考研笔记

随机访问：CSMA/CA

CSMA/CA 与 CSMA/CD 同属 3.5.2，另起一页。它是 CSMA/CD 搬到无线环境后被迫做的改造：检测不了冲突，就只能尽量避开冲突，再用确认来发现失败。

真题的考点很集中：确认机制（2011）、信道预约（2018）、三种帧间间隔（2020）、NAV 的计算（2024）。每一个都能从”为什么无线不能检测冲突”推出来。

机制

为什么无线局域网不能用冲突检测

CSMA/CD 协议已成功用于有线连接的局域网，但无线局域网不能简单地搬用 CSMA/CD。无线局域网仍然使用 CSMA，但无法使用冲突检测，主要有两个原因：

  1. 适配器接收到的信号强度往往远小于发送信号的强度，且在无线介质上信号强度的动态变化范围很大，因此若要实现冲突检测，则硬件上的花费会过大。——自己正在发送时，本机的强信号会淹没远处传来的弱信号，边发边听听不见。
  2. 在无线通信中，并非所有站点都能够听见对方（但能产生冲突），即存在”隐蔽站”问题，从而使得冲突检测机制并不能检测到所有的冲突。

为此，802.11 标准定义了广泛用于无线局域网的 CSMA/CA 协议，它对 CSMA/CD 协议进行修改，将冲突检测改为冲突避免（Collision Avoidance，CA）。“冲突避免”并不是指协议可以完全避免冲突，而是指协议的设计要尽量降低冲突发生的概率。因为 802.11 无线局域网不使用冲突检测，一旦站点开始发送一个帧，就会完全发送该帧，但冲突存在时仍发送整个帧（尤其是长数据帧）会严重降低网络的效率，所以要采用冲突避免技术来降低冲突的概率。

确认：用停止-等待发现失败

因为无线信道的通信质量远不如有线信道，所以 802.11 标准使用链路层确认/重传（ARQ）方案，即站点每通过无线局域网发送完一帧，就要在收到对方的确认帧后才能继续发送下一帧（2011 年考过 CSMA/CA 的确认机制）。可见，802.11 标准无线局域网采用的停止-等待协议是一种可靠传输协议——这与有线链路”只检错、不确认”形成对照（3.1.5）。

检测不了冲突，确认就成了发现冲突的唯一手段：没收到 ACK，就当作失败重传。

帧间间隔：用等待时长排优先级

为了尽量避免冲突，802.11 标准规定，所有站检测到信道空闲后，还要等待一段很短的时间（继续监听）才能发送帧。这段时间称为**帧间间隔**（InterFrame Space，IFS）。帧间间隔的长短取决于站点要发送的帧的类型（2020 年考过）：

IFS长度用途
SIFS（短 IFS）最短分隔属于一次对话的各帧：ACK 帧、CTS 帧、分片后的数据帧、所有回答 AP 探询的帧
PIFS（点协调 IFS）中等在 PCF 方式中使用
DIFS（分布式协调 IFS）最长在 DCF 方式下发送数据帧和管理帧

等待时间越短，优先级越高：一次对话进行中（刚收到数据要回 ACK、刚收到 RTS 要回 CTS），应答方只等 SIFS 就发，别的站还在等 DIFS，根本插不进来。这就是用时长排优先级的道理。

（802.11 标准定义了两个 MAC 子层：分布式协调功能 DCF 不采用任何中心控制，各站通过争用信道获得发送权；点协调功能 PCF 使用 AP 集中控制，用类似探询的方法将发送权轮流交给各站，向上提供无争用服务。DCF 是默认方式，必须实现；PCF 是可选方式，实际中很少使用。）

虚拟载波监听

802.11 标准规定各站在发送数据之前必须监听信道，只要监听到信道忙，就不能发送数据。802.11 标准还规定各站采用虚拟载波监听机制，即让源站将它要占用信道的持续时间（包括目的站发回 ACK 帧所需的时间）及时通知给所有其他站，以便使所有其他站在这段时间内都停止发送，这样就大大减少了冲突的概率。“虚拟载波监听”表示其他站并未监听信道，而是因收到了源站的通知才不发送数据，这种效果就像是其他站都监听了信道。

