【复习408】详记CSMA/CD协议

载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议作为早期以太网技术的核心，定义了多个设备如何在共享传输介质上进行有效通信的规则，是相当的经典。

第一章：CSMA/CD 协议基本原理

CSMA/CD 协议是以太网在 半双工（half-duplex）‍ 模式下，为解决多个网络节点（站点）共享同一物理传输介质（如总线型拓扑中的同轴电缆）时可能发生的数据冲突问题而设计的介质访问控制（MAC）机制。它的核心思想可以通俗地概括为 “先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发”
其最终目标是在保证网络公平性的前提下，尽可能高效地利用共享信道，并在冲突无法避免时，能够快速检测并从中恢复。

1.1 基本概念

关键术语	含义
Carrier Sense（载波监听）	指站点在发送数据帧之前，必须首先对共享信道进行监听，通过检测信道上是否存在电平信号（即载波）来判断信道是否处于“空闲”状态 。如果信道忙碌（即有其他站点正在发送数据），则必须等待，直到信道变为空闲才能开始发送。这一原则确保了站点不会在信道明显被占用的情况下“强行”发送数据，是避免冲突的第一道防线。
Multiple Access（多路访问）	指多个独立的站点连接到同一个共享的传输介质上，并且每个站点都有平等的权利去竞争和使用这个介质来发送数据。这种“多对一”的共享特性是局域网的基础，但也正是冲突产生的根源。
Collision Detection（冲突检测）	这是CSMA/CD相对于其前身CSMA协议的关键改进。它要求站点在 发送数据的同时，持续不断地监听信道。通过比较自己发送的信号与在信道上实际检测到的信号，判断是否发生了冲突。通常，当两个或多个站点同时发送数据时，信道上的电压电平会发生异常（例如，高于单个站点发送时的正常电平）。一旦检测到这种异常，就意味着发生了冲突。
Jam Signal（阻塞信号/干扰信号）	当一个站点检测到冲突后，它会立即停止发送当前的数据帧，转而发送一个特殊的、短暂的比特序列，即阻塞信号。这个信号通常是一个32位的特定序列。其目的是 加强冲突，确保冲突信号的持续时间足够长，能够传遍整个网络，从而让所有卷入此次冲突的站点都能明确地感知到冲突的发生，进而同步进入冲突处理流程。
Back-off（退避）	冲突处理的核心环节。在发送完阻塞信号后，所有检测到冲突的站点都会启动一个退避算法，各自等待一个随机生成的时间间隔，然后再重新尝试从载波监听步骤开始发送 。这种随机等待机制的目的是错开各个站点的重传时间点，从而极大地降低在下一次尝试中再次发生冲突的概率 。CSMA/CD采用的是一种名为 二进制指数退避（Binary Exponential Backoff, BEB）‍的算法。

