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  • 一、 CSMA/CA 协议 ( 非重点、仅作了解 )、 二、CSMA/CA 协议工作原理、 三、 CSMA/CD 协议 不能用于 无限局域网 的原因、 四、 CSMA/CD 协议CSMA/CA 协议对比、





    一、 CSMA/CA 协议 ( 非重点、仅作了解 )



    CSMA/CA 协议 :

    ① 全称 : Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance , 载波监听多点接入 / 碰撞避免 协议 ;

    ② CS : Carrier Sense , 载波监听 , 每个站点 发送数据前 , 和 发送数据过程中 , 先检测总线上是否有其它 站点 在发送数据 ;

    ③ MA : Multiple Access , 多点接入 , 多个 主机 连接在同一条 总线 上 ; 该协议 应用于 总线型网络 中 ;

    ④ CA : Collision Avoidance , 碰撞避免 ;



    随机访问 介质访问控制 协议 对比 :

    • ALOHA 协议 , 不听就说 ;

    • CSMA 协议 , 先听再说 ;

    • CSMA/CD 协议 , 先听再说 , 边听边说 ;

    • CSMA/CA 协议 , 先听再说 , 边听边说 ;





    二、CSMA/CA 协议工作原理



    CSMA/CA 协议工作原理 :

    ① 检测信道 : 发送数据前 , 检测信道是否空闲 ;

    ② 信道空闲 : 发出 RTS ( Request To Send ) , RTS 包括 发射端地址 , 接收端地址 , 发送持续时间 等信息 ;

    ③ 信道忙 : 等待 ;

    ④ 接收端收到 RTS : 发送 CTS ( Clear To Send ) 响应 ;

    ⑤ 发送端收到 CTS : 同时执行以下两个操作 ;

    • 发送数据 : 开始发送数据帧 ;
    • 预约信道 : 告知其它站点 , 自己要传输数据 , 并给出传输时间 ;

    ⑥ 接收方接收到数据后 , 使用 CRC 循环冗余校验码 校验 数据是否正确 , 如果数据正确 , 返回 ACK 确认帧 ;

    ⑦ 发送方接收到 ACK 确认帧 后 , 才进行下一帧的发送 , 如果没有收到 , 则一直重传 , 直到 16 16 16 次失败为止 ; ( 二进制指数退避算法 )


    三种机制 :

    • RTS/CTS 帧
    • 预约信道
    • ACK 帧




    三、 CSMA/CD 协议 不能用于 无限局域网 的原因



    CSMA/CD 协议 不能用于 无限局域网 的原因 :

    ① 无法进行 360 360 360 度信道碰撞检测 : 在无限局域网中 , 无限信号 360 360 360 度发送 , 是无法检测所有方向的碰撞的 ;

    ② 隐蔽站 问题 :

    • A , C A,C A,C 站点 , 要给 B B B 站点发送数据 , 发送前检测信道 , 如果 A , C A,C A,C 都检测不到信号 , 认为信道空闲 , 同时向 B B B 发送数据 , 此时就会导致冲突 ;

    • 如果 A A A 要给 B B B 发送数据 , C C C 没有检测到信号 , 此时强行给 B B B 发送数据 , 就会导致冲突 ;





    四、 CSMA/CD 协议 与 CSMA/CA 协议对比



    CSMA/CD 协议 与 CSMA/CA 协议 相同点 :

    ① 都要监听 : 数据发送前 , 都要先进行监听 ; 信道空闲后 , 才能接入 ;

    ② 冲突后的处理方式 : 都使用 截断二进制指数规避算法 进行重传 ;



    CSMA/CD 协议 与 CSMA/CA 协议 不同点 :

    ① 传输介质不同 :

    • 无线网 : CSMA/CA 协议 用于 无线局域网中 ;

    • 有线网 : CSMA/CD 协议 用于 总线型 以太网 中 ;

    ② 监听方式不同 :

    • CSMA/CD 协议 监听 有线信道 中的电压变化 ;
    • CSMA/CA 协议 采用 能量检测 ( ED ) , 载波检测 ( CS ) , 能量载波混合检测 , 三种方式检测信道是否空闲 ;

    ③ 对于冲突的处理 :

    • CSMA/CD 协议 检测冲突 ;

    • CSMA/CA 协议 避免冲突 ;

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  • CSMA/CD协议原理与例题

    千次阅读 2020-11-25 22:06:26
    CSMA/CD协议 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/collision detection,带有冲突检测的载波侦听多路存取)是IEEE 802.3使用的一种媒体访问控制方法。从逻辑上可以划分为两大部分:数据链路层的媒体访问控制子层...

