搞懂CSMA/CD，你就明白为什么以太网最小帧是64字节。

Posted 2020-08-03

每出现一个新的东西，新的技术，

小编就经常反问自己的一句话就是：为什么会诞生它（CSMA/CD）呢？why？

每个东西的产生或发明都是有它的存在的原因或背景的。

我们先来看看最初的以太网的构思吧！

把相距有一定距离的一些电脑连接起来，实现计算机之间互相通信就可以了。

最初都是把这些计算机连接在一根网线上，这种方式实现起来简单又可靠。

总线的特点是：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能监听到这个数据。这也是我们常说的：广播通信。但现实中，我们并不总是需要一对多通信。所以为了实现一对一通信，专家们就使用了一个叫做适配器的东西，也是我们说的网卡，在上面进行烧录不同的MAC地址进行区分。计算机在发送时，就在数据帧中的“目的Mac”字段填上接收站的地址即可。好比，现实中，我们寄快递一样，写上收件人的地址一样。

通信世界中里的“收件人地址（目的MAC地址）：

网卡：

规则：仅当数据帧中的目的MAC地址与接收站的网卡烧录的mac地址一致时，才会接收。否则就丢弃。

总线工作有一个特点：总线上只要有一个台计算机在发送数据，总线的传输资源就被占用了。所以，在同一个时间内，只能允许一台计算机来发送数据，否则各个计算机之间就会互相干扰，导致数据不可用。

阿龙给大家举个场景吧！这样，更容易理解：

好比一条宽度有限、并且同一时间内只允许一个方向行驶的公路，但又好多个入口或出口，在每个入口有汽车想驶入。

同一时间内，一个方向上只能行驶通行一辆车，多了吧！就会发生碰撞事故啦！

那么这时，就需要一种机制来进行协调通信。就像，路上我们经常看到的红绿灯啊、警察叔叔在指挥交通一样，大家都遵循这个规则、手势，这样交通才能有序通行。通信的世界里，也是一样的，以太网的专业术语叫做：CSMA/CD

（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect），即载波监听多点接入访问/冲突检测机制。

理解CSMA/CD，主要有三个方面：

1、多点接入：

2、载波监听

3、碰撞检测。

这里值得一提的是，CSMA/CD 使用场景是在一个站不能同时发送数据和接收数据，即适用场景为 半双工通信。

多点接入：就是说这是总线型网络，许多计算机接在总线上。

载波监听：发送前先监听。就是每个计算机在发送数据前，先要检测一下总线上是否有其他站在发送数据。如果有，则暂时不发送数据，等待信道变为空闲时在发送。你可以理解为，汽车要驶入路口时，先按一下喇叭，看看道路内有没有其他车辆。如果有人回应了，那表明狭窄道路上有车辆，暂时不用驶入。

碰撞检测：边发送边监听。网卡边发送数据边监听信道上的信号电压的变化情况，以此来判断自己在发送数据时是否有其人正好也在发送数据。如果确实发送了，总线上的信号电压变化幅度是会增加的（互相叠加），这是总线就认为产生了碰撞。传输的信号会严重失真，失真就是数字信号无法还原成模拟信号(语音、视频）。网卡监听到碰撞了，就会立即停止发送，这样可以节省网络资源的浪费，然后等一会儿（等一个随机时间）再发送。

这时，你可能会有疑问，为什么发送前都已经载波监听了，空闲时才发送，怎么会出现碰撞呢？

这是因为电磁波在总线传播是以有限的速率传播的。可能A机现在检测是空闲的，B机也同时检测是空闲的，于是他们同时发送数据，然后的然后就发送碰撞了。

这里需要先记住的是：电磁波在1km电缆的传播时延约为5us。

在局域网分析时，我们经常把单程端到端的传播时间记为 τ

A发送数据，须经过多久才能检测到发送了碰撞了？

从图中，不难看出，最坏的情况，最多需要经历两倍的“单程端到端的传播时延（时间）=2τ”即，传播端到端的往返时延。

在T=0时，A发送数据。B检测到信道为空闲。

在T=τ-δ时（这里τ>δ>0），A发送数据还没到达B时，由于B检测到信道是空闲的（为什么B检测是空闲的？前面我们说了，电磁波1km的传播时延是5us，换言之就是5us后B才能检测到信道是忙的，5us之前，B认为是空闲的，于是开始发送数据）。因此B发送数据。

经过时间δ/2后，即在T=τ-δ时，A发送的数据和B发送的数据发生了碰撞。这时，A和B都不知道发送了碰撞。

在T=τ时，只有B先检测到了发生碰撞，于是停止发送数据。

在T=2τ- δ时，A才检测到发生了碰撞，也停止发送数据。

然后A和B就随时选择一个时间，推迟，再重新发送。

由此可知，每一个站，在发送数据时，在一定时间内，都存在碰撞的可能性。

发送数据帧的A站，最多经历2τ时间就可以知道是否遭受碰撞了。我们把这2τ

称为争用期，也叫碰撞窗口。

经过这个争用期时间，检测没有发生碰撞，就能肯定这次发送的数据不会发生碰撞。

至此，碰撞问题还是没有解决。专家们就发明了一种算法，来减小发生碰撞的概率，这个算法就是：退避算法。

退避，意思就是推迟，发送碰撞了，利用一种算法，来选择推迟多久才发送数据。

退避算法的思想如下：

1、确定基本退避时间。就是争用期2τ。以太网把争用期2τ定为51.2us 。（至于为什么是这个值，就没必要去纠结了，反正当时专家这么定，你就这么记咯！）

对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。

512bit怎么来的？ 就是速率乘以时间，就等于数据量。 

10Mb/s*51.2us=[10*10^6b/s] * [51.2^(-6)s]=512bit 

2、从离散的整数集合随机取出一个数[0,1，2,3……，（2^k-1）]  ,取出来的数，记为r。重传推迟的时间就是r倍的争用期。T=r*2τ

上面k的参数，按照这个计算k=Min[重传次数，10]。  可见，当重传次数不超过10时，参数k=重传次数。如果重传次数超过10时，k就不再增加了，一直等于10。

3、当重传达16次，仍然会不能成功时，就丢弃该帧，向高层报告。说明发送的人太多了，导致连续发送碰撞。

举例：

在第一次重传时，k=1，随机数r从整数{0,1}中选一个数，  可得重传的推迟时间要么为0，要么为1*2τ， 这两个选择一个。

如果再次发送，即第二次重传，k=2，代入[0,1，2,3……，（2^k-1）] ，随机数r从整数{0,1,2,3}选一个数，可得重传推迟时间是0,2τ，4τ，6τ 这4个值随机选择一个。

同理，再次发送碰撞，以此类推。

结论

到这里，我们就可以看出，以太网在发送数据时，如果帧的前64字节没有发送冲突，那么后续的数据就不会发送冲突。换句话说，就是如果发送冲突，就一定是在发送的前64字节之内。因为检测到冲突就停止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节。

因此以太网规定了最短有效帧长为64字节，只要长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。收到这种无效帧就立即丢弃。

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