CSMA-CD模拟实验指导书

1实验一CSMA/CD协议模拟实验一、实验目的以太网是目前应用最广泛的局域网。本课程设计的目的是通过模拟以太帧的发送过程，使大家能进一步理解和掌握以太网核心协议CSMA/CD。二、实验要求编写程序模拟以太结点的数据发送流程。具体要求：1)用两个线程a和b模拟两台主机。2)用一个双字类型变量Bus来模拟总线（将其初始化为“\0”，并且总线等于“\0”时表示总线空闲）。3)两个子线程向总线发送自己的数据。数据用该线程的线程号进行模拟，发送数据用线程号和Bus的“或”操作进行模拟（即Bus＝Bus|ID，ID为该线程的线程号）。4)每台主机须向总线上成功发送10次数据，如果其中某次数据发送失败，则该线程结束。5)发送流程须遵循CSMA/CD。随机延迟算法中的冲突窗口取0.005。在数据发送成功（即Bus＝＝ID）后，报告“IDsendsuccess”，产生冲突（Bus！＝ID）后报告“IDsendconllision”，发送失败（即冲突计数器值为0）后报告“IDsendfailure”。随着主机发送成功次数增加，报告其已发送成功的次数，如“主机A发送成功数＝3”。2三、相关知识1.CSMA/CD协议工作原理及性能分析以太网的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD方法。它的工作原理是:发送数据前先侦听信道是否空闲，若空闲，则立即发送数据。若信道忙碌，则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据；若在上一段信息发送结束后，同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求，则判定为冲突。若侦听到冲突,则立即停止发送数据，等待一段随机时间,再重新尝试。其原理简单总结为：先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发。性能指标：信道利用率、吞吐量、介质利用率等CSMACD的主要影响因素：传播时延、工作站数等。①CSMA/CD对站点个数不是很敏感，对实际的输入负载比较敏感。②CSMA/CD对传播时延a比较敏感。③CSMA/CD冲突不可避免。④CSMA/CD的介质利用率随a的上升下降较快。⑤CSMA/CD适合通信量不大，交互频繁的场合⑥对于CSMA/CD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。⑦CSMA/CD在轻负载时提供最短延迟，但对重负载敏感。2.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2k－1中取值，k的取值为min（n,10），n为该帧已3被发送的次数，图1为以太帧的发送流程。3.以太帧的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。图1以太网的发送过程发送帧装配帧总线忙？启动发送总线忙？冲突？发送完成？冲突加强冲突次数加1冲突多于16161516？发送失败败计算后退延迟等待后退延迟时间发送成功NNNN4四、参考仿真程序#includestdafx.h#includecsmacd.h#includecstdio#includeiostream#includecmath#includewindows.h#ifdef_DEBUG#definenew1DEBUG_NEW#undefTHIS_FILEHIS_FILE[]=_FILE_;#endif//staticcharTCWinThread*thread1,*thread2;//定义变量DWORDID1,ID2,Bus=0;//初始化共享UINTaThread(LPVOIDpParam);//线程a，代表主机aUINTbThread(LPVOIDpParam);//线程b,代表主机busingnamespacestd;int_tmain(intargc,TCHAR*argv[],TCHAR*envp[]){intnRetCode=0;if(!AfxWinInit(::GetModuleHandle(NULL),NULL,::GetCommandLine(),0)){cout_T(Fata1Error:MFCinitializationfailed)endl;nRetCode=1;}else{thread1=AfxBeginThread(aThread,NULL);//启动线程aID1=thread1-m_nThreadID;//获取线程ID号thread2=AfxBeginThread(bThread,NULL);//启动线程bID2=thread2-m_nThreadID;//获取线程ID号getchar();}returnnRetCode;}UINTaThread(LPVOIDpParam)//线程a（主机a）{inti=0;//发送成功次数intCollisionCounter=0;//冲突计数器初始值为16doubleCollisionwindow=0.05;//冲突窗口值取0.05intrandNum=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5{Bus=Bus|ID1;//模拟发包Sleep(12);//单位是毫秒if(Bus==ID1)//无冲突，由发送方负责检测{printf(%dSendSuccess\n\n,ID1);//发送成功Bus=0;//内存清零CollisionCounter=0;//复原冲如计数