載波監聽

載波監聽多路訪問CSMA的技術，也稱做先聽後説LBT(Listen Before Talk）。要傳輸數據的站點首先對媒體上有無載波進行監聽，以確定是否有別的站點在傳輸數據。假如媒體空閒，該站點便可傳輸數據；否則，該站點將避讓一段時間後再做嘗試。這就需要有一種退避算法來決定避讓的時間，常用的退避算法有非堅持、1－堅持、P－堅持三種。

算法規則為：⑴假如媒本是空閒的，則可以立即發送。⑵假如媒體是忙的，則等待一個由概率分佈決定的隨機重發延遲後，再重複前一步驟。採用隨機的重發延遲時間可以減少衝突發生的可能性。非堅持算法的缺點是：即使有幾個着眼點為都有數據要發送，但由於大家都在延遲等待過程中，致使媒體仍可能處於空閒狀態，使用率降低。

算法規則：⑴假如媒體空閒的，則可以立即發送。⑵假如媒體是忙的，則繼續監聽，直至檢測到媒體是空閒，立即發送。⑶假如有衝突(在一段時間內未收到肯定的回覆），則等待一隨機量的時間，重複步驟⑴～⑵。

這種算法的優點是：只要媒體空閒，站點就立即可發送，避免了媒體利用率的損失；其缺點是：假若有兩個或兩個以上的站點有數據要發送，衝突就不可避免。

算法規則：⑴監聽總線，假如媒體是空閒的，則以P的概率發送，而以（1-P）的概率延遲一個時間單位。一個時間單位通常等於最大傳播時延的2倍。⑵延遲一個時間單位後，再重複步驟⑴。⑶假如媒體是忙的，繼續監聽直至媒體空閒並重復步驟⑴。

P-堅持算法是一種既能像非堅持算法那樣減少衝突，又能像1-堅持算法那樣減少媒體空閒時間的折中方案。問題在於如何選擇P的有值，這要考慮到避免重負載下系統處於的不穩定狀態。假如媒體是忙時，有N個站有數據等待發送，一旦當前的發送完成時，將要試圖傳輸的站的總期望數為NP。假如選擇P過大，使NP>1，表明有多個站點試圖發送，衝突就不可避免。最壞的情況是，隨着衝突概率的不斷增大，而使吞吐量降低到零。所以必須選擇適當P值使NP<1。當然P值選得過小，則媒體利用率又會大大降低。

在總線和環形拓撲中，網絡上的設備必須共享傳輸線路，為解決同一時間幾個設備同時爭用傳輸介質，需要有某種訪問控制方式，以便協調各設備訪問介質的順序，在設備之間交換數據。在總線系統中，每個站都能獨立地決定幀的發送，若兩個或多個站同時發送，就產生衝突，同時發送的所有幀都會出錯。因此一個用户發送信息成功與否在很大程度上取決於總線是否空閒的算法以及兩個不同節點同時發送的分組發生衝突時所使用和中斷傳輸的方法，總線爭用技術分為載波監聽多路訪問（CSMA）和具有衝突檢測的載波監聽多路訪問（CSMA/CD）這兩大類。載波監聽多路訪問（CSMA）的技術，也叫做先聽後説（LBT），希望傳輸的站首先對信道進行監聽以確定是否有別的站在傳輸。如果信道空閒，該站可以傳輸，否則，該站將避讓一段時間後再嘗試。需要有一種退避算法來決定退讓時間。常用的有三種算法。1、非堅持CSMA；2、1-堅持CSMA；3、P-堅持CSMA。

通信中對介質的訪問可以是隨機的，即各工作站可以在任何時刻、任意地訪問介質；也可以是受控的，即各工作站可以用一定的算法調整各站訪問介質的順序和時間。在隨機訪問方式中，常用的爭用總線技術為CSMA/CD.

這種控制方式對任何工作站都沒有預約發送時間，工作站的發送是隨機的，必須在網絡上爭用傳輸介質，故稱之為爭用技術。若同一時刻有多個工作站向傳輸線路發送信息，則這些信息會在傳輸線上互相混淆而遭破壞，稱為“衝突”。為儘量避免由於競爭引起的衝突，每個工作站在發送信息之前，都要監聽傳輸線上是否有信息在發送，這就是“載波監聽”。CSMA是從一種叫ALOHA的控制協議演變而來的，之所以要採用這種控制協議，是因為當許多用户共享一個容量為C b/s的信道時，如果兩個或更多的用户同時都在共享信道上發送信息，這樣就會產生衝突。習慣上把這種衝突叫做碰撞。碰撞的產生會導致衝突的用户發送都告失敗。

載波監聽多路訪問/衝突檢測（CSMA/CD）：在CSMA中，由於通道的傳播延遲，當兩個站點監聽到總線上沒有存在信號而發送幀時，仍會發生衝突。由於CSMA算法沒有衝突檢測功能，即使衝突已發生，仍然要將已破壞的幀發送完，使總線的利用率降低。一種CSMA的改進方案是使站點在傳輸時間繼續監聽媒體，一旦檢測到衝突，就立即停止發送，並向總線上發一串短的阻塞報文(Jam），通知總線上各站衝突已發生，這樣通道容量不致因白白傳送己受損的幀而浪費，可以提高總線的利用率，這就稱作載波監聽多路訪問/衝突檢測協議，簡寫為CSMA/CD，這種協議己廣泛應用於以太網和IEEE802.3標準中。

