CN103580976B - 一种载波侦听冲突避免方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载波侦听冲突避免方法和装置，减少多路访问中的冲突，提高总线利用率。所述方法包括：本站点在发送的报文中携带本站点报文发送优先级信息；本站点接收到对端站点发送的携带该对端站点报文发送优先级信息的报文后，将报文中携带的对端站点报文发送优先级信息与本站点报文发送优先级信息进行比较，报文发送优先级高的站点优先发送报文，报文发送优先级低的站点经过一段延迟时间后再发送报文。所述装置位于站点，包括优先级信息发送模块和冲突避免模块。本发明冲突避免方案，利用监听到的报文，在发生冲突的站点之间使用报文字段进行决策，只允许一方立即发送，另外一方等待发送，从而避免冲突。

Description

一种载波侦听冲突避免方法和装置

技术领域

本发明涉及网络通信领域，具体涉及一种载波侦听冲突避免方法和装置。

背景技术

在CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问）中，由于通道的传播延迟，当两个站点监听到总线上没有存在信号而发送帧时，仍会发生冲突。由于CSMA算法没有冲突检测功能，即使冲突己发生，仍然要将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。改进方案是使站点在传输时间继续监听媒体，一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串短的阻塞报文，通知总线上各站冲突己发生，可以提高总线的利用率。

冲突检测的方法很多，通常以硬件技术实现。一种方法是比较接收到的信号的电压大小。只要接收到的信号的电压摆动值超过某一门限值，就可以认为发生了冲突。另一种方法是在发送帧的同时进行接收，将收到的信号逐比特地与发送的信号相比较，如果有不符合的，就说明出现了冲突。

要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进行监听，以确定是否有别的站点在传输数据。假如媒体空闲，该站点便可传输数据，否则该站点将避让一段时间后再做尝试。这就需要有一种退避算法来决定避让的时间，常用的退避算法有非坚持、1-坚持、P-坚持三种。

A）非坚持算法

算法规则为：⑴假如媒体是空闲的，则可以立即发送。⑵假如媒体是忙的，则等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后，再重复前一步骤。采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。

这种算法的缺点是：即使有几个站点都有数据要发送，但由于大家都在延迟等待过程中，致使媒体仍可能处于空闲状态，使用率降低。

B）1-坚持算法

算法规则：⑴假如媒体空闲的，则可以立即发送。⑵假如媒体是忙的，则继续监听，直至检测到媒体是空闲，立即发送。⑶假如有冲突(在一段时间内未收到肯定的回复)，则等待一随机量的时间，重复步骤⑴～⑵。

这种算法的优点是：只要媒体空闲，站点就立即可发送，避免了媒体利用率的损失；其缺点是：假若有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突仍不可避免。

C）P-坚持算法

算法规则：⑴监听总线，假如媒体是空闲的，则以P的概率发送，而以(1-P)的概率延迟一个时间单位。一个时间单位通常等于最大传播时延的2倍。⑵延迟一个时间单位后，再重复步骤⑴。⑶假如媒体是忙的，继续监听直至媒体空闲并重复步骤⑴。

P-坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的折中方案。问题在于如何选择P的有效值，这要考虑到避免重负载下***处于的不稳定状态。假如媒体是忙时，有N个站点有数据等待发送，一旦当前的发送完成时，将要试图传输的站点的总期望数为N*P。假如选择P过大，使N*P>1，表明有多个站点试图发送，冲突就不可避免。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P值使N*P<1。当然P值选得过小，则媒体利用率又会大大降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种载波侦听冲突避免方法和装置，减少多路访问中的冲突，提高总线利用率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种载波侦听冲突避免方法，包括：

本站点在发送的报文中携带本站点报文发送优先级信息；

本站点接收到对端站点发送的携带该对端站点报文发送优先级信息的报文后，将报文中携带的对端站点报文发送优先级信息与本站点报文发送优先级信息进行比较，报文发送优先级高的站点优先发送报文，报文发送优先级低的站点经过一段延迟时间后再发送报文。

进一步地，本站点在发送的报文中携带本站点报文发送优先级信息，包括：本站点在检测到总线上有冲突后，向总线发送阻塞报文，在该阻塞报文中携带本站点报文发送优先级信息；或者，本站点向对端站点发送数据报文，在该数据报文中携带本站点报文发送优先级信息。