1.2 工作流程详解（逐步时序）‍

CSMA/CD的完整工作流程是一个精密的时序闭环，以下是其详细的步骤分解：

步骤	详细描述	关键时间参数
1. 载波监听（Carrier Sense）	站点准备发送数据帧。其物理层（PHY）持续监测介质电平（通常通过 CRS 载波侦听信号来判断）。若检测到信道 空闲（电平低），则等待一个称为帧间隙（Inter-Frame Gap, IFG）的微小时间（在10Mbps以太网中为9.6µs）后，进入步骤2；若检测到信道 忙碌，则继续监听，直到信道变为空闲。	空闲检测时间：物理层硬件的检测非常迅速，几乎是即时的。
2. 发送帧（Transmission）	当介质空闲时，站点开始从前导码（Preamble）和帧起始定界符（SFD）开始，发送完整的以太网数据帧 。在整个发送期间，站点的发送器在发送信号的同时，其接收器（或专门的冲突检测电路）也 同时监测 介质上的信号电平，为步骤3做准备。	发送时间 = 帧长度（bits） / 介质速率（bps）。例如，一个1518字节（12144位）的最大以太网帧，在10Mbps速率下发送时间约为1.2ms。
3. 冲突检测（Collision Detection）	在发送过程的前半部分，站点需要特别关注冲突。冲突的最坏情况发生在：一个站点刚开始发送，其信号即将到达网络最远端的另一个站点时，远端站点恰好也开始发送。冲突信号需要时间传回始发站。这个检测冲突的最长时间窗口被称为 时隙（Slot Time）‍。如果在此窗口内，站点检测到介质电压异常（冲突），则立即停止发送数据帧，并进入步骤4。若发送超过时隙时间仍未检测到冲突，则表明已成功获得信道使用权，可以继续发送直至帧结束。	时隙时间（Slot Time）‍：这是协议中最重要的时间参数，定义为信号在网络中最大端到端往返传播延迟的两倍（2τ）。它确保了任何冲突都可以在发送方完成最小帧发送之前被检测到。
4. 发送 Jam 信号	测到冲突后，发送端立即停止发送数据帧，并发送一个 32-bit 的 Jam 信号。这个信号的目的是强化冲突，确保网络上所有站点都能检测到此次冲突事件，从而丢弃已接收到的不完整（冲突）的帧片段 。	Jam 信号持续时间：32 bits / 速率。在10Mbps下约为3.2µs；在100Mbps下约为0.32µs。
5. 退避（Back-off）	发送完 Jam 信号后，站点启动 二进制指数退避（BEB）‍ 算法。具体步骤如下：① 记录本次为第 n 次连续冲突（首次为 n=1）。② 在 [0, $2^{(}min(n,10))$ - 1] 的整数范围内，随机选择一个值 k。min(n, 10) 表示当连续冲突次数超过10次后，随机数的上限不再增加，固定为 2^10 - 1 = 1023。③ 站点将等待 k × SlotTime 的时间。	退避时间 = k × SlotTime。这是一个随机时间，旨在使冲突各方在不同的时间点重新尝试发送，避免再次碰撞。
6. 重新尝试	退避等待时间结束后，站点并不会立即发送，而是返回到 步骤 1，重新开始载波监听流程，再次竞争信道。	-
7. 重传次数限制	如果一个数据帧的连续冲突次数 n 超过了 16 次（这是 IEEE 802.3 标准的规定），发送端将不再尝试重传该帧。它会丢弃该帧，并向上层协议（如IP层）报告一个“发送失败”的错误（TxAbort）。这通常意味着网络出现了严重的拥塞或物理故障。	最大重传尝试次数：16 次。

第二章：CSMA/CD 的关键参数与时序约束

CSMA/CD协议的有效性严重依赖于一系列精确定义的时间参数，这些参数共同构建了其时序约束的骨架，确保了冲突检测机制的可靠性。

2.1 核心时间参数定义

• 时隙时间 (Slot Time):
  时隙是CSMA/CD协议的灵魂。其物理意义是：网络中任意两个站点之间信号传播延迟的最大值的两倍，即最远端对端之间的信号往返传播时间（Round-Trip Delay, RTD）。这个参数至关重要，因为它定义了冲突检测的“窗口期”。一个站点必须保证在发送数据后的一个“时隙时间”内，能够明确知道自己是否遭遇了冲突。如果发送时间小于时隙，那么可能出现帧已发送完毕、但冲突信号尚未传回的情况，导致冲突逃逸。

• 最小帧长度 (Minimum Frame Size):
  为了保证时隙的有效性，IEEE 802.3标准规定了以太网帧的最小长度。这个长度的设定原则是：以特定速率发送最小帧所需的时间，必须不小于该网络的时隙时间。
  最小帧发送时间 ≥ Slot Time
  对于经典的10Mbps以太网，时隙被定义为51.2µs，因此最小帧长被设定为：
  10 Mbps × 51.2 µs = 512 bits = 64 字节
  这就是以太网帧最小为64字节的根本原因。任何小于64字节的帧都会被接收方认为是由于冲突而异常中断的“冲突碎片”（Runt Frame），并被丢弃。