基于CSMA／CD协议的以太网络性能仿真技术研究

第２９卷２　０　０　２年第２期　４凡　湖　南　大　学　学报　（自然科学版）　Ｖｏ１．２９，Ｎｏ．２　Ａｗ　２　Ｏ　０　２　Ｊｏｕｍａｌ　０ｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　文章鳙号　１０００—２４７２（２００２）０２—００６３—０５　基于ＣＳＭＡ／ＣＤ协议的以太网络性能　仿真技术研究　刘宏立，童调生，段摘伟，段正华　４１００８２）　（期南大学电气与信息工程学院，瑚南长沙要：根据以太网络的随机访问方式和到达帧的突岌特性，证明了以　太网络的帧到迭过程服从泊松分布，提出了以太网络系统的排队模型，并对　基于ＣｓＭＡ／ｃＤ协议的以太网络系统性能进行了仿真，研究表明这种仿真　技术在评价网络性能时是一种非常有效和简单的方法．　关键词：以太网￣ＣＳＭＡ／ＣＤ协议；泊松分布；仿真　中图分类号￣ＴＰ３９３，ｕ　文献标识码：Ａ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＳＭＡ／ＣＤ　ＬＩＵ　Ｈｏｎｇ—ｌｉ，ＴＯＮＧ　Ｔｉａｏ—ｓｈｅｎｇ，ＤＵＡＮ　Ｗｅｉ，ＤＵＡＮ　Ｚｈｅｎｇ—ｈｕａ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖ　４１００８２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒａｎｄｏｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｕｒｓｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ，　ｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ａｒｒｉｖｉｎｇ　ｆｒａｍｅ，ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｒｒｉｖｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｆｒａｍｅｓ　ｏｂｅｙｓ　Ｐｏｓｓｉｏｎ　ｄｉｓｔｒｉ，　ｂｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｑｕｅｕｅ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＳＭＡ／ＣＤ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｆｏｒ　ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｌｏｃａｌ　ａｒｅａ　ｎｅｔｗｏｒｋ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｔｈｅｒｎｅｔ；ＣＳＭＡ／ＣＤ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ；Ｐｏｓｓｉｏｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　随着ＩＥＥＥ８０２．３标准的制订，采用ＣＳＭＡ／ＣＤ协议的以太网络逐渐风靡世界，并成　为局域网主流技术，目前已占据局域网８Ｏ　左右的市场份额．以太网最早的雏形可以追　溯到２Ｏ世纪６０年代末期，二十多年来，局域网络技术的发展可谓日新月异、瞬息万变．以　太网之所以能够在激烈的竞争中立于不败之地，其主要原因首先是由于网络速率从最韧　的１ＯＭｈｐｓ到今天千兆位的不断提高，满足了不同用户和各类应用的需求；其次是优越的　性能价格比、系统的可平滑升级、网络管理的简单方便以及良好的投资保护使以太网成为　鉴鐾是留　苗　蔷　博士点基金资助项目（９８０５３２０５）　作者筒介：刘衷立（１９６３一），男・期南常稿人，期南大学副教授，博士　维普资讯 http://www.cqvip.com