进一步地，所述在该阻塞报文中携带本站点报文发送优先级信息，包括：在该阻塞报文中的新增字段或现有的源媒体接入控制（MAC）字段中携带所述报文发送优先级信息。

进一步地，所述在该数据报文中携带本站点报文发送优先级信息，包括：在该数据报文的新增字段或现有的IP字段中携带所述报文发送优先级信息。

进一步地，所述向总线发送阻塞报文，包括：经过一段延迟时间后向总线发送阻塞报文。

进一步地，所述延迟时间的取值范围为[Tmin,Tmax]，所述Tmin=T+T/a，Tmax=bT；其中T为任意两站点之间的最大传播时延，a={1,2,4,8,16,32}且所述T/a>0，b=[4,16]，（bT）>（T+T/a）。

进一步地，所述a=2，b=8。

进一步地，所述报文发送优先级信息为当前站点已经发送报文的次数。

进一步地，报文发送优先级高的站点的已经发送报文的次数少于报文发送优先级低的站点。

进一步地，所述已经发送报文的次数超过最大阈值时，重置该次数为0。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种载波侦听冲突避免装置，位于站点，包括优先级信息发送模块和冲突避免模块，其中：

所述优先级信息发送模块，用于在发送的报文中携带本站点报文发送优先级信息；

所述冲突避免模块，用于在接收到对端站点发送的携带该对端站点报文发送优先级信息的报文后，将报文中携带的对端站点报文发送优先级信息与本站点报文发送优先级信息进行比较；

所述报文发送模块，用于在所述冲突避免模块判断本站点报文发送优先级高时，优先发送报文，判断本站点报文发送优先级低时，经过一段延迟时间后再发送报文。

进一步地，所述优先级信息发送模块，在发送的报文中携带本站点报文发送优先级信息，包括：所述优先级信息发送模块检测到总线上有冲突后，向总线发送阻塞报文，在该阻塞报文中携带本站点报文发送优先级信息；或者，所述优先级信息发送模块在向对端站点发送的数据报文中携带本站点报文发送优先级信息。

进一步地，所述优先级信息发送模块向总线发送阻塞报文，包括：经过一段延迟时间后向总线发送阻塞报文。

进一步地，所述延迟时间的取值范围为[Tmin,Tmax]，所述Tmin=T+T/a，Tmax=bT；其中T为任意两站点之间的最大传播时延，a={1,2,4,8,16,32}且所述T/a>0，b=[4,16]，（bT）>（T+T/a）。

进一步地，所述a=2，b=8。

进一步地，所述报文发送优先级信息为当前站点已经发送报文的次数。

进一步地，报文发送优先级高的站点的已经发送报文的次数少于报文发送优先级低的站点。

本发明实施例提出的冲突避免方案，适用于CSMA/CD（Carrier Sense MultipleAccess with Collision Detection，带有冲突检测的载波侦听多路访问）和CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，带有冲突避免的载波侦听多路访问），利用监听到的报文，在发生冲突的站点之间使用报文字段进行决策，只允许一方立即发送，另外一方等待发送，从而避免冲突。

附图说明

图1为实施例1流程图；

图2为实施例1装置结构示意图；

图3为SendTimes字段封装示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

实施例1

本实施例介绍载波侦听冲突避免方法和装置，如图1所示，冲突避免方法包括以下步骤：

步骤10，本站点在发送的报文中携带本站点报文发送优先级信息；

优选地，发送的报文可以是阻塞报文也可以是普通数据报文：

采用阻塞报文时，发送方式如下：本站点在检测到总线上有冲突后，向总线发送阻塞报文，在该阻塞报文中携带本站点报文发送优先级信息；具体地，可在该阻塞报文中新增一字段或采用现有的源媒体接入控制（MAC）字段，携带该报文发送优先级信息；

采用数据报文时，发送方式如下：本站点向对端站点发送数据报文，在该数据报文中携带本站点报文发送优先级信息；具体地，可在该数据报文中新增一字段或采用现有的IP字段，携带所述报文发送优先级信息；

步骤20，本站点接收到对端站点发送的携带该对端站点报文发送优先级信息的报文后，将报文中携带的对端站点报文发送优先级信息与本站点报文发送优先级信息进行比较，报文发送优先级高的站点优先发送报文，报文发送优先级低的站点经过一段延迟时间后再发送报文。

