计算机网络：随机访问介质访问控制之CSMA/CA协议

Posted 2022-11-12

CSMA/CD协议已成功应用于使用有线连接的局域网，但在无线局域网环境下，却不能简单地搬用CSMA/CD协议，特别是碰撞检测部分。主要有两个原因:

1）接收信号的强度往往会远小于发送信号的强度，且在无线介质上信号强度的动态变化范围很大，因此若要实现碰撞检测，则硬件上的花费就会过大。 2）在无线通信中，并非所有的站点都能够听见对方，即存在“隐蔽站”问题。

为此，802.11标准定义了广泛应用于无线局域网的CSMA/CA 协议，它对CSMA/CD协议进行了修改，把碰撞检测改为碰撞避免（Collision Avoidance，CA)。“碰撞避免”并不是指协议可以完全避免碰撞，而是指协议的设计要尽量降低碰撞发生的概率。由于802.11无线局域网不使用碰撞检测，一旦站点开始发送一个帧，就会完全地发送该帧，但碰撞存在时仍然发送整个数据帧(尤其是长数据帧）会严重降低网络的效率，因此要采用碰撞避免技术降低碰撞的可能性。

由于无线信道的通信质量远不如有线信道，802.11使用链路层确认/重传（ARQ）方案，即站点每通过无线局域网发送完一帧，就要在收到对方的确认帧后才能继续发送下一帧。

为了尽量避免碰撞，802.11规定，所有的站完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间称为帧间间隔（InterFrame Space，IFS)。帧间间隔的长短取决于该站要发送的帧的类型。802.11使用了3种IFS:

1. SIFS（短IFS): 最短的IFS，用来分隔属于一次对话的各帧，使用SIFS的帧类型有ACK帧、CTS帧、分片后的数据帧，以及所有回答AP探询的帧等。
2. PIFS（点协调IFS):中等长度的IFS，在PCF操作中使用。
3. DIFS（分布式协调IFS):最长的IFS，用于异步帧竞争访问的时延。

CSMA/CA 的退避算法和CSMA/CD的稍有不同。信道从忙态变为空闲态时，任何一个站要发送数据帧，不仅都要等待一个时间间隔，而且要进入争用窗口，计算随机退避时间以便再次试图接入信道，因此降低了碰撞发生的概率。当且仅当检测到信道空闲且这个数据帧是要发送的第一个数据帧时，才不使用退避算法。其他所有情况都必须使用退避算法，具体为:①在发送第一个帧前检测到信道忙; ②每次重传; ③每次成功发送后要发送下一帧。

CSMA/CA算法归纳:

1. 若站点最初有数据要发送（而不是发送不成功再进行重传)，且检测到信道空闲，在等待时间DIFS后，就发送整个数据帧。
2. 否则，站点执行CSMA/CA退避算法，选取一个随机回退值。一旦检测到信道忙，退避计时器就保持不变。只要信道空闲，退避计时器就进行倒计时。
3. 当退避计时器减到0时（这时信道只可能是空闲的)，站点就发送整个帧并等待确认。
4. 发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确接收。这时如果要发送第二帧，就要从步骤2）开始。
5. 若发送站在规定时间内没有收到确认帧ACK（由重传计时器控制)，就必须重传该帧，再次使用CSMA/CA 协议争用该信道，直到收到确认，或经过若干次重传失败后放弃发送。

处理隐蔽站问题:RTS和CTS

站A和B都在AP的覆盖范围内，但A和B相距较远，彼此都听不见对方。当A和B检测到信道空闲时，都向AP发送数据，导致碰撞的发生，这就是隐蔽站问题。

为了避免该问题，802.11允许发送站对信道进行预约。源站要发送数据帧之前先广播一个很短的请求发送RTS（Request To Send）控制帧，它包括源地址、目的地址和这次通信（含相应的确认帧）所持续的时间，该帧能被其范围内包括AP在内的所有站点听到。

若信道空闲，则AP广播一个允许发送CTS (Clear To Send）控制帧，它包括这次通信所需的持续时间（从RTS帧复制), 该帧也能被其范围内包括A和B在内的所有站点听到。B和其他站听到CTS后，在CTS帧中指明的时间内将抑制发送。CTS帧有两个目的:①给源站明确的发送许可;②指示其他站点在预约期内不要发送。

使用RTS和CTS帧会使网络的通信效率有所下降，但这两种帧都很短，与数据帧相比开销不算大。相反，若不使用这种控制帧，一旦发生碰撞而导致数据帧重发，则浪费的时间更多。信道预约不是强制性规定，各站可以自己决定使用或不使用信道预约。只有当数据帧长度超过某一数值时，使用RTS和CTS帧才比较有利。

CSMA/CD 与CSMA/CA主要有如下区别:

1）CSMA/CD可以检测冲突，但无法避免; CSMA/CA发送数据的同时不能检测信道上有无冲突，本结点处没有冲突并不意味着在接收结点处就没有冲突，只能尽量避免。

2）传输介质不同。CSMA/CD用于总线形以太网，CSMA/CA用于无线局域网802.11a/b/g/n等。

3）检测方式不同。CSMA/CD通过电缆中的电压变化来检测; 而CSMA/CA采用能量检测、载波检测和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。

总结: CSMA/CA 协议的基本思想是在发送数据时先广播告知其他结点，让其他结点在某段时间内不要发送数据，以免出现碰撞。CSMA/CD协议的基本思想是发送前侦听，边发送边侦听，一旦出现碰撞马上停止发送。