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

1、<p>　　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計實驗報告</p><p>　　-- CSMA/CD協(xié)議仿真</p><p>　　學(xué)院：計算機(jī)科學(xué)與通信工程</p><p>　　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）</p><p>　　CSMA/CD是carrier sense multiple

2、60;access/collision detected 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（carrier sense），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（multiple access)意

3、思是網(wǎng)絡(luò)上所有工作站收發(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

4、（collision detected）。  CSMA/CD媒體訪問控制方法的工作原理，可以概括如下： </p><p>　　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

5、、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)

6、送未發(fā)完的數(shù)據(jù)。 </p><p>　　CSMA/CD控制方式的優(yōu)點是：原理比較簡單，技術(shù)上易實現(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)送效率急劇下降。</p><p>　　性能指標(biāo)：信道利用率、吞吐量、介質(zhì)利用率</p><p>　　CSMACD的主要影響因素：傳播時延、工作站數(shù)。&

7、lt;/p><p>　?、貱SMA／CD對站點個數(shù)不是很敏感，對實際的輸入負(fù)載比較敏感。</p><p>　?、贑SMA／CD對傳播時延a比較敏感。</p><p>　?、跜SMA／CD沖突不可避免。</p><p>　?、蹸SMA／CD的介質(zhì)利用率隨a的上升下降較快。</p><p>　　⑤CSMA／CD適合通信量不大，

8、交互頻繁的場合</p><p>　?、迣τ贑SMA／CD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，帶寬浪費嚴(yán)重。</p><p>　?、逤SMA／CD在輕負(fù)載時提供最短延遲，但對重負(fù)載敏感。</p><p><b>　　主要參數(shù)：</b></p><p>　　時間片 512比特時間 </p>

9、<p>　　幀問間隔 9．6微秒 </p><p><b>　　嘗試極限16 </b></p><p><b>　　退避極限 10 </b></p><p>　　人為干擾長 32比特 </p><p>　　最大幀長 1518字節(jié) </p><p>　　最小幀長 5

10、12字節(jié) </p><p>　　地址字段長 48比特 二、CSMA/CD協(xié)議基本工作流程</p><p>　　1.以太幀的發(fā)送流程</p><p>　　載波偵聽過程。結(jié)點在發(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。</p>

11、<p>　　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)。</p><p>　　隨機(jī)延遲后重發(fā)。在檢測到?jīng)_突、停止發(fā)送后，結(jié)點進(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T為結(jié)點重新發(fā)送需要的后退延遲時間，a為

12、沖突窗口值，R為隨機(jī)數(shù)，從0到2k－1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。</p><p><b>　　2.以太幀接收流程</b></p><p>　　幀接收流程大致可以分為以下三個步驟：</p><p>　　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。</p>

13、<p>　　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。</p><p>　　檢查CRC校驗和LLC數(shù)據(jù)長度。若都正確，接收該幀，否則丟棄。</p><p>　　三、分析、理解所給的仿真程序（對照流程圖說明是如何仿真的、每個sleep函數(shù)的作用）</p><p>　　#include "stdafx.h"<

14、/p><p>　　#include "csmacd.h"</p><p>　　#include <cstdio></p><p>　　#include <iostream></p><p>　　#include <cmath></p><p>　　#include &

15、lt;windows.h></p><p>　　#ifdef _DEBUG </p><p>　　#define new1 DEBUG_NEW </p><p>　　#undef THIS_FILE HIS_FILE[]=_FILE_; </p><p><b>　　#endif </b></p>

16、;<p>　　//static char T </p><p>　　CWinThread *thread1,*thread2; //定義變量 </p><p>　　DWORD ID1,ID2,Bus=0; //初始化共享 </p><p>　　UINT aThread

17、(LPVOID pParam); //線程a，代表主機(jī)a </p><p>　　UINT bThread(LPVOID pParam); //線程b,代表主機(jī)b </p><p>　　using namespace std; </p><p>　　int _tmain(int argc,TCH

