802.11协议精读3:CSMA/CD与CSMA/CA

802.11协议精读3:CSMA/CD与CSMA/CA

序言

在前一份文档中,我们详细记录了有关802.11中DCF模式以及其核心CSMA/CA的一些内容与细节。对比无线网络,有线网络的集线器和中继器设计中,采用了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,比如千M网络,则采用全双工技术以代替CSMA/CD。

本文主旨是希望能理清CSMA/CD和CSMA/CA的关系与区别。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,对比前一份文档,我们分析CSMA/CD和CSMA/CA的区别。

注:本文中有关有线网络的理论很多参考自《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如CSMA/CD与CSMA/CA这样的具体协议。CSMA可以分成以下三种:

  • 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,其最初的思想很简单:“一个aloha节点只要有数据的话,该节点就可以立即发送。当该节点数据发送完之后,其需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。如果没有收到ACK的话,那么这一次传输失败。该aloha节点会认为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。若冲突节点回退完成,其才可以重新进行发送"。

实际上从初始的aloha协议中,我们就可以看到现在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闲的,如果信道不是空闲的话,那么就不发送数据,等待一会再进行尝试。只有确保是空闲的情况下,才可以发送数据,从而避免打断其他节点正在进行的传输过程"。

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

  • 1-persistentes CSMA:“节点需要持续监听信道,一旦节点发现信道空闲后,则立刻发送数据。”。
  • 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闲,则立刻发送数据。
  • p-persistentes CSMA:“节点需要持续监听信道,一旦发现信道空闲后,节点以p的概率立刻发送数据,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概率可以理解成抛骰子赌大小,如果抛大,那么就发送,反之不发送。其中抛大的概率就是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,我们具体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,即基于冲突检测的载波监听多路访问技术。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,目前CSMA/CD的应用场景少了很多,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,加入了CD(Collision Detection)的机制。冲突检测,即CD的机制主要是用来发现冲突,并解决冲突的。我们下面描述CSMA/CD的具体工作机制:

节点发送数据之前需要持续监听信道,一旦节点发现信道空闲,则立刻发送数据。在发送数据的同时,节点持续监听信道,"探测" 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测到别的节点的传输,那么成功传输。在成功传输后,节点需要等待帧间间隔IFG(interframe gap)时间后,可以进行下一次传输。

若在传输过程中,探测到别的节点也在传输,那么则检测到冲突。发生冲突后,节点立刻停止当前的传输,并且发送特定的干扰序列(JAM序列),用以加强该次冲突(用以保证其余所有节点都检测到该次冲突),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完成之后,节点可以尝试再次重传”。

在上述的描述中,我们可以发现,CSMA/CD和1-坚持CSMA是非常相近的,与传统的aloha相比,CSMA/CD不仅仅添加了LBT的机制,还引入了冲突检测(Collision Detection)机制,用以在传输中立刻发现冲突,而不是依靠ACK的反馈来判断是否有冲突发生,从而提高网络效率。在CSMA中,我们还需要描述一些细节内容:

  • 载波检测(CS:carrier sense):在有线网络中,载波检测实际上即是接收信道上的信息,并加以解析。用这种方式判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。其中载波检测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。
  • 冲突检测(CD:collision detection):在一些理论中,介绍冲突检测为“发送的同时,接收同一个信道上的数据,并比较发送数据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。在一些工程介绍中,介绍检测冲突的方法是“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),冲突检测是在同一个接收段收发器中,借助同时发生在传输和接收数据路径上的活动来完成的。在同轴电缆介质上,收发器通过检测同轴电缆的DC(即直流信号)信号等级来检测冲突。当两个或者多个基站同时传输时,同轴上的平均DC电压可达到触发同轴收发器中的冲突检测电压等级。同轴收发器连续检测同轴电缆上的平均电压等级,若平均电压等级表明,有多个基站同时传输内容后,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测时间较长,多出的时间包含了根据10Mbps以太网上总信号延迟算出的时间(即包含了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,同时时隙被定义为512bit在10Mbps或100Mbps网络的发送时间。在有线网络中选择为512bit作为一个时隙的参考值,是考量了为发送信号到对端的最大往返时间。该最大往返时间包含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.即确保对方能检测到你,2.并且反馈的JAM信号也能通知到你。同时,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能够传播的距离大约是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,对比有线网络的双绞线长度(大约100米)而言,这些参数还是可以接受的。在1000Mbps网络以及其上,都是默认物理层采用全双工模式的,若还是采用CSMA/CD的模式,那么这里的时隙长度会被定义为512byte的长度,不过目前这个可能是学术上的用法,而非协议的定稿。
  • 重传机制(Backoff与BEB机制):若节点检测到冲突发生在前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是采用BEB(二进制指数回退算法),即在一个随机窗口内,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,随机窗口放大一倍,在第11次到第16次过程中,依然进行回退,并尝试重新发送数据包,但是不放大窗口大小,第17次若失败,则丢包。按照一般情况下,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。不过比如时间不同步这样的一些情况出现,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,对比我们前一次叙述的CSMA/CA,我们总结这两者之间的联系和区别。

