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摘要：局域网技术是“计算机网络原理”课程的重要内容，而介质访问控制协议则又是这门课程的重中之重。以典型的局域网介质访问控制协议CSMA/CD为例，进行了详细的课堂设计，整个设计突出培养学生分析问题和多角度思考问题的能力，教学效果良好。
关键词：CSMA/CD；课堂设计；局域网
作者简介：冯坤（1978-），女，黑龙江友谊人，海军工程大学电子工程学院，讲师；段立（1979-），男，江西吉安人，海军工程大学电子工程学院，副教授。（湖北武汉430033）
基金项目：本文系湖北省自然科学基金“面向复杂网络的广域目标协同跟踪算法研究”（项目编号：2010CDB01501）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）11-0061-02
CSMA/CD是使用共享介质的传统以太网所采用的介质访问控制协议。现今，高性能以太网的主干链路几乎全部是独享的全双工链路，CSMA/CD已经不再发挥以太网的核心作用，然而CSMA/CD是十分精致的协议，仍然是局域网领域众多协议效仿的典范，是计算机网络原理课程的重要内容。本文针对CSMA/CD的基本内容进行了课堂设计。
一、CSMA/CD课程内容介绍
CSMA/CD的主要内容包括CSMA/CD的基本思想、使用的算法、工作流程和特点及适用范围。
1.CSMA/CD的基本思想
CSMA/CD是Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection的英文缩写，翻译成中文就是“带有碰撞检测的载波监听多点接入”协议。载波监听是指用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号；多点接入，表明CSMA/CD协议适用于计算机以多点接入的方式所构成的总线型网络；碰撞检测是指计算机边发送数据边检测总线上是否发生了碰撞，如果有碰撞发生就要停止数据帧的发送，然后等待一段随机时间再次发送。协议的基本思想就是如何分布式地协调多个站点对介质的访问控制。
2.CSMA/CD使用的算法
CSMA/CD协议采用截断二进制指数类型退避算法。算法规则主要有以下四点：
确定一个基本的退避时间即等待时间T，并定义重传次数为k；当重传k次，系统将在{0，1，…2k-1}的整数集合中选择一个随机数r，发送站点等待r倍的基本退避时间；当重传次数大于10次后，可供系统选择的随机整数集合定格在{0，1，…，1023}；如果重传16次仍不能成功，则将该帧丢弃。
3.CSMA/CD的工作流程
当总线上有站点要发送数据时，其工作流程如图1所示。首先站点检测总线是否为“忙”，如果总线“忙”，站点继续等待，否则站点发送数据帧，并在发送数据帧的同时检测总线上是否有碰撞产生，如果发送数据帧过程中，没有碰撞发生则数据发送成功，否则碰撞计数器加1；接着检查重传次数是否大于16，若大于16，停止数据帧的发送，并宣布失败，否则继续延迟随机时间后重新启动数据发送过程。
4.CSMA/CD的特点及适用范围
（1）CSMA/CD的特点。CSMA/CD是运行于半双工模式的协议，其控制原理简单，结点之间的约束较少，控制流程易于实现。但是采用CSMA/CD的网络在轻负载时效率较高，而在重负载时由于站点间发生碰撞次数增加，效率较低。
（2）适用范围。CSMA/CD适用于对实时性要求不高的、负载相对较少的小型网络。随着高性能以太网的产生，CSMA/CD在以太网中已经不再发挥核心作用，但是改进后的CSMA/CD在其他使用共享介质的领域仍占有重要地位，如，无线局域网、无线传感器网络等。
二、CSMA/CD课堂设计
由CSMA/CD的主要知识点，进行以下课程设计。
1.问题的引入
