计算机网络：数据链路层 - CSMA/CA协议
计算机网络：数据链路层 - CSMA/CA协议
CSMA/CA（载波监听多址访问/冲突避免）协议是无线局域网中用于解决数据链路层通信问题的重要协议。本文将详细介绍CSMA/CA协议的原理、帧间间隔、工作流程、退避算法以及虚拟载波监听机制，帮助读者全面理解这一关键技术。
CSMA/CA概述
在讲解CSMA/CA之前，我们先回顾一下CSMA/CD（载波监听多址访问/冲突检测）协议的三个特性：
- 多址接入（MA）：多个主机连接在一条总线上，竞争使用总线
- 载波监听（CS）：每一个站点在发送帧之前，先要检测一下总线上是否有其他站点在发送帧
- 碰撞检测（CD）：每一个正在发送帧的同时，一边发送帧一边检测。一旦发现总线上出现碰撞，则立即停止发送，退避一段随机时间后再次重新发送
CSMA/CD协议已经解决了有线局域网的传输问题，那么同样使用广播信道的无线局域网能不能也使用CSMA/CD协议呢？
在无线局域网中仍然可以使用载波监听（CS）以及多址接入（MA），即在发送帧之前先对传输媒体进行载播监听。若发现有其他站在发送帧，就推迟发送，以避免发生碰撞。
但是，在无线局域网中不能使用碰撞检测（CD），由于无线信道的传输条件特殊，其信号强度的波动范围非常大，无线网卡上接收到的信号强度往往会远远小于发送信号的强度，可能相差百万倍。如果要在无线网卡上实现碰撞检测，对硬件的要求非常高。
另外一个问题，就是隐蔽站问题：
这里有4个无线站点，A的信号范围可以覆盖到B，但不能覆盖到C。C信号范围可以覆盖到B，但不能覆盖到A。换句话说，A和C都检测不到对方的无线信号。当A和C都要给B发送帧时，就会产生碰撞，但A和C无法检测到碰撞，这种未能检测出信道上其他站点信号的问题叫做隐蔽站问题。
当出了自己的检测范围，就无法识别到碰撞，那么在发送时检测碰撞也是没有有意义的。因此802.11无线局域网使用CSMA/CA协议在保留CS和MA的基础上去掉了CD，也就是实时监测碰撞。增加了一个CA，CA是一种避免碰撞的功能。
因此CSMA/CA协议的含义如下：
- 多址接入（MA）：多个主机在一个局域网中竞争使用信道
- 载波监听（CS）：每一个站点在发送帧之前，先要检测一下是否有其他站点在发送帧
- 避免碰撞（CA）：主机发送信号时，尽可能地避免发送碰撞
由于不可能避免所有的碰撞，并且无线信道误码率较高，802.11标准还使用了停止等待协议来保证数据被正确接收。
帧间间隔
802.11标准规定所有的站点必须在持续检测到信道空闲一段指定时间后才能发送帧，这段时间称为帧间间隔（IFS）。
帧间间隔的长短取决于该站点要发送的帧的类型，高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权。低优先级帧需要等待的时间较长，若某个站的低优先级帧还没来得及发送，而其他站的高优先级帧已发送到信道上，则信道变为忙状态，因而低优先级帧就只能在推迟发送了，这样就减少了发生碰撞的机会。
常用的两种帧间间隔如下：
- 短帧间间隔（SIFS）：长度为28微秒，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各个帧，一个站点应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。
- DCF帧间间隔（DIFS）：长度为128微秒，它比短帧间间隔（SIFS）要长得多。在DCF方式中用来发送数据帧和管理帧。
工作原理
接下来我们来举例说明CSMA/CA协议的工作原理
如图所示：
以上站点都是无线站点，横坐标为时间假设无线信道是空闲的，源站有数据帧要发送，当源站检测到信道空闲，则在等待帧间间隔DIFS后发送该数据帧：
目的站若正确收到该数据帧，则经过帧间间隔SIFS后向源站发送确认帧ACK：
需要说明的是，若源站在规定时间内没有收到确认帧ACK，重传计时器超时后，就必须重传该数据帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。
源站为什么在检测到信道空闲后还要再等待帧间间隔DIFS后才发送数据帧呢？
这就是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送，若有就让高优先级帧先发送
目的站又是为什么在正确接收数据帧后，还要再等待一段时间SIFS才能发送ACK帧？
SIFS是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各个帧。在这段时间内，一个目的站会从发送方式切换到接收方式。
如图所示，在源站和目的站的一次对话过程中，无线信道处于忙状态。若无线信道处于忙状态时，其他无线站点要发送数据，则必须退避：
当信道从忙状态转换到空闲状态并经过帧间间隔DIFS后，其他要发送数据的无线站点需要退避一段随机时间后才能发送。
既然信道已经由忙转为空闲，且经过帧间间隔DIFS后，为什么还要退避一段随机时间才能使用信道，而不是立即使用信道呢？
这样做的目的在于防止多个站点同时发送数据而产生碰撞。
当站点检测到信道是空闲的，并且没有连续发送数据，则不使用推避算法。
而以下情况必须使用退避算法
- 在发送数据帧之前检测到信道处于忙状态时，必须使用退避算法