湖南大学学报（自然科学版）　２００２年　用户的首选技术．　对自身技术的不断革新是支撑以太网络发展的原动力，而每一次革新都经历了从理　论到实验再到应用的过程．为了改善以太网络的性能特性，研究人员提出了许多好的设想　或改进方法．然后在理论上进行分析，建立数学模型，推导出各种性能参数．再对理论结果　进行讨论，以确定新的设想或改进方法的好坏．这种理论上的分析对于某些简单的系统尚　可进行评价．但对较为复杂的以太网络系统，理论上不能进行分析；即使可以分析，也能够　列出数学模型，却很难得出数值解．这些设想在实验室的网络上实现也是相当复杂的；而　直接在实际网络中应用，无论在经济上还是在实现难度上都是无法克服的障碍．因此对以　太网络系统的性能进行仿真是进一步研究高速以太网络技术的必备手段，如何准确、真实　地仿真以太网络系统也是高速以太网络技术研究的一项重要课题．　１仿真模型　由于以太网上的每个工作站采用随机访问方式，且帧到达过程具有突发特性，这种突　发特性使以太网的帧到达过程与泊松过程非常相似　．以太网络协议的排队系统模型如　图１所示．　工作站１　工作站２　／　，—离去　…　…　ｊ　”：：：：：　工一／　￣　Ｇ＂　ＣＤ　Ｆｉｇ１　ｓｖｓｔｅｍ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｑｕｅｕｅ　２仿真原理　为了仿真以太网络系统，首先要证明帧到达满足泊松过程．设单位时间内到达帧的概　率为＾，当满足以下三个条件时，可以证明具有突发特性的帧到达过程服从泊松分布．　１）在互不重叠的时间段内，到达的帧为相互独立的随机变量；　２）在任意小的时间段出内，到达一个帧的概率与起始时刻无关，只与时间段长度出　成正比；　３）在任意小的时间段　内，到达的帧数不为１，就为０．　设Ｐ　（￡　，ｔ　）表示在时间段（￡　，ｔ２）有五个帧到达的概率．由条件１）可知，从时间零算　起，到达五个帧的概率可写成Ｐ　（Ｏ，￡）＝　（　）、由条件２）和３）可知，在任意小的时间段出　内，到达一个帧的概率为　，不到达帧的概率为１一＾　．将有限时间段ｆ分成　个小时隙　出，即ｔ一　出，那么￡内到达五个帧，可以分布在任意五个出中、根据二次项分布，在时间　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　刘宏立等：基于ＣＳＭＡ／ＣＤ协议的以太网络性能仿真技术研究　６５　ｆ内到达＾个帧的概率为：　川＝　一　…　式中［　］＝一！／［（　一＾）』＾！］，令ｎ一。。得：　（２）　最后得到：　幻＝薯　，＾＝。＇】　２“．　松分布．由概率论的几个基本性质有【２一：　１）０　Ｐ＾（　）　１，　ｋ——－（３）　式（３）说明满足上述三十假设条件时，在时间ｔ内到达＾个帧所得概率Ｐ　（ｆ）服从泊　Ｐ＾（　）一１；　Ｏ　２）帧到达时间间隔的概率密度函数为＾ｅ　“，即帧到达时问间隔服从指数分布；　３）均值或ｔ秒内平均到达的帧数为Ｅ（ｋ，　）一∑ｋＰ　（　）＝Ａｔ　其中＾＝Ｅ（ｋ，ｔ）／ｔ表示每秒平均到达的帧数，那么在单位时间（ｔ＝１）内，平均到达的帧　数为Ｅ（＾，１）＝Ａｔ＝＾，也称之为帧产生率或帧到达率．１／　表示相继到达帧的平均间隔，　就是说，帧的平均到达间隔是帧的平均到达率的倒数．　从上可知，＾表示单位时问内到达帧的概率，即帧的到达过程可以仿真成平均到达间　隔为服从１／Ｚ的指数分布．同理，若已知每个时隙内发送帧的概率为　，则其重传延时可以　仿真为服从１　的指数分布．　假定以太网络中的工作站数为Ⅳ，并按其规定的方式争用信道．服务窗口对争用信　道的帧进行适当的调度和服务．成功传送的帧离开服务窗口而被目的站接收，现已知帧长　度为定长分布，其长度为丁，由于帧到达过程为泊松过程．