关于CSMA/CA和CSMA/CD的区别

 

1.1  载波侦听多路访问

根据具体的监听/发送策略，可将CSMA分为：

非持续CSMA（英语：non-persistent CSMA） 

当要发送帧的设备侦听到线路忙或发生冲突时，会随机等待一段时间再进行侦听；若发现不忙则立即发送；此策略可以减少冲突，但会导致信道利用率降低，以及较长的延迟。

1-持续CSMA（英语：1-persistent CSMA） 

当要发送帧的设备侦听到线路忙或发生冲突时，会持续侦听；若发现不忙则立即发送。当传播延迟较长或多个设备同时发送帧的可能性较大时，此策略会导致较多的冲突，导致性能降低。

p-持续CSMA（英语：p-persistent CSMA） 

当要发送帧的设备侦听到线路忙或发生冲突时，会持续侦听；若发现不忙，则根据一个事先指定的概率p来决定是发送帧还是继续侦听（以p的概率发送，1-p的概率继续侦听）；此种策略可以达到一定的平衡，但对于参数p的配置会涉及比较复杂的考量。

正确使用以上策略可以在一定程度上减少冲突的发生，但无法彻底解决冲突问题。

1.2  CSMA/CD

载波监听多路访问/冲突检测，此方案要求设备在发送帧的同时要对信道进行侦听，以确定是否发生冲突，若在发送数据过程中检测到冲突，则进行如下冲突处理操作：

发送特殊阻塞信息并立即停止发送数据：特殊阻塞信息是连续几个字节的全1信号，此举意在强化冲突，以使得其它设备能尽快检测到冲突发生。

在固定时间內等待随机的时间，再次发送。

此方案应用于以太网(DIX Ethernet V2)标准，IEEE 802.3标准

1.3   CSMA/CA

载波监听多路访问/冲突避免，此种方案采用主动避免碰撞而非被动监测的方式来解决冲突问题。可以满足那些不易准确监测是否有冲突发生的需求，如无线局域网。

CSMA/CA协议主要使用两种方法来避免碰撞：

设备欲发送帧，且监听到信道空闲时，维持一段时间后，再等待一段随机的时间依然空闲时，才送出信息。由于各个设备的等待时间是分别随机产生的，因此很大可能有所区别，由此可以減少冲突的可能性。

RTS-CTS握手（英语：handshake）：设备欲发送帧前，先发送一个很小的RTS（Request to Send）帧给目标端，等待目标端回应CTS（Clear to Send）帧后，才开始传送。此方式可以确保接下来传送信息時，不会发生冲突。同时由于RTS帧与CTS帧都很小，让传送的无效开销变小。

此方案应用于无线局域网的IEEE 802.11标准。

 

2.1 协议简介

无线局域网标准802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性检测。在802.3协议中，是由一种称为CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)的协议来完成调节，这个协议解决了在Ethernet上的各个工作站如何在线缆上进行传输的问题，利用它检测和避免当两个或两个以上的网络设备需要进行数据传送时网络上的冲突。

 

CSMA/CA的过程

在802.11无线局域网协议中，冲突的检测存在一定的问题，这个问题称为"Near/Far"现象，这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此802.11全新定义了一种新的协议，即载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA（with Collision Avoidance）。一方面，载波监听----查看介质是否空闲；另一方面，避免冲撞----通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，优先发送。不仅如此，为了系统更加稳固，802.11还提供了带确认帧ACK的CSMA/CA。在一旦遭受其他噪声干扰，或者由于监听失败时，信号冲突就有可能发生，而这种工作于MAC层的ACK此时能够提供快速的恢复能力。

鉴于这个差异，在802.11中对CSMA/CD进行了一些调整，采用了新的协议CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或者DCF(Distributed Coordination Function)。 CSMA/CA利用ACK信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到网络上返回的ACK信号后才确认送出的数据已经正确到达目的地址。

CSMA/CA协议的工作流程是：一个工作站希望在无线网络中传送数据，如果没有探测到网络中正在传送数据，则附加等待一段时间，再随机选择一个时间片继续探测，如果无线网路中仍旧没有活动的话，就将数据发送出去。接受端的工作站如果受到发送端送出的完整的数据则回发一个ACK数据报，如果这个ACK数据报被接收端收到，则这个数据发送过程完成，如果发送端没有收到ACK数据报，则或者发送的数据没有被完整地收到，或者ACK信号的发送失败，不管是哪种现象发生，数据报都在发送端等待一段时间后被重传。

