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  • 可设置多个节点,code旁有详细的注释,完美的图形显示,希望能帮到各位
  • CSMA/CD的动画演示

    2018-05-28 18:02:37
    CSMA/CD的动画演示,还有讲解。CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)即带冲突检测的载波监听多路访问技术(载波监听多点接入/碰撞检测)。
  • java CSMA/CD 协议模拟

    2019-04-02 13:27:05
    java CSMA/CD 协议模拟。 模拟计算机网络中的csma/cd协议,采用的是java语言。 java cama/cd
  • csma/ca和csma/cd的matlab仿真源代码带有详细的注释,载波侦听,随意设置节点数,带有炫酷的图形展示效果。
  • CSMA/CD-CSMA/CA

    2021-07-22 19:37:55
     由于以太网(Ethernet)成为现存局域网络结构的绝大多形式,CSMA/CD(Carrier Sense Multiple ACcess/Collision Detection)载波监测多址接人协议也成为局域网采用最多的MAC协议。CSMA/CD适宜于总线型.

    1.CSMA(载波侦听多路访问协议)

      CSMA 当其他节点检测到信道被占用时不发送数据。但是当数据发送完后其他节点同时检测到信道为空闲,之后又在同一时刻发送数据,可能再次产生冲突。

    2.CSMA/CD(带冲突检测的载波侦听多路访问协议)

      由于以太网(Ethernet)成为现存局域网络结构的绝大多形式,CSMA/CD(Carrier Sense Multiple ACcess/Collision Detection)载波监测多址接人协议也成为局域网采用最多的MAC协议。CSMA/CD适宜于总线型局域网拓扑结构的随机竞争型媒体访问控制。总线型网络允许同一时刻只有一个节点(Node)发送数据,一旦两个或以上节点同时发送数据,则会发生数据碰撞,数据不能正常发送和接收。CSMA/CD协议就是尽可能保证网络上同时只有一个节点发送数据,减小数据“碰撞”概率。

      CSMA/CD工作过程

      当MAC收到LLG发来的数据以后,首先监测网络电缆上是否具有数据,即载波传送。

      发送数据前 先侦听信道是否空闲 ,若空闲 则立即发送数据.在发送数据时,边发送边继续侦听.若侦听到冲突,则立即停止发送数据。等待一段随机时间(通过二进制指数回退算法),再重新尝试。

      先听后发,边发边听,冲突停发,随即延迟后重发

      CSMA/CD使用条件

      L/R >= 2*T(L为发送数据包的大小,R为带宽,T为从发送端到接收端的传播时延)。

    3.CSMA/CA协议(带冲突避免的载波侦听多路访问协议)

      CSMA作为随机竞争类MAC协议,算法简单而且性能丰富,所以在实际局域网的使用中得到了广泛的应用。但是在无线局域网中,由于无线传输媒体固有的特性及移动性的影响,无线局域网的MAC在差错控制、解决隐藏终端等方面存在应有别于有线局域网。因此WLAN与有线局域网所采用的CSMA备一定的差异。WLAN采用CSMA/CA(CSMA/Collision Avoidance)协议,其与CSMA/CD最大的不同点在于其采取避免冲突工作方式。

      与CSMA/CD不同,WLAN媒体访问控制(MAC)层采用的CSMA/CA(CSMA/Collision Avoidance)协议,由于在RF传输网络中冲突检测比较困难,所以该协议用避免冲突检测代替802.3协议使用的冲突检测,采用冲突避免机制尽量减小冲突碰撞发生的概率,以提高网络吞吐性能与迟延性能。协议使用信道空闲评估(CCA)算法来决定信道是否空闲,通过测试天线能量和决定接收信号强度RSSI来完成,并且使用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。数据加密与普通局域网的等同加密(WEP)算法一样,使用64位密钥和RC4加密算法。

