[置顶] 3.802.11协议笔记：CSMA/CD与CSMA/CA

序言

在前一份文档中，我们详细记录了有关802.11中DCF模式以及其核心CSMA/CA的一些内容与细节。对比无线网络，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，比如千M网络，则采用全双工技术以代替CSMA/CD。

本文主旨是希望能理清CSMA/CD和CSMA/CA的关系与区别。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，对比前一份文档，我们分析CSMA/CD和CSMA/CA的区别。

注：本文中有关有线网络的理论很多参考自《Ethernet:The Definitive Guide》。

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如CSMA/CD与CSMA/CA这样的具体协议。CSMA可以分成以下三种：

• 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，其最初的思想很简单：“一个aloha节点只要有数据的话，该节点就可以立即发送。当该节点数据发送完之后，其需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。如果没有收到ACK的话，那么这一次传输失败。该aloha节点会认为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。若冲突节点回退完成，其才可以重新进行发送"。

实际上从初始的aloha协议中，我们就可以看到现在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"。

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

• 1-persistentes CSMA：“节点需要持续监听信道，一旦节点发现信道空闲后，则立刻发送数据。”。
  
• 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闲，则立刻发送数据。”
  
• p-persistentes CSMA：“节点需要持续监听信道，一旦发现信道空闲后，节点以p的概率立刻发送数据，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概率可以理解成抛骰子赌大小，如果抛大，那么就发送，反之不发送。其中抛大的概率就是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，我们具体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，即基于冲突检测的载波监听多路访问技术。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，目前CSMA/CD的应用场景少了很多，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，加入了CD（Collision Detection）的机制。冲突检测，即CD的机制主要是用来发现冲突，并解决冲突的。我们下面描述CSMA/CD的具体工作机制：

“节点发送数据之前需要持续监听信道，一旦节点发现信道空闲，则立刻发送数据。在发送数据的同时，节点持续监听信道，"探测" 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测到别的节点的传输，那么成功传输。在成功传输后，节点需要等待帧间间隔IFG（interframe gap）时间后，可以进行下一次传输。

若在传输过程中，探测到别的节点也在传输，那么则检测到冲突。发生冲突后，节点立刻停止当前的传输，并且发送特定的干扰序列（JAM序列），用以加强该次冲突（用以保证其余所有节点都检测到该次冲突），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完成之后，节点可以尝试再次重传”。

在上述的描述中，我们可以发现，CSMA/CD和1-坚持CSMA是非常相近的，与传统的aloha相比，CSMA/CD不仅仅添加了LBT的机制，还引入了冲突检测（Collision Detection）机制，用以在传输中立刻发现冲突，而不是依靠ACK的反馈来判断是否有冲突发生，从而提高网络效率。在CSMA中，我们还需要描述一些细节内容：

• 载波检测（CS：carrier sense）：在有线网络中，载波检测实际上即是接收信道上的信息，并加以解析。用这种方式判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。其中载波检测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。
• 冲突检测（CD：collision detection）：在一些理论中，介绍冲突检测为“发送的同时，接收同一个信道上的数据，并比较发送数据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。在一些工程介绍中，介绍检测冲突的方法是“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），冲突检测是在同一个接收段收发器中，借助同时发生在传输和接收数据路径上的活动来完成的。在同轴电缆介质上，收发器通过检测同轴电缆的DC（即直流信号）信号等级来检测冲突。当两个或者多个基站同时传输时，同轴上的平均DC电压可达到触发同轴收发器中的冲突检测电压等级。同轴收发器连续检测同轴电缆上的平均电压等级，若平均电压等级表明，有多个基站同时传输内容后，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测时间较长，多出的时间包含了根据10Mbps以太网上总信号延迟算出的时间（即包含了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，同时时隙被定义为512bit在10Mbps或100Mbps网络的发送时间。在有线网络中选择为512bit作为一个时隙的参考值，是考量了为发送信号到对端的最大往返时间。该最大往返时间包含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.即确保对方能检测到你，2.并且反馈的JAM信号也能通知到你。同时，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能够传播的距离大约是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，对比有线网络的双绞线长度（大约100米）而言，这些参数还是可以接受的。在1000Mbps网络以及其上，都是默认物理层采用全双工模式的，若还是采用CSMA/CD的模式，那么这里的时隙长度会被定义为512byte的长度，不过目前这个可能是学术上的用法，而非协议的定稿。
• 重传机制（Backoff与BEB机制）：若节点检测到冲突发生在前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是采用BEB（二进制指数回退算法），即在一个随机窗口内，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，随机窗口放大一倍，在第11次到第16次过程中，依然进行回退，并尝试重新发送数据包，但是不放大窗口大小，第17次若失败，则丢包。按照一般情况下，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。不过比如时间不同步这样的一些情况出现，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，对比我们前一次叙述的CSMA/CA，我们总结这两者之间的联系和区别。

