计算机网络课程设计报告 CSMACD协议仿真.doc

计算机网络课程设计实验报告- CSMA/CD协议仿真学院：计算机科学与通信工程 一、CSMA/CD协议工作原理（查资料）及性能分析（指标与影响因素）   CSMA/CD是carrier sense multiple access/collision detected 的缩写，可译为“载波侦察听多路访问/冲突检测”，或“带有冲突检测的载波侦听多路访问”。所谓载波侦听（carrier sense），意思是网络上各个工作站在发送数据前都要总线上有没有数据传输。若干数据传输 （称总线为忙），则不发送数据；若无数据传输（称总线为空），立即发送准备好的数据。所谓多路访问（multiple access)意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。所谓冲突（collision），意思是，若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，哪个工作站都同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，哪个工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称数据冲突又称碰撞。为了减少冲突发生后又的影响。工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，有没有在传输过程中与其它工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测（collision detected）。  CSMA/CD媒体访问控制方法的工作原理，可以概括如下： 先听后说，边听边说；       一旦冲突，立即停说；       等待时机，然后再说；  注：“听”，即监听、检测之意；“说”，即发送数据之意。  上面几句话意思是在发送数据前，先监听总线是否空闲。若总线忙，则不发送。若总线空闲，则把准备好的数据发送到总线上。在发送数据的过程中，工作站边发送检测总线，是否自己发送的数据有冲突。若无冲突则继续发送直到发完全部数据；若有冲突，则立即停止发送数据，但是要发送一个加强冲突的JAM信号，以便使网络上所有工作站都知道网上发生了冲突，然后，等待一个预定的随机时间，且在总线为空闲时，再重新发送未发完的数据。   CSMA/CD控制方式的优点是：原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位 ，不需集中控制，不提供优先级控制。但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。性能指标：信道利用率、吞吐量、介质利用率CSMACD的主要影响因素：传播时延、工作站数。CSMACD对站点个数不是很敏感，对实际的输入负载比较敏感。CSMACD对传播时延a比较敏感。CSMACD冲突不可避免。CSMACD的介质利用率随a的上升下降较快。CSMACD适合通信量不大，交互频繁的场合对于CSMACD帧越长，吞吐量越太，要求帧具有最小长度，当有许多短消息时，带宽浪费严重。CSMACD在轻负载时提供最短延迟，但对重负载敏感。主要参数：时间片 512比特时间 帧问间隔 96微秒 尝试极限16 退避极限 10 人为干扰长 32比特 最大帧长 1518字节 最小帧长 512字节 地址字段长 48比特 二、CSMA/CD协议基本工作流程 1.以太帧的发送流程1) 载波侦听过程。结点在发送一个帧前，必须侦听总线是否空闲。由于以太的数据采用曼彻斯特编码方式，所以可以通过判断总线电平是否跳变来确定总线是否空闲。若总线空闲，就可启动发送，否则继续侦听。2) 冲突检测。在数据发送过程中，可能会产生冲突。所以在发送数据的过程中，也应该进行冲突检测，只要发现冲突就应该停止发送数据。3) 随机延迟后重发。在检测到冲突、停止发送后，结点进行随机延迟后重发。若重发16次后还没成功，则宣告发送失败，取消该帧的发送。随机延迟的计算方法一般采用截止二进制指数后退算法。该算法可表示为：T=2*R*a。其中T为结点重新发送需要的后退延迟时间，a为冲突窗口值，R为随机数，从0到2k1中取值，k的取值为min（n,10），n为该帧已被发送的次数，下图为以太帧的发送流程。发送帧装配帧总线忙？启动发送冲突？发送完成？冲突加强冲突次数加1冲突多于16？发送失败败计算后退延迟等待后退延迟时间发送成功NNNN2.