CN106549848A - 改进的动态可预测p—坚持csma/cd介质访问控制设计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路技术领域，公开了一种用于改进快速以太网中载波监听和碰撞检测CSAM/CD协议的方法并实现了动态可预测的P一坚持CSMA/CD介质访问控制技术。动态可预测P一坚持CSMA/CD介质访问控制技术通过对网络负载的预测，实现了对P值的动态调整。当网络空闲或轻载时采用以太网的传统的CSMA/CD协议，网络重载时，通过增加冲突次数R，从而降低发送数据概率，从而使节点同时发送数据带来的冲突最少，避免了重载下系统处于不稳定状态，保证信道能以最大的吞吐量工作。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，更具体的说，本发明涉及集成电路中用于改进快速以太网中载波监听和碰撞检测CSAM/CD协议的方法并实现了动态可预测的P一坚持CSMA/CD介质访问控制技术。
技术背景
以太网是当今最重要的一种局域网建网技术，其特点是灵活、简单和易于实现，长久以来，其它技术一直难以取代其地位，以太网所采用的访问控制仍然是数据交换重要基础之一。从OSI参考模型的对应关系可以看出，广义的以太网相关内容涉及到网络、数据链路和物理层等。在狭义情况下，以太网只包括数据链路、物理等两层。
物理层主要是指以太网的物理介质，不同标准的以太网有不同的物理介质。数据链路层主要是指设备如何访问物理层规定的介质，并规定了数据格式。IEEE802标准中数据链路层又可分为两个子层：逻辑链路控制层和介质访问控制层(MAC)。该层功能主要体现在以太网设备的二层交换功能上，即将数据封装成以太网数据帧格式，通过MAC地址完成寻址。
以太网支持全双工、半双工工作模式。半双工工作模式的核心是载波监听和碰撞检测协议CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access Protocol With Collision Detection)。半双工工作模式下是采用介质共享的办法实现数据收发，同一时间只能有一台设备能使用介质，其他总线争用设备或者站点必须等待。CSMA/CD协议用来避免用户间的冲突，确保一个时间内只有一台用户终端在使用共享介质收/发数据。
本发明目的在于提供了一种用于改进快速以太网中载波监听和碰撞检测CSAM/CD协议的方法并实现了动态可预测的P一坚持CSMA/CD介质访问控制技术。
发明内容
由于现有的MAC层算法，如IEEE802.2，802.3，802.4和802.5不能满足工业控制网使用多种通信介质以及在负荷繁重情况下维持性能的要求，因此本发明提出了一种与CSMA/CD协议兼容的改进的动态可预测P一坚持CSMA/CD(Predictive P-Persistent CSMA/CD)算法。
改进的动态可预测P一坚持CSMA设计通过对网络负载的预测，实现了对P值的动态调整。当网络空闲或轻载时采用以太网的传统的CSMA/CD协议。这样，在空闲或轻载的网络中，能够很好地发挥CSMA/CD协议在负载轻时的功能。当网络负载要增加时，增加冲突次数R的数目。发送概率P＝1/R，R增加，P值降低，因此可预测P一坚持CSMA在保留CSMA/CD优点的前提下，通过对网络负载的事先预测，在网络轻载时，采用传统的CSMA/CD协议，使节点对介质访问的时延最小；网络重载时，通过增加冲突次数R，从而降低发送数据概率，从而使节点同时发送数据带来的冲突最少，避免了重载下系统处于不稳定状态，保证信道仍能以最大的吞吐量工作，不会因过多的冲突而造成阻塞。由于冲突次数R的动态调整，实现了概率P值的动态调整，主要体现在如下两点：
(1)P值的动态调整取决于冲突次数的动态调整。当网络预测到负载增加时，发送数据冲突次数R增加，假设R取值范围是4～16所以发送概率P为1/R，最大1/4，最小1/16。当然R的取值范围可以通过工程实践来确定一个最符合实际应用的理想值。