此時，浪費掉的帶寬就減少為用檢測衝突所花費的時間。那麼，怎麼來估算所需的衝突檢測時間呢?對於基帶總線而言，此時用於檢測一個衝突的時間等於任意兩個站之間最大的傳播延遲的兩倍，所以對於基帶CSMA/CD，要求分組長度應該至少兩倍於傳播延遲，否則在檢測出衝突之前傳輸已經完成，但實際上分組被衝突所破壞。

CSMA/CD是用爭用的方法來決定對介質的訪問權。而這種爭用協議一般用於總線網。載波監聽多路訪問（CSMA) 發展情況及存在問題：

CSMA/CD總線網絡中的一個關鍵技術問題是衝突控制或衝突分解問題，即由於發送衝突而遭碰撞的報文要經過一段隨機延時後重發，典型的衝突控制算法，亦即後退算法有以下五種：二進制指數後退算法BEB、多項式後退算法PB、線性增值後退算法LIB、固定平均後退算法FMB、順序後退算法OB.

在CSMA中，由於信道傳播時延的存在，即使總線上兩個站點沒有監聽到載波信號而發送幀時，仍可能會發生衝突。由於CSMA算法沒有衝突檢測功能，即使衝突已發生，仍然將已破壞的幀發送完，使總線的利用率降低。

一種CSMA的改進方案是使發送站點傳輸過程中仍繼續監聽媒體，以檢測是否存在衝突。假如發生衝突，信道上可以檢測到超過發送站點本身發送的載波信號的幅度，由此判定出衝突的存在。一於檢測到衝突，就立即停止發送，並向總線上發一串阻塞信號，用以通知總線上其它各有關站點。這樣，通道容量就不致因白白傳送已受損的幀而浪費，可以提高總線的利用率。這種方案稱做載波監聽多路訪問/衝突檢測協議，簡寫為CSMA/CD，這種協議已廣泛應用於局域網中。

CSMA/CD的代價是用於檢測衝突所花費的時間。對於基帶總線而言，最壞情況下用於檢測一個衝突的時間等於任意兩個站之間傳播時延的兩倍。從一個站點開始發送數據到另一個站點開始接收數據，也即載波信號從一端傳播到另一端所需的時間，稱為信號傳播時延。信號傳播時延（μs)=兩站點的距離（m)/信號傳播速度（200m/μs）。假定A、B兩個站點位於總線兩端，兩站點之間的最大傳播時延為tp。當A站點發送數據後，經過接近於最大傳播時延tp時，B站點正好也發送數據，此時衝突便發生。發生衝突後，B 站點立即可檢測到該衝突，而A站點需再經過一份最大傳播時延tp後，才能檢測出衝突。也即最壞情況下，對於基帶CSMA/CD來説，檢測出一個衝突的時間等於任意兩個站之間最大傳播時延的兩倍（2tp）。

數據幀從一個站點開始發送，到該數據幀發送完畢所需的時間和為數據傳輸時延；同理，數據傳輸時延也表示一個接收站點開始接收數據幀，到該數據幀接收完畢所需的時間。數據傳輸時延（s)=數據幀長度(bit)/數據傳輸速率（bps）。若不考慮中繼器引入的延遲，數據幀從一個站點開始發送，到該數據幀被另一個站點全部接收所需的總時間，等於數據傳輸時延與信號傳播時延之和。

由上述分析可知，為了確保發送數據站點在傳輸時能檢測到可能存在的衝突，數據幀的傳輸時延至少要兩倍於傳播時延。換句話説，要求分組的長度不短於某個值，否則在檢測出衝突之前傳輸已經結束，但實際上分組已被衝突所破壞。

由於單向傳輸的原因，對於寬帶總線而言，衝突檢測時間等於任意兩個站之間最大傳播時延的4倍。所以，

對於寬帶CSMA/CD來説，要求數據幀的傳輸時延至少4倍於傳播時延。

在CSMA/CD算法中，一旦檢測到衝突併發完阻塞信號後，為了降低再次衝突的概率，需要等待一個隨機時間，然後再使用CSMA方法試圖傳輸。為了保證這種退避操作維持穩定採用了一種稱為二進制指數退避和算法，其規則如下：⑴對每個數據幀，當第一次發生衝突時，設置一個參量L=2；⑵退避間隔取1到L個時間片中的一個隨機數，1個小時片等於兩站之間的最大傳播時延的兩倍；⑶當數據幀再次發生衝突，由將參量L加倍；⑷設置一個最大重傳次數，超過該次數，則不再重傳，並報告出錯。

二進制指數退避算法是按後進先出LIFO(List In First Out）的次序控制的，即未發生衝突或很少發生衝突的數據幀，具有優先發送的概率；而發生過多次衝突的數據幀，發送成功的概率就更少。

IEEE 802.3就是採用二進制指數退避和1-堅持算法的CSMA/CD媒體訪問控制方法。這種方法在低負荷時，如媒體空閒時，要發送數據幀的站點能立即發送；在重負荷時，仍能保證系統的穩定性。由於在媒體上傳播的信號會衰減，為確保能檢測出衝突信號，CSMA/CD總線網限制一段無分支電纜的最大長度為500米。