      CSMA/CA工作过程

      当发射端希望发送数据时,首先检测介质是否空闲,若是介质为空闲时,送出RTS(Request To Send请求发送),RTS信号包括发射端的地址、接收端的地址、下一笔数据将持续发送的时间等信息,接收端收到RTS信号后,将响应短信号CTS(Clear To Send),CTS信号上也RTS内记录的持续发送的时间,当发射端收到CTS包后,随即开始发送数据包。接收端收到数据包后,将以包内的CRC(CyClic Redundancy Check,循环冗余校验)的数值来检验包数据是否正确,若是检验结果正确时,接收端将响应ACK包,告知发射端数据己经被成功地接收。当发射端没有收到接收端的ACK包时,将认为包在传输过程中丢失,而一直重新发送包。

    4.CSMA/CA与CSMA/CD的区别

      (1)载波检测方式:因传输介质不同,CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测,当数据发生碰撞时,电缆中的电压就会随着发生变化;而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。

      (2)信道利用率比较CSMA/CA协议信道利用率低于CSMA/CD协议信道利用率。但是由于无线传输的特性,在无线局域网不能采用有线局域网的CSMA/CD协议。信道利用率受传输距离和空旷程度的影响,当距离远或者有障碍物影响时会存在隐藏终端问题,降低信道利用率。

      具体最高的信道利用率与传输速率有关。在IEEE802.11b无线局域网中,在1Mb/s速率时最高信道利用率可到90%,而在11Mb/s时最高信道利用率只有65%左右。

    CSMA/CD是英文carrier sense multiple access/collision detected 的缩写,可把它翻成“载波侦察听多路访问/冲突检测”,或“带有冲突检测的载波侦听多路访问”。所谓载波侦听(carrier sense),意思是网络上各个工作站在发送数据前都要总线上有没有数据传输。若干数据传输 (称总线为忙),则不发送数据;若无数据传输(称总线为空),立即发送准备好的数据。所谓多路访问(multiple access)意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线,且发送数据是广播式的。所谓冲突(collision),意思是,若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据,在总线上就会产生信号的混合,哪个工作站都同时发送数据,在总线上就会产生信号的混合,哪个工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称数据冲突又称碰撞。为了减少冲突发生后又的影响。工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据,有没有在传输过程中与其它工作站的数据发生冲突,这就是冲突检测(collision detected)

    带冲突检测的CSMA(CSMA/CD:CSMA with Collision Detection):它一旦检测到冲突,立即终止当前传输中的帧,节省时间和带宽,并等待一段时间,重新尝试.它广泛用于LAN中MAC子层,是当前以太网LAN的基础. CSMA/CD 曾经用于各种总线结构以太网(bus topology Ethernet)和双绞线以太网(twisted-pair Ethernet)的早期版本中。现代以太网基于交换机和全双工连接建立,不会有碰撞,因此没有必要使用CSMA/CD

    CSMA
    CSMA,即载波监听多路访问协议。在采用CSMA协议的网络系统中,每个结点在发送数据之前,先监听信道是否为空闲状态,再根据监听的结果决定如何动作。

    CSMA主要分为四种协议:

    1-坚持 CSMA:当一个结点想要发送数据时,先监听一下信道,如果忙则继续等待,直到信道空闲。如果空闲则立即发送数据。
    非坚持CSMA :当一个结点要发送数据,先监听信道,如果空闲则立即发送数据,否则放弃监听,随机等待一段时间后再监听。
    p-坚持CSMA :当一个结点要发送数据,先监听信道,如果信道忙,则坚持监听到下一个时隙。如果信道空闲,则有p的概率发送数据,1-p的概率继续等待。

    CSMA/CD
    CSMA只在发送数据前检查是否冲突,而数据发送过程中是有可能冲突的,这时CSMA会继续将剩下的数据发送完,浪费时间、浪费带宽。

    所以出现了带有冲突检测的CSMA协议,即CSMA/CD。是对CSMA的改进,网络结点在发送数据时,边发送边监听,一旦发现有冲突,立即停止发送。

    这时候大家都不发送了,会产生一个争用时隙, 冲突的各结点在停止发送后,等待一段时间再监听信道,发现空闲信道则发送数据。 而当很多结点彼此都冲突时,则会产生一系列的争用时隙,在经过几轮竞争后,有一个结点发送数据成功。有数据要发送的结点将开始新一轮竞争。

