1、1引言在LAN中，站點檢測其他站點在干什么，從而相應的調整自己的動作。網路站點偵聽載波是否存在并執行相應動作的協議，被稱為載波偵聽協議。在有線以太網中所使用的MAC方法是帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)。CSMA/CD協議是對ALOHA協議的改進，它確保網絡節點在偵聽信道忙時不會有新站點同時發送數據，而在無線局域網中使用的MAC協議是帶沖突避免的載波偵聽多路訪問CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidanee)。載波偵聽多

2、路接入方法又稱為“先聽后說”方法。它是ALOHA協議的一種改進型。其基本思想是：每個站在發送數據前，先偵聽信道上有無其它站正在發送信息。如果信道空閑，則發送數據；否則(信道忙)暫不發送，退避一段時問后再嘗試。CSMA是載波檢測(偵聽)多路訪問.它檢測其他站的活動情況，據此調整自己的行為分為以下幾類：1、持續CSMA(1-persistentCSMA):當信道忙或發生沖突時，要發送幀的站，不斷持續偵聽，一有空閑，便可發送其中,長的傳播延遲和同時發送幀，會導致多次沖突，降低系統性能2、非持續CSMA:它并不持續偵聽信道，而是在沖突時，等待隨機的一段時間。它有更好的信道利用率，但導致更長延遲.3、p

3、-持續CSMA:它應用于分槽信道，按照P概率發送幀。即信道空閑時，這個時槽，欲發送的站P概率發送,Q=1-P概率不發送，若不發送，下一時間槽仍空閑,同理進行發送，若信道忙，則等待下一時槽，若沖動,則等待隨機的一段時間，重新開始。以上都是對ALOHA的改進。當信道忙時，所有站都不傳輸幀。IEEE802.3以太網CSMA/CD所采用的是1-堅持退避CSMA/CD。在無線局域網IEEE802.il標準中MAC層采用CSMA/CA。2、CSMA/CD協議簡介2.1、CSMA/CD概述在以太網中，所有的節點共享傳輸介質。如何保證傳輸介質有序、高效地為許多節點提供傳輸服務，就是以太網的介質訪問控制協議要解

4、決的問題。CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetec)即載波監聽、多路訪問/沖突檢測方法。CSMA/CD是一種爭用型的介質訪問控制協議。它起源于美國夏威夷大學開發的ALOHA網所采用的爭用型協議，并進行了改進，使之具有比ALOHA協議更高的介質利用率。另一個改進是，對于每一個站而言，一旦它檢測到有沖突，它就放棄它當前的傳送任務。換句話說，如果兩個站都檢測到信道是空閑的，并且同時開始傳送數據，則它們幾乎立刻就會檢測到有沖突發生。它們不應該再繼續傳送它們的幀，因為這樣只會產生垃圾而已；相反一旦檢測到沖突之后，它們應該立即停止傳送數據。快速地終

5、止被損壞的幀可以節省時間和帶寬。CSMA/CD控制方式的優點是：原理比較簡單，技術上易實現，網絡中各工作站處于平等地位，不需集中控制，不提供優先級控制。但在網絡負載增大時，發送時間增長，發送效率急劇下降。2.2、CSMA/CD的原理以及控制規程CSMA/CD應用在OSI參考模型的數據鏈路層它的工作原理是：發送數據前先監聽信道是否空閑，若空閑則立即發送數據在發送數據時，邊發送邊繼續監聽若監聽到沖突，則立即停止發送數據等待一段隨即時間，再重新嘗試CSMA/CD控制規程：規程控制規程的核心問題：解決在公共通道上以廣播方式傳送數據中可能出現的問題(主要是數據碰撞問題)控制過程包含四個處理內容：偵聽、發

6、送、檢測、沖突處理（1）偵聽：通過專門的檢測機構，在站點準備發送前先偵聽一下總線上是否有數據正在傳送（線路是否忙）？若忙”則進入后述的退避”處理程序，進而進一步反復進行偵聽工作。若閑”則按照一定算法原則（“X堅持”算法）決定如何發送。（2）發送：當確定要發送后，通過發送機構，向總線發送數據。（3）檢測：數據發送后，也可能發生數據碰撞。因此，要對數據邊發送，邊接收，以判斷是否沖突了。（4）沖突處理：當確認發生沖突后，進入沖突處理程序。有兩種沖突情況： 偵聽中發現線路忙若在偵聽中發現線路忙，則等待一個延時后再次偵聽，若仍然忙，則繼續延遲等待，一直到可以發送為止。每次延時的時間不一致，由退避算法確定