  • 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需要进行监听。当发现信道空闲后,其才可以进行接入。
  • 区别
    • 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,一旦发现信道空闲,则立刻传输。
      • CSMA/CA是边进行backoff回退过程边进行监听,若信道空闲则进行backoff counter倒数,否则挂起随机倒数计数器,不进行backoff counter倒数的工作。只有当backoff counter(即随机倒数计数器)回退至0时,其才可发送数据。
    • 在冲突检测上:
      • CSMA/CD中是采用冲突检测+JAM机制,即边发送边监听实时信道状态,可以在传输过程中,实时判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
      • 由于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,则信道空闲,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,同时在物理载波监听中,还分为能量检测(Energy Detection)和载波感知(Carrier sense)。同时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。详细的一些内容可以参考上一篇有关DCF和CSMA/CA的文章。
    • 在回退(backoff)机制上
      • 在CSMA/CD中,回退只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,该随机事件具体是时隙乘以回退窗口内的一个随机数。其中为了避免多次冲突的问题,在每一次冲突后,节点的回退窗口也会执行BEB算法,即将回退窗口进行翻倍。在CSMA/CD中,回退一共可以进行16次,其中,第1~9次存在会对回退窗口进行翻倍,在第10~16次中,窗口大小不变(窗口最大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需要进行backoff过程。在CSMA/CA的backoff过程中,节点会在每一个slot中对信道进行监听(这里包含物理载波监听和虚拟载波监听),若信道监听为空闲,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,只有当该计数值为0时,节点才可以发送数据。在CSMA/CA中,若发生冲突后,对竞争窗口(Contention Window)进行BEB操作,在1~6次中,窗口大小翻倍,第6次时,窗口大小不变(窗口最大也是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,比如在10M/100M网络中,时隙为512位在10M/100M网络下对应传输的延迟。
      • 在CSMA/CA中,时隙中包含三个方面的内容,即传播延迟,信道检测(CCA)以及收发天线转换。时隙时间具体与其对应的802.11协议版本有关,比如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,捕获效应是指由于信号功率的不同,比如有两个节点同时向接收方发送数据,其中一者信号强度大(即SNR大),一者信号强度小(即SNR小)。在这种情况下,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,那么其是可以解调,即这次传输可以是成功的。直观的理解,我们可以认为一个大嗓门和一个小嗓门同时说话,那么我们是可以听清楚大嗓门的。

以上是总结的一些笔者理解CSMA/CA和CSMA/CD的区别,其他还存在的一些区别,比如在802.11DCF模式中所采用的RTS/CTS机制,在有线网中就不存在或者对应存在区别,在此就不再一一赘述了。

注:在上述的讨论中,有线网络的部分知识主要是源于《Ethernet:The Definitive Guide》,而无线网络的部分主要来源于笔者的研究经历,在无线网络中,也有想要实现类似于有线网络的CSMA/CN的工作机制,笔者的一部分工作也是来源于此,有兴趣可以自行阅读。以上讨论中,如果存在错误,还请见谅。


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编辑于 04-29

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