退避：什么时候不退避

当信道从忙态转为空闲时，任何一个站要发送数据帧，不仅要等待一个 DIFS 的间隔，还要进入争用窗口，计算随机退避时间以便再次试图访问信道（避免多个站同时发送），因此降低了冲突发生的概率。

当且仅当检测到信道空闲且这个数据帧是要发送的第一个数据帧时，才不使用退避算法；其他所有情况都必须使用退避算法，具体为：①在发送第一个帧之前检测到信道忙；②每次重传；③每次成功发送后要发送下一帧。

CSMA/CA 的退避算法与 CSMA/CD 稍有不同：第 次退避在 个时隙中随机选择一个，扩大了随机选择退避时间的范围。当时隙范围最大达到 255 时（对应第 6 次退避），就不再增加，不同于 CSMA/CD 的 1023。

CSMA/CA 算法归纳如下：

flowchart TD
    S["有数据帧要发送"] --> Q{"最初有数据要发送<br/>且检测到信道空闲？"}
    Q -- "是" --> W["等待 DIFS 后<br/>发送整个数据帧"]
    Q -- "否" --> B["执行退避算法，选取随机退避值<br/>信道忙：计时器保持不变<br/>信道空闲：计时器倒计时"]
    B --> Z["计时器减至 0<br/>（此时信道只可能空闲）"]
    Z --> W2["发送整个帧并等待确认"]
    W --> ACK{"规定时间内<br/>收到 ACK？"}
    W2 --> ACK
    ACK -- "是：发送下一帧" --> B
    ACK -- "否：重传" --> B
    classDef k fill:#dbeafe,stroke:#2563eb
    class B k
  1. 若站点最初有数据要发送（而非发送不成功再进行重传），且检测到信道空闲，那么在等待时间 DIFS 后，就发送整个数据帧。
  2. 否则，站点执行 CSMA/CA 退避算法，选取一个随机退避值。一旦检测到信道忙，退避计时器就保持不变；只要信道空闲，退避计时器就进行倒计时。
  3. 当退避计时器减至 0 时（这时信道只可能是空闲的），站点就发送整个帧并等待确认。
  4. 发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确接收。这时要发送第二帧，就要从步骤 2 开始，执行 CSMA/CA 退避算法，随机选定一段退避时间。

若发送站在规定时间（由重传计时器控制）内未收到确认帧 ACK，就必须重传该帧，再次使用 CSMA/CA 协议争用该信道，直到收到确认，或经过若干次重传失败后放弃发送。

处理隐蔽站：RTS 与 CTS

站 A 和站 B 都在 AP 的覆盖范围内，但 A 和 B 相距较远，彼此都听不见对方。当 A 和 B 检测到信道空闲时，都向 AP 发送数据，导致冲突发生，这就是隐蔽站问题。为了避免该问题，802.11 标准允许发送站对信道进行预约（2018 年考过信道预约的方法）：

sequenceDiagram
    participant S as 源站
    participant AP as 目的站（AP）
    participant O as 其他站
    Note over S: 监听到信道空闲<br/>等待 DIFS
    S->>AP: RTS（源地址、目的地址、通信所需的持续时间）
    Note over AP: 等待 SIFS
    AP->>S: CTS（通信所需的持续时间）
    AP-->>O: CTS 被其他站听到 → 设置 NAV，推迟访问
    Note over S: 等待 SIFS
    S->>AP: DATA
    Note over AP: 等待 SIFS
    AP->>S: ACK
  1. 源站发送数据之前，先监听信道，若信道空闲，则等待时间 DIFS 后，广播一个请求发送 RTS（Request To Send）控制帧，它包括源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间。
  2. 若 AP 正确收到 RTS 帧，且信道空闲，则等待时间 SIFS 后，广播一个允许发送 CTS（Clear To Send）控制帧，它也包括这次通信所需的持续时间。
  3. 源站收到 CTS 帧后，再等待时间 SIFS，就可发送数据帧。
  4. 若 AP 正确收到了源站发来的数据，则等待时间 SIFS 后就向源站发送确认帧 ACK。

