初探802.11协议(0)——PCF/DCF与CSMA/CA机制

上篇《初探802.11协议(0)——开篇(IEEE802.11历史与Wi-Fi速率计算)》已经简介了IEEE802.11的发版史和Wi-Fi速率如何计算。本篇介绍Wi-Fi传输的常见工作模式与机制。

1. 传统的媒介访问机制

为了避免多个无线设备同时访问共享媒介而产生碰撞，早期的802.11(802.11-2007)中指定了DCF和PCF两种媒介的访问机制。

• DCF(distributed coordination function )：分布式协调功能。

DCF: A class of coordination function where the same coordination function logic is active in every station (STA) in the basic service set (BSS) whenever the network is in operation.
DCF通过CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波侦听多路访问/冲突避免)机制，为异步数据传输提供分布式的基于竞争的信道访问，使得AP下的各个STA对于无线资源的使用机会是均等的； 目前大多数AP/STA都是采用这种模式，是一种强制标准。为了对实时业务提供 QoS，标准在 DCF 基础上做了许多基于优先级区分机制的改进(即HCF，混合协调功能)。

• PCF(point coordination function)：点协调功能，有的地方也称之为集中协调功能。怎么翻译也不重要了，在《802.11-2016》的spec里就说要弃用了，在后面的spec版本里可能会直接移除。

《802.11-2016》：The PCF mechanism is obsolete. Consequently, this subclause might be removed in a later revision of the standard.
PCF 是一种可选标准，大多数的无线网络产品不支持 PCF。PCF开始引入无竞争服务来试着对实时业务提供QoS支持，虽然 PCF 具有面向连接的特点，更适于为交互式实时应用提供严格的参数化的 QoS 保证，但PCF不能区分业务类型和业务源，因此它不知道哪个站点有长的实时业务队列，哪个站点只是非实时业务队列，而且其实现起来效率过低且过于复杂，故在实际产品中一般不被使用

• 为了提升QoS能力，802.11e中将传统的DCF和PCF更替为EDCA和HCCA，后面在专门介绍802.11e QoS部分再来分析，作为开篇只介绍DCF。HCF 结合了DCF和PCF的一些功能特性，同时还将 DCF 和 PCF 的功能与一些增强的、特定于 QoS 的功能相结合。
  
  

2. DCF与CSMA/CA

CSMA协议引入了LBT（Listen Before Talk）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闲的，如果信道不是空闲的话，那么就不发送数据，等待一会再进行尝试。只有确保是空闲的情况下，才可以发送数据，从而避免打断其他节点正在进行的传输过程"。

《CWNA®Certified Wireless Network Administrator Official Study Guide Third Edition》：
CS(Carrier Sense)：载波侦听，用来检测传输媒介是否繁忙；
MA(Multiple Access)：多路访问，用来确保每一个无线终端可以进行公平的媒介访问，但每次只能有一个终端传输；
CA(Collision Avoidance)：冲突避免，在指定时间内只有一个无线终端可以得到媒介访问能力，希望借此避免冲突

本篇不对CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测)和CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波侦听多路访问/冲突避免)做详细说明，可自行搜索。

先通过如下问题来引入"DCF与CSMA/CA的存在意义"。

Q：为什么以太网用CSMA/CD，而Wi-Fi却要使用CSMA/CA呢？
A：通过对比这两种方式的异同点即可得知原因。
1.相同点：通信终端在开始传输前必须先侦听是否有其他设备在传输，如果有，则会先等其他设备传输，直到传输媒介空闲；
2.差异点：以太网的终端在传输时发生了冲突是可以检测到的，检测冲突并暂停传输；而Wi-Fi终端采用的射频媒介是半双工的，即没有同时进行传输和接收的能力，所以无法在传输时检测冲突，进而就只能CA(冲突避免)。CSMA/CA机制减少了冲突，DCF利用其多重制衡机制又做了进一步的减少。

为什么说Wi-Fi或者说Wi-Fi使用的射频媒介是半双工的？

如上图所示，在Tx Chain/Rx Chain链路和Antenna之间连接着一个RF Switch设备。这是一个高速的天线开关，用于切换当时天线是连接到发送链路，还是接收链路上。Wi-Fi设备在同一个时间只能处于一个状态下，要么是只发送，要么是只进行接收（或信道监听）。
实际上接收和信道监听本质上都是对接收过来的信号进行处理，信道监听的CCA过程和接收的preamble detection有很高的重合度，所以我们可以把两件事理解成一个功能。

