802.11協議精讀3：CSMA/CD與CSMA/CA

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序言

在前一份文檔中，我們詳細記錄了有關802.11中DCF模式以及其核心CSMA/CA的一些內容與細節。對比無線網路，有線網路的集線器和中繼器設計中，採用了CSMA/CD技術。該技術早期是用來解決有線網路中，共享介質下的多路網路接入問題，該技術仍然在當今的10M/100M半雙工網路中使用。在更高的帶寬情況下，比如千M網路，則採用全雙工技術以代替CSMA/CD。

本文主旨是希望能理清CSMA/CD和CSMA/CA的關係與區別。接下來，我們首先會說明最基礎的CSMA協議的工作機制，然後我們說明CSMA/CD的工作機制，最後，對比前一份文檔，我們分析CSMA/CD和CSMA/CA的區別。

註：本文中有關有線網路的理論很多參考自《Ethernet:The Definitive Guide》。

CSMA

CSMA的全稱是Carrier Sense Multiple Access，在筆者的理解中，其更趨向於一種理論研究的隨機接入協議，或者說，基於其思想誕生了比如CSMA/CD與CSMA/CA這樣的具體協議。CSMA可以分成以下三種：

1-persistentes CSMA（1堅持-CSMA）
0-persistentes CSMA（0堅持-CSMA）
p-persistentes CSMA（p堅持-CSMA）

從歷史上而言，CSMA實際上是源於aloha協議，為了理清協議的設計思路的脈絡關係，我們還是有必要對原始的aloha協議做一個說明。Aloha是為無線工作環境設計的一個協議，其最初的思想很簡單：「一個aloha節點只要有數據的話，該節點就可以立即發送。當該節點數據發送完之後，其需要等待接收方反饋的ACK。若成功接收到ACK之後，那麼這一次傳輸成功。如果沒有收到ACK的話，那麼這一次傳輸失敗。該aloha節點會認為網路中還存在另外一個aloha節點也在發送數據，所以造成接收方發生了衝突。最後這些衝突的節點會隨機選擇一個時間進行回退（backoff），以避免下一次衝突。若衝突節點回退完成，其才可以重新進行發送"。

實際上從初始的aloha協議中，我們就可以看到現在CSMA/CA的影子，網路協議的設計都是符合KISS原則的（Keep It Simple and Stupid），所以實際中我們所應用到的網路協議，其思想都不會是特別複雜。基於aloha協議的思想，CSMA協議對其最大的改進即是引入了LBT機制（Listen Before Talk），在CSMA中的CS（Carrier Sense）即是指Listen監聽機制。在LBT機制下CSMA的思想就是：「CSMA節點在每一次發送之前先監聽信道是否是空閑的，如果信道不是空閑的話，那麼就不發送數據，等待一會再進行嘗試。只有確保是空閑的情況下，才可以發送數據，從而避免打斷其他節點正在進行的傳輸過程"。

具體CSMA的工作機制關聯著我們之前所敘述的三種CSMA模式，以下我們分別進行敘述：

1-persistentes CSMA：「節點需要持續監聽信道，一旦節點發現信道空閑後，則立刻發送數據。」。
0-persistentes CSMA：「節點不連續監聽信道，若該時刻節點監聽信道為busy，那麼等待一段時間後，再次進行監聽。若節點該時刻監聽信道為空閑，則立刻發送數據。」
p-persistentes CSMA：「節點需要持續監聽信道，一旦發現信道空閑後，節點以p的概率立刻發送數據，以1-p的概率不發送數據。若節點該時刻不發送數據，那麼等待一段時間後，再次進行監聽，並以p概率再次發送」。（註：這裡所述的p概率可以理解成拋骰子賭大小，如果拋大，那麼就發送，反之不發送。其中拋大的概率就是p，而拋小的概率就是1-p）

在以上三種CSMA機制中，若節點傳輸發送衝突，則類似aloha的基本演算法，隨機等待一個時間之後，再次進行重試。以上，我們分析了CSMA的基本工作模式，或者稱之為CSMA的基本思想，接下來，我們具體討論有線網路所應用到的CSMA/CD協議。

CSMA/CD

CSMA/CD的全稱是Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，即基於衝突檢測的載波監聽多路訪問技術。CSMA/CD也是最初802.3中的核心，應用在10M/100M的半雙工有線網路中，目前CSMA/CD的應用場景少了很多，大部分都直接基於全雙工工作。

CSMA/CD從思想上應該是源自於1-堅持CSMA，即1-persistentes CSMA。在其基礎上，加入了CD（Collision Detection）的機制。衝突檢測，即CD的機制主要是用來發現衝突，並解決衝突的。我們下面描述CSMA/CD的具體工作機制：

