802.11协议精读3：CSMA/CD与CSMA/CA

对照无线网络，有线网络的集线器和中继器设计中。采用了CSMA/CD技术。该技术早期是用来解决有线网络中，共享介质下的多路网络接入问题，该技术仍然在当今的10M/100M半双工网络中使用。在更高的带宽情况下，比方千M网络，则采用全双工技术以取代CSMA/CD。

本文主旨是希望能理清CSMA/CD和CSMA/CA的关系与差别。接下来。我们首先会说明最基础的CSMA协议的工作机制，然后我们说明CSMA/CD的工作机制。最后，对照前一份文档，我们分析CSMA/CD和CSMA/CA的差别。

CSMA

CSMA的全称是Carrier Sense Multiple Access。在笔者的理解中。其更趋向于一种理论研究的随机接入协议。或者说，基于其思想诞生了比方CSMA/CD与CSMA/CA这种详细协议。

CSMA能够分成下面三种：
1-persistentes CSMA（1坚持-CSMA）
0-persistentes CSMA（0坚持-CSMA）
p-persistentes CSMA（p坚持-CSMA）

从历史上而言，CSMA实际上是源于aloha协议。为了理清协议的设计思路的脉络关系，我们还是有必要对原始的aloha协议做一个说明。Aloha是为无线工作环境设计的一个协议，其最初的思想非常简单：“一个aloha节点仅仅要有数据的话，该节点就能够马上发送。当该节点数据发送完之后。其须要等待接收方反馈的ACK。若成功接收到ACK之后，那么这一次传输成功。假设没有收到ACK的话，那么这一次传输失败。该aloha节点会觉得网络中还存在另外一个aloha节点也在发送数据，所以造成接收方发生了冲突。最后这些冲突的节点会随机选择一个时间进行回退（backoff），以避免下一次冲突。
若冲突节点回退完毕。其才干够又一次进行发送"。

实际上从初始的aloha协议中。我们就能够看到如今CSMA/CA的影子，网络协议的设计都是符合KISS原则的（Keep It Simple and Stupid），所以实际中我们所应用到的网络协议，其思想都不会是特别复杂。基于aloha协议的思想，CSMA协议对其最大的改进即是引入了LBT机制（Listen Before Talk），在CSMA中的CS（Carrier Sense）即是指Listen监听机制。

在LBT机制下CSMA的思想就是：“CSMA节点在每一次发送之前先监听信道是否是空暇的，假设信道不是空暇的话。那么就不发送数据，等待一会再进行尝试。仅仅有确保是空暇的情况下，才干够发送数据，从而避免打断其它节点正在进行的传输过程"。

详细CSMA的工作机制关联着我们之前所叙述的三种CSMA模式，下面我们分别进行叙述：

1-persistentes CSMA：“节点须要持续监听信道。一旦节点发现信道空暇后，则立马发送数据。”。

0-persistentes CSMA：“节点不连续监听信道，若该时刻节点监听信道为busy，那么等待一段时间后。再次进行监听。
若节点该时刻监听信道为空暇，则立马发送数据。”

p-persistentes CSMA：“节点须要持续监听信道，一旦发现信道空暇后，节点以p的概率立马发送数据。以1-p的概率不发送数据。
若节点该时刻不发送数据。那么等待一段时间后。再次进行监听，并以p概率再次发送”。（注：这里所述的p概率能够理解成抛骰子赌大小，假设抛大，那么就发送，反之不发送。当中抛大的概率就是p，而抛小的概率就是1-p）

在以上三种CSMA机制中，若节点传输发送冲突。则类似aloha的基本算法，随机等待一个时间之后，再次进行重试。

以上，我们分析了CSMA的基本工作模式。或者称之为CSMA的基本思想，接下来，我们详细讨论有线网络所应用到的CSMA/CD协议。

CSMA/CD

CSMA/CD的全称是Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，即基于冲突检測的载波监听多路訪问技术。CSMA/CD也是最初802.3中的核心，应用在10M/100M的半双工有线网络中。眼下CSMA/CD的应用场景少了非常多，大部分都直接基于全双工工作。

CSMA/CD从思想上应该是源自于1-坚持CSMA，即1-persistentes CSMA。在其基础上。增加了CD（Collision Detection）的机制。冲突检測。即CD的机制主要是用来发现冲突。并解决冲突的。