(2)发送概率P动态调整依赖于节点对网络负载的预测能力。网上每个节点在启动发送数据之前，先预测R的值，调整发送概率P，然后在某一空闲时隙以概率1/R发送消息包。R是对当前网络繁忙程度的估计，每个节点都有一个R值。节点是这样实现对R预测的：发送数据时，如网络负载加重，则数据包发生冲突的次数R就会增大。而数据发送的概率P就会相应减小，从而减小数据发生碰撞的概率。所以，改进的可预测P一坚持CSMA/CD协议能够满足特定环境下的要求。
在MAC层中，为提高紧急事件的响应时间，提供一个可选择优先级机制。该机制允许用户为每个需要优先级的节点分配一个特定的优先级时隙，在发送过程中，优先级数据报文将在那个时间间隙里将报文发送出去。优先时间间隙从0～127，0表示不需要等待立即发送，1表示等待一个时间间隙，低优先级的节点需要等待较多的时间间隙，而高优先级的节点需要等待较少的时间间隙。这个时间间隙加在P一概率随机间隙之前(即节点的随机等待时间的随机间隙之前)。非优先级的节点必须等待优先级时隙都完成后，再等待P一概率时间间隙后发送。这样，加入优先级的节点具有更快的响应时间。
附图说明
图一为改进的CSMA/CD协议节点域模型示意图；
图二为本发明与传统CSMA/CD协议的信道利用率的对比图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
如果一个节点可以进行全双工通信，它可以在发送数据的同时检测总线连接情况，该功能可用改进的CSMA/CD协议来进行模拟。改进的CSMA/CD协议仿真模型的设计可分为三个步骤进行：
(1)设计改进的CSMA/CD协议的网络域仿真模型；
(2)设计改进的CSMA/CD协议的节点域仿真模型；
(3)设计改进的CSMA/CD协议的进程域仿真模型；
下面分别详细介绍这三个设计步骤：
网络域仿真模型是用来模拟真实网络环境中采用不同协议的计算机节点进行数据通信的状况。在局域网中可以有基于交换机、HUB、总线型的仿真模型。本发明主要是研究改进的CSMA/CD协议在总线型网络中各项性能参数，因此可利用OPNET Modeler软件建立改进的CSMA/CD协议的网络域仿真模型，本发明中网络域模型由八个计算机节点和一条各计算机共享的通信总线及总线与各计算机节点的连接线组成，每个计算机节点采用的是改进CSMA/CD协议进行通信。要仿真高负载下的网络可以通过增加计算机节点的个数和提高仿真网络的数据包流量来实现。
节点域仿真模型相当于现实网络环境中采用各种通信协议进行通信的计算机节点。在局域网中采用的有CSMA/CD协议和令牌环协议，本节点仿真模型是在采用CSMA/CD协议的节点上加以修改来实现。设计改进的CSMA/CD协议节点模型是进行本次仿真研究的关键所在。改进的CSMA/CD协议的节点域模型如图一所示。
改进的CSMA/CD协议节点域仿真模型有四个处理机模块(数据发生模块、数据销毁模块、MAC接口层模块、信道检测模块)，一个队列模块(MAC层模块)来完成大量的信道存取处理，一对总线接收与总线发送模块，四种连接线(输入数据流、输出数据流、状态线、数据总线)。此节点模型提供了一部分OSI的数据连接层子层介质访问层的功能。
设计好改进的CSMA/CD协议的节点域模型后，要分别对节点域中的每个模块进行进程域的详细设计以实现它们的仿真功能。由于OPNET Modeler软件己提供了总线接模块与总线发送模块的模型，因此只要在节点域中添加它们并分别设计好它们的名称、信道、Ecc阐值电平、图标名称等属性即可。
利用OPNET Modeler分别对以上的CSMA/CD及改进的CSMA/CD的发送数据平均延时和信道的平均利用率进行性能仿真研究，实验都是在100台计算机的总线型以太网中且它们负载相同，改进的CSMA/CD协议在冲突次数大于4时采用动态改变发数据的概率1/16二＜p＜＝1/4，改进的以CSMAC/D协议平均数据时延略大于CSMA/CD协议，其值大约为0.0026秒，CSMA/CD协议平均数据时延约为0.0005秒，但由图采用改进的CSMA/CD协议信道的平均利用率大大超过了采用普通CSMA/CD协议的信道的平均利用率，如图二所示，这也说明 改进的CSMA/CD协议的优越性。通过改变P值(1/16＜＝P＜＝x)，分别执行改进的CSMA/CD协议的仿真，可以发现改进的CSMA/CD协议与传统的CSMA/CD协议相比较有以下几条规律：
(1)随着P取值范围的缩小，改进的CSMA/CD协议的信道利用率逐渐减小；