2.1 CSMA/CA机制

2.1.1 IFS

SIFS/DIFS/EIFS/PIFS

1. 在CSMA/CA中，发一个帧之前，都需要 “等待” 一个相应的帧间间隔，比如发送数据之前至少要等待DIFS时间，发送ACK之前需要等待SIFS时间；
2. 只有在帧传输出现错误时才会用到 EIFS，但EIFS 并非固定的时间间隔；
3. PISF 主要被 PCF 使用在免竞争过程，有时被误解为优先性帧间隔。在免竞争时期，有数据传输的工作站可以等待 PISF 期间过后加以传送，其优先程度高于任何竞争式传输。

2.2 DCF与CSMA/CA

上面已经说过DCF主要是依赖CSMA/CA机制，这里介绍CSMA/CA机制。

1. CW：Contention window，竞争窗口是用来让节点选择随机回退计数值（backoff counter）的范围。
2. Backoff：随机回退过程是指每一个节点在竞争信道时，所经历的随机退避过程。在这一过程开始时，节点首先在竞争窗口中选择一个随机数为基准的随机回退计数值（backoff counter），然后每一个slot time(时隙)，节点会 “监听” 信道是否空闲，若信道空闲，那么进行一次倒数，即计数值减1，若信道忙，则不进行相应倒数。当该随机回退计数值回退到0时，节点可以发送数据。

以两个STA要发送数据为例，CSMA/CA的过程如下：

1. 当STA 1与STA 2存在数据，需要在竞争信道进行发送时，其首先需要 “等待” DIFS时间，若DIFS时间内，信道保持空闲状态，那么就可以进行backoff过程；
2. 若STA 1与STA 2进入backoff过程时，首先需要从竞争窗口（Contention window）选择一个随机数，
   在802.11协议中，默认的初始竞争窗口为31，即随机回退计数值的范围即是[0,31]；
3. 在backoff过程中，每经过一个slot time，STA会 “监听” 一次信道，若信道空闲，则相应的随机回退计数器的值减1。当STA的随机倒数计数器倒数至0时，STA竞争获得信道，从而可以发送数据；
4. 在AP接收到数据后，会采用CRC机制对数据进行校验，若校验通过，AP会在SIFS后，反馈ACK确认帧。
5. 当STA成功发送完数据， “等待” 了SIFS的时间之后，AP会向节点反馈ACK确认帧。当STA 成功接收到ACK帧之后，这一次传输完成；
6. 当这个STA传输完成后，该STA需要再次 “等待” DIFS的时间后，重新开始backoff过程；
7. 重新开始backoff时，为了保证网络传输的公平性：
   (1) 若STA刚刚发送完数据，那么在backoff过程开始时，需要重新从竞争窗口中选择一个随机数进行倒数；
   (2) 若STA没有发送数据，那么直接从上一次的倒数结果继续倒数 。

如果两个STA选取的backoff counter冲突了，怎么办？
-> 会进行BEB(二进制指数退避)，即发生一次冲突后，STA1和STA2的CW范围就会从[0,31]变化到[0,63]，然后两个STA再重新在CW中选择。在802.11中，一共允许回退6次，第7次不倍增窗口，再次尝试重发，若再次失败，则丢包。(下图取自《CWNA®Certified Wireless Network Administrator Official Study Guide Fourth Edition》)

如果两个STA发送的数据冲突了，会如何？
-> 由于AP处于两个节点的信号互相干扰中，从而都无法正确解码，从而CRC校验错误。
在冲突之后，即若AP处CRC校验失败，则不会给任意节点反馈ACK数据包，故两节点在ACK timeout之后，准备进入下一次竞争。

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[参考]
1.《IEEE 802.11-2016
IEEE Standard for Information technology–Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks–Specific requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications》
2. 《 CWNA®Certified Wireless Network Administrator Official Study Guide Third Edition》
3. 《OReilly-802.11_Definitive Guide》802.11无线权威指南
4. https://www.zhihu.com/people/edward_xu