我们以下描写叙述CSMA/CD的详细工作机制：

“节点发送数据之前须要持续监听信道。一旦节点发现信道空暇，则立马发送数据。在发送数据的同一时候，节点持续监听信道，"探測" 是否有别的节点也在该时刻发送数据。

若传输过程中没有检測到别的节点的传输，那么成功传输。

在成功传输后，节点须要等待帧间间隔IFG（interframe gap）时间后。能够进行下一次传输。


若在传输过程中，探測到别的节点也在传输，那么则检測到冲突。发生冲突后，节点立马停止当前的传输。而且发送特定的干扰序列（JAM序列），用以加强该次冲突（用以保证其余全部节点都检測到该次冲突），在JAM序列发送完之后，节点随机选择一个时间倒数进行backoff。当backoff完毕之后。节点能够尝试再次重传”。

在上述的描写叙述中，我们能够发现，CSMA/CD和1-坚持CSMA是很相近的，与传统的aloha相比，CSMA/CD不只加入了LBT的机制。还引入了冲突检測（Collision Detection）机制，用以在传输中立马发现冲突。而不是依靠ACK的反馈来推断是否有冲突发生，从而提高网络效率。

在CSMA中。我们还须要描写叙述一些细节内容：

载波检測（CS：carrier sense）：在有线网络中，载波检測实际上即是接收信道上的信息，并加以解析。用这种方式推断共享信道上有没有节点正在传输信息。从而达到监听（listen）的作用。当中载波检測这个名字实际上是从AM/FM接收中来的。即载波就是携带调制信息的模拟信号，从而载波监听就是对是不是有AM/FM信号进行侦听。
冲突检測（CD：collision detection）：在一些理论中，介绍冲突检測为“发送的同一时候，接收同一个信道上的数据，并比較发送数据Tx与接收数据Rx”。若Tx=Rx，则没有冲突发生，若Tx≠Rx。则识别到一个冲突。在一些project介绍中。介绍检測冲突的方法是“介质依赖法”。连接段介质（实际上是电缆）拥有传输和接受数据的独立路径（双绞线中有单独的发送和接受回路）。冲突检測是在同一个接收段收发器中，借助同一时候发生在传输和接收数据路径上的活动来完毕的。
在同轴电缆介质上，收发器通过检測同轴电缆的DC（即直流信号）信号等级来检測冲突。当两个或者多个基站同一时候传输时，同轴上的平均DC电压可达到触发同轴收发器中的冲突检測电压等级。同轴收发器连续检測同轴电缆上的平均电压等级，若平均电压等级表明。有多个基站同一时候传输内容后。其会发送JAM信号到以太网接口处。

发送JAM信号的这个过程比冲突检測时间较长，多出的时间包括了依据10Mbps以太网上总信号延迟算出的时间（即包括了JAM信号的传输时间）。

时隙与捕获效应：在有线网络中，捕获效应被定义为1个时隙长度内没有冲突发生。同一时候时隙被定义为512bit在10Mbps或100Mbps网络的发送时间。在有线网络中选择为512bit作为一个时隙的參考值。是考量了为发送信号到对端的最大往返时间。该最大往返时间包括了电磁波通过物理层的往返时间以及传输JAM信号所花费的时间。（JAM信号是加强冲突的一个通知信号）。若节点已捕获信道，即已发送512bit。那么对方不一定会来打断你当前的传输，1.即确保对方能检測到你，2.而且反馈的JAM信号也能通知到你。同一时候。若从电磁波传输的角度而言，512bit在10M中传输的时间换算成电磁波可以传播的距离大约是2800米，512bit在100M中传输的时间换算成电磁波传播的距离大约是200米，对照有线网络的双绞线长度（大约100米）而言，这些參数还是可以接受的。
在1000Mbps网络以及其上，都是默认物理层採用全双工模式的。若还是採用CSMA/CD的模式。那么这里的时隙长度会被定义为512byte的长度，只是眼下这个可能是学术上的使用方法。而非协议的定稿。

重传机制（Backoff与BEB机制）：若节点检測到冲突发生在前512个字节，即一个时隙内。那么节点首先进行backoff，然后进行重传。这里backoff是採用BEB（二进制指数回退算法），即在一个随机窗体内。选择一个随机数并乘以时隙（time slot）进行回退。在第0~10次回退过程中。每回退一次，随机窗体放大一倍，在第11次到第16次过程中。依旧进行回退，并尝试又一次发送数据包。可是不放大窗体大小。第17次若失败，则丢包。依照普通情况下，冲突不会发生在512字节以后的部分，即已经发生了捕获效应，即节点已经捕获到了信道。
只是比方时间不同步这种一些情况出现。导致冲突发生在512字节之后。貌似是不进行重传，直接丢包的。