    CSMA/CD协议
    CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/collision detection,带有冲突检测的载波侦听多路存取)是IEEE 802.3使用的一种媒体访问控制方法。从逻辑上可以划分为两大部分:数据链路层的媒体访问控制子层(MAC)和物理层。它严格对应于ISO开放系统互连模式的最低两层。LLC子层和MAC子层在一起完成OSI模式的数据链路层的功能。
    CSMA/CD的基本原理是:所有节点都共享网络传输信道,节点在发送数据之前,首先检测信道是否空闲,如果信道空闲则发送,否则就等待;在发送出信息后,再对冲突进行检测,当发现冲突时,则取消发送。
    工作原理
    CSMA/CD的基本原理是:每个节点都共享网络传输信道,在每个站要发送数据之前,都会检测信道是否空闲,如果空闲则发送,否则就等待;在发送出信息后,则对冲突进行检测,当发现冲突时,则取消发送。我们可以借助于生活中的一个例子来解释:假设有这一层楼,两旁住了几十户人,中间只有一条仅供一人同行的走道。我们看情况会怎么样:①当这些住户要经过走道出来时,首先探出头来看看走道上有没有人(这就是载波监听),如果没有,就通过走道出来;②如果走道上有人走,那么就一直盯着走道,直到走道上没人时再出来(1-坚持监听算法);③如果有两人同时看到走道上没有人,而同时走向走道(冲突检测),则两个人发现时就马上回到自己屋里。在整个协议中最关键的是载波监听、冲突检测两部分。
    优缺点
    CSMA/CD控制方式的优点是:
    原理比较简单,技术上易实现,网络中各工作站处于平等地位 ,不需集中控制,不提供优先级控制。但在网络负载增大时,发送时间增长,发送效率急剧下降。
    例题
    某局域网采用CSMA/CD协议实现介质访问控制,数据传输速率是 10 Mbps,主机甲和主机乙之间的距离是 2 km,信号传播速度是 200000 km/s。若主机甲和主机乙发送数据时发生冲突,则从开始发送数据时刻起,到两台主机均检测到冲突时刻止,最短需经过多长时间?最长需经过多长时间(假设主机甲和主机乙发送数据过程中,其他主机不发送数据)?
    解:CSMA/CD协议是带载波监听带冲突检测的1-坚持访问控制协议,两个主机同时
    发送数据时两个主机检测到冲突的时间最短,需要2km/2*10^5 km/s = 10μs,而
    在甲(乙)主机监测到信道空闲时发送数据帧,在数据帧到达乙(甲)前的一瞬间,
    乙(甲)主机也开始发送数据帧,此时两个主机均检测到冲突需要20μs,此时用时最长。

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  • 一、 CSMA 协议 ( 载波监听多路访问协议 )、 二、 CSMA 协议 监听、 三、 1-坚持 CSMA、 四、 非坚持 CSMA、 五、 p-坚持 CSMA、 六、 三种协议对比、





    一、 CSMA 协议 ( 载波监听多路访问协议 )



    CSMA 协议 :

    ① 全称 : Carrier Sense Multiple Access , 载波监听多路访问协议 ;

    ② CS : Carrier Sense , 载波监听 , 每个站点 发送数据前 , 先检测总线上是否有其它 站点 在发送数据 ;

    ③ MA : 多点接入 , 多个 主机 连接在同一条 总线 上 ;


    ALOHA 协议 与 CSMA 协议 对比 :

    • ALOHA 协议 , 不听就说 ;

    • CSMA 协议 , 先听再说 ;





    二、 CSMA 协议 监听



    CSMA 协议 思想 : 发送数据帧前 , 先监听信道 ;



    监听方法 :

    ① 电压摆动值 : 当 几个 站点 同时向 总线 发送数据时 , 总线上的 信号 电压摆动值 增加 ;

    ② 冲突识别 : 当 站点 检测到 信号电压摆动值 超过一定 阈值 时 , 认为 总线上 至少有 2 2 2 个站点在同时发送数据 , 此时产生了冲突 ;



    监听结果 :

    ① 信道空闲 : 发送完整帧 ;

    ② 信道忙 : 推迟发送 ;


    根据监听结果 , 有如下不同的处理方案 :

    • 1-坚持 CSMA
    • 非坚持 CSMA
    • p-坚持 CSMA




    三、 1-坚持 CSMA



    "坚持" 概念 : 监听信道后 , 信道处于忙状态 , 之后的 “坚持” 监听操作 ;


    "1-坚持 CSMA" 运行机制 :

    ① 信道监听 : 如果 主机 想要发送消息 , 先监听信道 ;

    ② 信道空闲 : 直接传输 ;