器Sleep(rand()%10);//i++;printf(主机a发送成功次数=%d\n\n,i);if(i10)gotoLoop;//发送次数不够10次，开始下一次发送}else{printf(%dSendCollision\n\n,ID1);//发生冲突Bus=0;CollisionCounter++;//冲突计数器减1if(CollisionCounter16){Sleep(randNum*(int)pow(2.0,(CollisionCounter10)?10:CollisionCounter)*Collisionwindow);//gotoLoop;//下一次尝试发送}elseprintf(%ldSendFailure\n\n,ID1);//重发次数超过16次，宣布发送失败}}else//总线忙gotoLoop;//继续载波侦听return0;}UINTbThread(LPVOIDpParam)//线程b{intj=0;//发送成功次数intCollisionCounter=0;//冲突计数器初始值为16doubleCollisionWindow=0.05;//为争用期（51.2us），以时间为单位的冲突窗口intrandNum=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//④Bus=Bus|ID2;//模拟发包Sleep(3);//⑤if(Bus==ID2)//无冲突6{printf(%dSendSuccess\n\n,ID2);//发送成功Bus=0;//总线清零CollisionCounter=0;//复原冲突计数器Sleep(rand()%10);j++;printf(主机b发送成功次数=%d\n\n,j);if(j!=10)//不够10次开始下一次发送gotoLoop;}else{printf(%dSendCollision\n\n,ID2);Bus=0;CollisionCounter++;//冲突计数器减1if(CollisionCounter16)//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,(CollisionCounter10)?10:CollisionCounter)*CollisionWindow);gotoLoop;}else{printf(%dSendFailure\n\n,ID2);}}}else//总线忙gotoLoop;//继续装载波侦听return0;}注：程序在VC下编制、执行。五、仿真说明及程序分析1.设计中的重点及难点1)模拟冲突的过程，在这个程序中不要使用任何线程同步机制，以保证各线程执行的随机性；2)若程序中不能模拟出冲突，可以在某些地方加入延时；3)程序产生冲突主要取决于各线程能否交叉执行，具体又取决于CPU数、每一线程需要运行的时间等；2.程序流程7图2为主程序流程图。图3为主程序中的线程流程图，其中线程A和线程B的线程相同。图2主程序流程图图3线程流程图开始启动线程A启动线程B结束开始总线闲？发送数据Bus＝Bus|ID冲突？报告成功，Bus清零成功计数加1，报告成功次数复原冲突计数器成功计数器＝10？报告冲突，Bus清零冲突计数器－1冲突计数器＝0？报告失败计算随机延迟时间并延迟结束YYYY8六、sleep函数分析对照第四项中参考仿真程序，按sleep使用顺序先后依次讨论：①Sleep(12)：线程a发送时延为12ms,改变sleep函数参数来观察不同时延对碰撞的影响，有：时延（ms）运行5次，每次出现冲突的次数平均值2366364.812422222.41203333331200222222理论上分析传播及发送时延越大，冲突越大，但实际运行结果不能反映。随着时延参数数量级的增加，一次程序运行的时间也明显增加，符合实际。但当时延达到几十秒时，显然不利于数据的高效传输。②Sleep(rand()%10)：确认一数据帧发送成功后随机等待一个不超过10ms的时间。此处是模拟的帧间隙，即发送成功后等待一帧间隙继续准备发送下一帧。考虑到CSMA/CD协议的帧间隙固定为9.6us，在改进后的程序（见附录）中此处改作Sleep(0.0096)。③Sleep(randNum*(int)pow(2.0,(CollisionCounter10)?10:CollisionCounter)*Collisionwindow)：检测到冲突、停止发送后，结点进行随机延迟后重发。随机延迟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，Collisionwindow为冲突窗口值a，randNum为随机数R，从0到2k－1中取值，k的取值为min（n,10），CollisionCounter为该帧已被发送的次数n。④Sleep(2)：为避免a,b线程sleep设置完全一致（此时仿真结果为a,b交替发送，无冲突），b检测到总线空闲时，延时2ms进行发送。可用随机函数模拟其他用户随机接入，即改为：Sleep(rand()%x)，减少冲突的几率。考虑到争用期为51.2ms，随机等待的时间不能超过这一上限值。结果汇总如下：随机等待的时间x(ms)0~90~50冲突次数均值（次）104可见，随机接入确实有助于减少冲突的几率。⑤Sleep(3)：模拟从发包到监测到信道忙之间的时间，按照CSMA/CD协议，争用期和检测到信道忙有着充要关系，于是在改进的程序中此处与④的随机时间加起来和是一个时间51.2us。七、协议的改进①增加窗口值将0.05改为0.10，窗口值增大，冲突次数减少，所需时间也有所下降