- 因为处于忙状态时，就可能会有多个站点准备发送，为了防止忙状态刚结束结束，多个站点同时发送数据，于是利用退避算法，把多个站点的发送交错开。
- 在每一次重传一个数据帧时，必须使用退避算法
- 在每一次成功发送后，要连续发送下一个帧时，必须使用退避算法
- 这是为了避免一个站点长时间占用信道。
退避算法
在CSMA/CA协议中，采用了截断二进制指数退避算法来进行退避操作，以产生随机的数值进行退避，确保主机碰撞后退避的时间不同。
算法如下：
- 规定基本退避时间为一个时隙的长度t
- 定义参数k = min(重传次数, 6)
- 从整数区间[0,2^k - 1]随机选一个数字r，最后的退避时间为r × 2τ
接下来我再详细讲解以上算法的执行过程。
首先要设置一个基本的退避时间，该时间被设置为2t。而最后的总退避时间，就等于一个随机数r乘以这个基本退避时间2t，也就是r × 2t。
那么现在的问题就是，要如何生成这个随机数r。该随机数r取自一个区间[0,2^k - 1]，而这个k不是一个固定的数值，其与重传次数相关。
- 如果重传次数小于6，那么k就是重传次数
- 如果重传此处大于6，那么k = 6
比如说当前是第2次重传，那么k = 2，r的取值范围就是[0,2^2 - 1]，也就是[0, 3]。最后r在这个区间内随机取一个值，最终的退避时间就是r × 2t。
再比如当前是第8次重传，由于重传次数超过6，那么k = 6，r的取值范围就是[0,2^6 - 1]，也就是[0, 255]。最后r在这个区间内随机取一个值，最终的退避时间就是r × 2t。
我们来举例说明。CSMA/CA协议的退避算法如图所示，ABCDE是5个无线站点，横坐标为时间：
假设A正在占用无线信道发送帧，在A的发送过程中，B、C、D也要发送帧，我们用向上的箭头来表示。于是进行载波监听，发现信道忙，需要退避，根据退避算法选择出一个随机的退避时间，并在每个时期对信道进行一次检测，当检测到信道由盲状态转为空闲状态且经过帧间间隔DIFS后，退避计时器开始倒计时：
假设C退避时间最短，当C退避计时器到时候，C立即开始发送帧，此时信道由空闲状态转换为忙状态，当B和D检测到信道忙后，就冻结各自剩余的退避时间：
假设在C占用无线信道发送帧的过程中，E也要发送帧，于是进行载波监听，发现信道忙，需要退避，当检测到信道由盲状态转为空闲状态，经过帧间间隔DIFS后，退避计时器开始倒计时：
B和D退避计时器从上次冻结的退避剩余时间开始。
倒计时D的退避计时器会首先到时D立即开始发送帧，此时信道由空闲状态转换为忙状态：
当B和E检测到信道忙后，就冻结各自剩余的退避时间。
当D发送完帧后，信道将转为空闲状态。当B和E检测到信道由忙状态转换为空闲状态，且经过帧间间隔DIFS后，退避计时器重新开始，从上次冻结的退避剩余时间开始倒计时：
E的退避计时器结束，E立即开始发送帧，此时信道由空闲状态转换为忙状态：
当B检测到信道忙后，就冻结自己剩余的退避时间。
当E发送完帧后，信道将转为空闲状态。当B检测到信道由盲状态转换为空闲状态，且经过帧间间隔DIFS后，退避计时器重新开始从上次冻结的退避剩余时间开始倒计时，当B的退避计时器到时候，B立即开始发送帧：
若B发送完这一帧后还有帧要发送，则在检测到信道空闲且经过帧间间隔DIFS后，因为是相同的站点连续发送，还必须再退避一段随机时间后才能发送：
虚拟载波监听
接下来我们介绍CSMA/CA协议的信道预约和虚拟载波监听。
为了尽可能减少碰撞的概率和降低碰撞的影响，802.11标准允许要发送数据的站点对信道进行预约。
源站在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，称为请求发送（RTS），它包括源地址、目的地址以及这次通信所需的持续时间。
如图所示，当源站检测到信道空闲且经过帧间间隔DIFS后发送RTS帧：
若目的站点正确收到源站发来的RTS帧，在检测到信道空前且经过帧间间隔SIFS后就发送一个响应控制帧，称为允许发送（CTS）。它也包括这次通信所需的持续时间：
源站收到CTS帧后再等待一个帧间间隔SIFS后，就可发送其数据帧：
若目的站正确收到了源站发来的数据帧，在等待一个帧间间隔SIFS后，就向源站发送确认帧ACK：
如果RTS帧发生碰撞，源站就收不到CTS帧，需要执行退避算法重传RTS帧。由于RTS帧和CTS帧很短，发生碰撞的概率、碰撞产生的开销以及本身的开销都很小。而对于一般的数据帧，其发送时延往往大于传播时延，碰撞的概率很大，且一旦发生碰撞而导致数据帧重发，则浪费的时间就很多，因此用很小的代价对信道进行预约往往是值得的。
由于利用虚拟载波监听机制，其它站点只需要监听到RTS、CTS或数据帧中的任何一个，就能知道信道被占用的持续时间，而不需要真正监听到信道上的信号。因此，虚拟载破监听机制能减少隐蔽站带来的碰撞问题。
除源站和目的站以外的其他各站在收到CTS帧或数据帧后就推迟接入到无线局域网中。这样就保证了源站和目的站之间的通信不会受到其他站的干扰。
例如，这是4个无线站点，A和C互为隐蔽站，A的信号可以覆盖到B，但不能覆盖到C。C的信号可以覆盖到B，但不能覆盖到A：
A在给B发送数据帧前，可以使用RTS帧来预约信道。尽管C收不到该RTS帧，但是C可以收到B发送给A的CTS帧：
这样C就知道了信道将被占用多长时间。在这段时间内，C都不会征用信道，也就是说A给B发送数据不会受到C干扰。