    ③ 信道忙 : 一直监听 , 空闲后 , 马上传输 ;

    ④ 监听超时 : 如果 一段时间内没有收到信道空闲的回复 , 那么等待随机时长后 , 继续监听 , 重复上述过程 ;


    1-坚持 CSMA 特点 :

    ① 优点 : 信道利用率高 , 只要信道空闲 , 站点就可以发送数据 ;

    ② 缺点 : 如果有 多个 站点要发送数据 , 就会发生冲突 ;





    四、 非坚持 CSMA




    "非坚持" 概念 : 监听信道后 , 信道处于忙状态 , 之后的 “不再坚持” 监听操作 ;


    "1-坚持" 和 “非坚持” 都是针对信道忙时的处理 ;


    "非坚持 CSMA" 运行机制 :

    ① 信道监听 : 如果 主机 想要发送消息 , 先监听信道 ;

    ② 信道空闲 : 直接传输 ;

    ③ 信道忙 : 那么等待随机时长后 , 继续监听 , 重复上述过程 ;


    非坚持 CSMA 特点 :

    ① 优点 : 随机时间后 , 监听重发机制 , 减少发生冲突的可能性 ;

    ② 缺点 : 可能存在所有站点都在等待的场景 , 此时信道处于空闲状态 , 信道利用率降低 ;





    五、 p-坚持 CSMA




    "p-坚持" 概念 : 监听信道后 , 信道处于空闲状态 的处理 ;


    "p-坚持 CSMA" 运行机制 :

    ① 信道监听 : 如果 主机 想要发送消息 , 先监听信道 ;

    ② 信道空闲 : p 概率传输 ; 1 − p 1 - p 1p 概率 等待到下一个时间槽再传输 ;
    p = 80 p=80% p=80 , 如果信道空闲 , 站点有 80% 的概率马上发送 , 有 20% 的概率下一次发送 ;

    ③ 信道忙 : 那么等待随机时长后 , 继续监听 , 重复上述过程 ;


    非坚持 CSMA 特点 :

    ① 优点 : 既能像 “非坚持 CSMA 协议” 那样减少冲突 , 又可以将 “1-坚持 CSMA 协议” 那样减少媒体空闲时间 ;

    ② 缺点 : 如果发生冲突后 , 坚持将数据帧发送完毕 , 这样就造成了浪费 ;





    六、 三种协议对比



    信道空闲处理 :

    ① 1-坚持 CSMA 协议 : 马上发送数据 ;

    ② 非坚持 CSMA 协议 : 马上发送数据 ;

    ③ p-坚持 CSMA 协议 : p p p 概率马上发送 , 1 − p 1-p 1p 概率下一个时隙发送 ;


    信道忙处理 :

    ① 1-坚持 CSMA 协议 : 继续坚持监听 ;

    ② 非坚持 CSMA 协议 : 放弃监听 , 等待随机时间后监听 ;

    ③ p-坚持 CSMA 协议 : 放弃监听 , 等待随机时间后监听 ;

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  • CSMA/CA协议工作原理

    千次阅读 2020-08-31 15:45:44
    无线局域网CSMA/CA协议的研究与实现[D].成都理工大学,2016. 2.1 无线局域网的组成 为了更好地描述CSMA/CA协议,稍微介绍无线局域网的背景知识,阅读时可选择性跳过。 802.11 标准是个非常丰富的无线网络标准。它...

    参考资料
    [1]罗浪. 无线局域网CSMA/CA协议的研究与实现[D].成都理工大学,2016.

    2.1 无线局域网的组成

    为了更好地描述CSMA/CA协议,稍微介绍无线局域网的背景知识,阅读时可选择性跳过。

    802.11 标准是个非常丰富的无线网络标准。它规定无线局域网为星型拓扑结构,其中心点称作接入点 AP(Access Point),并把基本服务集 BSS(Basic Service Set)作为其最小构件。一个 BSS 又由一个固定基站和若干移动终端组成,其中固定基站就是上文所提到的接入点 AP。在 AP 被建立的同时,也必须为该服务集分配一个通信信道和一个服务集标识符(Service Set Identifier)(32 字节以内)。

    移动站点要和中心接入点建立关联可通过两种方式:一种是移动站点被动的等待接入点定期发出的探测帧(beacon frame);另一种是移动站点主动的试探性的向接入点发送请求帧,然后等待接入点的响应。全部的移动站点在自身所处的服务集内都能够直接相互传输数据,然而若要和其他服务集的移动站点互传数据,就只能够通过所处服务集的接入点 AP。一个基本服务集中全部移动站点所发射出的无线电波的覆盖区域就决定了该服务集的最大服务区域,并把这个区域称作为该服务集的基本服务区 BSA(Basic Service Area)。基本服务区 BSA 的范围一般不会太大,半径在 50 米以内。

