什么是CSMA/CD

前言

在前期文章vlan简介中提及的 CSMA/CD 机制是经典以太网的基石。理解CSMA/CD对于学习网络发展史、了解经典以太网拓扑限制以及理解网络基础概念仍然至关重要。本文我们来全面、深入地解析CSMA/CD 机制。

CSMA/CD全称是 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ，即载波监听多路访问/冲突检测，是一种用于共享介质网络（如早期同轴电缆或集线器网络）的协议，它规定了多个网络设备如何安全地访问共享 信道，其核心思想是：先听再说，边说边听。

先听再说（ CSMA ）：发送数据前先检查信道是否空闲。
边说边听（ CD ）：发送数据过程中持续监听，一旦检测到冲突立即停止，并等待一段随机时间后重试。

为什么需要CSMA/CD

在最初的共享以太网中，计算机是通过一条共享的同轴电缆连接起来的。被连接的计算机通过同一条物理线路发送数据互相访问，为了避免多台计算机在同一时刻抢占线路发送数据的情况，必须有一种冲突检测和避免的机制，于是便有了CSMA/CD。

CSMA/CD工作流程

CSMA/CD的工作机制可以看作一个严谨的决策循环，其其完整的工作流程与决策逻辑如下：

CSMA/CD工作详细步骤

步骤一：载波侦听

目的：在发送数据之前，判断共享传输介质是否正被其他站点使用。
动作：网络接口卡持续监测信道上是否有载波信号，即电压变化或光信号。
结果：
- 信道忙：持续监听，直到信道空闲为止。
- 信道空闲 ：等待一个帧间间隔（IFG/Interframe Gap），通常为96比特时间。这是为了给其他站点和网络设备（如中继器）一个处理时间，确保公平性。等待IFG结束后，进入下一步开始发送数据。

步骤二：边发送边检测

目的：在发送数据的过程中，实时检测是否与其他站点的发送产生冲突。
动作：发送数据的同时，发射器会将其发送的信号与从信道上接收到的信号进行比较。如果检测到信道上信号的电压电平或波形与自己发送的不一致，就表明发生了冲突，则进入下一步。

步骤三：冲突处理与退避

冲突发生 ：一旦检测到冲突，站点立即停止发送当前数据帧。
强化冲突 ：随后，站点会发送一个32位（4字节）的Jam信号（一段特殊的比特序列），目的是确保所有参与冲突的站点都能足够长时间地听到冲突，从而意识到冲突的发生。
退避等待 ：站点需要等待一段随机时间后再重新尝试发送当前数据帧。这段等待时间由二进制指数退避算法决定。

算法规则：

举例：

第一次冲突（n=1）：从 {0, 1} 中随机选一个数，等待 0 或 1 个时隙。

第二次冲突（n=2）：从 {0, 1, 2, 3} 中随机选一个数。

第三次冲突（n=3）：从 {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} 中随机选一个数。

第10次及以后冲突（n=10）：从 {0, 1, ..., 1023} 中随机选一个数。

放弃重传 ：如果经过 16次 尝试仍然冲突，则站点将放弃发送并向高层协议报告错误。
- 冲突次数越多，退避等待的潜在时间越长，从而降低再次冲突的概率。
- 将冲突次数记为 n ， n 不能超过10（即 n = min(重传次数, 10) ）。
- 退避时间从 0 到 2^n - 1 这个范围内随机选择一个值，这个值被称为"退避时隙"。
- 每个时隙长度 等于信号在网络上最长往返传播时间（对于10Mbps以太网是512比特时间，即51.2微秒）。

技术细节与关键概念

为什么需要冲突检测？

因为电磁波或光信号在介质中传播需要时间。即使A站点在发送前侦听到信道空闲，但信号尚未到达B站点，B也可能侦听到信道空闲开始发送，从而导致冲突。CD机制是解决这个"传播延迟"问题的关键。

最小帧长与冲突窗口

冲突窗口：指信号在网络中最远两点间往返传播所需的时间，这是可能发生冲突的最大时间范围。
最小帧长：为了确保发送站能在帧发送完毕前检测到冲突，帧必须足够长。如果帧太短，发送站可能在检测到冲突之前就已经发完了整个帧，从而无法触发重传机制。

标准规定最小帧长为 **64字节，**计算过程如下：

对于10Mbps（10000000比特/秒）以太网，冲突窗口为51.2μs（0.0000512秒）。因此，最小帧长 =10000000比特/秒 * 0.0000512秒 / 8比特/字节= 64字节。

在绝大多数现代交换式以太网（全双工模式）中，这个限制已经不再是功能上的必需，但是为了维持统一的以太网帧格式并兼容半双工设备，64字节的最小帧长规定依然被保留。

CSMA/CD的局限性

效率问题：网络负载较重时，冲突会显著增加，大量时间被浪费在冲突和退避上，导致网络效率下降。
距离限制 ：网络的地理范围受限于冲突窗口。网络直径越大，往返延迟越长，要求的最小帧长也越长，这在技术上有限制。这就是为什么传统共享式以太网有网络直径限制（如使用同轴电缆时不超过2.5公里）。
半双工：CSMA/CD本质上是半双工通信，同一时间只能进行发送或接收，无法同时进行。

现状

随着技术的发展，交换以太网已经替换共享以太网成为主流类型，交换机为每个端口提供独立的信道，冲突得以避免，CSMA/CD机制在实际中已经很少使用。不过为了确保向后兼容，大部分网络设备和交换机仍保留半双工模式，如10Mbps半双工、100Mbps半双工等。当互联的两个接口工作在半双工模式，同一时间只能有一个接口发送数据，此时就需要CSMA/CD机制避免冲突。

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