AP 覆盖范围内的其他站听到 CTS 帧后，将在 CTS 帧中指明的时间内抑制发送。CTS 帧有两个目的：①给源站明确的发送许可；②指示其他站在预约期内不要发送。

两个帧里填写的持续时间不一样（NAV 值的分析 2024 年考过）：

  • 源站在 RTS 帧中填写的，是从收到 RTS 帧后到目的站最后发送完 ACK 帧为止的时间，即 SIFS + CTS + SIFS + 数据帧 + SIFS + ACK。
  • AP 在 CTS 帧中填写的，是从收到 CTS 帧后到目的站最后发送完 ACK 帧为止的时间，即 SIFS + 数据帧 + SIFS + ACK。

虽然站 B 检测不到站 A 发送给 AP 的 RTS 帧，但却能检测到 AP 发送给站 A 的 CTS 帧，站 B 根据 CTS 帧中的持续时间设置自己的网络分配向量（NAV）。NAV 指出了信道忙的持续时间，意味着站 A 和 AP 以外的站点都不能在这段时间内发送数据。这正是 CTS 必须由 AP 广播的原因：隐蔽站听不见源站，但一定听得见 AP。

使用 RTS 帧和 CTS 帧会使网络的通信效率有所下降，但这两种控制帧都很短，与数据帧相比开销不算大；相反，若不使用这种控制帧，一旦发生冲突而导致数据帧重发，浪费的时间会更多。信道预约不是强制性规定，各站可自行决定使用或不使用；或只有当数据帧长超过某个数值时才使用 RTS 帧和 CTS 帧，这样就更为划算。

此外，数据帧也可携带本次通信所需的持续时间，这些都属于虚拟载波监听机制。站点只要监听到 RTS、CTS 或数据帧中的任何一个，就能知道信道将被占用的持续时间，而不需要真正监听信道上的信号，因此虚拟载波监听机制能减少隐蔽站带来的碰撞问题。持续时间写在 802.11 帧首部的”持续期”字段里，见 3.6.3。

计算模板：NAV

  1. 看是谁的帧设置了 NAV：听到 RTS 的站按 RTS 的持续时间设，听到 CTS 的站按 CTS 的持续时间设。
  2. RTS 的持续时间 = SIFS + CTS + SIFS + DATA + SIFS + ACK；CTS 的持续时间 = SIFS + DATA + SIFS + ACK。
  3. DATA 的传输时延 = 帧长 ÷ 带宽；DIFS 不计入（它发生在 RTS 之前）。

例（2024 真题，王道 3.5.4 第 43 题）：DIFS = 128μs，SIFS = 28μs，RTS、CTS、ACK 的传输时延分别为 3μs、2μs、2μs，忽略传播时延。主机 A 向 AP 发送 1998B 的数据帧，带宽 54Mb/s，隐蔽站 B 收到 AP 发送的 CTS 帧时设置的 NAV 值是？

数据帧传输时延 s。B 听到的是 CTS，NAV s，选 B。若按 RTS 算则多出 s 得 384μs；若误把 DIFS 算进去会得到更大的值。

例（2020 真题，第 41 题）：主机 H 与 AP 按 RTS、CTS、DATA、ACK 的顺序交互，四个帧前的帧间间隔 IFS1～IFS4 中最长的是？H 发 RTS 前等的是 DIFS，其余三个都是 SIFS，最长的是 IFS1，选 A。

边界

“冲突避免”不是”没有冲突”。 CSMA/CA 只能降低冲突概率，无线信道上的冲突无法完全避免；也正因为可能冲突，CSMA/CA 同样需要退避算法（王道 3.5.5 第 23 题）。

错题复盘：CSMA/CA 的主要特点是发送后等待确认、超时重传；检测到空闲还须等 DIFS，预约信道不是强制的

王道 3.5.4 第 24 题：CSMA/CA 协议的主要特点是（A. 发送前先检测信道，信道空闲就立即发送，信道忙就随机推迟发送　B. 边发送边检测信道，一旦发现冲突就立即停止发送　C. 发送前先预约信道，获得信道授权后再发送　D. 发送后等待确认帧，在规定时间内未收到确认帧就重传）。答案 D。