7、延時值。 發送過程中發現數據碰撞若發送過程中發現數據碰撞，先發送阻塞信息，強化沖突，再進行偵聽工作，以待下次重新發送（方法同）。（5）控制流程圖（如下）(6) CSMA控制規程的特征 簡單 具有廣播功能 平均帶寬：f=F/n 絕對平等，無優先級 低負荷高效，高負荷低效 延時時間不可預測 傳輸速率與傳輸距離為一定值2.3、CSMA/CD的退避算法上述兩種沖突情況都會涉及一個共同算法一一退避算法。退避算法：當出現線路沖突時，如果沖突的各站點都采用同樣的退避間隔時間，貝幷艮容易產生二次、三次的碰撞。因此，要求各個站點的退避間隔時間具有差異性。這要求通過退避算法來實現。截斷的二進制指數退避算法(退避算

8、法之一)：截斷二進制指數退避算法并不復雜。這種算法讓發生碰撞的站在停止發送數據后，不是等待信道變為空閑后就立即再發生數據，而是推遲一個隨機的時間。這樣做是為了使重傳時再次發生沖突的概率減少。具體的退避算法如下：a確定基本退避時間，它就是爭用期2t。以太網取值為征用期51.2U&對于10Mb/s的以太網，在爭用期內可以發送512bit，即64個字節。也可以說爭用期是512比特時間。1比特時間就是發送1比特所需要的時間。所以這種時間單位與數據率密切相關。b、從離散的整數集合0,1，()中隨機取一個數，記為r。重傳應該推后的時間是r倍的爭用期。上面的參數k按下面的公式計算：k=Min重傳次數,10可

9、見當重傳的次數不超過10時，參數k等于重傳的次數；但是當重傳的次數超過10時，k就不再增大而一直等于10。c、當重傳達16次仍然不能夠成功時(這表明同時打算發送數據的站太多,以致連續發生沖突)，則丟棄該幀，并向高層報告。例如：在第一次重傳時，k=1，隨機數r從整數0，1中選一個數。因此重傳的站可選擇的重傳推遲時間是0或者2t在這兩個時間中隨機選擇一個。若再次發生碰撞，則在第二次重傳時，k=2,隨機數r就從整數0，1,2,3中選一個數。因此，重傳推遲時間是在0,2t，4t和6t這4個時間中隨機地選取一個。若連續多次發生沖突，就表明可能有較多的站參與爭用信道。但使用上述退避算法可使重傳需要推遲到平

10、均時間隨重傳的次數而增大(也稱為動態退避)，因而減少發生碰撞的概率，有利于整個系統的穩定。3、CSMA/CD協議簡介3.1、CSMA/CA概述無線局域網標準802.11的MAC和802.3協議的MAC非常相似，都是在一個共享媒體之上支持多個用戶共享資源，由發送者在發送數據前先進行網絡的可用性檢測。在802.3協議中，是由一種稱為CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)的協議來完成調節，這個協議解決了在Ethernet上的各個工作站如何在線纜上進行傳輸的問題，利用它檢測和避免當兩個或兩個以上的網絡設備需要進行數據傳送時網絡

11、上的沖突。在802.11無線局域網協議中，沖突的檢測存在一定的問題，這個問題稱為Near/Far現象，這是由于要檢測沖突，設備必須能夠一邊接受數據信號一邊傳送數據信號，而這在無線系統中是無法辦到的。鑒于這個差異，在802.11中對CSMA/CD進行了一些調整，采用了新的協議CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidanee)或者DCF(DistributedCoordinationFunction)。CSMA/CA利用ACK信號來避免沖突的發生，也就是說，只有當客戶端收到網絡上返回的ACK信號后才確認送出的數據已經正確到達目的地址3

12、.2、CSMA/CA工作原理及控制規程載波偵聽多路訪問/沖突避免(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidanee,CSMA/CA)。此種方案采用主動避免碰撞而非被動偵測的方式來解決沖突問題。可以滿足那些不易準確偵測是否有沖突發生的需求，如無線局域網。CSMA/CA協議主要使用兩種方法來避免碰撞：a設備欲發送幀，且偵聽到信道空閑時，維持一段時間后，再等待一段隨機的時間依然空閑時，才送出資料。由于各個設備的等待時間是分別隨機產生的，因此很大可能有所區別，由此可以減少沖突的可能性。b、RTS-CTS握手(handshake:設備欲發送幀前，先發送一個