• 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需要进行监听。当发现信道空闲后，其才可以进行接入。
  
• 区别：
  • 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，一旦发现信道空闲，则立刻传输。
    • CSMA/CA是边进行backoff回退过程边进行监听，若信道空闲则进行backoff，否则挂起随机倒数计数器。只有当backoff counter（即随机倒数计数器）回退至0时，其才可发送数据。
  • 在冲突检测上：
    • CSMA/CD中是采用冲突检测+JAM机制，即边发送边监听实时信道状态，可以在传输过程中，实时判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：
    • 由于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，则信道空闲，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，同时在物理载波监听中，还分为能量检测（Energy Detection）和载波感知（Carrier sense）。同时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。详细的一些内容可以参考上一篇有关DCF和CSMA/CA的文章。
  • 在回退（backoff）机制上：
    • 在CSMA/CD中，回退只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，该随机事件具体是时隙乘以回退窗口内的一个随机数。其中为了避免多次冲突的问题，在每一次冲突后，节点的回退窗口也会执行BEB算法，即将回退窗口进行翻倍。在CSMA/CD中，回退一共可以进行16次，其中，第1~9次存在会对回退窗口进行翻倍，在第10~16次中，窗口大小不变（窗口最大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需要进行backoff过程。在CSMA/CA的backoff过程中，节点会在每一个slot中对信道进行监听（这里包含物理载波监听和虚拟载波监听），若信道监听为空闲，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，只有当该计数值为0时，节点才可以发送数据。在CSMA/CA中，若发生冲突后，对竞争窗口（Contention Window）进行BEB操作，在1~6次中，窗口大小翻倍，第6次时，窗口大小不变（窗口最大也是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，比如在10M/100M网络中，时隙为512位在10M/100M网络下对应传输的延迟。
    • 在CSMA/CA中，时隙中包含三个方面的内容，即传播延迟，信道检测（CCA）以及收发天线转换。时隙时间具体与其对应的802.11协议版本有关，比如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，捕获效应是指由于信号功率的不同，比如有两个节点同时向接收方发送数据，其中一者信号强度大（即SNR大），一者信号强度小（即SNR小）。在这种情况下，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，那么其是可以解调，即这次传输可以是成功的。直观的理解，我们可以认为一个大嗓门和一个小嗓门同时说话，那么我们是可以听清楚大嗓门的。

以上是总结的一些笔者理解CSMA/CA和CSMA/CD的区别，其他还存在的一些区别，比如在802.11DCF模式中所采用的RTS/CTS机制，在有线网中就不存在或者对应存在区别，在此就不再一一赘述了。

注：在上述的讨论中，有线网络的部分知识主要是源于《Ethernet:The Definitive Guide》，而无线网络的部分主要来源于笔者的研究经历，在无线网络中，也有想要实现类似于有线网络的CSMA/CN的工作机制，笔者的一部分工作也是来源于此，有兴趣可以自行阅读。以上讨论中，如果存在错误，还请见谅。