18、AR* argv[],TCHAR*envp[]) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　int nRetCode=0; </p><p>　　if(!AfxWinInit(::GetModuleHandle(NULL),NULL, ::GetCommandLine(),0)) </p><p

19、><b>　　{ </b></p><p>　　cout<<_T("Fata1 Error:MFC initialization failed")<< endl; </p><p>　　nRetCode=1; </p><p><b>　　} </b></p&

20、gt;<p><b>　　else </b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　thread1=AfxBeginThread(aThread,NULL); //啟動線程a </p><p>　　ID1=thread1->m_nThreadID;

21、 //獲取線程ID號 </p><p>　　thread2=AfxBeginThread(bThread,NULL); //啟動線程b </p><p>　　ID2=thread2->m_nThreadID; //獲取線程ID號 </p><p>　　getchar(); </p><p><

22、;b>　　} </b></p><p>　　return nRetCode; </p><p><b>　　} </b></p><p>　　UINT aThread(LPVOID pParam) //線程a（主機(jī)a） </p><p><b>　　

23、{ </b></p><p>　　int i=0; //發(fā)送成功次數(shù) </p><p>　　int CollisionCounter=16; //沖突計數(shù)器初始值為16 </p><p>　　double Collisionwindow=0.05;

24、 //沖突窗口值取0.05 </p><p>　　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</p><p>　　Loop:if (Bus==0) //總線空閑 </p><p><b>　　

25、{ </b></p><p>　　Bus=Bus|ID1; //模擬發(fā)包 </p><p>　　Sleep(12); // 單位是毫秒，</p><p>　　分析：本實驗?zāi)M模a發(fā)送時延為12ms試驗時可以更改時延觀察不同發(fā)送時延對碰撞的影響。擬</p><

26、;p><b>　　試驗延</b></p><p>　　if(Bus==ID1) //無沖突，由發(fā)送方負(fù)責(zé)檢測 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　printf("%d Send Success\n\n",ID1)

27、; //發(fā)送成功 </p><p>　　Bus=0; //內(nèi)存清零 </p><p>　　CollisionCounter=16; //復(fù)原沖如計數(shù)器 </p><p>　　Sleep(rand()%10); </p><p>　　分析： 本次試驗選用隨機(jī)的幀長度相當(dāng)于重新配置，兩個線程同

28、時進(jìn)行監(jiān)聽。 // 模擬幀間隙</p><p><b>　　i++; </b></p><p>　　printf("主機(jī)a發(fā)送成功次數(shù)=%d\n\n",i); </p><p>　　if(i<10) </p><p>　　goto Loop; //發(fā)送次數(shù)不夠10次，開始下一次發(fā)

29、送 </p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　else </b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　printf("%d Send Collision\n\n",ID1); //發(fā)生沖突 &

30、lt;/p><p><b>　　Bus=0; </b></p><p>　　CollisionCounter--; //沖突計數(shù)器減1 </p><p>　　if(CollisionCounter>0) </p><p><b>　　{ </b></p>

31、<p>　　Sleep(randNum*(int)pow(2.0,(CollisionCounter>10)?10:CollisionCounter)*Collisionwindow); </p><p>　　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。</p><p>　　goto Loop;

32、 //下一次嘗試發(fā)送 </p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　else </b></p><p>　　printf("%ld Send Failure\n\n",ID1);//重發(fā)次數(shù)超過16次，宣布發(fā)送失敗 </p><p><b

33、>　　} </b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　else //總線忙 </p><p>　　goto Loop; //繼續(xù)載波偵聽 </p><p>　　return 0; &

34、lt;/p><p><b>　　} </b></p><p>　　UINT bThread(LPVOID pParam)//線程b </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　int j=0; //發(fā)送成功次數(shù) </p><

35、;p>　　int CollisionCounter=16;//沖突計數(shù)器初始值為16 </p><p>　　double CollisionWindow=0.05;//為爭用期（51.2us），以時間為單位的沖突窗口 </p><p>　　int randNum=rand()%3;//隨機(jī)數(shù) </p><p>　　Loop: if(Bus==0)//總線空