(2)随着P取值范范围缩小，改进的CSMA/CD协议信道发送延时逐渐接近传统的CSMA/CD协议的发送延时；
(3)改进的CSMA/CD协议信道的利用率始终大于传统的CSMA/CD协议，改进的CSMA/CD协议在高负载时能有效地提高信道的利用率；
在网络负载低时采用原有的CSMA/CD协议，在网络负载高时采用改进的动态可预测的P坚持协议，可以明显发现改进的CSMA/CD协议在高负载时能有效地提高信道的利用率。
Claims (5)
1.改进的动态可预测P-坚持CSMA/CD介质访问控制设计，其特征在于包含以下骤：
1)改进的动态可预测P-坚持CSMA技术通过对网络负载的预测，实现了对P值的动态调整。当网络空闲或轻载时采用以太网的传统的CSMA/CD协议；
2)改进的动态可预测P-坚持CSMA技术如遇网络负载加重，则数据包发生冲突的次数R就会增大，而数据发送的概率P就会相应减小，从而减小数据发生碰撞的概率；
3)为提高紧急事件的响应时间，在MAC层中提供一个可选择优先级机制。该机制允许用户为每个需要优先级的节点分配一个特定的优先级时隙；
4)改进的动态可预测P-坚持CSMA/CD的信道利用率始终大于传统的CSMA/CD协议。而且其在网络高负载时能显著提高信道的利用率；
2.根据权利要求1所述的改进的动态可预测P-坚持CSMA/CD介质访问控制设计，其特征在于：所述步骤(1)当网络空闲或轻载时采用以太网的传统的CSMA/CD协议。这样，在空闲或轻载的网络中，能够很好地发挥CSMA/CD协议在负载轻时的功能。当网络负载要增加时，增加冲突次数R的数目。发送概率P＝l/R，R增加，P值降低，因此可预测P-坚持CSMA在保留CSMA/CD优点的前提下，通过对网络负载的事先预测，在网络轻载时，采用传统的CSMA/CD协议，使节点对介质访问的时延最小。
3.根据权利要求2所述的改进的动态可预测P-坚持CSMA/CD介质访问控制设计，其特征在于：所述步骤(2)网络重载时，通过增加冲突次数R，从而降低发送数据概率，从而使节点同时发送数据带来的冲突最少，避免了重载下系统处于不稳定状态，保证信道仍能以最大的吞吐量工作，不会因过多的冲突而造成阻塞。由于冲突次数R的动态调整，实现了概率P值的动态调整。
4.根据权利要求3所述的改进的动态可预测P-坚持CSMA/CD介质访问控制设计，其特征在于：所述步骤(3)该机制允许用户为每个需要优先级的节点分配一个特定的优先级时隙，在发送过程中，优先级数据报文将在那个时间间隙里将报文发送出去。这个时间间隙加在P-概率随机间隙之前(即节点的随机等待时间的随机间隙之前)。非优先级的节点必须等待优先级时隙都完成后，再等待P-概率时间间隙后发送。
5.根据权利要求4所述的改进的动态可预测P-坚持CSMA/CD介质访问控制设计，其特征在于：所述步骤(4)，改进的CSMA/CD协议在冲突次数大于4时采用动态改变发数据的概率1/16＝＜p＜＝1/4，改进的以CSMAC/D协议平均数据时延略大于CSMA/CD协议，其值大约为0.0026秒，而CSMA/CD协议平均数据时延约为0.0005秒，而采用改进的CSMA/CD协议信道的平均利用率大大超过了采用普通CSMA/CD协议的信道的平均利用率。
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Cited By (3)
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| CN109274528A (zh) * | 2018-09-03 | 2019-01-25 | 南京理工大学 | 一种异步多包接收机制下p坚持CSMA吞吐率的确定方法 |
| CN109428690A (zh) * | 2017-09-04 | 2019-03-05 | 瑞昱半导体股份有限公司 | 以太网络的连线方法及以太网络装置 |
| CN110166342A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-08-23 | 黑龙江省电工仪器仪表工程技术研究中心有限公司 | 一种采用滑差周期的动态p-持续CSMA算法 |
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