CSMA/CD与CSMA/CA

在综述完CSMA/CD后。对照我们前一次叙述的CSMA/CA，我们总结这两者之间的联系和差别。

联系：CSMA/CD与CSMA/CA机制都从属于CSMA的思路，其核心就是LBT机制。换言之，两个在接入信道之前都须要进行监听。当发现信道空暇后，其才干够进行接入。

差别：
在思想上：
CSMA/CD是源自于1-坚持CSMA，而CSMA/CA是源自于p-坚持CSMA。即CSMA/CD是持续监听信道，一旦发现信道空暇，则立马传输。
CSMA/CA是边进行backoff回退过程边进行监听。若信道空暇则进行backoff。否则挂起随机倒数计数器。
仅仅有当backoff counter（即随机倒数计数器）回退至0时，其才可发送数据。

在冲突检測上：
CSMA/CD中是采用冲突检測+JAM机制。即边发送边监听实时信道状态，能够在传输过程中，实时推断信道中是否有冲突发生，一旦发现了冲突。则发送JAM信号以加强冲突，其余节点也因识别到该JAM信号，从而停止当前传输。
若整个过程中，节点都没有发现冲突以及JAM反馈。那么该次传输成功。

CSMA/CA是源自于aloha的ACK反馈机制，若接收到对方反馈的ACK后。那么这一次传输成功。否则失败。
在监听机制上：
因为CSMA/CD是有线网络，故其监听是直接解调有线介质上的信息。若没有信息，则信道空暇，若存在信息，则信道繁忙。
在CSMA/CA中，不仅引入了物理载波监听与虚拟载波监听这两种技术，同一时候在物理载波监听中，还分为能量检測（Energy Detection）和载波感知（Carrier sense）。
同一时候该载波感知所指是利用无线帧物理层头部中的固定序列（即preamble），利用已知序列和其做相关运算（自相关或者互相关运算）进行识别。具体的一些内容能够參考上一篇有关DCF和CSMA/CA的文章。

在回退（backoff）机制上：
在CSMA/CD中，回退仅仅有在冲突之后才会发生，节点选择选择一个随机时间进行回退，该随机事件详细是时隙乘以回退窗体内的一个随机数。当中为了避免多次冲突的问题，在每一次冲突后。节点的回退窗体也会运行BEB算法，即将回退窗体进行翻倍。
在CSMA/CD中，回退一共能够进行16次。当中。第1~9次存在会对回退窗体进行翻倍。在第10~16次中，窗体大小不变（窗体最大1024），再次重试。

第16次若失败，则进行丢包处理。

在CSMA/CA中，节点的每一次传输之前都须要进行backoff过程。在CSMA/CA的backoff过程中，节点会在每个slot中对信道进行监听（这里包括物理载波监听和虚拟载波监听）。若信道监听为空暇，那么进行backoff，即随机倒数计数器减1。若信道监听为信道忙，则挂起该计数器，仅仅有当该计数值为0时，节点才干够发送数据。
在CSMA/CA中，若发生冲突后，对竞争窗体（Contention Window）进行BEB操作，在1~6次中，窗体大小翻倍，第6次时。窗体大小不变（窗体最大也是1024）。再次重试。若第7次传输失败，则进行丢包处理。

在时隙的定义上：
在CSMA/CD中，时隙被定义在一个固定数据片大小在固定速率的媒介上传输的时间，比方在10M/100M网络中。时隙为512位在10M/100M网络下相应传输的延迟。
在CSMA/CA中。时隙中包括三个方面的内容，即传播延迟。信道检測（CCA）以及收发天线转换。时隙时间详细与其相应的802.11协议版本号有关，比方802.11b中。时隙即是20us。
在捕获效应的定义上：
在CSMA/CD中，捕获效应被定义为节点成功传输1个时隙的数据，从而节点能够确保自己已经捕获了信道。其余节点也都已感知到了这点。从而确保不会有冲突发生。
在CSMA/CA中，捕获效应是指因为信号功率的不同。比方有两个节点同一时候向接收方发送数据。当中一者信号强度大（即SNR大）。一者信号强度小（即SNR小）。
在这样的情况下。若信号较好的SNR能够达到解调其数据所需最低的SNR阈值的话。那么其是能够解调，即这次传输能够是成功的。直观的理解。我们能够觉得一个大嗓门和一个小嗓门同一时候说话，那么我们是能够听清楚大嗓门的。

以上是总结的一些笔者理解CSMA/CA和CSMA/CD的差别。其它还存在的一些差别，比方在802.11DCF模式中所采用的RTS/CTS机制，在有线网中就不存在或者相应存在差别，在此就不再一一赘述了。