好的开始是成功的一半，一个精心设计的问题导入会吸引学生的眼球，使得学生对后续的内容介绍充满期待。而在问题引入环节，最奏效的往往是一个有趣的或者与事实相符的案例故事。由于以太网产生的历史背景正是Bob Metcalfe在Xeroc PARC工作时的一个研究任务需求。所以问题的引入就设置在以太网产生的历史环境下进行分析，以满足学生用所学知识解决实际问题的期望。具体引入思路如下：
先讲在1972年，麦特卡夫接收到Xeroc PARC的一个任务，要求其用简单的方法设计并建立一个计算机网络，把多台相距较近的计算机连接起来，并可以方便、可靠地进行较高速率的数据通信。在那个年代，人们普遍认为无源的电缆线比有源的器件更可靠，于是麦特卡夫就设计了一个用粗同轴电缆把多台相距较近的计算机连接起来的总线型局域网，并命名为以太网。接下来介绍具体的案例解决过程，为了让学生对协议有个很好的理解，教师将人们比较熟悉的城市交通规则和介质访问控制协议来进行类比，把“通信网络”比作“交通网络”，网络中传输的“信号”比作行驶的“车辆”，进而把“介质访问控制协议”比喻为城市的“交通规则”。每个城市既有“快车道、慢车道”又有“单行线、双行线”，不同的道路对车辆的行驶速度、方向以及载重都有不同的规定。同样局域网针对不同的传输介质、网络拓扑结构也需要不同的介质访问控制协议。麦特卡夫设计的以太网是使用粗同轴电缆的总线型局域网，它需要怎样的交通规则呢？至此问题导入阶段完成。
2.主体的设计
对于CSMA/CD教学内容的整体设计采用先介绍其基本思想，接着将“生活中两个人打电话频繁遇到同时说、同时停的尴尬状态”类比“总线局域网中两个站点同时等待总线空闲，同时发现空闲而导致的多次碰撞”，从而引出CSMA/CD所使用的截断二进制指数退避算法，并介绍其基本规则。在规则介绍过程中，着重介绍三个重要的系统参数。第一个，基本退避时间，通过分析两个站点发生碰撞的分解过程（动画演示），总结得出，把碰撞窗口作为基本退避时间比较合适；第二个，后退其间的限制，当数据帧重传10次后，站点就在整数集合{0，1，2，…，210-1}中随机选择一个数，并等待相应的退避时间；第三个，最大重传次数，算法定义最大重传次数为16。
算法介绍完毕，则给出CSMA/CD的工作流程，从而让学生对学习内容有了大致的认识，并引导学生得出四句话的工作机制总结：发前先监听、空闲即发送，边发边检测、碰撞则退避。CSMA/CD的基本知识讲授完毕后，为了使学生获得其对协调总线上各站点工作的效能，教师可以通过一道例题来分析。采用CSMA/CD的网络可以有效降低总线上各站点发生碰撞的概率，但是随着总线上站点的增多，发生碰撞的概率将大大增加。
由例题的结论进而分析CSMA/CD的特点，根据技术特点决定适用范围的原理以及现今网络环境、用户需求的变化等等分析得到CSMA/CD目前的适用范围。在适用范围环节，一定要对CSMA/CD在其他领域的应用融入到课堂，以扩大学生视野、激发学生的学习兴趣。
3.例题的选择
CSMA/CD这一授课内容的重点是退避算法及其工作流程，而若能利用数学知识来解答实际的应用问题则更能提高学生解决问题的能力，因此选择计算平均重传次数的例题。具体如下：
假定1km长的CSMA/CD网络上只有两个站点，它们同时发送数据，产生了碰撞。于是按二进制指数类型退避算法进行重传。重传次数记为i，i=1，2，3，…。试计算第1次重传失败的概率、第2次重传失败的概率、第3次重传失败的概率，以及一个站成功发送数据之前的平均重传次数。
通过分析CSMA/CD所使用的算法、工作流程和学生所学的基本的概率知识可以求得答案。
4.言简意赅的小结
课程的小结是教师带领学生进行总结、回顾并进一步理清思路的重要环节。由于采用了麦特卡夫的案例进行问题的导入，课程的主体设计也是沿着网络设计者不断分析、解决问题的思路，因此，小结部分可以与导入部分呼应。参考内容如下：
本次课是沿着麦特卡夫设计以太网的足迹进行学习，首先根据施乐研究中心建设简单方便网络的需求，选择了总线型局域网；接着通过分析总线局域网多个站点共享同一介质所遇到的问题，介绍CSMA/CD的基本思想，使用的算法；最后根据CSMA/CD的工作机制分析其适用范围。其中退避算法为重点也是难点问题，CSMA/CD的工作机制和适用范围均是在分析退避算法后得出的，它们也是需要重点掌握的内容。
