网络工程师（29）CSMA/CD协议

前言

CSMA/CD协议，即载波监听多路访问/碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议，是一种在计算机网络中，特别是在以太网环境下，用于管理多个设备共享同一物理传输介质的重要机制。

一、起源与基本原理

起源：CSMA/CD协议起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议，并经过改进，使其具有更高的介质利用率。

基本原理：CSMA/CD协议的基本思想是“先听后发，边听边发，冲突停发，随机延迟后重发”。即所有节点都共享网络传输信道，在发送数据之前，节点会先检测信道是否空闲，如果空闲则发送数据，并在发送过程中继续检测信道以检测冲突。一旦发现冲突，则立即停止发送，并执行随机退避算法后重发，直到数据成功发送或达到最大重试次数。

二、工作流程

载波监听：发送数据之前，先监听信道上是否存在信号。如果信道空闲，则可以发送数据；如果信道被占用，则需要等待，直到信道变为空闲。
发送数据：当信道空闲时，将数据帧发送出去。
碰撞检测：在发送数据的同时，不断检测信道上是否有碰撞信号。碰撞检测是通过比较接收到的信号与发送的信号之间的差异来实现的，如果差异超过了预定的阈值，则认为发生了冲突。
冲突处理：一旦检测到碰撞，发送数据的主机会立即停止发送，并发送一个拥塞信号（也称为干扰信号）到信道上，以确保其他节点也能检测到冲突并停止发送数据。然后，所有冲突的设备会各自执行一个随机的退避算法，等待一段时间后再次尝试发送数据。
重传机制：在等待一段时间后，发送数据的主机会重新尝试发送数据。如果多次重传仍然失败，则放弃发送。

三、特点与应用

特点：

公平性：所有主机在共享信道的过程中都具有平等的机会发送数据，避免了某些主机垄断信道资源的情况。

简单性：CSMA/CD协议的实现相对简单，容易理解和部署。

适应性：CSMA/CD协议可以适应不同的网络规模和传输介质，如以太网、双绞线以太网等局域网。

碰撞影响：当多个主机同时发送数据时，会发生碰撞，影响网络性能和数据传输速度。

效率低下：由于碰撞的发生，部分带宽会被浪费，导致网络效率降低。

延迟较大：冲突处理和重传机制会引入一定的延迟，对实时性要求较高的应用可能不太适用。

应用：

CSMA/CD协议主要应用于局域网中，尤其是以太网。以太网是一种常见的局域网技术，它使用CSMA/CD协议来实现多个主机之间的数据通信。此外，CSMA/CD协议还可以应用于其他多点接入的网络环境，如无线局域网（WLAN）、城域网（MAN）等。

四、关键概念与技术

单程端到端传播时延：指电磁波在信道中从一端传播到另一端所需的时间。这个时延对于载波监听和碰撞检测至关重要。

碰撞检测最长时间：站点发出数据后，最多经过两倍的单程端到端时延（2τ）后就可以得知是否出现了碰撞。

截断二进制指数规避算法：这是一种用于确定碰撞后重传时机的算法。它根据重传次数确定一个参数k，然后从整数集合[0,2^k-1]中取出一个随机数r，重传时间就是r×2τ。这个算法的目的是减少再次发生冲突的可能性。

最小帧长问题：为了确保在检测到碰撞时帧还没有发送结束，帧的传输时延至少要大于2τ。因此，存在一个最小帧长的要求。在以太网中，最短帧长度是64字节，小于64字节的帧都是由于冲突终止的无效帧。

结语