    可以看出,其实CSMA/CD的工作周期就是传输周期、争用周期、空闲周期交替出现的一个过程。

    带冲突检测的CSMA(CSMA/CD:CSMA with Collision Detection):它一旦检测到冲突,立即终止当前传输中的帧,节省时间和带宽,并等待一段时间,重新尝试.它广泛用于LAN中MAC子层,是当前以太网LAN的基础. CSMA/CD 曾经用于各种总线结构以太网(bus topology Ethernet)和双绞线以太网(twisted-pair Ethernet)的早期版本中。现代以太网基于交换机和全双工连接建立,不会有碰撞,因此没有必要使用CSMA/CD。

    CSMA/CA
    CSMA/CA,带有冲突避免的载波多路访问协议,是对CSMA/CD协议的修改,把冲突检测改为冲突避免。

    主要用于无线局域网。

    为什么要冲突避免呢?

    在无线局域网中,每个移动的站点发送的范围可以看成是一个以本身为圆心的圆。这有可能会出现两个问题:

    隐蔽站问题

    A站点和C站点都想发送数据给B站点,但是A和C相距较远,都认为到B的信道是空闲的,就都向B发送数据,两个方向来的数据发生碰撞,那就有问题了
    暴露站问题

    ABCD四个站点,黄色和白色是B的传播范围,白色和蓝色是C的传播范围,B向A发送数据时,C想向D发送数据,这时候C发现信道是冲突的(因为B的传播信号是圆形范围的),于是选择了不向D发送数据,可是我们可以看到B向A发送数据并不影响C向D发送数据。这就造成了信道明明不忙,却也不能发送的问题。
    综合上面两个问题,CSMA/CA协议,要求每个发送站点在发送帧数据之前,先监听信道,空闲则发送,但是发送完一帧后,必须等待一个短时间间隔,这个间隔称为帧间间隔,检查接受站点是否发回帧确认。若没有确认,则认为发送失败,重发该帧。

    CSMA/CA中需要用到以下三种帧间间隔

    SIFS=用于分隔一次对话的各帧
    PIFS=SIFS+一个时隙时间长度
    DIFS=PIFS+一个时隙时间长度

    时隙时间长度,指的是在某一个站在某一个时隙开始接入到信道时,那么在下一个时隙开始时,其他站能检测出信道变成非空闲的时间
     

    dix 的ethernet标准,ieee 802.3使用的都是 csma/cd , csma/ca用于无线网络,比如802.11。
    csma/cd是带有冲突检测的载波侦听夺路访问;
    csma/ca是带有冲突避免的载波侦听夺路访问。

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  • CSMA/CDCSMA/CA

    2021-07-11 23:12:54
    採用了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,比方千M网络,则採用全双工技术以取代CSMA/CD。 本文主旨是...

    对照无线网络,有线网络的集线器和中继器设计中。採用了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,比方千M网络,则採用全双工技术以取代CSMA/CD。

    本文主旨是希望能理清CSMA/CD和CSMA/CA的关系与差别。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,对照前一份文档,我们分析CSMA/CD和CSMA/CA的差别。

    注:本文中有关有线网络的理论非常多參考自《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方CSMA/CD与CSMA/CA这种详细协议。

    CSMA能够分成下面三种:

    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,其最初的思想非常easy:“一个aloha节点仅仅要有数据的话,该节点就能够马上发送。当该节点数据发送完之后。其须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。假设没有收到ACK的话,那么这一次传输失败。该aloha节点会觉得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。
    若冲突节点回退完毕。其才干够又一次进行发送"。

    实际上从初始的aloha协议中。我们就能够看到如今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暇的,假设信道不是空暇的话。那么就不发送数据,等待一会再进行尝试。仅仅有确保是空暇的情况下,才干够发送数据,从而避免打断其它节点正在进行的传输过程"。