5.思考题的设置
大学教师的授课目的并不是手把手地传授所有的知识给学生，而是在传授知识的同时教会其学习新知识的方法，培养学生自我学习的能力，要为学生留有更多思考的空间，因此思考题设置环节也不可缺少。好的思考题可以加深学生对所学知识的理解以及旧知识的回顾，还可以开阔学生的视野，对培养多角度的思维有很重要的作用。
鉴于以上考虑选择思考题：以太网使用的CSMA/CD是以争用方式接入到共享信道。这与传统的时分复用TDM相比优缺点如何？CSMA/CD通过使用退避算法可以保证对所有站点都公平吗？
思考题的第一问在学生充分理解CSMA/CD工作机制并掌握TDM原理后可得到答案；而第二个问题，经过分析学生可以得到CSMA/CD的“捕获效应”，分析得出其存在的不公平性。通过这道题的解答学生既可以加深所学内容的理解，进行深层次的分析，还对前面所学知识进行了回顾与比较，从而达到思考题选择的预期效果。
三、总结
协议是计算机网络原理课程学习的重点，也是难点。传统以太网所采用的协议CSMA/CD是一个比较完整而精致的协议，很多学生经过该协议的学习后对网络协议有了更深刻的认识。由于CSMA/CD一般作为局域网介质访问控制的第一个协议来介绍，因此本文只是针对CSMA/CD的基本内容进行介绍，并没有和其他的局域网协议进行比较分析。
参考文献：
[1]谢希仁.计算机网络(第4版)[M].北京:电子工业出版社,2003.
[2]雷维礼,马立香,彭美娥.局域网与城域网[M].北京:人民邮电出版社,2008.
[3]杨玫.C语言循环结构四步教学法[J].福建电脑,2009,(7).
[4]Andrew S.Tanenbaum.计算机网络(第3版)[M].熊贵喜,王小虎,译.北京:清华大学出版社,2002.
[5]罗桂兰,赵海,等.论CSMA/ CD 协议的数学原理[J].自动化学报,2007,33(5).
[6]李凤保,李凌,潘泽友.三种控制网络的性能比较[J].仪器仪表学报,2004,25(4).
[7]胡建军.以太网CSMA/CD工作原理研究[J].科学技术与工程,2008,8(24).
（责任编辑：宋秀丽）
关键词：CSMA/CD；课堂设计；局域网
作者简介：冯坤（1978-），女，黑龙江友谊人，海军工程大学电子工程学院，讲师；段立（1979-），男，江西吉安人，海军工程大学电子工程学院，副教授。（湖北武汉430033）
基金项目：本文系湖北省自然科学基金“面向复杂网络的广域目标协同跟踪算法研究”（项目编号：2010CDB01501）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）11-0061-02
CSMA/CD是使用共享介质的传统以太网所采用的介质访问控制协议。现今，高性能以太网的主干链路几乎全部是独享的全双工链路，CSMA/CD已经不再发挥以太网的核心作用，然而CSMA/CD是十分精致的协议，仍然是局域网领域众多协议效仿的典范，是计算机网络原理课程的重要内容。本文针对CSMA/CD的基本内容进行了课堂设计。
一、CSMA/CD课程内容介绍
CSMA/CD的主要内容包括CSMA/CD的基本思想、使用的算法、工作流程和特点及适用范围。
1.CSMA/CD的基本思想
CSMA/CD是Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection的英文缩写，翻译成中文就是“带有碰撞检测的载波监听多点接入”协议。载波监听是指用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号；多点接入，表明CSMA/CD协议适用于计算机以多点接入的方式所构成的总线型网络；碰撞检测是指计算机边发送数据边检测总线上是否发生了碰撞，如果有碰撞发生就要停止数据帧的发送，然后等待一段随机时间再次发送。协议的基本思想就是如何分布式地协调多个站点对介质的访问控制。