    一个独立的基本服务集 BSS 是可以进行扩展的。要领即是利用本 BSS 的接入点 AP 使其连接到一个分配系统 DS(Distribution System)上,然后再连接到另一个基本服务集的接入点,这样就把两个相互独立的 BSS 相互连接起来了,从而构成了一个扩展的服务集ESS(Extended Service Set)。并且正是由于
    DS 的存在,使其看起来就仿佛一个BSS 一样。值得提醒的是,这两个基本服务集接入点之间是通过有线连接起来的。

    IEEE802.11 的基本服务集 BSS 和扩展的服务集 ESS 如图 2-1 所示:
    图2-6 802.11基本服务集BSS和扩展服务集ESS

    2.2 无线局域网的 MAC 层

    802.11 局域网的 MAC 层被制定得非常特别。该层处于物理层之上,包含分布协调功能 DCF(Distribute Coordination Function)点协调功能 PCF(Point Coordination Function) 两个子层。如图2-2 所示:
    在这里插入图片描述
    基本服务集 BBS 中的移动站不能随意的占用信道,必须通过 MAC 层中的协调功能(coordination function)来决定其在某特定时间是否有使用信道进行数据发送或接收的权利。

    DCF 协议规定了网络各站点必须通过争用的方式获得信道,进而获得数据发送和数据接收的权利。在每一个站点采用载波监听多点接入的分布式接入算法,即 CSMA/CA 协议的退避算法。 该机制适用于传输具有随机性的数据。DCF 是 MAC 层中必需的也是最主要的功能。

    PCF 子层位于 DCF 层之上,该层不是必须的。在 PCF 功能下各站点不必争用信道,而是交由接入点 AP 集中协调控制,按照特定的方式把享用信道的权利轮番赋予每个站点,以此杜绝碰撞的发生。由于接入点AP在自组网络中并不存在,因此在自组网络的MAC层中没有PCF子层。

    相比于 DCF 机制,PCF 机制目前使用较少,一般只使用于对实时性要求较高的业务。但两种机制可以交替配合使用。

    2.2.1 MAC 帧结构

    802.11 局域网的 MAC 帧结构(IEEEstd802.11, 2012)如图 2-3 所示,该图说明了 802.11 局域网 MAC 帧的主要字段。
    在这里插入图片描述

    2.2.2 常用的四种帧间间隔

    为尽可能的避免冲突,802.11 局域网还要求,各站点不能无间断的一直发送,每发完一帧都得经过一个特定的时长才能继续发送下一帧。并把这个特定的时长称作帧间间隔 IFS(Inter Frame Space)。802.11 共规定了四种长度的帧间间隔,分别是 SIFS(Short Inter Frame Space)PIFS(PCF Inter Frame Space)DIFS(DCF Inter Frame Space)EIFS(Extended Inter Frame Space),它们之间的长度关系如图 2-5 所示:
    在这里插入图片描述

    2.2.3 两种载波监听机制

    为尽可能的避免冲突,802.11中CSMA/CA协议采用了两种载波监听机制:物理载波监听(Physical Carrier Sense) 机制和 MAC 层的 虚拟载波检测(Virtual Carrier Sense) 机制。

    物理载波监听是物理层的直接载波监听,通过接收到的电信号来判断信道状态。它规定站点在建立通信之前必须先侦听信道状态,“听到”信道处于忙态的时候不能发送数据,除非信道空闲。

    虚拟载波监听是让源站点在所发送的数据帧首部中的“持续期字段”中写入一个时间值,以微秒为单位,表示在持续期时间内会占用信道。持续期时间包括ACK 的传输时间。这是因为无线信道的通信质量远不如有线信道的,且不采用碰撞检测,因此站点在一次通信中要收到目的站响应的 ACK 帧后才表示本次通
    信就此顺利完成。这叫做链路层确认。其他站点在检测到信道上数据帧中的“持续期”字段时,就重设自身的网络分配向量 NAV(network allocation vector)。NAV指出了信道忙的时间长度,这样站点就在知道接下来 NAV 时间内信道被占用,不能发送数据。“虚拟载波监听”之所以有“虚拟”二字,是因为实际上其他站点并没有监听信道,而只是由于这些站点被告知了信道忙才退避等待,表现得就好像都监听了信道一样。

