CSMA/CD、非堅(jiān)持、1-堅(jiān)持、P-堅(jiān)持……無(wú)線信道沖突這樣解決

一、什么是載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)技術(shù)？

載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA） 技術(shù)，也稱(chēng)做先聽(tīng)后說(shuō)（LBT，Listen Before Talk）。要傳輸數(shù)據(jù)的站點(diǎn)首先對(duì)媒體上有無(wú)載波進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，以確定是否有別的站點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)。

任何站點(diǎn)要向公共介質(zhì)發(fā)送信息時(shí)，首先要偵聽(tīng)介質(zhì)上是否有其他站點(diǎn)正在傳送信息：

• ? 如果通信介質(zhì)上無(wú)載波（即沒(méi)有被占用），則可以利用通信介質(zhì)進(jìn)行傳送

• ? 如果已監(jiān)聽(tīng)到介質(zhì)上有載波（即有其它站點(diǎn)正在傳送信息），則必須等待介質(zhì)平靜之后才能進(jìn)行傳送

這樣就會(huì)使信道上的沖突大大減少。

?? CSMA的局限

在CSMA中，由于通道的傳播延遲，當(dāng)兩個(gè)站點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到總線上沒(méi)有存在信號(hào)而發(fā)送幀時(shí)，仍會(huì)發(fā)生沖突。由于CSMA算法沒(méi)有沖突檢測(cè)功能，即使沖突已發(fā)生，仍然要將已破壞的幀發(fā)送完，使總線的利用率降低。

改進(jìn)方案：CSMA/CD

改進(jìn)方案是使站點(diǎn)在傳輸時(shí)間繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)媒體，一旦檢測(cè)到?jīng)_突，就立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)一串短的阻塞報(bào)文（Jam），通知總線上各站沖突已發(fā)生，可以提高總線的利用率。

流程如下：

1. 監(jiān)聽(tīng)，若空閑則發(fā)送

2. 忙則監(jiān)聽(tīng)直到空閑，立即發(fā)送

3. 檢測(cè)到?jīng)_突，立即停止，發(fā)送阻塞信號(hào)

4. 隨機(jī)等待，重新嘗試發(fā)送

這就需要有一種退避算法來(lái)決定避讓的時(shí)間。常用的退避算法有非堅(jiān)持、1-堅(jiān)持、P-堅(jiān)持三種。

二、三種退避算法詳解 1. 非堅(jiān)持算法（Non-persistent CSMA）

算法規(guī)則：

• ⑴ 假如媒體是空閑的，則可以立即發(fā)送

• ⑵ 假如媒體是忙的，則等待一個(gè)由概率分布決定的隨機(jī)重發(fā)延遲后，再重復(fù)前一步驟

特點(diǎn)：

• ? 采用隨機(jī)的重發(fā)延遲時(shí)間可以減少?zèng)_突發(fā)生的可能性

• ? 缺點(diǎn)：即使有幾個(gè)站點(diǎn)都有數(shù)據(jù)要發(fā)送，但由于大家都在延遲等待過(guò)程中，媒體仍可能處于空閑狀態(tài)，使用率降低

算法規(guī)則：

• ⑴ 假如媒體空閑，則可以立即發(fā)送

• ⑵ 假如媒體是忙的，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，直至檢測(cè)到媒體空閑，立即發(fā)送

• ⑶ 假如有沖突（在一段時(shí)間內(nèi)未收到肯定的回復(fù)），則等待一隨機(jī)量的時(shí)間，重復(fù)步驟⑴~⑵

特點(diǎn)：

• ? 優(yōu)點(diǎn)：只要媒體空閑，站點(diǎn)就立即可發(fā)送，避免了媒體利用率的損失

• ? 缺點(diǎn)：假若有兩個(gè)或兩個(gè)以上的站點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，沖突就不可避免

算法規(guī)則：

• ⑴ 監(jiān)聽(tīng)總線，假如媒體是空閑的，則以 P的概率 發(fā)送，而以 (1-P)的概率 延遲一個(gè)時(shí)間單位（一個(gè)時(shí)間單位通常等于最大傳播時(shí)延的2倍）

• ⑵ 延遲一個(gè)時(shí)間單位后，再重復(fù)步驟⑴

• ⑶ 假如媒體是忙的，繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)直至媒體空閑并重復(fù)步驟⑴

特點(diǎn)：

• 通過(guò)概率P平衡沖突概率與信道利用率

• 適用于時(shí)隙信道

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，全雙工以太網(wǎng)逐漸取代了半雙工以太網(wǎng)。在全雙工模式下，發(fā)送和接收使用獨(dú)立的信道，不存在沖突問(wèn)題，因此 CSMA/CD 和退避算法已經(jīng)不再需要。

但在 無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN） 和 物聯(lián)網(wǎng)（IoT） 中，由于無(wú)線信道的廣播特性和半雙工本質(zhì)，退避算法仍然發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

無(wú)論是Wi-Fi的CSMA/CA，還是LoRa、Zigbee等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，背后都離不開(kāi)載波監(jiān)聽(tīng)與退避算法的影子。

小貼士：如果你的無(wú)線模塊在密集環(huán)境中出現(xiàn)頻繁丟包、重傳，不妨檢查一下退避參數(shù)配置是否合理——P值、重試次數(shù)、競(jìng)爭(zhēng)窗口大小，都是影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量的關(guān)鍵因素。