2.CSMA/CD使用的算法
CSMA/CD协议采用截断二进制指数类型退避算法。算法规则主要有以下四点：
确定一个基本的退避时间即等待时间T，并定义重传次数为k；当重传k次，系统将在{0，1，…2k-1}的整数集合中选择一个随机数r，发送站点等待r倍的基本退避时间；当重传次数大于10次后，可供系统选择的随机整数集合定格在{0，1，…，1023}；如果重传16次仍不能成功，则将该帧丢弃。
3.CSMA/CD的工作流程
当总线上有站点要发送数据时，其工作流程如图1所示。首先站点检测总线是否为“忙”，如果总线“忙”，站点继续等待，否则站点发送数据帧，并在发送数据帧的同时检测总线上是否有碰撞产生，如果发送数据帧过程中，没有碰撞发生则数据发送成功，否则碰撞计数器加1；接着检查重传次数是否大于16，若大于16，停止数据帧的发送，并宣布失败，否则继续延迟随机时间后重新启动数据发送过程。
4.CSMA/CD的特点及适用范围
（1）CSMA/CD的特点。CSMA/CD是运行于半双工模式的协议，其控制原理简单，结点之间的约束较少，控制流程易于实现。但是采用CSMA/CD的网络在轻负载时效率较高，而在重负载时由于站点间发生碰撞次数增加，效率较低。
（2）适用范围。CSMA/CD适用于对实时性要求不高的、负载相对较少的小型网络。随着高性能以太网的产生，CSMA/CD在以太网中已经不再发挥核心作用，但是改进后的CSMA/CD在其他使用共享介质的领域仍占有重要地位，如，无线局域网、无线传感器网络等。
二、CSMA/CD课堂设计
由CSMA/CD的主要知识点，进行以下课程设计。
1.问题的引入
好的开始是成功的一半，一个精心设计的问题导入会吸引学生的眼球，使得学生对后续的内容介绍充满期待。而在问题引入环节，最奏效的往往是一个有趣的或者与事实相符的案例故事。由于以太网产生的历史背景正是Bob Metcalfe在Xeroc PARC工作时的一个研究任务需求。所以问题的引入就设置在以太网产生的历史环境下进行分析，以满足学生用所学知识解决实际问题的期望。具体引入思路如下：
先讲在1972年，麦特卡夫接收到Xeroc PARC的一个任务，要求其用简单的方法设计并建立一个计算机网络，把多台相距较近的计算机连接起来，并可以方便、可靠地进行较高速率的数据通信。在那个年代，人们普遍认为无源的电缆线比有源的器件更可靠，于是麦特卡夫就设计了一个用粗同轴电缆把多台相距较近的计算机连接起来的总线型局域网，并命名为以太网。接下来介绍具体的案例解决过程，为了让学生对协议有个很好的理解，教师将人们比较熟悉的城市交通规则和介质访问控制协议来进行类比，把“通信网络”比作“交通网络”，网络中传输的“信号”比作行驶的“车辆”，进而把“介质访问控制协议”比喻为城市的“交通规则”。每个城市既有“快车道、慢车道”又有“单行线、双行线”，不同的道路对车辆的行驶速度、方向以及载重都有不同的规定。同样局域网针对不同的传输介质、网络拓扑结构也需要不同的介质访问控制协议。麦特卡夫设计的以太网是使用粗同轴电缆的总线型局域网，它需要怎样的交通规则呢？至此问题导入阶段完成。
2.主体的设计
对于CSMA/CD教学内容的整体设计采用先介绍其基本思想，接着将“生活中两个人打电话频繁遇到同时说、同时停的尴尬状态”类比“总线局域网中两个站点同时等待总线空闲，同时发现空闲而导致的多次碰撞”，从而引出CSMA/CD所使用的截断二进制指数退避算法，并介绍其基本规则。在规则介绍过程中，着重介绍三个重要的系统参数。第一个，基本退避时间，通过分析两个站点发生碰撞的分解过程（动画演示），总结得出，把碰撞窗口作为基本退避时间比较合适；第二个，后退其间的限制，当数据帧重传10次后，站点就在整数集合{0，1，2，…，210-1}中随机选择一个数，并等待相应的退避时间；第三个，最大重传次数，算法定义最大重传次数为16。
