简述CSMA技术的P-坚持算法规则

5.1.1 CSMA退避算法

CSMA（载波侦听多路访问）技术也称为LBT（Listen Before Talk，先听后说），也就是先侦听要访问的介质，在发现介质空闲时再进行数据发送。

CSMA介质争用技术适用于总线型和树型拓扑结构，主要解决如何共享一条公用总线介质。其原理是：在网络中任何一个工作站在发送信息前，要先侦听网络中有无其他站点在发送信号，如无则立即发送；如有其他站点正在发送数据，则此站点要先避让一下，等一段时间后再侦听，直到介质空闲才发送。

在CSMA技术中，采用了一些退避算法来决定避让的时间。常用的退避算法有三种：非坚持、1-坚持、P-坚持。下面是这些算法的具体解释。

1．"非坚持"算法

"非坚持"退避算法的关键点就在于"非坚持"这三个字上。"非坚持"就是在发生介质处于忙的状态（也就是正在传送其他站点数据）时，本站点不坚持继续发送，而是在一个随机延迟后继续侦听介质，发现介质空闲时本站点才可发送数据。

总结起来，这种算法的算法规则如下：

（1）如果介质是空闲的，则可以立即发送数据。

（2）如果介质是忙的，则等待一个随机延迟的时间后，再继续侦听，直到介质为空闲才发送数据。

在这种方式中，采用随机的重发延迟时间（也就是说这个等待的时间是随机的，而不是固定的）可以减少冲突发生的可能性。但是这种算法有一个致命的缺点，那就是在有多个站点发送数据时，可能会由于大家都在延迟等待过程中，致使介质即使当前已处于空闲状态，也没有站点发送数据，这样一来，介质的利用率就可能很低。所以这种算法主要适用于小型的总线，或者树型拓扑结构网络中，不适用于像现在大型的星型结构以太网中。

2．"1-坚持"算法

"1-坚持"退避算法与前面介绍的"非坚持"算法有些类似，但仍有些本质区别。这里的"1-坚持"算法的"1"是指当一个站点发现介质是空闲时，它的数据传输成功率为1，也就是100%。当然这是开发这种退避算法的作者自己的观点，事实这种算法不可能达到这种效果。具体将在下面介绍本算法的缺点时解释。

前面介绍的"非坚持"算法是在发现介质忙后，即随机等待一个延迟，然后继续侦听；而此处的"1-坚持"算法中，在发现介质是忙时，不等待一个延迟，而是继续侦听，一旦发现空闲即立即发送，在数据传送过程中发生冲突时放弃当前的数据传送任务，等待一个延迟后再继续侦听。

"1-坚持"算法的算法避让规则如下：

（1）如果介质空闲的，则可以立即发送数据。

（2）如果介质是忙的，则继续侦听，直至检测到介质是空闲，立即发送数据。

（3）如果在发送数据过程中发生了冲突（因为可能有多个站点在同一时间检测到介质为空闲，并立即进行了数据发送），则放弃当前的数据传送任务，等待一个随机的延迟时间，再重复上述步骤（1）～（2）。

很明显，这种算法相对前面介绍的"非坚持"算法来说的优点就是提高了介质的利用率，因为在没有发生冲突时无须等待一个随机延迟就立即进行继续侦听，不会出现介质处于空闲状态仍没有站点发送数据的情况。但是，该算法仍有致命的弱点，也就是在有多个站点发送数据的情况下，这种毫不等待的算法也就使得冲突时常发生。原因就是前面所说的，可能在网络中同时有多个站点在同一时间检测到介质空闲（因为中间没有一个延迟，也就是一直在侦听介质状态），而立即进行了数据发送。也就是说在这种算法下，发生冲突的机率比起"非坚持"算法来说要大许多。所以这种算法也仅适用于小型的总线型或者树型拓扑结构网络，不适用于像现在大型的星型结构以太网中。

3．"P-坚持"算法

既然前面介绍的两种算法都存在明显的不足，自然就会有人继续后面的开发，于是就生产了新的"P-坚持"退避算法。

理解"P-坚持"退避算法的关键就是其中的"P"。P是指站点可以发送数据的概率，相当于前面介绍的"1-坚持"算法中的"1"。这里的P是小于1的，也就是不是在一发现介质空闲时就发送数据，而是以一个概率来决定当前站点是否马上发送数据。其目的就是为了避免与其他站点发生冲突。

"P-坚持"退避算法是一种既能像"非坚持"算法那样减少冲突，又能像"1-坚持"算法那样减少介质空闲时间的折中方案，也就是综合了前面所介绍的两种算法的优点，以实现缺点互补。

在"P-坚持"退避算法中，关键是如何选择P值，这要考虑到避免重负载下系统（如网络规模大，网络应用复杂）处于不稳定状态。假如在介质处于忙状态时有n个站在等待发送数据，则将要试图传输的站点的总期望数设为nP。如果选择P值选择过大（也就是每个站点在介质空闲时可以发送数据的概率过高），则可能使nP>1，则表明有多个站点在试图发送数据，这样冲突就很难避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，而使吞吐量降低到零。所以必须选择适当的P值，使nP<1。当然P值选得过小，则介质利用率又会大大降低，因为这样一来，即使介质处于空闲状态，大家仍可能都会"谦让"。

"P-坚持"算法的规则如下：

（1）如果介质空闲，则以P概率发送数据（注意，只是一种概率，而不是马上发送数据），而以（1-P）的概率延迟一个时间单位t，t等于最大信号传播时延的两倍。

（2）站点的发送已被延迟一个时间单位t后，则重复上述步骤（1），当然这时的P值可能不一样。

（3）如果介质是忙的，继续侦听直到介质处于空闲状态，然后重复上述步骤（1）。

从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据，即载波信号从一端传播到另一端所需要的时间，称为信号传播时延。

信号传播时延（μs）=两站点间的距离（m）÷信号传播速度（200m/μs）

数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完成所需的时间称为"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，到该数据接收完毕所需的时间。

数据传输时延（s）= 数据帧长度（bit）÷数据传输速率（b/s）

若不考虑中继器引入的延迟，数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧被另一个站点全部接收的总时间等于上述介绍的"数据传输时延"和"信号传播时延"之和。

若一个站点有数据要发送，持续监听信道，当它监听到信道空闲时，以概率P决定是否发送数据。这样可以减少在有多个站点同时监听信道的情况下的冲突。