13、很小的RTS(RequesttoSend幀給目標端，等待目標端回應CTS(CleartoSenc)幀后，才開始傳送。此方式可以確保接下來傳送資料時，不會發生沖突。同時由于RTS幀與CTS幀都很小，讓傳送的無效開銷變小。此方案應用于，無線局域網的IEEE802.11標準。CSMA/CA通過這兩種方式來提供無線的共享訪問，這種顯式的ACK機制在處理無線問題時非常有效。然而不管是對于802.11還是802.3來說，這種方式都增加了額外的負擔，所以802.11網絡和類似的Ethernet網比較總是在性能上稍遜一籌。RTS-CTS握手(handshake實際上就是在發送數據幀之前先對信道進行預約。下面為

14、了方便解釋這種技術的主要原理請大家先看圖1-1。A的傳軸詰幗B的傳輸電帽伍）A發送RTS幀3網應CTS幀圖2-1CSMA/CA協議中的RTS和CTS幀 在圖2-1中：站B、站C、站E在站A的無線信號覆蓋的范圍內。而站D不在其內。站A、站E、站D在站B的無線信號覆蓋的范圍內，但站C不在其內。 如果站A要向站B發送數據，那么，站A在發送數據幀之前，要先向站B發送一個請求發送幀RTS（RequestToSend）在RTS幀中已說明將要發送的數據幀的長度。站B收到RTS幀后就向站A回應一個允許發送幀CTS（ClearTo$6門43在CTS幀中也附上A欲發送的數據幀的長度（從RTS幀中將此數據復制到CT

15、S幀中）。站A收到CTS幀后就可發送其數據幀了。現在討論在A和B兩個站附近的一些站將做出什么反應。對于站C，站C處于站A的無線傳輸范圍內，但不在站B的無線傳輸范圍內。因此站C能夠收聽到站A發送的RTS幀，但經過一小段時間后，站C收聽不到站B發送的CTS幀。這樣，在站A向站B發送數據的同時，站C也可以發送自己的數據而不會干擾站B接收數據（注意：站C收聽不到站B的信號表明，站B也收不聽到站C的信號）。對于站D，站D收聽不到站A發送的RTS幀，但能收聽到站B發送的CTS幀。因此，站D在收到站B發送的CTS幀后，應在站B隨后接收數據幀的時間內關閉數據發送操作，以避免干擾站B接收自A站發來的數據。對于站

16、E，它能收到RTS幀和CTS幀，因此，站E在站A發送數據幀的整個過程中不能發送數據 雖然使用RTS和CTS幀會使整個網絡的效率有所下降。但這兩種控制幀都很短，它們的長度分別為20和14字節。而數據幀則最長可達2346字節，相比之下的開銷并不算大。相反，若不使用這種控制幀，則一旦發生沖突而導致數據幀重發，則浪費的時間就更大。雖然如此，但協議還是設有三種情況供用戶選擇：使用RTS和CTS幀；當數據幀的長度超過某一數值時才使用RTS和CTS幀；不使用RTS和CTS幀。 盡管協議經過了精心設計，但沖突仍然會發生。例如：站B和站C同時向站A發送BTS幀。這兩個RTS幀發生沖突后，使得站A收不到正確的RT

17、S幀因而站A就不會發送后續的CTS幀。這時，站B和站C像以太網發生沖突那樣，各自隨機地推遲一段時間后重新發送其RTS幀。推遲時間的算法也是使用二進制指數退避。 為了盡量減少沖突，802.11標準設計了獨特的MAC子層，這里不具體說明。3.3、CSMA/CD的退避算法在機制中，網絡協調器在網絡中，會發出信標給所有的可感應節點，而對于有數據需傳送的設備來說，它們會向網絡協調器要求進行傳送，由于在一個時間內只能有一個設備進行傳輸，因此所有想要傳輸的節點設備就會通過CSMA/CA機制來競爭傳輸媒體的使用權。所有準備傳輸數據的設備，會監測目前的無線傳輸媒體是否有其他設備在使用中，如果為宅閑，此時，這些設