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

    1-persistentes CSMA:“节点须要持续监听信道。一旦节点发现信道空暇后,则立马发送数据。”。

    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暇,则立马发送数据。”
    p-persistentes CSMA:“节点须要持续监听信道,一旦发现信道空暇后,节点以p的概率立马发送数据。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概率能够理解成抛骰子赌大小,假设抛大,那么就发送,反之不发送。当中抛大的概率就是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,我们详细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,即基于冲突检測的载波监听多路訪问技术。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。眼下CSMA/CD的应用场景少了非常多,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。增加了CD(Collision Detection)的机制。冲突检測。即CD的机制主要是用来发现冲突。并解决冲突的。

    我们以下描写叙述CSMA/CD的详细工作机制:

    “节点发送数据之前须要持续监听信道。一旦节点发现信道空暇,则立马发送数据。在发送数据的同一时候,节点持续监听信道,“探測” 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測到别的节点的传输,那么成功传输。

    在成功传输后,节点须要等待帧间间隔IFG(interframe gap)时间后。能够进行下一次传输。

    若在传输过程中,探測到别的节点也在传输,那么则检測到冲突。发生冲突后,节点立马停止当前的传输。而且发送特定的干扰序列(JAM序列),用以加强该次冲突(用以保证其余全部节点都检測到该次冲突),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完毕之后。节点能够尝试再次重传”。

    在上述的描写叙述中,我们能够发现,CSMA/CD和1-坚持CSMA是很相近的,与传统的aloha相比,CSMA/CD不只加入了LBT的机制。还引入了冲突检測(Collision Detection)机制,用以在传输中立马发现冲突。而不是依靠ACK的反馈来推断是否有冲突发生,从而提高网络效率。

    在CSMA中。我们还须要描写叙述一些细节内容:

    载波检測(CS:carrier sense):在有线网络中,载波检測实际上即是接收信道上的信息,并加以解析。用这种方式推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。当中载波检測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。
    冲突检測(CD:collision detection):在一些理论中,介绍冲突检測为“发送的同一时候,接收同一个信道上的数据,并比較发送数据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project介绍中。介绍检測冲突的方法是“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)。冲突检測是在同一个接收段收发器中,借助同一时候发生在传输和接收数据路径上的活动来完毕的。
    在同轴电缆介质上,收发器通过检測同轴电缆的DC(即直流信号)信号等级来检測冲突。当两个或者多个基站同一时候传输时,同轴上的平均DC电压可达到触发同轴收发器中的冲突检測电压等级。同轴收发器连续检測同轴电缆上的平均电压等级,若平均电压等级表明。有多个基站同一时候传输内容后。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測时间较长,多出的时间包括了依据10Mbps以太网上总信号延迟算出的时间(即包括了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。同一时候时隙被定义为512bit在10Mbps或100Mbps网络的发送时间。在有线网络中选择为512bit作为一个时隙的參考值。是考量了为发送信号到对端的最大往返时间。该最大往返时间包括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.即确保对方能检測到你,2.而且反馈的JAM信号也能通知到你。同一时候。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可以传播的距离大约是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,对照有线网络的双绞线长度(大约100米)而言,这些參数还是可以接受的。
    在1000Mbps网络以及其上,都是默认物理层採用全双工模式的。若还是採用CSMA/CD的模式。那么这里的时隙长度会被定义为512byte的长度,只是眼下这个可能是学术上的使用方法。而非协议的定稿。

    重传机制(Backoff与BEB机制):若节点检測到冲突发生在前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是採用BEB(二进制指数回退算法),即在一个随机窗体内。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,随机窗体放大一倍,在第11次到第16次过程中。依旧进行回退,并尝试又一次发送数据包。可是不放大窗体大小。第17次若失败,则丢包。依照普通情况下,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。
    只是比方时间不同步这种一些情况出现。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。对照我们前一次叙述的CSMA/CA,我们总结这两者之间的联系和差别。

    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须要进行监听。当发现信道空暇后,其才干够进行接入。

    差别:
    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,一旦发现信道空暇,则立马传输。
    CSMA/CA是边进行backoff回退过程边进行监听。若信道空暇则进行backoff。否则挂起随机倒数计数器。
    仅仅有当backoff counter(即随机倒数计数器)回退至0时,其才可发送数据。

