CSMACA和CSMACD協(xié)議(整理)

.1、引言在LAN中，站點檢測其他站點在干什么，從而相應(yīng)的調(diào)整自己的動作。網(wǎng)路站點偵聽載波是否存在并執(zhí)行相應(yīng)動作的協(xié)議，被稱為載波偵聽協(xié)議。在有線以太網(wǎng)中所使用的MAC方法是帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。CSMA/CD協(xié)議是對ALOHA協(xié)議的改進，它確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在偵聽信道忙時不會有新站點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，而在無線局域網(wǎng)中使用的MAC協(xié)議是帶沖突避免的載波偵聽多路訪問CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）。載波偵聽多路接入方法又稱為“先聽后說”方法 。它是 ALOHA協(xié)議的一種改進型。其基本思想是：每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)前，先偵聽信道上有無其它站正在發(fā)送信息。如果信道空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)；否則(信道忙)暫不發(fā)送，退避一段時問后再嘗試。CSMA是載波檢測(偵聽)多路訪問.它檢測其他站的活動情況,據(jù)此調(diào)整自己的行為.分為以下幾類:1、持續(xù) CSMA(1-persistent CSMA)：當信道忙或發(fā)生沖突時,要發(fā)送幀的站,不斷持續(xù)偵聽,一有空閑,便可發(fā)送. 其中,長的傳播延遲和同時發(fā)送幀,會導(dǎo)致多次沖突,降低系統(tǒng)性能.2、非持續(xù)CSMA: 它并不持續(xù)偵聽信道,而是在沖突時,等待隨機的一段時間。它有更好的信道利用率，但導(dǎo)致更長延遲.3、p-持續(xù)CSMA：它應(yīng)用于分槽信道,按照P概率發(fā)送幀。即信道空閑時,這個時槽,欲發(fā)送的站P概率發(fā)送,Q=1-P概率不發(fā)送，若不發(fā)送，下一時間槽仍空閑,同理進行發(fā)送，若信道忙,則等待下一時槽,若沖動,則等待隨機的一段時間,重新開始。以上都是對ALOHA的改進。當信道忙時,所有站都不傳輸幀。IEEE 802.3以太網(wǎng) CSMA/CD所采用的是1-堅持退避CSMA/CD。在無線局域網(wǎng)IEEE802.ll標準中MAC層采用CSMA/CA。2、CSMA/CD 協(xié)議簡介2.1、CSMA/CD概述在以太網(wǎng)中，所有的節(jié)點共享傳輸介質(zhì)。如何保證傳輸介質(zhì)有序、高效地為許多節(jié)點提供傳輸服務(wù)，就是以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制協(xié)議要解決的問題。CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）即載波監(jiān)聽、多路訪問/沖突檢測方法。CSMA/CD是一種爭用型的介質(zhì)訪問控制協(xié)議。它起源于美國夏威夷大學(xué)開發(fā)的ALOHA網(wǎng)所采用的爭用型協(xié)議，并進行了改進，使之具有比ALOHA協(xié)議更高的介質(zhì)利用率。另一個改進是，對于每一個站而言，一旦它檢測到有沖突，它就放棄它當前的傳送任務(wù)。換句話說，如果兩個站都檢測到信道是空閑的，并且同時開始傳送數(shù)據(jù)，則它們幾乎立刻就會檢測到有沖突發(fā)生。它們不應(yīng)該再繼續(xù)傳送它們的幀，因為這樣只會產(chǎn)生垃圾而已；相反一旦檢測到?jīng)_突之后，它們應(yīng)該立即停止傳送數(shù)據(jù)?？焖俚亟K止被損壞的幀可以節(jié)省時間和帶寬。CSMA/CD控制方式的優(yōu)點是：原理比較簡單，技術(shù)上易實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各工作站處于平等地位，不需集中控制，不提供優(yōu)先級控制。但在網(wǎng)絡(luò)負載增大時，發(fā)送時間增長，發(fā)送效率急劇下降。2.2、CSMA/CD的原理以及控制規(guī)程CSMA/CD應(yīng)用在 OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層它的工作原理是: 發(fā)送數(shù)據(jù)前 先監(jiān)聽信道是否空閑 ,若空閑則立即發(fā)送數(shù)據(jù).