
--例题分析
-测验--作业
-本讲内容简介
-- 应用层
-8.1 应用结构
--应用结构
-8.1 应用结构--作业
-8.2 域名解析
-8.2 域名解析--作业
-8.3 动态主机配置协议
-8.3 动态主机配置协议--作业
-8.4 万维网
-- 万维网
-8.4 万维网--作业
-8.5 电子邮件
--html
-8.6 文件传输协议
--html
-例题分析
--例题分析
-案例设计
--CH8 案例设计
-应用层启示
--html
-测验--作业
-本讲内容简介
-9.1 网络安全概述
-9.1 网络安全概述--作业
-9.2 网络安全基础
-9.2 网络安全基础--作业
-9.3 病毒检测与防御技术
-9.3 病毒检测与防御技术--作业
-9.4 以太网安全技术
-9.4 以太网安全技术--作业
-9.5 无线局域网安全技术
-9.5 无线局域网安全技术--作业
-9.6 防火墙
-9.6 防火墙--作业
-9.7 安全协议
--9.7 安全协议
-9.7 安全协议--作业
-例题分析
--例题分析
-防火墙演示实验
-- 防火墙演示实验
-案例设计
--案例设计
-网络安全的启示
--html
-测验--作业
-附录1:综合应用分析
--综合应用分析
-附录2:Cisco实际设备网络构建与配置
-期末考试--考试试题