    在冲突检測上:
    CSMA/CD中是採用冲突检測+JAM机制。即边发送边监听实时信道状态,能够在传输过程中,实时推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:
    因为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,则信道空暇,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,同一时候在物理载波监听中,还分为能量检測(Energy Detection)和载波感知(Carrier sense)。
    同一时候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。具体的一些内容能够參考上一篇有关DCF和CSMA/CA的文章。

    在回退(backoff)机制上:
    在CSMA/CD中,回退仅仅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,该随机事件详细是时隙乘以回退窗体内的一个随机数。当中为了避免多次冲突的问题,在每一次冲突后。节点的回退窗体也会运行BEB算法,即将回退窗体进行翻倍。
    在CSMA/CD中,回退一共能够进行16次。当中。第19次存在会对回退窗体进行翻倍。在第1016次中,窗体大小不变(窗体最大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须要进行backoff过程。在CSMA/CA的backoff过程中,节点会在每个slot中对信道进行监听(这里包括物理载波监听和虚拟载波监听)。若信道监听为空暇,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,仅仅有当该计数值为0时,节点才干够发送数据。
    在CSMA/CA中,若发生冲突后,对竞争窗体(Contention Window)进行BEB操作,在1~6次中,窗体大小翻倍,第6次时。窗体大小不变(窗体最大也是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,比方在10M/100M网络中。时隙为512位在10M/100M网络下相应传输的延迟。
    在CSMA/CA中。时隙中包括三个方面的内容,即传播延迟。信道检測(CCA)以及收发天线转换。时隙时间详细与其相应的802.11协议版本号有关,比方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,捕获效应是指因为信号功率的不同。比方有两个节点同一时候向接收方发送数据。当中一者信号强度大(即SNR大)。一者信号强度小(即SNR小)。
    在这样的情况下。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。那么其是能够解调,即这次传输能够是成功的。直观的理解。我们能够觉得一个大嗓门和一个小嗓门同一时候说话,那么我们是能够听清楚大嗓门的。

    以上是总结的一些笔者理解CSMA/CA和CSMA/CD的差别。其它还存在的一些差别,比方在802.11DCF模式中所採用的RTS/CTS机制,在有线网中就不存在或者相应存在差别,在此就不再一一赘述了。

    转自博客园

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  • 非持续CSMA(英语:non-persistent CSMA)  当要发送帧的设备侦听到线路忙或发生冲突时,会随机等待一段时间再进行侦听;若发现不忙则立即发送;此策略可以减少冲突,但会导致信道利用率降低,以及较长的延迟。...

    转载自:https://www.cnblogs.com/aixin0813/p/3289183.html

     

    1.1  载波侦听多路访问

    根据具体的监听/发送策略,可将CSMA分为:

    非持续CSMA(英语:non-persistent CSMA) 

    当要发送帧的设备侦听到线路忙或发生冲突时,会随机等待一段时间再进行侦听;若发现不忙则立即发送;此策略可以减少冲突,但会导致信道利用率降低,以及较长的延迟。

    1-持续CSMA(英语:1-persistent CSMA) 

    当要发送帧的设备侦听到线路忙或发生冲突时,会持续侦听;若发现不忙则立即发送。当传播延迟较长或多个设备同时发送帧的可能性较大时,此策略会导致较多的冲突,导致性能降低。

    p-持续CSMA(英语:p-persistent CSMA) 

    当要发送帧的设备侦听到线路忙或发生冲突时,会持续侦听;若发现不忙,则根据一个事先指定的概率p来决定是发送帧还是继续侦听(以p的概率发送,1-p的概率继续侦听);此种策略可以达到一定的平衡,但对于参数p的配置会涉及比较复杂的考量。

    正确使用以上策略可以在一定程度上减少冲突的发生,但无法彻底解决冲突问题。

    1.2  CSMA/CD

    载波监听多路访问/冲突检测,此方案要求设备在发送帧的同时要对信道进行侦听,以确定是否发生冲突,若在发送数据过程中检测到冲突,则进行如下冲突处理操作:

