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  第68题      
  知识点:   CSMA/CD访问控制方式   总线
  关键词:   网络   总线        章/节:   局域网   概率统计应用       

 
在采用CSMA/CD控制方式的总线网络上,设有N个节点,每个节点发送帧的概率为P,则某个指定节点发送成功的概率为(68)。
 
 
  A.  p
 
  B.  (1-p)N-1
 
  C.  p(1-p)N-1
 
  D.  Np(1-p)N-1
 
 
 

 
  第37题    2017年下半年  
   51%
采用CSMA/CD协议的基带总线,段长为2000m,数据速率为10Mb/s,信号传播速度为200m/μs,则该网络上的最小帧长应为( )比特。
  第13题    2022年下半年  
   53%
CSMA/CD中,同一个冲突域主机经过5次冲突后在(13)区间随机选择一个整数,站点等待(14)后重新进入CSMA。
  第6题    2010年下半年  
   63%
当千兆以太网使用UTP作为传输介质时,限制单根电缆的长度不超过(5)米,其原因是(6)。
 
  第9题    2015年下半年  
   46%
小王需要从①地开车到⑦地,可供选择的路线如下图所示。图中,各条箭线表示路段及其行驶方向,箭线旁标注的数字表示该路段的拥堵..
 
   知识点讲解    
   · CSMA/CD访问控制方式    · 总线
 
       CSMA/CD访问控制方式
        在CSMA中,如果在总线上的两个站点都没有监听到载波信号而几乎同时都发送数据帧,但由于信道传播时延的存在,这时仍有可能会发生冲突,如下图所示。在传播延迟期间,如站点2有数据帧需要发送,就会和站点1发送的数据帧相冲突。由于CSMA算法没有冲突检测的功能,即使冲突已发生,仍然将已破坏的帧发送完,使总线的利用率降低。
        
        CSMA发生冲突的情景
        一种CSMA的改进方案是使发送站点传输过程中仍然继续监听媒体介质,以检测是否存在冲突。如果发生冲突,信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号的幅度,由此判断出冲突的存在。于是只要一旦检测到冲突存在,就立刻停止发送,并向总线上发一串阻塞信号,用以通知总线上其他各有关站点。这样通道信道就不至于因白白传送已受损的数据帧而浪费,总体上可以提高总线的利用率。这种方案也就是CSMA/CD,这种协议已广泛应用于局域网中。
               冲突检测时间的计算
               CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。对于基带总线而言,最坏情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两个站点之间传播时延的两倍。从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据,也即载波信号从一端传播到另一端所需的时间,称为信号传播时延。
               信号传播时延(μs)=两站点的距离(m)/信号传播速度(200m/μs)
               在上述公式中,信号传播速度一般为光速的2/3左右,即约每秒20万公里。相当于200m/μs。所以,公式中最后计算出的信号传播时延是以μs为单位的。
               数据帧从一个站点开始发送,到该数据帧发送完毕所需的时间称为数据传输时延。同理,数据传输时延也表示一个接收站点开始接收数据帧,到该数据帧接收完毕所需的时间。
               数据传输时延(s)=数据帧长度(b)/数据传输速率(b/s)
               同样需要注意的是,在上述公式中,数据传输速率与上面刚刚讲到的信号传播速度并不是同一个概念,数据传输速率是网络的一个性能指标,如十兆以太网的数据传输速率为10Mb/s,即10×106b/s。但是在数据传输时延与信号传播时延两者之间还是存在一些关联的,下面会进一步分析。
               如下图所示,假定A、B两个站点位于总线两端,两站点之间的最大传播时延为tp。当A站点发送数据后,经过接近于最大传播时延tp时,B站点此时正好也发送数据,这样冲突便发生了。发生冲突后,B站点立即可检测到该冲突,而A站点需再经过一段最大传播时延tp后,才能检测出冲突。也即最坏情况下,对于基带CSMA/CD来说,检测出一个冲突的时间等于任意两个站之间最大传播时延的两倍(2tp)。
               
