3.18 CSMA/CD 协议的原理和吞吐量的计算

3.18.1 CSMA/CD 协议的原理

（P89 3.3.2）使用 CSMA/CD 协议时，一个站不可能同时进行发送和接收（但必须一边发送一边监听信道），因此使用 CSMA/CD 协议的以太网不可能进行全双工通信，只能进行半双工通信。

（P88 3.3.2）CSMA/CD 协议特点如下：

多点接入：指总线型网络。
载波监听：指边发送边监听，无论是发送数据还是发送数据之前，每个站都必须不停的检测信道。
碰撞检测：指适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况。当两个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化幅度会增大（互相叠加），因此当适配器检测到信号电压变化幅度超过一定门限值时，则认为总线上至少有两个站在同时发送数据，即产生了碰撞。

（P91 3.3.2）当产生碰撞时则立即停止发送数据，并继续发送 32 比特或 48 比特的人为干扰信号（Jamming Signal），即强化碰撞，以便让让所有用户都知道现在已发生碰撞。

（P89 3.3.2）若记总线上单程端到端传播时延为 $\tau$ ，则最迟要经过两倍的总线端到端传播时延（或端到端往返传播时延，即 $2 \tau$ ）才能断定自己发送的数据没有发生碰撞，这段时间被称为争用期（Contention Period），又称碰撞窗口（Collision Window）。

其中， $\tau$ 的计算公式为：

\tau=\text{信道长度}(m) \times \text{信号传播速率}(m/s)

因此，使用 CSMA/CD 协议的网络，最小帧长不得小于 $F_{min}$ ：

F_{min}=2 \times \tau \times \text{数据传输速率}(bit/s)

若接收到长度小于 $F_{min}$ 的帧，则必为由于冲突而异常终止的帧，应当立即丢弃。

IEEE 规定争用期为 $51.2\ \mu s$ ，即 $10\ Mbps$ 网络发送 512 比特也就是 64 字节的时间。以当时的计算机网络技术，一个网络最远的两端之间的往返延迟不会高于 $51.2\ \mu s$ ，因此此争用期完全足以发现所有所有可能的碰撞。这也是 MAC 帧最小长度为 64 字节的原因。

（P90 3.3.2）也就是说，每个站在自己开始发送数据后的一小段时间内，存在遭遇碰撞的风险，这一特点被称为发送的不确定性。

（P90 3.3.2）以太网使用截断二进制指数退避（Truncated Binary Exponential Backoff） 算法来确定碰撞重传的时机，又称动态退避。这种算法让发生碰撞的站在停止发送数据时，在等待信道空闲后退避一个随机的时长。若记重传的次数为 $t$ ，则退避的时隙数从闭区间 $[0,\ 2^k-1]$ 中的整数中随机选择，其中 $k$ 使用以下公式计算：

k=min\{t,10\}

以太网中，常见的时隙时长为 512 位的时间。

若重传次数达 16 次仍不能成功，则表明当前打算发送数据的站太多，以至于接连发生碰撞，则丢弃该帧，并向上层报告。

3.18.2 吞吐量的计算

吞吐量取决于链路中最小带宽。

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3.18.2 吞吐量的计算​

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