CSMACA和CSMACD協(xié)議詳情

1、1、引言在LAN中，站點檢測其他站點在干什么，從而相應的調(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 Collisi on Detection)。CSMA/CD 協(xié)議是對 ALOHA協(xié)議的改進，它確保網(wǎng)絡節(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 Coll

2、ision Avoidanee)。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

3、隨機的一段時間。 它有更好的信道利用率，但導致更長延遲.3、p-持續(xù)CSMA :它應用于分槽信道，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.il 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

4、證傳輸介質(zhì)有序、高效地為 許多節(jié)點提供傳輸服務，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 Detec)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。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。它們不應該再

5、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 應該立即停止傳送數(shù)據(jù)。快速地終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，技術上易實現(xiàn)，網(wǎng)絡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

6、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容：偵聽、發(fā)送、檢測、沖突處理（1）偵聽：通過專門的檢測機構，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，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)

7、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一一退避算法。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

8、的退避間隔時 間，貝幷艮容易產(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51.2uso對 于10Mb/s的以太網(wǎng)，在爭用期可以發(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

9、位 與數(shù)據(jù)率密切相關。b、從離散的整數(shù)集合0, 1，(2?- 1)中隨機取一個數(shù)，記為r。重傳應 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10oc、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

10、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)絡的可 用性檢測。在 802.3協(xié)議中，是由一種稱為 CSMA/CD(Carrier Sense Multipl

11、e 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) 絡設備需要進行數(shù)據(jù)傳送時網(wǎng)絡上的沖突。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 Acc

12、ess with Collision Avoidanee)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 Access with Collisi on Avoidanee, 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。可以滿足那些不易準確偵測是否有沖突發(fā)生的需求，如無線

13、局域網(wǎng)。CSMA/CA協(xié)議主要使用兩種方法來避免碰撞：a設備欲發(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 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。此方案應用于，無線局域網(wǎng)的IEEE 802.11 標

14、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 約。下面為了方便解釋這種技術的主要原理請大家先看圖1-1。A的傳箱范曲B的伶刪S圍価)A發(fā)送RTS幀 BlfWKTS 幀圖2-1 CSMA/CA協(xié)議中的RTS和CTS幀 在圖2-1中：站B、站C、站E在站A的無線信號覆蓋的圍。而站 D不在其。站A、站E、站D在站

15、B的無線信號覆蓋的圍，但站 C不在其。 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回應一個允許發(fā)送幀CTS(Clear To $6門4)3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。對于站C,站C處于站A的無線傳輸圍，但不在站B的無線傳輸圍。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

16、 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，應在站B隨后接收數(shù)據(jù)幀的 時間關閉數(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

17、 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標準設計了獨特的MA

18、C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)絡協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡中，會發(fā)出信標給 所有的可感應節(jié)點，而對于有數(shù)據(jù)需傳送的設備來說，它們會向網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器要求 進行傳送，由于在一個時間只能有一個設備進行傳輸，因此所有想要傳輸?shù)墓?jié)點設備就會通過CSMA/CA機制來競爭傳輸媒體的使用權。所有準備傳輸數(shù)據(jù)的設 備，會監(jiān)測目前的無線傳輸媒體是否有其他設備在使用中，如果為宅閑，此時， 這些設備會產(chǎn)生一個倒退延遲時間，來錯開這些設備同時送出數(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，則這些設備將會在監(jiān)測到媒體為空 閑后，再進行CSMA/

19、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 win dow len gth）:也就是后退延遲時間的長度，單位是Ba

20、ckoff, 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）:取值圍為05, 15.4推薦的默認值為3,最大值為5。當BE設為0時，則 只進行一次碰撞檢測。在中，失敗的次數(shù)（重傳）最多3次。圖2.19 是CSMA/CA算法流程；其中在步驟 是完成CCA的部分。3.4、無線網(wǎng)絡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)

21、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：341 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。遠近效應存在于點到多點環(huán)境，一個基站對應多個移動終端，假設終端發(fā)射

22、 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)絡拓撲圖1假設由于信號覆蓋的圍問題，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)臋嗬?.4.3 暴露站問題(exposed stati

23、on problem)拓撲：AP1-AP2-AP3-AP4圖3.3無線網(wǎng)絡拓撲圖2假設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貝U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CS