「節點發送數據之前需要持續監聽信道，一旦節點發現信道空閑，則立刻發送數據。在發送數據的同時，節點持續監聽信道，"探測" 是否有別的節點也在該時刻發送數據。

若傳輸過程中沒有檢測到別的節點的傳輸，那麼成功傳輸。在成功傳輸後，節點需要等待幀間間隔IFG（interframe gap）時間後，可以進行下一次傳輸。

若在傳輸過程中，探測到別的節點也在傳輸，那麼則檢測到衝突。發生衝突後，節點立刻停止當前的傳輸，並且發送特定的干擾序列（JAM序列），用以加強該次衝突（用以保證其餘所有節點都檢測到該次衝突），在JAM序列發送完之後，節點隨機選擇一個時間倒數進行backoff。當backoff完成之後，節點可以嘗試再次重傳」。

在上述的描述中，我們可以發現，CSMA/CD和1-堅持CSMA是非常相近的，與傳統的aloha相比，CSMA/CD不僅僅添加了LBT的機制，還引入了衝突檢測（Collision Detection）機制，用以在傳輸中立刻發現衝突，而不是依靠ACK的反饋來判斷是否有衝突發生，從而提高網路效率。在CSMA中，我們還需要描述一些細節內容：

載波檢測（CS：carrier sense）：在有線網路中，載波檢測實際上即是接收信道上的信息，並加以解析。用這種方式判斷共享信道上有沒有節點正在傳輸信息，從而達到監聽（listen）的作用。其中載波檢測這個名字實際上是從AM/FM接收中來的，即載波就是攜帶調製信息的模擬信號，從而載波監聽就是對是不是有AM/FM信號進行偵聽。
衝突檢測（CD：collision detection）：在一些理論中，介紹衝突檢測為「發送的同時，接收同一個信道上的數據，並比較發送數據Tx與接收數據Rx」。若Tx=Rx，則沒有衝突發生，若Tx≠Rx，則識別到一個衝突。在一些工程介紹中，介紹檢測衝突的方法是「介質依賴法」。連接段介質（實際上是電纜）擁有傳輸和接受數據的獨立路徑（雙絞線中有單獨的發送和接受迴路），衝突檢測是在同一個接收段收發器中，藉助同時發生在傳輸和接收數據路徑上的活動來完成的。在同軸電纜介質上，收發器通過檢測同軸電纜的DC（即直流信號）信號等級來檢測衝突。當兩個或者多個基站同時傳輸時，同軸上的平均DC電壓可達到觸發同軸收發器中的衝突檢測電壓等級。同軸收發器連續檢測同軸電纜上的平均電壓等級，若平均電壓等級表明，有多個基站同時傳輸內容後，其會發送JAM信號到乙太網介面處。發送JAM信號的這個過程比衝突檢測時間較長，多出的時間包含了根據10Mbps乙太網上總信號延遲算出的時間（即包含了JAM信號的傳輸時間）。
時隙與捕獲效應：在有線網路中，捕獲效應被定義為1個時隙長度內沒有衝突發生，同時時隙被定義為512bit在10Mbps或100Mbps網路的發送時間。在有線網路中選擇為512bit作為一個時隙的參考值，是考量了為發送信號到對端的最大往返時間。該最大往返時間包含了電磁波通過物理層的往返時間以及傳輸JAM信號所花費的時間。（JAM信號是加強衝突的一個通知信號）。若節點已捕獲信道，即已發送512bit，那麼對方不一定會來打斷你當前的傳輸，1.即確保對方能檢測到你，2.並且反饋的JAM信號也能通知到你。同時，若從電磁波傳輸的角度而言，512bit在10M中傳輸的時間換算成電磁波能夠傳播的距離大約是2800米，512bit在100M中傳輸的時間換算成電磁波傳播的距離大約是200米，對比有線網路的雙絞線長度（大約100米）而言，這些參數還是可以接受的。在1000Mbps網路以及其上，都是默認物理層採用全雙工模式的，若還是採用CSMA/CD的模式，那麼這裡的時隙長度會被定義為512byte的長度，不過目前這個可能是學術上的用法，而非協議的定稿。
重傳機制（Backoff與BEB機制）：若節點檢測到衝突發生在前512個位元組，即一個時隙內，那麼節點首先進行backoff，然後進行重傳。這裡backoff是採用BEB（二進位指數回退演算法），即在一個隨機窗口內，選擇一個隨機數並乘以時隙（time slot）進行回退。在第0~10次回退過程中，每回退一次，隨機窗口放大一倍，在第11次到第16次過程中，依然進行回退，並嘗試重新發送數據包，但是不放大窗口大小，第17次若失敗，則丟包。按照一般情況下，衝突不會發生在512位元組以後的部分，即已經發生了捕獲效應，即節點已經捕獲到了信道。不過比如時間不同步這樣的一些情況出現，導致衝突發生在512位元組之後，貌似是不進行重傳，直接丟包的。

CSMA/CD與CSMA/CA

在綜述完CSMA/CD後，對比我們前一次敘述的CSMA/CA，我們總結這兩者之間的聯繫和區別。

聯繫：CSMA/CD與CSMA/CA機制都從屬於CSMA的思路，其核心就是LBT機制，換言之，兩個在接入信道之前都需要進行監聽。當發現信道空閑後，其才可以進行接入。
區別：