36、閑 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　Sleep(2); // 可用隨機(jī)函數(shù)模擬其他用戶隨機(jī)接入。</p><p>　　分析： b檢測到總線空閑時，延時2ms進(jìn)行發(fā)送。</p><p>　　Bus=Bus|ID2;//模擬發(fā)包 </p><p&

37、gt;　　Sleep(3); 發(fā)送時延為3ms</p><p>　　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。</p><p>　　if(Bus==ID2)//無沖突 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　pr

38、intf("%d Send Success\n\n",ID2); //發(fā)送成功 </p><p>　　Bus=0; //總線清零 </p><p>　　CollisionCounter=16; //復(fù)原沖突計數(shù)器 </p><p>　　Sleep(rand(

39、)%10); </p><p><b>　　j++; </b></p><p>　　printf("主機(jī)b發(fā)送成功次數(shù)=%d\n\n",j); </p><p>　　if(j!=10) //不夠10次開始下一次發(fā)送 </p><p>　　goto Loop ; </p>

40、;<p><b>　　} </b></p><p><b>　　else </b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　printf("%d Send Collision\n\n",ID2); </p><p>

41、;<b>　　Bus=0; </b></p><p>　　CollisionCounter--; //沖突計數(shù)器減1</p><p>　　if(CollisionCounter>0) //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 </p><p><b>　　{ </b></p><p

42、>　　Sleep(randNum*(int)pow(2.0,(CollisionCounter>10)?10:CollisionCounter)*CollisionWindow); </p><p>　　等待隨機(jī)時間截止二進(jìn)制指數(shù)后退算法</p><p>　　goto Loop; </p><p><b>　　} </b>&l

43、t;/p><p><b>　　else </b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　printf("%d Send Failure\n\n",ID2); </p><p><b>　　} </b></p><p

44、><b>　　} </b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　else //總線忙 </p><p>　　goto Loop; //繼續(xù)裝載波偵聽 </p><p>　　return

45、0; </p><p><b>　　} </b></p><p>　　四、運行結(jié)果分析（改變sleep函數(shù)參數(shù)大小、抓圖說明結(jié)果）</p><p><b>　　源程序運行結(jié)果：</b></p><p>　　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)

46、逐漸減少，后面沒有沖突。</p><p>　　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：</p><p>　　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()語句需要運行時間，后面數(shù)據(jù)全部發(fā)送成功還是因為運行了退避二進(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，運行結(jié)果

47、如下：</p><p>　　由上圖可知，數(shù)據(jù)發(fā)送過程中沒有沖突。</p><p>　　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，觀察運行結(jié)果如下圖所示：</p><p>　　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)

48、送的公平性。所以應(yīng)該設(shè)置幀間隙。</p><p>　　下面改變幀間隙，a和b幀間隙相同時（同時為5），運行結(jié)果如下：</p><p>　　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，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。運行二進(jìn)制退避算法后，a，b繼續(xù)交替發(fā)送數(shù)據(jù)。</p><p&

49、gt;　　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</p><p>　　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。</p><p>　　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）</p>

50、<p>　　對二進(jìn)制退避算法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的算法如下：</p><p>　　非堅持的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：</p><p>　　1堅持的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><p>　　p堅持的CSMA：線路忙，繼續(xù)偵聽；不忙時，根據(jù)p概率進(jìn)行發(fā)送

51、，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：</p><p><b>　　六：心得體會</b></p><p>　　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，

52、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。最后在老師和同學(xué)的幫助下都得以解決，在此真心感謝老師和同學(xué)的無私幫助。</p><p>　　這次課程設(shè)計不僅重新檢測了一下自己對課程的掌握理解程度，而且培養(yǎng)了自己如何利用身邊的資源解決自己的問題的能力，提升了和別人在學(xué)術(shù)方面的交流和溝通能力。</p><