则帧到达间隔服从１／＾的指数　分布．当检测到信道忙碌或出现冲突时，帧的重传时延为服从Ｌ／ｖ的指数分布．在仿真过　程中，首先要产生服从指数分布的随机数，设帧之间的到达间隔为ｒ，则到达问隔为服从　指数分布的分布函数表达式为：　Ｐ（ｒ）一』　一　ｌ　０　【ｒ＜‘　≥。　０）　（４）　对于一个服从均匀分布随机数Ｘ（０＜Ｘ＜１），根据定义有Ｘ＝ｌ—Ｐ（ｒ）．由式（４）　可得：　Ｘ—ｅ　（ｊ）　将上式两边取自然对数，求解ｒ．则得：　ｌｎＸ：ｌｎｅ　＝一打　ｒ＝　÷ｌｎ　（６）　因此．只要产生服从均匀分布的随机数　，则可由式（６）得到服从指数分布的随机数　ｒ．利用递推规则可产生　Ｏ．１］阃均匀分布的伪随机数．在仿真程序中．具体公式为：　维普资讯 http://www.cqvip.com

湖南大学学报（自然科学版）　２００２《　Ｘ．一１８６８７Ｘ—ｌ—ＴＲＵＮＣ（１８６８７×Ｘ　）ｉ一１，２，…　（７）　其中Ｘ。一１／２９６５７　将式（７）代＾式（６）即可得到均值为服从１／　的指数分布随机数ｒ，同理也可产生均　值为服从１／　的指数分布随机数．　３仿真流程　单缓冲ＣＳＭＡ／ＣＤ访问协议仿真流程图如图２所示，仿真过程中各参数意义如下　Ｈ目２　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｂｕｆｆｅｒ　ＣＳＭＡ／ＣＤ　￡；总的仿真长度　Ａ　；到达间隔服从指数分布的随机数　ＣＴ：系统总的冲突时间　Ｓ：吞吐量　Ａ　Ｊ］：第Ｊ个工作站帧的到达时刻　Ｂ［１３：第Ｊ个工作站帧的发送时刻　Ｄ：帧平均时延　：服务时间或帧长度　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　刘宏立等：基于ＣＳＭＡ／ＣＤ协议的以太网络性能仿真技术研究　６７　ＴＴ：系统的全部经过时间　Ｍ：网络工作站数　Ｒ：每次冲突时间　ＳＴ：系统总的成功传送时间　Ⅳ丁：系统总的等待时间　已知总的经过时间为丌Ｓ＝ＳＴ／丁丁　，帧总的成功传输时间为Ｓ丁，因此，系统的吞吐量为　（８）　又已知系统总的等待时间为Ⅳ丁，而系统在丁丁时间内成功传送的帧数为　Ｎ＝ＳＴ／丁　㈣ｍ　／育　＼Ｉ　（９）　故每个帧的等待时间或平均时延为：　Ｄ—ＷＴ？Ｎ—ＷＴ．Ｔ？ｓＴ　～　叫　ｂ＼ｑ　●Ｌ　ａ　（１０）　４　仿真结果　本文仿真了工作站Ｍ为１００，帧长度丁为１００，帧发送概率　为０．０５以及工作站缓冲　器容量为１时的情况，图３及图４给出了　与吞吐量Ｓ和平均延时Ｄ的关系曲线．　１　ｏ　ｏ　０．　ｑ　一　一　一　ｏ　ｏ　∞∞　Ｄ　＾　／　一／一　●　Ｆｉｇ．３　Ｒｅｌａｔｅｄ　ｃｕｒｖｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ＾ａｎｄ　Ｓ　Ｆｉｇ．４　Ｒｅｌａｔｅｄ　ｃｕｒｖｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ＾ａｎｄ　Ｄ　从图可知，轻负载条件下，采用ＣＳＭＡ／ＣＤ协议的以太网络系统具有良好的吞吐量　及延时特性．而随着负载增加，即随着　增加，帧冲突与重发次数增多，吞吐量Ｓ下降，帧　平均延时Ｄ增加；当　足够太时，帧冲突与重发次数无限增加，会出现滚雪球现象，以致整　个以太网络系统因拥塞而无法正常工作．由此可见，基于ＣＳＭＡ／ＣＤ协议的以太网络系　统有待进一步改进．　参考文献：　［１　徐树公，黄载禄．现代通信研究申的排队理论［Ｊ］，通信学报，１９９９，２０（２）：９２—９６．　［２］盛骤．谢式千，潘承毅．概率论与敷理统计［Ｍ］．北京：高等教育出版社ｔ２０００．　［３］薛琪，石冰心．计算机网络仿真的数据处理口：．数据通信，１９９９，３＿８　１１．　厂４］王立宁，乐光新，借菲．ＭＡＴＬＡＢ与通信仿真［Ｍ］．北京　人民邮电出版社，２０００．　厂５］ＬＵＣＡＳ　Ｗ　Ｆ．离散与系统模型［Ｍ］．长抄：国防科技大学出版社，１９９６