    发送特殊阻塞信息并立即停止发送数据:特殊阻塞信息是连续几个字节的全1信号,此举意在强化冲突,以使得其它设备能尽快检测到冲突发生。

    在固定时间內等待随机的时间,再次发送。

    此方案应用于以太网(DIX Ethernet V2)标准,IEEE 802.3标准

    1.3   CSMA/CA

    载波监听多路访问/冲突避免,此种方案采用主动避免碰撞而非被动监测的方式来解决冲突问题。可以满足那些不易准确监测是否有冲突发生的需求,如无线局域网。

    CSMA/CA协议主要使用两种方法来避免碰撞:

    设备欲发送帧,且监听到信道空闲时,维持一段时间后,再等待一段随机的时间依然空闲时,才送出信息。由于各个设备的等待时间是分别随机产生的,因此很大可能有所区别,由此可以減少冲突的可能性。

    RTS-CTS握手(英语:handshake):设备欲发送帧前,先发送一个很小的RTS(Request to Send)帧给目标端,等待目标端回应CTS(Clear to Send)帧后,才开始传送。此方式可以确保接下来传送信息時,不会发生冲突。同时由于RTS帧与CTS帧都很小,让传送的无效开销变小。

    此方案应用于无线局域网的IEEE 802.11标准。

     

    2.1 协议简介

    无线局域网标准802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似,都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源,由发送者在发送数据前先进行网络的可用性检测。在802.3协议中,是由一种称为CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)的协议来完成调节,这个协议解决了在Ethernet上的各个工作站如何在线缆上进行传输的问题,利用它检测和避免当两个或两个以上的网络设备需要进行数据传送时网络上的冲突。

     

    CSMA/CA的过程

    在802.11无线局域网协议中,冲突的检测存在一定的问题,这个问题称为"Near/Far"现象,这是由于要检测冲突,设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号,而这在无线系统中是无法办到的。但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突,因此802.11全新定义了一种新的协议,即载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA(with Collision Avoidance)。一方面,载波监听----查看介质是否空闲;另一方面,避免冲撞----通过随机的时间等待,使信号冲突发生的概率减到最小,当介质被侦听到空闲时,优先发送。不仅如此,为了系统更加稳固,802.11还提供了带确认帧ACK的CSMA/CA。在一旦遭受其他噪声干扰,或者由于监听失败时,信号冲突就有可能发生,而这种工作于MAC层的ACK此时能够提供快速的恢复能力。

    鉴于这个差异,在802.11中对CSMA/CD进行了一些调整,采用了新的协议CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或者DCF(Distributed Coordination Function)。 CSMA/CA利用ACK信号来避免冲突的发生,也就是说,只有当客户端收到网络上返回的ACK信号后才确认送出的数据已经正确到达目的地址。

    CSMA/CA协议的工作流程是:一个工作站希望在无线网络中传送数据,如果没有探测到网络中正在传送数据,则附加等待一段时间,再随机选择一个时间片继续探测,如果无线网路中仍旧没有活动的话,就将数据发送出去。接受端的工作站如果受到发送端送出的完整的数据则回发一个ACK数据报,如果这个ACK数据报被接收端收到,则这个数据发送过程完成,如果发送端没有收到ACK数据报,则或者发送的数据没有被完整地收到,或者ACK信号的发送失败,不管是哪种现象发生,数据报都在发送端等待一段时间后被重传。

    2.2  工作原理

    这种协议实际上就是在发送数据帧之前先对信道进行预约。下面为了方便解释这种技术的主要原理请大家先看下图。

     

    CSMA/CA协议中的RTS和CTS帧

    ① 在图中,展示了各个工作站部署位置及其覆盖范围。

    ● 站B、站C、站E在站A 的无线信号覆盖的范围内。而站D不在其内。

    ● 站A、站E、站D在站B 的无线信号覆盖的范围内,但站C不在其内。

    ② 如果站A要向站B发送数据,那么,站A在发送数据帧之前,要先向站B发送一个请求发送帧RTS(Request To Send)。在RTS帧中已说明将要发送的数据帧的长度。站B收到RTS帧后就向站A回应一个允许发送帧CTS(Clear To Send)。在CTS帧中也附上A欲发送的数据帧的长度(从RTS帧中将此数据复制到CTS帧中)。站A收到CTS帧后就可发送其数据帧了。现在讨论在A和B两个站附近的一些站将做出什么反应。