优选地，将当前站点已经发送报文的次数作为当前站点的报文发送优先级信息，可设置已经发送报文的次数少的站点的报文发送优先级高于已经发送报文次数多的站点，也就是说，发送报文次数较少的站点有优先发送报文的权限。

上述优先发送报文是指：当媒体空闲时立即发送，同时监听；当媒体忙时，继续监听，待检测到媒体空闲时再发送，同时监听。

延迟时间的范围及计算方法参见实施例2中描述。

实现上述方法的载波侦听冲突避免装置，如图2所示，该装置位于站点，包括优先级信息发送模块、冲突避免模块和报文发送模块，其中：

所述优先级信息发送模块，用于在发送的报文中携带本站点报文发送优先级信息；

所述冲突避免模块，用于在接收到对端站点发送的携带该对端站点报文发送优先级信息的报文后，将报文中携带的对端站点报文发送优先级信息与本站点报文发送优先级信息进行比较；

所述报文发送模块，用于在所述冲突避免模块判断本站点报文发送优先级高时，优先发送报文，判断本站点报文发送优先级低时，经过一段延迟时间后再发送报文。

具体地，优先级信息发送模块可以在检测到总线上有冲突后，向总线发送阻塞报文，在该阻塞报文中携带本站点报文发送优先级信息；或者，该优先级信息发送模块也可以在向对端站点发送的数据报文中携带本站点报文发送优先级信息。

实施例2

本实施例以报文中新增字段携带报文发送优先级信息为例进行说明，包括封装发送过程和冲突决策过程：

一、封包发送过程

下面描述站点封包以及发送的过程：

步骤1，站点在发送报文后一旦检测到冲突，就立即停止发送；

步骤2，生成阻塞报文，该阻塞报文用于通知总线上站点间发生冲突，该阻塞报文中封装有SendTimes字段；

阻塞报文是指冲突后向总线上发出的一串短报文；

本实施例在阻塞报文中增加一个SendTimes字段，以便对端站点接收到阻塞报文后进行冲突决策时使用，封包格式如图3所示。

每次在发送非阻塞报文（即除了阻塞报文之外的数据报文）时，站点将环境变量累加1后保存，当发生冲突需要生成阻塞报文时，将环境变量中的值取出作为SendTimes字段的值，将该SendTimes字段封装在阻塞报文帧首部。其中SendTimes字段为一个字节，初始值为0，环境变量初始值为0。如果环境变量值累加越界溢出一个字节，即超过128，则必须将环境变量重置为初始值0，再重新开始累加。

根据实际应用场景，环境变量不一定非要等到越界溢出才置为0重新累加，可以设定一个阀值SendTimesMax，取值范围[1,128]，当环境变量达到阀值则置为0重新累加。推荐值为64。

当有多条数据流同时持续长时间抢占总线带宽时，设置较小的阀值可以在多条流之间快速达到公平分配总线带宽，每条流的传输速率较为平滑。但并非设置的阀值越小越好，具体阀值的设定可以根据实际需求灵活配置。

上述环境变量用于记录本站点已经发送报文的次数，除了采用环境变量外，还可以采用其他全局性变量来实现。

步骤3，设置该阻塞报文发送的延迟时间，本示例规定该延迟时间为一个由概率分布决定的随机重发延迟时间，范围为[Tmin，Tmax]，该范围依赖所有站点中任意两个站之间传播时延最大值；

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(m/μs)，其中μs表示时间单位微秒。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T，当A站点发送数据后，经过接近于最大传播时延T时，B站点正好也发送数据，此时冲突便发生。发生冲突后，B站点立即可检测到该冲突，而A站点需再经过一次最大传播时延T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(2T)。因此，在本实施例中规定阻塞报文随机重发延迟时间范围为[Tmin，Tmax]，其中：

Tmin=T+T/a；

Tmax=bT；

其中a和b为整数，作为参考系数，推荐值集合如下：

a={1,2,4,8,16,32};

b={4,5,6,7,8，...,16};

a和b值的选取必须遵循以下原则：

（T/a）>0;