               时间计算
               由上述分析可知,为了确保发送数据站点能够在数据传输的过程中可以检测到可能存在的冲突,数据帧的传输时延至少要两倍于信号传播时延,公式如下。
               数据传输时延(μs)≥信号传播时延(μs)×2
               换句话说,必须要求分组的长度不短于某个值,否则在检测出冲突之前数据传输已经结束,但实际上分组已被冲突所破坏。这就是为什么以太网协议中的数据帧必须要求一个最短长度的真正原因。把公式1和公式2代入到公式3中后,并作一些简单变换,由此进一步推导出了CSMA/CD总线网络中最短数据帧长度的计算关系式,如下:
               最短数据帧长(b)=任意两站点间的最大距离(m)/信号传播速度(200m/μs)×数据传输速率(Mb/s)×2
               由于单向传输的原因,对于宽带总线而言,冲突检测时间等于任意两个站之间最大传播时延的4倍。所以对于宽带CSMA/CD来说,要求数据帧的传输时延至少4倍于传播时延。
               二进制指数退避和算法
               在CSMA/CD算法中,一旦检测到冲突并发完阻塞信号后,为了降低再次冲突的概率,需要等待一个随机时间,然后使用CSMA方法试图再次传输。为了保证这种退避操作维持稳定采用了一种称为二进制指数退避的算法,其规则如下:
               (1)对每个数据帧,当第一次发生冲突时,设置一个参量L=2。
               (2)退避间隔取1~L个时间片中的一个随机数,1个时间片等于两站之间的最大传播时延的两倍。
               (3)当数据帧再次发生冲突,将参量L加倍。
               (4)设置一个最大重传次数,超过该次数,则不再重传,并报告出错。
               注意:在以太网中规定,最多重传16次,否则向上层程序报错。参量L的最大值不超过1024。
               二进制指数退避算法是按后进先出(Last In and First Out,LIFO)的次序控制的,即未发生冲突或很少发生冲突的数据帧,具有优先发送的概率;而发生过多次冲突的数据帧,发送成功的概率就更小。
               以太网就是采用二进制指数退避和1-坚持算法的CSMA/CD媒体访问控制方法。这种方法在低负荷时(如媒体空闲),要发送数据帧的站点能立即发送;在重负荷时,仍能保证系统的稳定性。它是基带系统,使用曼彻斯特(Manchester)编码,通过检测通道上的信号存在与否来实现载波监听。发送站的收发器检测冲突,如果冲突发生,收发器的电缆上的信号超过收发器本身发的信号幅度。由于在媒体上传播的信号会衰减,为确保能正确地检测出冲突信号,CSMA/CD总线网限制一段无分支电缆的最大长度为500m。
 