A 错在”立即发送”：若检测到信道空闲，CSMA/CA 规定还必须等待 DIFS 的时间才能开始发送。B 是 CSMA/CD 的特点，CSMA/CA 不会进行冲突检测。C 错在把预约当成了必经步骤：预约信道并不是 CSMA/CA 的强制规定，在普通模式下不进行预约。只有 D 是 CSMA/CA 无论如何都要做的事——既然检测不了冲突，就只能靠确认来发现失败。

CSMA/CA 与 CSMA/CD 的退避不是一回事。 CD 在检测到冲突之后才退避；CA 在”不是信道空闲时的第一个帧”的所有情况下都要先退避。CD 的上限是 1023，CA 是 255。

二进制指数退避不是信道预约的方法。 2018 年真题问 CSMA/CA 进行信道预约的方法，答案是交换 RTS 与 CTS 帧；发送确认帧是为了可靠传输，二进制指数退避是 CSMA/CD 的冲突处理方式（第 39 题）。

无线局域网不用 CSMA/CD，理由是”难以实现冲突检测、存在隐蔽站和暴露站问题”。 暴露站的例子：B 向 A 发送，C 想向 D 发送，C 检测到信道忙而不发，其实 C 发给 D 并不会影响 B 到 A。“所有站点都能听见对方”是 CSMA/CD 的前提，无线环境下不成立（第 22 题）。

确认帧在 CSMA/CA 里不是”可选的可靠性增强”，而是协议的一部分。 2011 年真题问”对正确接收到的数据帧进行确认的 MAC 协议”，四个选项 CSMA、CDMA、CSMA/CD、CSMA/CA 中只有 CSMA/CA（第 34 题）。

口径差异：真实 Wi-Fi 的退避窗口与 RTS/CTS

教材口径：第 次退避在 个时隙中选取，最大到 255；RTS/CTS 按需使用。

工程口径：实际 802.11 的争用窗口参数随物理层标准而不同（从一个最小值起逐次翻倍，上限一般为 1023）；家用 Wi-Fi 通常默认只对超过某个长度阈值的帧启用 RTS/CTS，与教材”只有当数据帧长超过某个数值时才使用”的说法一致。

考试按教材口径作答。

对照速查

CSMA/CDCSMA/CA
介质总线形以太网（有线）802.11a/b/g/n（无线）
对冲突检测冲突，但无法避免避免冲突，但无法检测
检测方式电缆中的电压变化能量检测、载波检测、能量载波混合检测
发送前空闲（且过 9.6μs 帧间隔）即发空闲后还要等 DIFS；非首帧还要退避
发送中边发边听，冲突即停一旦发送就发完整个帧
确认无（链路层不确认）有，停止-等待
退避上限1023255

教材的一句话总结：CSMA/CA 在发送数据帧之前先广播告知其他站点，让其他站点在某段时间内不要发送数据帧，以免发生冲突；CSMA/CD 在发送数据帧之前监听，边发送边监听，一旦发生冲突，就立即停止发送。

说法对错
CSMA/CA 中接收方收到数据帧后要返回确认帧✅
CA 表示冲突避免，因此此类网络不会出现冲突❌
CSMA/CA 检测到信道空闲后立即发送❌（还要等 DIFS）
CSMA/CA 不需要退避算法❌
SIFS < PIFS < DIFS✅
隐蔽站根据收到的 RTS 帧设置 NAV❌（隐蔽站听不到 RTS，按 CTS 设置）

考点

  • 无线不能用冲突检测的两个原因：收发信号强度悬殊、隐蔽站
  • CSMA/CA = 冲突避免，只降低概率；链路层确认 + 停止-等待，是可靠传输协议（2011）
  • IFS：SIFS 最短（ACK、CTS）< PIFS < DIFS 最长（数据帧、管理帧）（2020）
  • 首帧且信道空闲才不退避；退避中信道忙则计时器冻结
  • RTS/CTS 信道预约（2018）；CTS 让隐蔽站设置 NAV；预约非强制
  • NAV：RTS 填 SIFS+CTS+SIFS+DATA+SIFS+ACK，CTS 填 SIFS+DATA+SIFS+ACK（2024）

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