（bT）>（T+T/a）；

推荐组合值a=2,b=8。

若实际应用场景需要选取a为一个较大的值，但T/a=0，此时可以将T换算为更小单位的时间值，比如将1微秒换算为1000纳秒，即提高精度。如果无法换算，可以选取尽可能大的a值保证a和b满足上述原则即可。关于b值的选取要根据实际应用场景和个性需求来进行选择。b值选取的越大，阻塞报文再次冲突的概率会越小，报文时延较大；b值选取的越小，阻塞报文再次冲突的概率会越大，报文时延较小。

Tmin规定大于T是考虑在最坏情况下，保证A站点检测到冲突后再允许B站点发送阻塞报文，为了尽可能保证A站点检测到冲突，特增加T/a的补偿时间。

数据报文发送时的延迟时间也可从上述范围[Tmin，Tmax]中选择。

步骤4，站点从延迟时间范围内随机选择一个延迟时间，经过该延迟时间后，向总线发送阻塞报文；

发生冲突的两个站点在各自的延迟时间范围[Tmin，Tmax]内随机选择一个延迟时间发送阻塞报文，两个站点的随机时间迭代算法最好保证每次两站的迭代时间不相同。若阻塞报文再次发生冲突，每个站点***都忽略该阻塞报文的冲突，继续按照非阻塞报文流程发送非阻塞报文。若阻塞报文不发生冲突，发生冲突的两站点都能够收到对端发送的完整的阻塞报文，则可根据该阻塞报文进行冲突决策，冲突决策的结果是：只有一方立即发送而另外一方延迟，从而可以提高带宽利用率。

二、冲突决策过程

步骤1，站点监听到对端站点发送的阻塞报文；

步骤2，根据该阻塞报文中的SendTimes字段，将该字段内容与本站点的SendTimes字段内容比较，如果对端站点SendTimes字段内容大于本站点SendTimes字段内容，则本站点优先发送报文，一旦监听到媒体空闲就可以立即发送；如果对端站点SendTimes字段内容小于本站点SendTimes字段内容，则本站点等待一个由概率分布决定的随机重发延迟时间后再发送。

重发延迟时间范围为[Tmin，Tmax]，所谓由概率分布决定的随机重发延迟时间是指：假设随机重发延迟时间的选取是在[Tmin，Tmax]范围内随机选择，则选择时要尽量能覆盖到该范围内每个点，即从概率上讲，随机选择的时间点能够均匀的分布到[Tmin，Tmax]范围内。

可以看出，发送报文决策原则是SendTimes字段值较小的站点有发送的优先权，值较大的站点延迟发送。当SendTimes字段值较小的站点发送完毕后，其字段值会累加，在与其他站点发生冲突时优先级会降低，这样可以保证各个站点公平享有总线带宽，且两两之间避免冲突。

根据决策原则，当有多个站点在同一总线上发生冲突时，会根据决策后的发送优先权进行两两淘汰，数量减半后再次决策，每决策一次，淘汰一半，最后只能有一个站点有最高优先权发送报文。在实际场景中，因为每次冲突后，每个站点会选择一个随机重发延迟时间再次发送，所以一般情况下，下一次冲突站点个数会小于上一次的一半，所以冲突次数至少以指数递减，快速收敛到一个站点拥有最高优先级发送报文。

本实施例既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间，且又不需要像P-坚持算法那样使用复杂的计算选择P值，但可以做到比P-坚持算法更加有效的利用媒体时间。

实施例3

本实施例以采用报文中已有字段携带报文发送优先级信息为例进行说明，包括封装发送过程和冲突决策过程：

一、封包发送过程

本实施例的封包发送过程与上一实施例的封包发送过程相同，区别仅在于采用阻塞报文中的源MAC（Media Access Control）字段代替实施例2中的SendTimes字段来携带报文发送优先级信息。

二、冲突决策过程

本实施例的冲突决策过程与实施例1中的决策过程基本类似，区别在于比较的是源MAC（Media Access Control）字段的内容，而不是SendTimes字段内容，MAC字段共6个字节，比较时，将对端站点源MAC字段内容与本站点源MAC字段逐个字节做比较，如果有一个字节大于本站点字段，则本站点优先发送报文，一旦监听到媒体空闲就立即发送发送；如果对端站点源MAC字段所有字节均小于本站点该字段，则本站点报文发送优先级低于该对端站点，本站点等待一个由概率分布决定的随机重发延迟时间后再发送。