       总线
        所谓总线(Bus),是指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道。总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路,它的一个重要特征是由总线上的所有设备共享,因此可以将计算机系统内的多种设备连接到总线上。
               总线的分类
               微机中的总线分为数据总线、地址总线和控制总线3类。不同型号的CPU芯片,其数据总线、地址总线和控制总线的条数可能不同。
               数据总线(Data Bus,DB)用来传送数据信息,是双向的。CPU既可通过DB从内存或输入设备读入数据,也可通过DB将内部数据送至内存或输出设备。DB的宽度决定了CPU和计算机其他设备之间每次交换数据的位数。
               地址总线(Address Bus,AB)用于传送CPU发出的地址信息,是单向的。传送地址信息的目的是指明与CPU交换信息的内存单元或I/O设备。存储器是按地址访问的,所以每个存储单元都有一个固定地址,要访问1MB存储器中的任一单元,需要给出220个地址,即需要20位地址(220=1M)。因此,地址总线的宽度决定了CPU的最大寻址能力。
               控制总线(Control Bus,CB)用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。其中有的信号是CPU向内存或外部设备发出的信息,有的是内存或外部设备向CPU发出的信息。显然,CB中的每一条线的信息传送方向是单方向且确定的,但CB作为一个整体则是双向的。所以,在各种结构框图中,凡涉及控制总线CB,均是以双向线表示。
               总线的性能直接影响整机系统的性能,而且任何系统的研制和外围模块的开发都必须依从所采用的总线规范。总线技术随着微机结构的改进而不断发展与完善。
               在计算机的概念模型中,CPU通过系统总线和存储器之间直接进行通信。实际上在现代的计算机中,存在一个控制芯片的模块。CPU需要和存储器、I/O设备等进行交互,会有多种不同功能的控制芯片,称之为控制芯片组。对于目前的计算机结构来说,控制芯片集成在主板上,典型的有南北桥结构和单芯片结构。与芯片相连接的总线可以分为前端总线(FSB)、存储总线、I/O总线、扩展总线等。
                      南北桥芯片结构
                      北桥芯片直接与CPU、内存、显卡、南桥相连,控制着CPU的类型、主板的总线频率、内存控制器、显示核心等。前端总线(FSB)是将CPU连接到北桥芯片的总线。内存总线是将内存连接到北桥芯片的总线,用于和北桥之间的通信。显卡则通过I/O总线连接到北桥芯片。
                      南桥芯片主要负责外部设备接口与内部CPU的联系。其中,通过I/O总线将外部I/O设备连接到南桥,比如USB设备、ATA和SATA设备以及一些扩展接口。扩展总线则是指主板上提供的一些PCI、ISA等插槽。
                      单芯片结构
                      单芯片组方式取消了北桥。由于CPU中内置了内存控制器,不再需要通过北桥来控制,这样就能提高内存控制器的频率,减少延迟。还有一些CPU集成了显示单元,使得显示芯片的频率更高,延迟更低。
               常见总线
               常见总线包括:
               (1)ISA总线。ISA是工业标准总线,只能支持16位的I/O设备,数据传输率大约是16MB/s,也称为AT标准。
               (2)EISA总线。EISA是在ISA总线的基础上发展起来的32位总线。该总线定义32位地址线、32位数据线以及其他控制信号线、电源线、地线等共196个接点。总线传输速率达33MB/s。
               (3)PCI总线。PCI总线是目前微型机上广泛采用的内总线,采用并行传输方式。PCI总线有适于32位机的124个信号的标准和适于64位机的188个信号的标准。PCI总线的传输速率至少为133MB/s,64位PCI总线的传输速率为266MB/s。PCI总线的工作与CPU的工作是相互独立的,也就是说,PCI总线时钟与处理器时钟是独立的、非同步的。PCI总线上的设备是即插即用的。接在PCI总线上的设备均可以提出总线请求,通过PCI管理器中的仲裁机构允许该设备成为主控设备,主控设备与从属设备间可以进行点对点的数据传输。PCI总线能够对所传输的地址和数据信号进行奇偶校验检测。
               (4)PCI Express总线。PCI Express简称为PCI-E,采用点对点串行连接,每个设备都有自己的专用连接,不需要向整个总线请求带宽,而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输,PCI Express的双单工连接能提供更高的传输速率和质量。
               PCI Express的接口根据总线位宽不同而有所差异,包括X1、X4、X8以及X16(X2模式将用于内部接口而非插槽模式),其中X1的传输速度为250MB/s,而X16就是等于16倍于X1的速度,即是4GB/s。较短的PCI Express卡可以插入较长的PCI Express插槽中使用。PCI Express接口能够支持热拔插。同时,PCI Express总线支持双向传输模式,还可以运行全双工模式,它的双单工连接能提供更高的传输速率和质量,它们之间的差异与半双工和全双工类似。因此连接的每个装置都可以使用最大带宽。
               (5)前端总线。微机系统中,前端总线(Front Side Bus,FSB)是将CPU连接到北桥芯片的总线。选购主板和CPU时,要注意两者的搭配问题,一般来说,如果CPU不超频,那么前端总线是由CPU决定的,如果主板不支持CPU所需要的前端总线,系统就无法工作。也就是说,需要主板和CPU都支持某个前端总线,系统才能工作。通常情况下,一个CPU默认的前端总线是唯一的。北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件,并与南桥芯片连接。CPU通过前端总线(FSB)连接到北桥芯片,进而通过北桥芯片与内存、显卡交换数据。FSB是CPU和外界交换数据的最主要通道,因此FSB的数据传输能力对计算机整体性能作用很大,如果没足够快的FSB,再强的CPU也不能明显提高计算机整体速度。
               (6)RS-232C。RS-232C是一条串行外总线,其主要特点是所需传输线比较少,最少只需三条线(一条发、一条收、一条地线)即可实现全双工通信。传送距离远,用电平传送为15m,电流环传送可达千米。有多种可供选择的传送速率。采用非归零码负逻辑工作,电平≤-3V为逻辑1,而电平≥+3V为逻辑0,具有较好的抗干扰性。
               (7)SCSI总线。小型计算机系统接口(SCSI)是一条并行外总线,广泛用于连接软硬磁盘、光盘、扫描仪等。其中,SCSI-1是第一个SCSI标准,传输速率为5MB/s;Ultra2 SCSI的传输速率为80MB/s;Ultra160 SCSI也称Ultra3 SCSI LVD,传输速率为160MB/s;Ultra320 SCSI也称Ultra4 SCSI LVD,传输速率可高达320MB/s。
               (8)SATA。SATA是Serial ATA的缩写,即串行ATA。它主要用作主板和大量存储设备(如硬盘及光盘驱动器)之间的数据传输。SATA总线使用嵌入式时钟信号,具备了更强的纠错能力,与以往相比其最大的区别在于能对传输指令(不仅仅是数据)进行检查,如果发现错误会自动矫正,这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。
               (9)USB。通用串行总线(USB)当前风头正劲,目前得到十分广泛的应用。USB由4条信号线组成,其中两条用于传送数据,另外两条传送+5V容量为500mA的电源。可以经过集线器(Hub)进行树状连接,最多可达5层。该总线上可接127个设备。USB 1.0有两种传送速率:低速为1.5Mb/s,高速为12Mb/s。USB 2.0的传送速率为480Mb/s。USB 3.0的传送速率为5Gb/s。USB总线最大的优点还在于它支持即插即用,并支持热插拔。
               (10)IEEE-1394。IEEE-1394是高速串行外总线,近几年得到广泛应用。IEEE-1394也支持外设热插拔,可为外设提供电源,省去了外设自带的电源,能连接多个不同设备,支持同步和异步数据传输。IEEE-1394由6条信号线组成,其中两条用于传送数据,两条传送控制信号,另外两条传送8~40V容量为1500mA的电源,IEEE-1394总线理论上可接63个设备。IEEE-1394的传送速率从400Mb/s、800Mb/s、1600Mb/s直到3.2Gb/s。
               (11)IEEE-488总线。IEEE-488是并行总线接口标准。微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线连接装配,它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号,连接方式为总线方式,仪器设备不需中介单元直接并联于总线上。总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20m,信号传输速率一般为500KB/s,最大传输速率为1MB/s。
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第68题    在手机中做本题