CSMA/CD协议

CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/collisiondetection，带有冲突检测的载波侦听多路存取）是IEEE802.3使用的一种媒体访问控制方法。从逻辑上可以划分为两大部分：数据链路层的媒体访问控制子层（MAC）和物理层。它严格对应于ISO开放系统互连模式的最低两层。LLC子层和MAC子层在一起完成OSI模式的数据链路层的功能。CSMA/CD的基本原理是：所有节点都共享网络传输信道，节点在发送数据之前，首先检测信道是否空闲，如果信道空闲则发送，否则就等待；在发送出信息后，再对冲突进行检测，当发现冲突时，则取消发送。

中文名：CSMA/CD协议

外文名：CarrierSenseMultipleAccess/collisiondetection

缩写：CSMA/CD

起源：ALOHA网

1、简介

CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection），在以太网中使用随机争用型的介质访问控制方法，即冲突检测的载波监听多路访问的方法。它起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议，并进行了改进，使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率。

2、工作原理

CSMA/CD的基本原理是：每个节点都共享网络传输信道，在每个站要发送数据之前，都会检测信道是否空闲，如果空闲则发送，否则就等待；在发送出信息后，则对冲突进行检测，当发现冲突时，则取消发送。我们可以借助于生活中的一个例子来解释：假设有这一层楼，两旁住了几十户人，中间只有一条仅供一人同行的走道。我们看情况会怎么样：①当这些住户要经过走道出来时，首先探出头来看看走道上有没有人（这就是载波监听），如果没有，就通过走道出来；②如果走道上有人走，那么就一直盯着走道，直到走道上没人时再出来（1-坚持监听算法）；③如果有两人同时看到走道上没有人，而同时走向走道（冲突检测），则两个人发现时就马上回到自己屋里。在整个协议中最关键的是载波监听、冲突检测两部分。

3、其它

数据链路层的功能

1.在物理层中把依赖于媒体的特性分离出来，使得LLC子层和MAC子层能适用于一系列媒体。在物理层内定义了两个重要的兼容接口，即依赖于媒体的媒体相关接口MDI和访问单元接口AUI。MDI是一个同轴电缆接口，所有站都必须严格遵守IEEE802.3定义的物理媒体信号的确切技术规范，严格遵守站点正确动作的规程，要求这个物理媒体接口完全兼容；AUI为第二兼容接口，大多数站点都设在离开同轴电缆的连接处有一段距离的地方，在与同轴电缆靠近的MAC中只有少量电路，而大部分硬件和全部软件都在站点中，对于确保通信来说，符合这个接口并不是绝对必要的，但是由于它允许在MAC和站配合使用时有极大的灵活性，所以推荐这个接口。

MAC子层和LLC子层之伺的接口，包括发送和接收帧的设施，并提供每个操作的状态信息，以供高一层差错恢复规程之用，MAC子层和物理层之间的接口，包括成帧、载波监听、启动传输和解决争用（冲突控制）的信号，在两层间传送一对串行比特流（发送、接收）的设施和用于定时等待的功能。

2．MAC的帧结构

MAC帧是在MAC子层实体间交换的协议数据。帧的格式如图6.16所示。帧的8个字段为：前导码、帧起始定界符、目的地址、源地址、表示信息字段长度的长度字段、要发送的以LLC数据、需要进行填充的字段和帧校验序列字段。这8个字段除LLC数据和填充字段外，长度都是固定的。

前导码字段包含7个字节，它用于使PLS（物理收发信号）电路和收到的帧达到稳态同步。帧起始定界符（SFD）字段是10101011序列，它紧跟在前导码后，表示一帧的开始。地址字段包括目的地址字段和源地址字段。目的地址字段规定该帧发往的目的地。源地址字段用于标识起始发送该帧的站。MAC子层有两类地址：即单个地址和成组地址，单个地址说明该地址与网络上一个特定站有关，成组地址说明是多目的地的地址，它与给定网络上的一个或多个站有关。也可以是广播地址，即表示网络上所有站的一组地址。