    因此,当这两种机制中的任何一种机制“听到”信道忙,都表示信道忙,否则表示信道空闲。

    2.3 CSMA/CA 协议包含的两种通信方式

    CSMA/CA 协议包括了两种通信方式:一种是基本通信方式(basic access method),另一种是 RTS/CTS
    通信方式。

    2.4 CSMA/CA 协议及其退避算法

    CSMA/CA 协议规定,站点在进行通信之前,必须先监听信道状态:

    (1)若检测到信道空闲,则再等待一个 DIFS 后(如果这段时间内信道一直是空闲的)就开始发送 DATA 帧,并等待确认。

    (2)目的站若正确收到此帧,则在等待一个 SIFS 后,就向源站发送确认帧ACK。当发送站收到 ACK 帧就表示本次传输过程完成。

    (3)另外,在站点发送数据帧时,所有其他的站点都已经设置好了网络分配向量 NAV,在这整个通信过程完成前其他站点只能执行 CSMA/CA 的退避算法,随机选择一个退避时间,推迟发送。
    退避时间的选择方法如下:

    为了减少各个站点选择相同的退避时间的概率,802.11 标准规定,第 i i i 次退避的退避时间是在时隙个数 { 0 , 1 , . . . , 2 2 + i − 1 0,1, ... , 2^{2+i}-1 0,1,...,22+i1} 中随机地选择一个,并把 2 2 + i − 1 2^{2+i}-1 22+i1 称之为竞争窗口 C W ( C o n t e n t W i n d o w ) CW(Content Window) CW(ContentWindow)。由此可见,退避时间就等于所选择的时隙个数乘以时隙时间,是时隙时间的整数倍。当发生第一次退避时,也就是 i = 1 i=1 i=1,退避的时隙个数是在区间 { 0 , 1 , … , 7 0,1,…,7 017} 中随机地选择一个;当发生第二次退避时,也就是 i = 2 i=2 i=2,退避的时隙个数是在区间{ 0 , 1 , … , 15 0,1,…,15 0115}中随机地选择一个;以此类推,当时隙个数达到 255,也就是进行到第 6 次退避时,竞争窗口不再增大。也就是说,竞争窗口 C W CW CW 的值只能是{ 7 , 15 , 31 , 63 , 127 , 255 7,15,31,63,127,255 7153163127255} 中的一个。一般地,把 C W m i n CW_{min} CWmin 称之为最小竞争窗口, C W m i n = 7 CW_{min}=7 CWmin=7 ;把 C W m a x CW_{max} CWmax称之为最大竞争窗口, C W m a x = 255 CW_{max}=255 CWmax=255 C W m i n ≤ C W ≤ C W m a x CW_{min}≤ CW ≤ CW_{max} CWminCWCWmax

    (4)站点选择好退避时间就等效于设定好了一个退避计时器(backoff timer)。于是在计时器减小到零之前,站点会每经历一个时隙时间就检测一次信道状态。若检测到信道忙,则暂停倒计时;若检测到信道空闲,就表示先前的通信过程已完成,这时其他站点设置的 NAV 时间也就结束了。再经过一个 DIFS,争用窗口到来,退避计时器就从暂停处重新开始倒计时,在每个时隙的起始时刻减一,一旦退避计时器的时间减小到零就代表可以进行通信了,就开始发送整个数据帧。

    在争用窗口期间,由于可能不止一个站点要执行退避算法,因此争用信道的情况比较复杂。CSMA/CA 协议的退避机制如图 2-11 所示。
    在这里插入图片描述
    以上就是 CSMA/CA 协议及其退避算法的全部内容,情况很复杂,现作如下归纳:
    (1)如果站点最初要进行通信(而不是通信冲突后再进行重传),且发现信道是空闲的,在等待一个
    DIFS 后,就开始通信。

    (2)如果站点最初要进行通信、但发现信道忙,或者站点一次通信完成后要再继续通信的,再或者站点通信冲突要重传的,则站点执行 CSMA/CA 的退避算法,各自进行第 i i i 次退避。只要发现信道忙,就暂停倒计时;只要信道空闲,就继续倒计时。

    (3)站点退避计时器时间只要减少到零(这个时候信道一定是空闲的),就立即开始通信并等待确认。

    (4)发送站若收到确认,就表示通信过程顺利完成。这时如果想要继续通信,就再从步骤(2)开始。

    (5)若发送站没有收到确认,那么就要重传此帧。因此也要从步骤(2)开始,直到收到确认。除非已经超过重传次数的上限值,只能放弃重传。

    值得说明的是,当一个站最初想要建立通信连接,并且发现信道是空闲的,那么就直接开始通信,而不需要退避。除此以外的任何情形都得要执行退避算法。

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    千次阅读 2018-10-19 09:30:49
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空空如也

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