CSMA/CD解释与理解

Posted 2021-11-27 fzfangzheng

1. CSMA/CD含义

CSMA/CD即载波监听多点接入/碰撞检测，此协议是使用在总线型网络中的，不同计算机是通过多点接入的方式连接在一起。协议的重点在于监听和碰撞检测。

2. 为什么要监听和碰撞检测

当初学习的时候，对于为什么要监听空闲和检测碰撞一直很疑惑，其实原因很简单，对于总线型网络来说，如果有多个主机同时发送信号，那么是很难从中分辨出信息的。举个栗子就是一堆不同频率相位的正弦混合在一起，让你从波形图中画出某条正弦曲线，是不是感觉非常的困难？为了避免在网络中遇到这个问题，所以采用载波监听和碰撞检测的方法。

3.载波监听用处

载波监听其实就是检测信道是不是为空，如果是，那么就可以发送自己的信息了。如果信道正忙，那么只能等到信道空闲，才能发送自己的信息。那么，是不是只要空闲发送自己的信息就永远不会出错呢？当然不是，我们联系生活中的一个栗子就能知道，当开会讨论的时候，如果一片安静，那么之后就可能会有两个或者多个人同时开始说话发言。信道上也是如此，甚至更加明显。因为载波监听只能是在自己的位置监听，而从别的主机发送过来的信号需要时间。这就不可避免的会出现主机B明明发送了信息，但是主机A没有发现，也发送一个信息出来，这样便会发生碰撞，导致数据信号失真。

4.碰撞检测用处

碰撞检测就是为了解决上面说的同时发送，或者说在很短时间（B发送信号尚未到达A）内同时发送引发的碰撞问题。碰撞检测即适配器在发送数据的过程中也要检测信道信号，若发现信号电压变化幅度增大超过某个阈值，则认为发生碰撞。

5.截断二进制指数退避

发送了碰撞怎么办？当然是停止发送，找个合适的时间再发送。那么怎么寻找一个合适的时间呢？那就要用到截断二进制指数退避，这个名字听起来很高端大气，其实很简单。首先我们明确一个概念，叫做争用期。什么叫争用期，就是在这个发送信息后的这段时间内可能发生碰撞，但是过了这个争用期，那么就一定不会发生碰撞。我们把争用期定义为两倍的端到端传播时延，如下图，δ足够小的时候，A要经过2τ的时间才能发现碰撞。

退避算法：
1.从[0，1，2， ...，（2^k-1）]中随机选一个数，记为r。重传应在r倍争用期之后进行。k的取值为Min[重传次数，10]，即k小于10时为重传次数，最大不超过10 。
2.若重传超过16次还是不成功，则说明信道中数据过多，放弃重传，向高层报告。

6.最短帧长

那么，经历了上面的一系列操作，我们是不是可以保证信道中不会存在冲突了呢？答案是，不能。我们要注意到我们的碰撞检测和监听都是在本机的位置上进行的，不能够跑到别的信道位置上进行。那么这样就存在了一个问题，那就是要发送的信息过短，导致碰撞检测在发送该信息的时候没有检测到碰撞，但是在发送出去之后，这个信息与其他的信息碰撞。就好像你寄东西，寄出去的时候还是好好的，等送到别人手里变得一塌糊涂，这就是在寄的过程中发生了冲突。解决办法很简单，就是增加信息长度。以太网规定最短帧长为64字节，对于10Mbit/s以太网，发送64字节（512bit）数据需要51.2us，也就是上面的争用期。这样如果发生碰撞，那么一定能在自己这边检测出来，因为自己的信号和别人发送的信号混在一起，导致信号电压变化超过阈值。如果发送完了，那么自己是不知道自己发送的东西在路上有没有出现意外，这个就只有接收方才能知道，会把这个丢弃，但是自己不会再次发送，这就导致数据的丢失。并且由于发现冲突就会停止发送，所以可以认为，凡是长度小于64字节的帧都是由于冲突而停止发送无效帧。

7.强化碰撞

在发送数据的时候发生冲突，除了停止发送用户数据，还要继续发送32bit或者48bit的干扰信号，目的就是为了让所有用户都知道现在发生了冲突。