18、備會產生一個倒退延遲時間，來錯開這些設備同時送出數據從而造成碰撞的可能。若目前的無線傳輸媒體是忙碌中的，則這些設備將會在監測到媒體為空閑后，再進行CSMA/CA的競爭。在算法中,CSMA/CA算法是用于節點問數據傳輸時的信道爭用機制，此算法中有三個重要的參數由每個要傳送數據的設備去維護：Nb、CW和BE。1、Nb（后退次數，NumberOfBack）:Nb的初始值為0,當設備有數據要傳送時，經過一段后退時間后，發送CCA檢測，若檢測到信道忙，則會再一次產生倒退時間，此時Nb值會加1,在中，Nb值最大定義為4,當信道在經過4次的后退延遲時間后仍為忙，剛放棄此次的傳送，以避免過大開銷。2、CW（碰

19、撞窗口的長度，contentwindowlength）:也就是后退延遲時間的長度，單位是Backoff,個后退周期的定義在MACPIB中由參數aUnitBackofPeriod給出，為20symbol的時間。CW的初始值為2,最大值為31。3、BE（后退指數，Backoffexponent）:取值范圍為05,15.4推薦的默認值為3,最大值為5。當BE設為0時，則只進行一次碰撞檢測。在中，失敗的次數（重傳）最多3次。圖2.19是CSMA/CA算法流程；其中在步驟（3）是完成CCA的部分。3.4、無線網絡MAC層的特點在無線局域網中，由于無線信道的共享性和數據傳輸的組播性，發送方在發送數的過程中

20、進行沖突檢測比較困難。且對某個節點來說，其剛剛發出的信號強度要遠高于來自其他節點的信號強度，也就是說它自己的信號會把其他的信號給覆蓋掉。WLAN媒體訪問控制(MAC)層采用的CSMA/CA協議，該協議用避免沖突檢測代替802.3協議使用的沖突檢測，采用沖突避免機制盡量減小沖突碰撞發生的概率，以提高網絡吞吐性能與遲延性能。此外無線局域網中還存在一下幾個問題:341Near-fareffect由于接收用戶的隨機移動性，移動用戶與基站間的距離也是隨機變化的，若各移動用戶發射功率一樣，那么到達基站的信號強弱不同，離基站近信號強反之則弱，通信系統的非線性則進一步加重，出現強者更強的現象，這就是遠近效應。

21、遠近效應存在于點到多點環境，一個基站對應多個移動終端，假設終端發射功率相同，但距離基站距離不同，基站接收到的信號大小不同，大信號可能將小信號當做干擾信號覆蓋（當前的通行系統存在不同的解決辦法，保證基站收到的信號大小差不多）。隱藏站問題（HiddenstationProblem）拓撲：AP1-AP2-AP3圖3.2無線網絡拓撲圖1假設由于信號覆蓋的范圍問題，中間的AP2能接收到AP1和AP3的信號:而AP1與AP3無法感覺對方的存在。AP1與AP3由于傳輸范圍無法互相覆蓋或者遇到其他障礙物阻礙的情況下，無法檢測到碰撞的發生，不能使用cd機制,必須由接收端AP2來控管確認取得傳輸的權利。暴露站問題

22、（exposedstationproblem拓撲：AP1-AP2-AP3-AP4圖3.3無線網絡拓撲圖2假設信號傳輸距離只能到達相鄰的站，即1-2-3,2-3-4組成兩個傳輸范圍，若這時ap2向ap1發送信號，ap3也想和ap4通信，但是由于ap3檢測到媒體上有信號，于是，為了避免沖突，就不像ap4發送數據。其實ap2像ap1發送數據并不影響ap3像ap4發送數據，這種能檢測到媒體上已存在信號，但又不影響發送數據的問題叫做暴露站問題。4、CSMA/CD和CSMA/CA的主要差別兩者最重要的區別就在于CSMA/CD是發生沖突后及時檢測，而CSMA/CA是發送信號前采取措施避免沖突。CSMA/CD:帶有沖突檢測的載波監聽多路訪問，可以檢測沖突，但無法避免”CSMA/CA:帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問，發送包的同時不能檢測到信道上有無沖突，只能盡量”避免”。1、兩者的傳輸介質不同，CSMA/CD用于總線式以太網，而CSMA/CA貝U用于無線局域網802.11a/b/g/n等等。2、檢測方式不同，CSMA/CD通過電纜中電壓的變化來檢測，當數據發生碰撞時，電纜中的電壓就會隨著發生變化；而CSMA/CA采用能量檢測(ED)、載波檢測(CS)和能量載波混合檢測三種檢測信道空閑的方式。3、信道的利用率不同CSMA/C