在發(fā)送數(shù)據(jù)時,邊發(fā)送邊繼續(xù)監(jiān)聽.若監(jiān)聽到?jīng)_突,則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù).等待一段隨即時間,再重新嘗試.CSMA/CD控制規(guī)程：規(guī)程控制規(guī)程的核心問題：解決在公共通道上以廣播方式傳送數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的問題（主要是數(shù)據(jù)碰撞問題）控制過程包含四個處理內(nèi)容：偵聽、發(fā)送、檢測、沖突處理（1） 偵聽：通過專門的檢測機構(gòu)，在站點準備發(fā)送前先偵聽一下總線上是否有數(shù)據(jù)正在傳送（線路是否忙）？若“忙”則進入后述的“退避”處理程序，進而進一步反復(fù)進行偵聽工作。若“閑”，則按照一定算法原則（“X堅持”算法）決定如何發(fā)送。（2） 發(fā)送：當確定要發(fā)送后，通過發(fā)送機構(gòu)，向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。（3） 檢測：數(shù)據(jù)發(fā)送后，也可能發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞。因此，要對數(shù)據(jù)邊發(fā)送，邊接收，以判斷是否沖突了。（4）沖突處理：當確認發(fā)生沖突后，進入沖突處理程序。有兩種沖突情況： 偵聽中發(fā)現(xiàn)線路忙若在偵聽中發(fā)現(xiàn)線路忙，則等待一個延時后再次偵聽，若仍然忙，則繼續(xù)延遲等待，一直到可以發(fā)送為止。每次延時的時間不一致，由退避算法確定延時值。 發(fā)送過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞若發(fā)送過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞，先發(fā)送阻塞信息，強化沖突，再進行偵聽工作，以待下次重新發(fā)送（方法同）。（5）控制流程圖（如下）（6）CSMA控制規(guī)程的特征 簡單 具有廣播功能 平均帶寬： f = F / n 絕對平等，無優(yōu)先級 低負荷高效，高負荷低效 延時時間不可預(yù)測 傳輸速率與傳輸距離為一定值2.3、CSMA/CD的退避算法上述兩種沖突情況都會涉及一個共同算法退避算法。退避算法：當出現(xiàn)線路沖突時，如果沖突的各站點都采用同樣的退避間隔時間，則很容易產(chǎn)生二次、三次的碰撞。因此，要求各個站點的退避間隔時間具有差異性。這要求通過退避算法來實現(xiàn)。截斷的二進制指數(shù)退避算法（退避算法之一）：截斷二進制指數(shù)退避算法并不復(fù)雜。這種算法讓發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，不是等待信道變?yōu)榭臻e后就立即再發(fā)生數(shù)據(jù)，而是推遲一個隨機的時間。這樣做是為了使重傳時再次發(fā)生沖突的概率減少。具體的退避算法如下：a、確定基本退避時間，它就是爭用期2t。以太網(wǎng)取值為征用期51.2us。對于10Mb/s的以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可以發(fā)送512bit，即64個字節(jié)。也可以說爭用期是512比特時間。1比特時間就是發(fā)送1比特所需要的時間。所以這種時間單位與數(shù)據(jù)率密切相關(guān)。b、從離散的整數(shù)集合0，1，(2k-1)中隨機取一個數(shù)，記為r。重傳應(yīng)該推后的時間是r倍的爭用期。上面的參數(shù)k按下面的公式計算： k=Min重傳次數(shù),10可見當重傳的次數(shù)不超過10時，參數(shù)k等于重傳的次數(shù)；但是當重傳的次數(shù)超過10時，k就不再增大而一直等于10。c、當重傳達16次仍然不能夠成功時（這表明同時打算發(fā)送數(shù)據(jù)的站太多，以致連續(xù)發(fā)生沖突），則丟棄該幀，并向高層報告。例如：在第一次重傳時，k=1，隨機數(shù)r從整數(shù)0，1中選一個數(shù)。因此重傳的站可選擇的重傳推遲時間是0或者2t在這兩個時間中隨機選擇一個。若再次發(fā)生碰撞，則在第二次重傳時，k=2，隨機數(shù)r就從整數(shù)0，1，2，3中選一個數(shù)。因此，重傳推遲時間是在0，2t，4t和6t這4個時間中隨機地選取一個。