2.2  工作原理

这种协议实际上就是在发送数据帧之前先对信道进行预约。下面为了方便解释这种技术的主要原理请大家先看下图。

 

CSMA/CA协议中的RTS和CTS帧

① 在图中，展示了各个工作站部署位置及其覆盖范围。

● 站B、站C、站E在站A 的无线信号覆盖的范围内。而站D不在其内。

● 站A、站E、站D在站B 的无线信号覆盖的范围内，但站C不在其内。

② 如果站A要向站B发送数据，那么，站A在发送数据帧之前，要先向站B发送一个请求发送帧RTS(Request To Send)。在RTS帧中已说明将要发送的数据帧的长度。站B收到RTS帧后就向站A回应一个允许发送帧CTS(Clear To Send)。在CTS帧中也附上A欲发送的数据帧的长度(从RTS帧中将此数据复制到CTS帧中)。站A收到CTS帧后就可发送其数据帧了。现在讨论在A和B两个站附近的一些站将做出什么反应。

● 对于站C，站C处于站A的无线传输范围内，但不在站B的无线传输范围内。因此站C能够收听到站A发送的RTS帧，但经过一小段时间后，站C收听不到站B发送的CTS帧。这样，在站A向站B发送数据的同时，站C也可以发送自己的数据而不会干扰站B接收数据(注意：站C收听不到站B的信号表明，站B也收不听到站C的信号)。

● 对于站D，站D收听不到站A发送的RTS帧，但能收听到站B发送的CTS帧。因此，站D在收到站B发送的CTS帧后，应在站B随后接收数据帧的时间内关闭数据发送操作，以避免干扰站B接收自A站发来的数据。

● 对于站E，它能收到RTS帧和CTS帧，因此，站E在站A发送数据帧的整个过程中不能发送数据。

③ 虽然使用RTS和CTS帧会使整个网络的效率有所下降。但这两种控制帧都很短，它们的长度分别为20和14字节。而数据帧则最长可达2346字节，相比之下的开销并不算大。相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生冲突而导致数据帧重发，则浪费的时间就更大。虽然如此，但协议还是设有三种情况供用户选择：

● 使用RTS和CTS帧；

● 当数据帧的长度超过某一数值时才使用RTS和CTS帧；

● 不使用RTS和CTS帧。

④ 尽管协议经过了精心设计，但冲突仍然会发生。

例如：站B和站C同时向站A发送RTS帧。这两个RTS帧发生冲突后，使得站A收不到正确的RTS帧因而站A就不会发送后续的CTS帧。这时，站B和站C像以太网发生冲突那样，各自随机地推迟一段时间后重新发送其RTS帧。推迟时间的算法也是使用二进制指数退避。

⑤ 为了尽量减少冲突，802.11标准设计了独特的MAC子层。

2.3 工作流程

CSMA/CA协议的工作流程分为两个分别是：

1．送出数据前，监听媒体状态，等没有人使用媒体，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然没有人使用，才送出数据。由于每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。

2．送出数据前，先送一段小小的请求传送报文(RTS： Request to Send)给目标端，等待目标端回应 允许传送报文(CTS：Clear to Send )后，才开始传送。 利用RTS-CTS握手(handshake)程序，确保接下来传送资料时，不会被碰撞。 同时由于RTS-CTS封包都很小，让传送的无效开销变小。

CSMA/CA通过这两种方式来提供无线的共享访问，这种显式的ACK机制在处理无线问题时非常有效。然而不管是对于802.11还是802.3来说，这种方式都增加了额外的负担，所以802.11网络和类似的Ethernet网比较总是在性能上稍逊一筹。

2.4 主要差别

CSMA/CD：带有冲突检测的载波监听多路访问，可以检测冲突，但无法“避免”

CSMA/CA：带有冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”；

1．两者的传输介质不同，CSMA/CD用于总线式以太网，而CSMA/CA则用于无线局域网802.11a/b/g/n等等；

2.检测方式不同，CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式；

3.WLAN中，对某个节点来说，其刚刚发出的信号强度要远高于来自其他节点的信号强度，也就是说它自己的信号会把其他的信号给覆盖掉；

4.本节点处有冲突并不意味着在接收节点处就有冲突。

综上，在WLAN中实现CSMA/CD是比较困难的。