以太帧接收流程帧接收流程大致可以分为以下三个步骤：1) 检查是否发生冲突，若发生冲突，则丢弃该帧，若没有冲突，进入下一步。2) 检查该帧的目的地址看是否可以接收该帧，若可以接收，则进入下一步。3) 检查CRC校验和LLC数据长度。若都正确，接收该帧，否则丢弃。三、分析、理解所给的仿真程序（对照流程图说明是如何仿真的、每个sleep函数的作用）#include "stdafx.h"#include "csmacd.h"#include <cstdio>#include <iostream>#include <cmath>#include <windows.h>#ifdef _DEBUG #define new1 DEBUG_NEW #undef THIS_FILE HIS_FILE=_FILE_; #endif /static char T CWinThread *thread1,*thread2; /定义变量 DWORD ID1,ID2,Bus=0; /初始化共享 UINT aThread(LPVOID pParam); /线程a，代表主机a UINT bThread(LPVOID pParam); /线程b,代表主机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")<< endl; nRetCode=1; else thread1=AfxBeginThread(aThread,NULL); /启动线程a ID1=thread1->m_nThreadID; /获取线程ID号 thread2=AfxBeginThread(bThread,NULL); /启动线程b ID2=thread2->m_nThreadID; /获取线程ID号 getchar(); return nRetCode; UINT aThread(LPVOID pParam) /线程a（主机a） int i=0; /发送成功次数 int CollisionCounter=16; /冲突计数器初始值为16 double Collisionwindow=0.05; /冲突窗口值取0.05 int randNum=rand()%3; /随机数 可用Srand函数改变随机函数的种子，改善随机性Loop:if (Bus=0) /总线空闲 Bus=Bus|ID1; /模拟发包 Sleep(12); / 单位是毫秒，分析：本实验模拟模a发送时延为12ms试验时可以更改时延观察不同发送时延对碰撞的影响。试验延if(Bus=ID1) /无冲突，由发送方负责检测 printf("%d Send Successnn",ID1); /发送成功 Bus=0; /内存清零 CollisionCounter=16; /复原冲如计数器 Sleep(rand()%10); 分析： 本次试验选用随机的帧长度相当于重新配置，两个线程同时进行监听。 / 模拟帧间隙i+; printf("主机a发送成功次数=%dnn",i); if(i<10) goto Loop; /发送次数不够10次，开始下一次发送 else printf("%d Send Collisionnn",ID1); /发生冲突 Bus=0; CollisionCounter-; /冲突计数器减1 if(CollisionCounter>0) Sleep(randNum*(int)pow(2.0,(CollisionCounter>10)?10:CollisionCounter)*Collisionwindow); 分析：使用截至二进制退避算法，在发生碰撞时，等待随机时间，进行监听和发送。goto Loop; /下一次尝试发送 else printf("%ld Send Failurenn",ID1);/重发次数超过16次，宣布发送失败 else /总线忙 goto Loop; /继续载波侦听 return 0; UINT bThread(LPVOID pParam)/线程b int j=0; /发送成功次数 int CollisionCounter=16;/冲突计数器初始值为16 double CollisionWindow=0.05;/为争用期（51.2us），以时间为单位的冲突窗口 int randNum=rand()%3;/随机数 Loop: if(Bus=0)/总线空闲 Sleep(2); / 可用随机函数模拟其他用户随机接入。分析： b检测到总线空闲时，延时2ms进行发送。 