若連續(xù)多次發(fā)生沖突，就表明可能有較多的站參與爭用信道。但使用上述退避算法可使重傳需要推遲到平均時間隨重傳的次數(shù)而增大（也稱為動態(tài)退避），因而減少發(fā)生碰撞的概率，有利于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。3、CSMA/CD 協(xié)議簡介3.1、CSMA/CA概述無線局域網(wǎng)標準802.11的MAC和802.3協(xié)議的MAC非常相似，都是在一個共享媒體之上支持多個用戶共享資源，由發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)前先進行網(wǎng)絡(luò)的可用性檢測。在802.3協(xié)議中，是由一種稱為CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)的協(xié)議來完成調(diào)節(jié)，這個協(xié)議解決了在Ethernet上的各個工作站如何在線纜上進行傳輸?shù)膯栴}，利用它檢測和避免當兩個或兩個以上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要進行數(shù)據(jù)傳送時網(wǎng)絡(luò)上的沖突。在802.11無線局域網(wǎng)協(xié)議中，沖突的檢測存在一定的問題，這個問題稱為Near/Far現(xiàn)象，這是由于要檢測沖突，設(shè)備必須能夠一邊接受數(shù)據(jù)信號一邊傳送數(shù)據(jù)信號，而這在無線系統(tǒng)中是無法辦到的。 鑒于這個差異，在802.11中對CSMA/CD進行了一些調(diào)整，采用了新的協(xié)議CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或者DCF(Distributed Coordination Function)。 CSMA/CA利用ACK信號來避免沖突的發(fā)生，也就是說，只有當客戶端收到網(wǎng)絡(luò)上返回的ACK信號后才確認送出的數(shù)據(jù)已經(jīng)正確到達目的地址。3.2、CSMA/CA工作原理及控制規(guī)程載波偵聽多路訪問沖突避免（Carrier Sense Multiple AccesswithCollision Avoidance，CSMA/CA）。此種方案采用主動避免碰撞而非被動偵測的方式來解決沖突問題?？梢詽M足那些不易準確偵測是否有沖突發(fā)生的需求，如無線局域網(wǎng)。CSMA/CA協(xié)議主要使用兩種方法來避免碰撞：a、設(shè)備欲發(fā)送幀，且偵聽到信道空閑時，維持一段時間后，再等待一段隨機的時間依然空閑時，才送出資料。由于各個設(shè)備的等待時間是分別隨機產(chǎn)生的，因此很大可能有所區(qū)別，由此可以減少沖突的可能性。b、RTS-CTS握手（handshake）：設(shè)備欲發(fā)送幀前，先發(fā)送一個很小的RTS（Request to Send）幀給目標端，等待目標端回應(yīng)CTS（Clear to Send）幀后，才開始傳送。此方式可以確保接下來傳送資料時，不會發(fā)生沖突。同時由于RTS幀與CTS幀都很小，讓傳送的無效開銷變小。此方案應(yīng)用于，無線局域網(wǎng)的IEEE 802.11標準。CSMA/CA通過這兩種方式來提供無線的共享訪問，這種顯式的ACK機制在處理無線問題時非常有效。然而不管是對于802.11還是802.3來說，這種方式都增加了額外的負擔，所以802.11網(wǎng)絡(luò)和類似的Ethernet網(wǎng)比較總是在性能上稍遜一籌。RTS-CTS握手（handshake）實際上就是在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先對信道進行預(yù)約。下面為了方便解釋這種技術(shù)的主要原理請大家先看圖1-1。 圖2-1 CSMACA協(xié)議中的RTS和CTS幀 在圖2-1中： 站B、站C、站E在站A 的無線信號覆蓋的范圍內(nèi)。而站D不在其內(nèi)。 站A、站E、站D在站B 的無線信號覆蓋的范圍內(nèi)，但站C不在其內(nèi)。 如果站A要向站B發(fā)送數(shù)據(jù)，那么，站A在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，要先向站B發(fā)送一個請求發(fā)送幀RTS(Request To Send)。在RTS幀中已說明將要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的長度。站B收到RTS幀后就向站A回應(yīng)一個允許發(fā)送幀CTS(Clear To Send)。