【计算机网络】数据链路层 : CSMA 协议 ( 载波监听多路访问协议 | 监听 | 1-坚持 CSMA | 非坚持 CSMA | p-坚持 CSMA )

一、 CSMA 协议 ( 载波监听多路访问协议 )

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CSMA 协议 :

① 全称 : Carrier Sense Multiple Access , 载波监听多路访问协议 ;

② CS : Carrier Sense , 载波监听 , 每个站点 发送数据前 , 先检测总线上是否有其它 站点 在发送数据 ;

③ MA : 多点接入 , 多个 主机 连接在同一条 总线 上 ;

ALOHA 协议 与 CSMA 协议 对比 :

• ALOHA 协议 , 不听就说 ;

• CSMA 协议 , 先听再说 ;

二、 CSMA 协议 监听

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CSMA 协议 思想 : 发送数据帧前 , 先监听信道 ;

监听方法 :

① 电压摆动值 : 当 几个 站点 同时向 总线 发送数据时 , 总线上的 信号 电压摆动值 增加 ;

② 冲突识别 : 当 站点 检测到 信号电压摆动值 超过一定 阈值 时 , 认为 总线上 至少有 $2$ 个站点在同时发送数据 , 此时产生了冲突 ;

监听结果 :

① 信道空闲 : 发送完整帧 ;

② 信道忙 : 推迟发送 ;

根据监听结果 , 有如下不同的处理方案 :

• 1-坚持 CSMA
• 非坚持 CSMA
• p-坚持 CSMA

三、 1-坚持 CSMA

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"坚持" 概念 : 监听信道后 , 信道处于忙状态 , 之后的 “坚持” 监听操作 ;

"1-坚持 CSMA" 运行机制 :

① 信道监听 : 如果 主机 想要发送消息 , 先监听信道 ;

② 信道空闲 : 直接传输 ;

③ 信道忙 : 一直监听 , 空闲后 , 马上传输 ;

④ 监听超时 : 如果 一段时间内没有收到信道空闲的回复 , 那么等待随机时长后 , 继续监听 , 重复上述过程 ;

1-坚持 CSMA 特点 :

① 优点 : 信道利用率高 , 只要信道空闲 , 站点就可以发送数据 ;

② 缺点 : 如果有 多个 站点要发送数据 , 就会发生冲突 ;

四、 非坚持 CSMA

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"非坚持" 概念 : 监听信道后 , 信道处于忙状态 , 之后的 “不再坚持” 监听操作 ;

"1-坚持" 和 “非坚持” 都是针对信道忙时的处理 ;

"非坚持 CSMA" 运行机制 :

① 信道监听 : 如果 主机 想要发送消息 , 先监听信道 ;

② 信道空闲 : 直接传输 ;

③ 信道忙 : 那么等待随机时长后 , 继续监听 , 重复上述过程 ;

非坚持 CSMA 特点 :

① 优点 : 随机时间后 , 监听重发机制 , 减少发生冲突的可能性 ;

② 缺点 : 可能存在所有站点都在等待的场景 , 此时信道处于空闲状态 , 信道利用率降低 ;

五、 p-坚持 CSMA

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"p-坚持" 概念 : 监听信道后 , 信道处于空闲状态 的处理 ;

"p-坚持 CSMA" 运行机制 :

① 信道监听 : 如果 主机 想要发送消息 , 先监听信道 ;

② 信道空闲 : p 概率传输 ; $1-p$ 概率 等待到下一个时间槽再传输 ;
如 $p=80$ , 如果信道空闲 , 站点有 80% 的概率马上发送 , 有 20% 的概率下一次发送 ;

③ 信道忙 : 那么等待随机时长后 , 继续监听 , 重复上述过程 ;

非坚持 CSMA 特点 :

① 优点 : 既能像 “非坚持 CSMA 协议” 那样减少冲突 , 又可以将 “1-坚持 CSMA 协议” 那样减少媒体空闲时间 ;

② 缺点 : 如果发生冲突后 , 坚持将数据帧发送完毕 , 这样就造成了浪费 ;

六、 三种协议对比

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信道空闲处理 :

① 1-坚持 CSMA 协议 : 马上发送数据 ;

② 非坚持 CSMA 协议 : 马上发送数据 ;

③ p-坚持 CSMA 协议 : $p$ 概率马上发送 , $1-p$ 概率下一个时隙发送 ;

信道忙处理 :

① 1-坚持 CSMA 协议 : 继续坚持监听 ;

② 非坚持 CSMA 协议 : 放弃监听 , 等待随机时间后监听 ;

③ p-坚持 CSMA 协议 : 放弃监听 , 等待随机时间后监听 ;