可以看出，本实施例发送报文决策的原则是MAC字段值较小的站点有发送的优先权，值较大的站点延迟发送。这样可以保证两两之间再次发送时避免冲突。

根据决策原则，即使在大量站点同时发送冲突时，也会指数递减冲突次数，快速收敛到一个站点拥有最高优先级发送报文。

本该实施例既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间，且又不需要像P-坚持算法那样使用复杂的计算选择P值，但可以做到比P-坚持算法更加有效的利用媒体时间。

除了使用上述SendTimes字段或MAC字段外，还可以在现有数据报文中的IP字段中携带报文发送优先级信息，收到的站点进行记录，以避免冲突的发送。除采用IP字段外，也可以采用新增字段来实现，或者是其他现有字段，只要该字段能区别两个站点的不同特征即可。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (15)

1.一种载波侦听冲突避免方法，包括：

本站点在发送的报文中携带本站点报文发送优先级信息；

本站点接收到对端站点发送的携带该对端站点报文发送优先级信息的报文后，将报文中携带的对端站点报文发送优先级信息与本站点报文发送优先级信息进行比较，报文发送优先级高的站点优先发送报文，报文发送优先级低的站点经过一段延迟时间后再发送报文；

其中，所述延迟时间的取值范围为[Tmin,Tmax]，所述Tmin＝T+T/a，Tmax＝bT；其中T为任意两站点之间的最大传播时延，a＝{1,2,4,8,16,32}且所述T/a>0，b＝[4,16]，(bT)>(T+T/a),并且，a和b为整数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

本站点在发送的报文中携带本站点报文发送优先级信息，包括：

本站点在检测到总线上有冲突后，向总线发送阻塞报文，在该阻塞报文中携带本站点报文发送优先级信息；或者

本站点向对端站点发送数据报文，在该数据报文中携带本站点报文发送优先级信息。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述在该阻塞报文中携带本站点报文发送优先级信息，包括：

在该阻塞报文中的新增字段或现有的源媒体接入控制MAC字段中携带所述报文发送优先级信息。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述在该数据报文中携带本站点报文发送优先级信息，包括：

在该数据报文的新增字段或现有的IP字段中携带所述报文发送优先级信息。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述向总线发送阻塞报文，包括：

经过一段延迟时间后向总线发送阻塞报文。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述a＝2，b＝8。

7.如权利要求1-5中任一权利要求所述的方法，其特征在于：

所述报文发送优先级信息为当前站点已经发送报文的次数。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

报文发送优先级高的站点的已经发送报文的次数少于报文发送优先级低的站点。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述已经发送报文的次数超过最大阈值时，重置该次数为0。

10.一种载波侦听冲突避免装置，位于站点，包括优先级信息发送模块和冲突避免模块，其中：

所述优先级信息发送模块，用于在发送的报文中携带本站点报文发送优先级信息；

所述冲突避免模块，用于在接收到对端站点发送的携带该对端站点报文发送优先级信息的报文后，将报文中携带的对端站点报文发送优先级信息与本站点报文发送优先级信息进行比较；

所述报文发送模块，用于在所述冲突避免模块判断本站点报文发送优先级高时，优先发送报文，判断本站点报文发送优先级低时，经过一段延迟时间后再发送报文；

其中，所述延迟时间的取值范围为[Tmin,Tmax]，所述Tmin＝T+T/a，Tmax＝bT；其中T为任意两站点之间的最大传播时延，a＝{1,2,4,8,16,32}且所述T/a>0，b＝[4,16]，(bT)>(T+T/a)，并且，a和b为整数。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于：

所述优先级信息发送模块，在发送的报文中携带本站点报文发送优先级信息，包括：

所述优先级信息发送模块检测到总线上有冲突后，向总线发送阻塞报文，在该阻塞报文中携带本站点报文发送优先级信息；或者

所述优先级信息发送模块在向对端站点发送的数据报文中携带本站点报文发送优先级信息。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于：

所述优先级信息发送模块向总线发送阻塞报文，包括：

经过一段延迟时间后向总线发送阻塞报文。

13.如权利要求10所述的装置，其特征在于：

所述a＝2，b＝8。

14.如权利要求10-12中任一权利要求所述的装置，其特征在于：

所述报文发送优先级信息为当前站点已经发送报文的次数。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于：

报文发送优先级高的站点的已经发送报文的次数少于报文发送优先级低的站点。