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计算机网络|链路层-随机接入（CSMA/CA）

随机接入-CSMA/CA协议

 

  • 又称作载波监听多址接入/碰撞避免

CSMA/CD协议已经成功地应用于使用广播信道的有线局域网，那么同样使用广播信道的无线局域网能不能也使用CSMA/CD协议呢？

无线局域网中，不使用碰撞检测CD，原因是：由于无线信道的传输条件特殊，其信号强度的动态范围非常大，无线网卡上接收到的信号强度往往会小于发送信号的强度（可能相差百万倍）。如果无线网卡上实现碰撞监测CD，对硬件的要求非常高。即使实现无线局域网的碰撞检测功能，但是无线电波的特殊性，存在隐蔽站问题，进行碰撞检测意义也不大。

计算机网络|链路层-随机接入（CSMA/CA）_第1张图片

80211无线局域网

  • 使用CSMA/CA协议，CA是碰撞避免的功能，不再碰撞检测。
  • 由于不可能避免所有的碰撞，并且无线信道误码率较高，802.11标准还使用了数据链路层确认机制（停止等待协议）保证数据被正确接收
  • 它的MAC层定义了两种不同的媒体接入控制方式DFC和PCF
  • 分布式协调功能DCF：没有中心控制站点，每个站点使用CSMA/CA协议通过争用信道来获取发送权，这是默认方
  • 点协调功能PCF，使用集中控制的接入算法，一般在接入点AP实现集中控制，这是可选方式，较少使用

帧间间隔IFS

定义：所有站点必须在持续检测到信道空闲制定的一段时间后，才能发送帧，即等待帧间间隔。

帧间间隔长短：取决于该站点要发送的帧的类型

  • 高优先级帧需要等待的时间短，因此可获得有限发送权
  • 低优先级时间长，某个站低优先级还没来得及送，但是高优先级已到，那么就将信道改为忙状态，因而低优先级帧只能推迟发送了，这样就减少了发生碰撞的机会。

常用的帧间间隔：

  • 短帧SIFS（28μs）：最短的帧间间隔，用来分隔开一次对话的各帧。一个站点应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用这类型帧的有ACK帧，CTS帧，有过长的MAC帧分片后的数据帧、以及回答AP探询的帧和在PCF中接入点AP发送的帧。
  • DCF的DIFS（128μs）：在DCF方式中用来发送数据帧和管理帧。

CSMA/CA工作原理

解释图中①②③出现的原因

  • 为什么出现①，信道明明空闲了，为什么还要等待DIFS呢？为了方便优先级高的帧发送
  • 为什么出现②，目的站需要由接收态转为发送态，它需要接收数据帧，并且发送确认帧
  • 为什么出现③，明明已经等了DIF了，为什么还要退避随机事件，为了怕其余的站都同时发送，导致信道发生了=碰撞

④和⑤明明都是信道空闲的状态，为什么④不采用退避算法

  • 当站点检测到信道是空闲的，并且所发送的数据帧不是成功发送完上一个数据帧之后立即连续发送的数据帧，则不使用退避算法。

但是⑤采用退避算法呢？下面的情况必须采用退避算法

  • 发送数据帧之前检测到忙，说明有很多帧都等着信道闲下来呢，那么就容易同时发送，容易撞
  • 每一次重传一个数据帧的时候
  • 每次发送成功要连续发送下一个帧时（避免长时间占着信道）

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 退避算法

 退避计时器

  • 站点为退避计时器设置一个随机的退避时间
  • 当计时器时候减小为0，开始发送数据
  • 计时器时间未减少到0+信道忙，这时就冻结数值，等信道变闲，经过DIF后，启动计时器。

退避时间计算

  • 在第 i 次退避时，退避时间=时序编号×基本退避时间
  • 退避时间在时序编号（0，1，2，....，4^i- 1）中随机选择一个
  • 基本退避时间，也就是一个时隙的长度
  • 这样做是为了使不同的站点选择相同退避时间的概率减少
  • 当时隙编号达到255时，对应于第六次退避，就不再增加了

举例说明CSMA/CA退避算法工作过程

ABCDE为无线站点，画如下的示意图

  • 信道忙的时候，其余的站都要在自己的每个时隙检测信道状态
  • 每次忙完之后，其余的站都要经过一段冷静期DIFS
  • 先归零者，先发送，先解冻者，先发送

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 信道预约和虚拟载波监听

信道预约

尽可能的减少碰撞的概率和减少碰撞的影响，允许要发送数据的站点对信道进行约

预约过程

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对于源站和目的站：

  • 源站先发送一个短的控制帧，称为请求发送RTS，包括源地址，目的地址和通信时长
  • 目的站收到RTS帧，发送响应控制帧，即允许发送CTS，包括这次通信所需的持续时间（时间是从RTS复制来的）
  • 源站收到CTS帧后，等待SIFS后，即可发送其数据帧
  • 目的站正确收到源站发来的数据帧，等待SIFS后，向源站发送确认帧ACK。

其他站：

  • 其他站收到CTS帧/数据帧后，推迟接入到无线局域网中。保证不会受到干扰。
  • 如果RTS发生碰撞，源站就收不到CTS帧，需执行退避算法重传RTS帧‘
  • CTS和RTS帧很小，碰撞产生的开销小。

802.11标准规定了3种情况供用户选择

  • 使用RTS帧和CTS帧
  • 不使用
  • 当数据帧的长度超过某一数值时，使用这俩帧

载波监听

定义：除了RTS和 CTS会携带时间，数据帧也能携带数据通信需要持续的时间。

也就是说，站点只要是监听到RTS 和 CTS 或者数据帧中的任何一个，都能知道信道被占用的时间，而不需要监听到信道上的信号，因此虚拟载波监听信号可以减少屏蔽站带来的碰撞问题。

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