    ● 对于站C,站C处于站A的无线传输范围内,但不在站B的无线传输范围内。因此站C能够收听到站A发送的RTS帧,但经过一小段时间后,站C收听不到站B发送的CTS帧。这样,在站A向站B发送数据的同时,站C也可以发送自己的数据而不会干扰站B接收数据(注意:站C收听不到站B的信号表明,站B也收不听到站C的信号)。

    ● 对于站D,站D收听不到站A发送的RTS帧,但能收听到站B发送的CTS帧。因此,站D在收到站B发送的CTS帧后,应在站B随后接收数据帧的时间内关闭数据发送操作,以避免干扰站B接收自A站发来的数据。

    ● 对于站E,它能收到RTS帧和CTS帧,因此,站E在站A发送数据帧的整个过程中不能发送数据。

    ③ 虽然使用RTS和CTS帧会使整个网络的效率有所下降。但这两种控制帧都很短,它们的长度分别为20和14字节。而数据帧则最长可达2346字节,相比之下的开销并不算大。相反,若不使用这种控制帧,则一旦发生冲突而导致数据帧重发,则浪费的时间就更大。虽然如此,但协议还是设有三种情况供用户选择:

    ● 使用RTS和CTS帧;

    ● 当数据帧的长度超过某一数值时才使用RTS和CTS帧;

    ● 不使用RTS和CTS帧。

    ④ 尽管协议经过了精心设计,但冲突仍然会发生。

    例如:站B和站C同时向站A发送RTS帧。这两个RTS帧发生冲突后,使得站A收不到正确的RTS帧因而站A就不会发送后续的CTS帧。这时,站B和站C像以太网发生冲突那样,各自随机地推迟一段时间后重新发送其RTS帧。推迟时间的算法也是使用二进制指数退避。

    ⑤ 为了尽量减少冲突,802.11标准设计了独特的MAC子层。

    2.3 工作流程

    CSMA/CA协议的工作流程分为两个分别是:

    1.送出数据前,监听媒体状态,等没有人使用媒体,维持一段时间后,再等待一段随机的时间后依然没有人使用,才送出数据。由于每个设备采用的随机时间不同,所以可以减少冲突的机会。

    2.送出数据前,先送一段小小的请求传送报文(RTS: Request to Send)给目标端,等待目标端回应 允许传送报文(CTS:Clear to Send )后,才开始传送。 利用RTS-CTS握手(handshake)程序,确保接下来传送资料时,不会被碰撞。 同时由于RTS-CTS封包都很小,让传送的无效开销变小。

    CSMA/CA通过这两种方式来提供无线的共享访问,这种显式的ACK机制在处理无线问题时非常有效。然而不管是对于802.11还是802.3来说,这种方式都增加了额外的负担,所以802.11网络和类似的Ethernet网比较总是在性能上稍逊一筹。

    2.4 主要差别

    CSMA/CD:带有冲突检测的载波监听多路访问,可以检测冲突,但无法“避免”

    CSMA/CA:带有冲突避免的载波侦听多路访问,发送包的同时不能检测到信道上有无冲突,只能尽量“避免”;

    1.两者的传输介质不同,CSMA/CD用于总线式以太网,而CSMA/CA则用于无线局域网802.11a/b/g/n等等;

    2.检测方式不同,CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测,当数据发生碰撞时,电缆中的电压就会随着发生变化;而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式;

    3.WLAN中,对某个节点来说,其刚刚发出的信号强度要远高于来自其他节点的信号强度,也就是说它自己的信号会把其他的信号给覆盖掉;

    4.本节点处有冲突并不意味着在接收节点处就有冲突。

    综上,在WLAN中实现CSMA/CD是比较困难的。

     

     

     

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