算法介绍完毕，则给出CSMA/CD的工作流程，从而让学生对学习内容有了大致的认识，并引导学生得出四句话的工作机制总结：发前先监听、空闲即发送，边发边检测、碰撞则退避。CSMA/CD的基本知识讲授完毕后，为了使学生获得其对协调总线上各站点工作的效能，教师可以通过一道例题来分析。采用CSMA/CD的网络可以有效降低总线上各站点发生碰撞的概率，但是随着总线上站点的增多，发生碰撞的概率将大大增加。
由例题的结论进而分析CSMA/CD的特点，根据技术特点决定适用范围的原理以及现今网络环境、用户需求的变化等等分析得到CSMA/CD目前的适用范围。在适用范围环节，一定要对CSMA/CD在其他领域的应用融入到课堂，以扩大学生视野、激发学生的学习兴趣。
3.例题的选择
CSMA/CD这一授课内容的重点是退避算法及其工作流程，而若能利用数学知识来解答实际的应用问题则更能提高学生解决问题的能力，因此选择计算平均重传次数的例题。具体如下：
假定1km长的CSMA/CD网络上只有两个站点，它们同时发送数据，产生了碰撞。于是按二进制指数类型退避算法进行重传。重传次数记为i，i=1，2，3，…。试计算第1次重传失败的概率、第2次重传失败的概率、第3次重传失败的概率，以及一个站成功发送数据之前的平均重传次数。
通过分析CSMA/CD所使用的算法、工作流程和学生所学的基本的概率知识可以求得答案。
4.言简意赅的小结
课程的小结是教师带领学生进行总结、回顾并进一步理清思路的重要环节。由于采用了麦特卡夫的案例进行问题的导入，课程的主体设计也是沿着网络设计者不断分析、解决问题的思路，因此，小结部分可以与导入部分呼应。参考内容如下：
本次课是沿着麦特卡夫设计以太网的足迹进行学习，首先根据施乐研究中心建设简单方便网络的需求，选择了总线型局域网；接着通过分析总线局域网多个站点共享同一介质所遇到的问题，介绍CSMA/CD的基本思想，使用的算法；最后根据CSMA/CD的工作机制分析其适用范围。其中退避算法为重点也是难点问题，CSMA/CD的工作机制和适用范围均是在分析退避算法后得出的，它们也是需要重点掌握的内容。
5.思考题的设置
大学教师的授课目的并不是手把手地传授所有的知识给学生，而是在传授知识的同时教会其学习新知识的方法，培养学生自我学习的能力，要为学生留有更多思考的空间，因此思考题设置环节也不可缺少。好的思考题可以加深学生对所学知识的理解以及旧知识的回顾，还可以开阔学生的视野，对培养多角度的思维有很重要的作用。
鉴于以上考虑选择思考题：以太网使用的CSMA/CD是以争用方式接入到共享信道。这与传统的时分复用TDM相比优缺点如何？CSMA/CD通过使用退避算法可以保证对所有站点都公平吗？
思考题的第一问在学生充分理解CSMA/CD工作机制并掌握TDM原理后可得到答案；而第二个问题，经过分析学生可以得到CSMA/CD的“捕获效应”，分析得出其存在的不公平性。通过这道题的解答学生既可以加深所学内容的理解，进行深层次的分析，还对前面所学知识进行了回顾与比较，从而达到思考题选择的预期效果。
三、总结
协议是计算机网络原理课程学习的重点，也是难点。传统以太网所采用的协议CSMA/CD是一个比较完整而精致的协议，很多学生经过该协议的学习后对网络协议有了更深刻的认识。由于CSMA/CD一般作为局域网介质访问控制的第一个协议来介绍，因此本文只是针对CSMA/CD的基本内容进行介绍，并没有和其他的局域网协议进行比较分析。
参考文献：
[1]谢希仁.计算机网络(第4版)[M].北京:电子工业出版社,2003.
[2]雷维礼,马立香,彭美娥.局域网与城域网[M].北京:人民邮电出版社,2008.
[3]杨玫.C语言循环结构四步教学法[J].福建电脑,2009,(7).
[4]Andrew S.Tanenbaum.计算机网络(第3版)[M].熊贵喜,王小虎,译.北京:清华大学出版社,2002.
[5]罗桂兰,赵海,等.论CSMA/ CD 协议的数学原理[J].自动化学报,2007,33(5).
[6]李凤保,李凌,潘泽友.三种控制网络的性能比较[J].仪器仪表学报,2004,25(4).
[7]胡建军.以太网CSMA/CD工作原理研究[J].科学技术与工程,2008,8(24).
（责任编辑：宋秀丽）