在CTS幀中也附上A欲發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的長度(從RTS幀中將此數(shù)據(jù)復(fù)制到CTS幀中)。站A收到CTS幀后就可發(fā)送其數(shù)據(jù)幀了?，F(xiàn)在討論在A和B兩個站附近的一些站將做出什么反應(yīng)。 對于站C，站C處于站A的無線傳輸范圍內(nèi)，但不在站B的無線傳輸范圍內(nèi)。因此站C能夠收聽到站A發(fā)送的RTS幀，但經(jīng)過一小段時間后，站C收聽不到站B發(fā)送的CTS幀。這樣，在站A向站B發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，站C也可以發(fā)送自己的數(shù)據(jù)而不會干擾站B接收數(shù)據(jù)(注意：站C收聽不到站B的信號表明，站B也收不聽到站C的信號)。 對于站D，站D收聽不到站A發(fā)送的RTS幀，但能收聽到站B發(fā)送的CTS幀。因此，站D在收到站B發(fā)送的CTS幀后，應(yīng)在站B隨后接收數(shù)據(jù)幀的時間內(nèi)關(guān)閉數(shù)據(jù)發(fā)送操作，以避免干擾站B接收自A站發(fā)來的數(shù)據(jù)。 對于站E，它能收到RTS幀和CTS幀，因此，站E在站A發(fā)送數(shù)據(jù)幀的整個過程中不能發(fā)送數(shù)據(jù)。 雖然使用RTS和CTS幀會使整個網(wǎng)絡(luò)的效率有所下降。但這兩種控制幀都很短，它們的長度分別為20和14字節(jié)。而數(shù)據(jù)幀則最長可達2346字節(jié)，相比之下的開銷并不算大。相反，若不使用這種控制幀，則一旦發(fā)生沖突而導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀重發(fā)，則浪費的時間就更大。雖然如此，但協(xié)議還是設(shè)有三種情況供用戶選擇： 使用RTS和CTS幀； 當數(shù)據(jù)幀的長度超過某一數(shù)值時才使用RTS和CTS幀； 不使用RTS和CTS幀。 盡管協(xié)議經(jīng)過了精心設(shè)計，但沖突仍然會發(fā)生。 例如：站B和站C同時向站A發(fā)送BTS幀。這兩個RTS幀發(fā)生沖突后，使得站A收不到正確的RTS幀因而站A就不會發(fā)送后續(xù)的CTS幀。這時，站B和站C像以太網(wǎng)發(fā)生沖突那樣，各自隨機地推遲一段時間后重新發(fā)送其RTS幀。推遲時間的算法也是使用二進制指數(shù)退避。 為了盡量減少沖突，802.11標準設(shè)計了獨特的MAC子層，這里不具體說明。3.3、CSMA/CD的退避算法在IEEE 802.15.4 CSMA/CA機制中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中，會發(fā)出信標給所有的可感應(yīng)節(jié)點，而對于有數(shù)據(jù)需傳送的設(shè)備來說，它們會向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要求進行傳送，由于在一個時間內(nèi)只能有一個設(shè)備進行傳輸，因此所有想要傳輸?shù)墓?jié)點設(shè)備就會通過CSMA/CA機制來競爭傳輸媒體的使用權(quán)。所有準備傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備，會監(jiān)測目前的無線傳輸媒體是否有其他設(shè)備在使用中，如果為宅閑，此時，這些設(shè)備會產(chǎn)生一個倒退延遲時間，來錯開這些設(shè)備同時送出數(shù)據(jù)從而造成碰撞的可能。若目前的無線傳輸媒體是忙碌中的，則這些設(shè)備將會在監(jiān)測到媒體為空閑后，再進行CSMA/CA的競爭。在IEEE 802.15.4 CSMA/CA算法中,CSMA/CA算法是用于節(jié)點問數(shù)據(jù)傳輸時的信道爭用機制，此算法中有三個重要的參數(shù)由每個要傳送數(shù)據(jù)的設(shè)備去維護：Nb、CW和BE。1、Nb(后退次數(shù)，Number Of Back)：Nb的初始值為0，當設(shè)備有數(shù)據(jù)要傳送時，經(jīng)過一段后退時間后，發(fā)送CCA檢測，若檢測到信道忙，則會再一次產(chǎn)生倒退時間，此時Nb值會加1，在IEEE802.15.4中，Nb值最大定義為4，當信道在經(jīng)過4次的后退延遲時間后仍為忙，剛放棄此次的傳送，以避免過大開銷。