长度字段是两个字节字段，其值表示数据字段中LLC数据的字节数量，数据字段包含数据序列，为了CSMA/CD协议的正常操作需要一个最小帧长度，必要时可在LLC数据字段之后，FCS之前以字节为单位加以填充。帧校验序列（FCS）字段是发送和接收都要使用循环冗余校验码（CRC）算法所产生的FCS字段的CRC码，帧的长度为64个字节到1518字节之间。

3．MAC子层的功能

IEEE802.3标准提供了MAC子层的功能说明，主要有数据封装和媒体访问管理两个方面，MAC功能模块如图6.17所示。数据封装（发送和接收数据封装）包括成帧（帧定界和帧同步）、编址（源地址及目的地址的处理）和差错检测等。媒体访问管理包括媒体分配和竞争处理。

（1）发送数据封装部分的功能

当LLC子层请求发送一帧时，MAC子层的发送数据封装部分用LLC子层所提供的数据结构组帧，它将一个前导码P和一个帧起始定界符SFD附加到帧的开头部分，还将PAD附加到结尾部分，以确保传送帧的长度满足最小帧长的要求，它还要附加目的地址和源地址，长度计数字段和帧校验序列，然后把组成的帧交给MAC子层的发送媒体访问管理部分以供发送。

（2）发送媒体访问管理部分的功能

借助于监视物理层收发信号（PLS）部分提供的载波监听信号，发送媒体访问管理设法避免发送信号与媒体上其它信息发生冲突。在媒体空闲时，经短暂的帧间延迟（提供给媒体恢复时间）之后，就启动帧发送，然后，MAC子层将串行位流送给PLS接口以供发送，PLS完成产生媒体上电信号的任务。同时，监视媒体和产生冲突检测信号。在没有争用的情况下，即完成发送。完成发送后，MAC子层通过LLC与MAC间的接口通知LLC子层，等待下一个发送请求。假如产生冲突，PLS接通冲突检测信号，接着发送媒体访问管理开始处理冲突。首先，它发送一个称为阻塞（Jam）的位序列来强制冲突，这就保证了有足够的冲突持续时间，以使其它与冲突有关的发送站都得到通知，在阻塞信号结束时，发送媒体访问管理就停止发送。

发送媒体访问管理在随机选择的时间间隔后再进行重发尝试，在重复的冲突面前反复进行重发尝试，发送媒体访问管理用二进制指数退避算法调整媒体负载。然后，或者重发成功，或者媒体故障或过载的情况下，放弃重发尝试。

（3）接收媒体访问管理部分的功能

首先由PLS检测到达帧，使接收与前导码同步，并接通载波监听信号。接收媒体访问管理部件要检测到达的帧是否错误，帧长是否超过最大长度，是否为8位的整倍数，还要过滤冲突的信号，即把小于最小长度的帧过滤掉。

（4）接收数据解封部分的功能

这一部分检验帧的目的地址字段，决定本站是否应该接收该帧，如地址符合，将送到LLC子层，并进行差错检验。

下面列出IEEE802.3MAC协议的10Mbps实现方案的参数值。

参数数值

SlotTime（时间片）512比特时间

InterFrameGap（帧问间隔）9．6微秒

attemptlimit（尝试极限）16

Backofflimit（退避极限）10

Jamsize（人为干扰长）32比特

maxFramesize（最大帧长）1518字节

minFramesize（最小帧长）64字节

addresssize（地址字段长）48比特

冲突检测的方法

冲突检测的方法很多，通常以硬件技术实现。一种方法是比较接收到的信号的电压大小。只要接收到的信号的电压摆动值超过某一门限值，就可以认为发生了冲突。另一种方法是在发送帧的同时进行接收，将收到的信号逐比特地与发送的信号相比较，如果有不符合的，就说明出现了冲突。