Bus=Bus|ID2;/模拟发包 Sleep(3); 发送时延为3ms如果将b发现空闲时延为0发送，而且发送时延相同，即a，b线程完全相同，会出现两线程交替发送，不会出现碰撞，结果见下面分析。 if(Bus=ID2)/无冲突 printf("%d Send Successnn",ID2); /发送成功 Bus=0; /总线清零 CollisionCounter=16; /复原冲突计数器 Sleep(rand()%10); j+; printf("主机b发送成功次数=%dnn",j); if(j!=10) /不够10次开始下一次发送 goto Loop ; else printf("%d Send Collisionnn",ID2); Bus=0; CollisionCounter-; /冲突计数器减1 if(CollisionCounter>0) /随机延迟重发，延迟算法用截止二进制指数后退算法 Sleep(randNum*(int)pow(2.0,(CollisionCounter>10)?10:CollisionCounter)*CollisionWindow); 等待随机时间截止二进制指数后退算法goto Loop; else printf("%d Send Failurenn",ID2); else /总线忙 goto Loop; /继续装载波侦听 return 0; 四、运行结果分析（改变sleep函数参数大小、抓图说明结果）源程序运行结果：由图可知，线程a和b发送数据时都有碰撞产生，经过二进制退避算法，随着时间的增加，碰撞的次数逐渐减少，后面没有冲突。改变sleep()函数参量的值，理想情况下，传输时延为零时（即sleep(0)）,结果如下图所示：由图可知，没有传输时延情况下，还是有发送碰撞产生，主要原因是线程b程序中的第一个sleep()语句需要运行时间，后面数据全部发送成功还是因为运行了退避二进制算法，当去掉线程b的第一个sleep()时，即两个线程相等时，运行结果如下：由上图可知，数据发送过程中没有冲突。源程序的帧间隙是程序随即产生的（Sleep(rand()%10)），现将间隙时间改为0，观察运行结果如下图所示：当两个线程相同时，帧间隙为0的情况下，主机a连续发送三次数据后，主机b抢到信道，连续发送十次数据，发送完毕，接着a发送剩余的七次数据。这样不能体现发送的公平性。所以应该设置帧间隙。下面改变帧间隙，a和b帧间隙相同时（同时为5），运行结果如下：由图可知，两个线程相同，且帧间隙相同的情况下，发送数据没有碰撞，且a，b交替发送数据，一直到发送结束。同样道理，当两个线程不同时（b的反应时间为2 ms），依然会发生碰撞。运行二进制退避算法后，a，b继续交替发送数据。当两个线程相同，帧间隙不同时（a的帧间隙为2 ms ，b的帧间隙为20 ms 时），结果如图通过反复更改a，b帧间隙的值，当b帧间隙为a的帧间隙10倍时，出现上图结果，没有出现轮流发送，也没有出现碰撞（两线程相同）。当两线程帧间隙相差较小时，上述结果体现不明显。五、协议的改进（如增加用户数后采用某种监听和发送策略）对二进制退避算法进行改进，改进后的算法如下：非坚持的CSMA：线路忙，等待一段时间，再侦听；不忙时，立即发送；减少冲突，信道利用率降低：1坚持的CSMA：线路忙，继续侦听；不忙时，立即发送；提高信道利用率，增大冲突：p坚持的CSMA：线路忙，继续侦听；不忙时，根据p概率进行发送，另外的1-p概率为继续侦听（p是一个指定概率值）；有效平衡，但复杂：六：心得体会每次做课程设计都是一个学习和总结的过程，在这次课程设计中发现对于书本上的知识掌握的还是不牢固，CSMA/CD协议老师在上课时讲的很详细，在课程设计中感觉自己只知道个大概。尽管老师已经该我们程序代码，把困难程度已经降到最低程度了，但是在做的过程中还是出现了很多问题，比如a,b在发送过程中改变sleep（）的值发送是否是交替进行的，是否会发生碰撞以及操作平台的调试等等问题。最后在老师和同学的帮助下都得以解决，在此真心感谢老师和同学的无私帮助。这次课程设计不仅重新检测了一下自己对课程的掌握理解程度，而且培养了自己如何利用身边的资源解决自己的问题的能力，提升了和别人在学术方面的交流和沟通能力。课程设计是我们专业课程只是综合应用的实践训练，是我们迈向社会、从事职业工作前一个必不可少的过程。“千里之行，始于足下”，通过课程设计，我深深的体会到这句千古名言的真正含义。今天认真的进行课程设计，踏实地迈开这一步，就是为明天能够稳健的在社会大潮中奔跑打下基础。由于本人目前能力有限，难免会出现这样那样的错误，还望老师批评指正。