一、协议背景

最早的以太网是总线网络，当一台计算机发送数据时，总线上所有计算机都能检测到这个数据(广
播通讯方式)。为了通讯的简便，传统总线型以太网采取了以下措施：

1.提供的服务为不可靠的交付：

(1.采用较为灵活的无连接工作方式，发送数据不必先建立连接
(2.对发送的数据帧不进行编号
(3.不要求接收方发回确认，对有差错的数据帧(用CRC查出有差错)，把帧丢掉且什么都不做，
差错帧是否重传由高层来决定。(若高层协议决定重传，则以太网也会当做新的帧传输)

2.数据信号采取曼切斯特编码，利用中间的跳变来区分1和0

3.在半双工通讯方式和随机接入的前提下，利用CSMA/CD减少冲突的发生。
因为总线上只要有数据，传输资源就会被占用。因此传统总线型以太网采取半双工的通讯方式
和最简单的随机接入，且用CSMA/CD协议来减少因随机接入而产生的数据碰撞。

二、CSMA/CD概述

1.概述：

CSMA/CD，载波监听多点接入/碰撞检测，是广播型信道中采用一种随机访问技术的竞争型访
问方法，具有多目标地址的特点。它通过边发送数据边监听线路的方法来尽可能减少数据碰撞
与冲突。采用分布式控制方法，所有结点之间不存在控制与被控制的关系

*注意：在该情形下碰撞不可能完全避免，CSMA/CD只能减少碰撞。

2.三大要点：

(1.多点接入。即作用在总线型网络，许多计算机以多点接入的方法连接在一根总线上

(2.载波监听。即监听信道，检测总线上有没有其他计算机在传输数据，发送前后每个主机都
必须不停地检测信道

(3.碰撞检测。即边发送边监听，适配器边发送数据边检测信道上的信号电压变化情况，以此
判断是否有别人在发送数据。若没有检测到电压，即信道为“空闲”状态，可以
发送数据。若检测到极大或极小的电压，就说明有两个及以上主机的信号发生
了碰撞(电磁波相遇)，此时适配器就会立即停止发送。

3.问题：

既然已经能够监听碰撞了，为什么不能完全避免数据在总线上的碰撞呢？

↓↓↓↓ 引出下面的解释 ↓↓↓↓

三、CSMA/CD的碰撞检测详解

依旧会发生碰撞的原因：

一段电磁波在总线上是以有限的速率进行传播的，导致从A端传播到B端的电磁波有时延，B端总是不能立马感知到其附近有数据在传输。

1.时延对载波监听的影响

基础参数极其含义:

τ ----念"taò"，单程的"端到端"传播时延
*记住:电磁波在1km电缆的传播时延约为5μs = 5*10^(-6)s
δ ----念"deltà"，单纯表示时间间隔

文字解释：

(1.t = 0 A端开始发送数据a，由于存在时延τ，t = τ-δ时未到达B端
(2.t = τ-δ 之前，B端监听到其连接的信道为"空闲"，于是在t = τ-δ时发送数据b
(3.t = τ-3/2δ 时，数据a和数据b发生碰撞，两者的电磁波均出现错误
(4.t = τ 时，数据a到达B端，B端检测出碰撞
(5.t = 2τ-δ 时，数据b到达A端，此时数据a还没发完，A端检测出碰撞

当t = τ时，若B端准备发送数据，则会接收到数据a的信号电压，从而立即停止发送动作。而当
0<t<τ时，若B端开始准备发送数据，则B端不会检测到数据a，从而发送数据b造成碰撞。所以产
生碰撞的参数δ的范围为：δ∈( 0 , τ ]。

2.解决方法

(1.争用期/碰撞窗口

定义：由《时延对载波监听的影响》一图，可得，A端检测到碰撞的时间 t = 2τ-δ∈[ τ , 2τ )，也就是说A端在发送数据后经历 2τ这个时间后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。因此定义这个 2τ 为争用期
具体的争用期时间是固定值，为51.2μs。对于10Mbit/s的以太网来说，在争用期内可发送51.2μs*10Mbit/s = 512bit ，即64字节的数据。

*注意：由《时延对载波监听的影响》一图，可知数据b到达A端时，只有当A端的数据a还
没发完的时候，数据a依旧和数据b的前段发生电磁波干涉，A端才能检测出碰撞。

若数据a的长度过小，在数据b到达A端之前就脱离了A端主机，那么数据b到达A端
时，数据b不会产生异常信号电压，A端便不会认为这是碰撞。所以这就需要当t = 2τ
时数据a还未发完或恰好发完，即发送的数据的长度不能小于64字节。若原数据很
短，就会加入填充字节填充至64字节。

同样，如果发生碰撞，那一定是在2τ前发生的，因为发送端立即停止发送，此时已经
发送出的帧一定小于64字节。因此凡是收到长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常
终止的异常帧，会被立刻丢弃。

(2.退避时间

定义：以太网使用截断二进制指数退避算法来确定碰撞后的重传时机，即检测到碰撞立即停
止后，推迟(退避)一个随机的时间段，再重新准备发送数据。
*退避的算法：

I.基本退避时间为 2τ
II.根据重传的次数，定义参数k，按下面的公式计算：

k = Min[重传次数,10]

计算出k之后，再从离散的整数集合[0,1,...,(2^k-1)]之中随机取出一个数，记作r，那么此次
重传应推迟/退避的时间为 r*2τ。可见当重传次数小于10次时，参数k等于重传次数本身；但
当重传次数超过10次时，参数k变一直等于10，而整数集合也变为了[0,1,...,1023]

III.当重传次数达到16次仍不能成功时(表明同时打算发送数据的站太多，以致连续发生冲
突。)，则丢弃该帧，并向高层汇报。

(3.强化碰撞

当发送数据的主机一旦发现了发生碰撞，除了立即停止发送数据之外，还要继续发送32bit或48bit的人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。
对于10Mbit/s的以太网，发送32bit(48bit)的时间需要3.2μs(4.8μs)

四、CSMA/CD过程总结

1.准备发送：

适配器从网络层获得一个分组，封装成帧，放入适配器的缓存芯中等待发送。
发送之前，先检测信道。

2.检测信道：

若检测到信道忙，则不停地检测，一直等到信道转为空闲，并在96bit时间内一直保持空闲(保证
了帧间最小间隔)，就发送数据

3.边发送边监听，在发送过程中不停地检测信道：

(1.成功发送：

即在争用期间一直未检测到碰撞时，这个帧必定能够成功发送。发送完毕后什么也不做，继续
返回准备发送步骤

(2.发送失败：

即在争用期间检测到碰撞时，立即中止帧的发送，并按照规定发送人为干扰信号。
之后适配器按规定计算退避时间，等待r*2τ的时间后，再次检测信道并尝试发送(返回步骤2)。
若重传次数达到16次仍不能成功发送，则停止重传并上报错误。

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