在思想上：

CSMA/CD是源自於1-堅持CSMA，而CSMA/CA是源自於p-堅持CSMA。即CSMA/CD是持續監聽信道，一旦發現信道空閑，則立刻傳輸。
CSMA/CA是邊進行backoff回退過程邊進行監聽，若信道空閑則進行backoff counter倒數，否則掛起隨機倒數計數器，不進行backoff counter倒數的工作。只有當backoff counter（即隨機倒數計數器）回退至0時，其才可發送數據。

在衝突檢測上：

CSMA/CD中是採用衝突檢測+JAM機制，即邊發送邊監聽實時信道狀態，可以在傳輸過程中，實時判斷信道中是否有衝突發生，一旦發現了衝突，則發送JAM信號以加強衝突，其餘節點也因識別到該JAM信號，從而停止當前傳輸。若整個過程中，節點都沒有發現衝突以及JAM反饋，那麼該次傳輸成功。
CSMA/CA是源自於aloha的ACK反饋機制，若接收到對方反饋的ACK後，那麼這一次傳輸成功，否則失敗。

在監聽機制上：

由於CSMA/CD是有線網路，故其監聽是直接解調有線介質上的信息，若沒有信息，則信道空閑，若存在信息，則信道繁忙。
在CSMA/CA中，不僅引入了物理載波監聽與虛擬載波監聽這兩種技術，同時在物理載波監聽中，還分為能量檢測（Energy Detection）和載波感知（Carrier sense）。同時該載波感知所指是利用無線幀物理層頭部中的固定序列（即preamble），利用已知序列和其做相關運算（自相關或者互相關運算）進行識別。詳細的一些內容可以參考上一篇有關DCF和CSMA/CA的文章。

在回退（backoff）機制上：

在CSMA/CD中，回退只有在衝突之後才會發生，節點選擇選擇一個隨機時間進行回退，該隨機事件具體是時隙乘以回退窗口內的一個隨機數。其中為了避免多次衝突的問題，在每一次衝突後，節點的回退窗口也會執行BEB演算法，即將回退窗口進行翻倍。在CSMA/CD中，回退一共可以進行16次，其中，第1~9次存在會對回退窗口進行翻倍，在第10~16次中，窗口大小不變（窗口最大1024），再次重試。第16次若失敗，則進行丟包處理。
在CSMA/CA中，節點的每一次傳輸之前都需要進行backoff過程。在CSMA/CA的backoff過程中，節點會在每一個slot中對信道進行監聽（這裡包含物理載波監聽和虛擬載波監聽），若信道監聽為空閑，那麼進行backoff，即隨機倒數計數器減1，若信道監聽為信道忙，則掛起該計數器，只有當該計數值為0時，節點才可以發送數據。在CSMA/CA中，若發生衝突後，對競爭窗口（Contention Window）進行BEB操作，在1~6次中，窗口大小翻倍，第6次時，窗口大小不變（窗口最大也是1024），再次重試，若第7次傳輸失敗，則進行丟包處理。

在時隙的定義上：

在CSMA/CD中，時隙被定義在一個固定數據片大小在固定速率的媒介上傳輸的時間，比如在10M/100M網路中，時隙為512位在10M/100M網路下對應傳輸的延遲。
在CSMA/CA中，時隙中包含三個方面的內容，即傳播延遲，信道檢測（CCA）以及收發天線轉換。時隙時間具體與其對應的802.11協議版本有關，比如802.11b中，時隙即是20us。

在捕獲效應的定義上：

在CSMA/CD中，捕獲效應被定義為節點成功傳輸1個時隙的數據，從而節點能夠確保自己已經捕獲了信道，其餘節點也都已感知到了這點，從而確保不會有衝突發生。
在CSMA/CA中，捕獲效應是指由於信號功率的不同，比如有兩個節點同時向接收方發送數據，其中一者信號強度大（即SNR大），一者信號強度小（即SNR小）。在這種情況下，若信號較好的SNR能夠達到解調其數據所需最低的SNR閾值的話，那麼其是可以解調，即這次傳輸可以是成功的。直觀的理解，我們可以認為一個大嗓門和一個小嗓門同時說話，那麼我們是可以聽清楚大嗓門的。

以上是總結的一些筆者理解CSMA/CA和CSMA/CD的區別，其他還存在的一些區別，比如在802.11DCF模式中所採用的RTS/CTS機制，在有線網中就不存在或者對應存在區別，在此就不再一一贅述了。

註：在上述的討論中，有線網路的部分知識主要是源於《Ethernet:The Definitive Guide》，而無線網路的部分主要來源於筆者的研究經歷，在無線網路中，也有想要實現類似於有線網路的CSMA/CN的工作機制，筆者的一部分工作也是來源於此，有興趣可以自行閱讀。以上討論中，如果存在錯誤，還請見諒。

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