2、 CW (碰撞窗口的長度，content window length):也就是后退延遲時間的長度，單位是Backoff，一個后退周期的定義在MAC PIB中由參數(shù)aUnitBackofPeriod給出，為20symbol的時間。CW的初始值為2，最大值為31。3、BE(后退指數(shù)，Backoff exponent)：取值范圍為05，15.4推薦的默認值為3，最大值為5。當BE設(shè)為0時，則只進行一次碰撞檢測。在IEEE 802.15.4中，失敗的次數(shù)(重傳)最多3次。圖2.19是CSMACA算法流程；其中在步驟(3)是完成CCA的部分。3.1 CSMA/CA協(xié)議工作流程圖3.4、無線網(wǎng)絡(luò)MAC層的特點在無線局域網(wǎng)中，由于無線信道的共享性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M播性，發(fā)送方在發(fā)送數(shù)的過程中進行沖突檢測比較困難。且對某個節(jié)點來說，其剛剛發(fā)出的信號強度要遠高于來自其他節(jié)點的信號強度，也就是說它自己的信號會把其他的信號給覆蓋掉。WLAN媒體訪問控制(MAC)層采用的CSMA/CA協(xié)議，該協(xié)議用避免沖突檢測代替802.3協(xié)議使用的沖突檢測，采用沖突避免機制盡量減小沖突碰撞發(fā)生的概率，以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐性能與遲延性能。此外無線局域網(wǎng)中還存在一下幾個問題：3.4.1 Near-far effect由于接收用戶的隨機移動性，移動用戶與基站間的距離也是隨機變化的，若各移動用戶發(fā)射功率一樣，那么到達基站的信號強弱不同，離基站近信號強反之則弱，通信系統(tǒng)的非線性則進一步加重，出現(xiàn)強者更強的現(xiàn)象，這就是遠近效應(yīng)。遠近效應(yīng)存在于點到多點環(huán)境，一個基站對應(yīng)多個移動終端，假設(shè)終端發(fā)射功率相同，但距離基站距離不同，基站接收到的信號大小不同，大信號可能將小信號當做干擾信號覆蓋（當前的通行系統(tǒng)存在不同的解決辦法，保證基站收到的信號大小差不多）。3.4.2隱藏站問題（Hidden station Problem）拓撲：AP1-AP2-AP3圖3.2無線網(wǎng)絡(luò)拓撲圖1假設(shè)由于信號覆蓋的范圍問題，中間的AP2能接收到AP1和AP3的信號，而AP1與AP3無法感覺對方的存在。AP1與AP3由于傳輸范圍無法互相覆蓋或者遇到其他障礙物阻礙的情況下，無法檢測到碰撞的發(fā)生，不能使用cd機制，必須由接收端AP2來控管確認取得傳輸?shù)臋?quán)利。 3.4.3 暴露站問題（exposed station problem）拓撲：AP1-AP2-AP3-AP4圖3.3無線網(wǎng)絡(luò)拓撲圖2假設(shè)信號傳輸距離只能到達相鄰的站，即1-2-3,2-3-4組成兩個傳輸范圍，若這時ap2向ap1發(fā)送信號，ap3也想和ap4通信，但是由于ap3檢測到媒體上有信號，于是，為了避免沖突，就不像ap4發(fā)送數(shù)據(jù)。其實ap2像ap1發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響ap3像ap4發(fā)送數(shù)據(jù)，這種能檢測到媒體上已存在信號，但又不影響發(fā)送數(shù)據(jù)的問題叫做暴露站問題。4、CSMA/CD和CSMA/CA的主要差別兩者最重要的區(qū)別就在于CSMA/CD是發(fā)生沖突后及時檢測，而CSMA/CA是發(fā)送信號前采取措施避免沖突。CSMA/CD：帶有沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問，可以檢測沖突，但無法“避免” CSMA/CA：帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問，發(fā)送包的同時不能檢測到信道上有無沖突，只能盡量”避免”。1、兩者的傳輸介質(zhì)不同,CSMA/CD用于總線式以太網(wǎng),而CSMA/CA則用于無線局域網(wǎng)802.11a/b/g/n等等。 2、檢測方式不同,CSMA/CD通過電纜中電壓的變化來檢測，當數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞時，電纜中的電壓就會隨著發(fā)生變化；而CSMA/CA采用能量檢測(ED)、載波檢測(CS)和能量載波混合檢測三種檢測信道空閑的方式。3、信道的利用率不同CSMA/CA協(xié)議信道利用率低于CSMA/CD協(xié)議信道利用率。但是由于無線傳輸?shù)?