CSMA/CD协议

考情分析

CSMA/CD 是 408 数据链路层的高频考点，尤其是争用期、最小帧长、二进制指数退避算法这三个知识点几乎是必考内容。选择题和计算题都有可能出现。

考频：★★★★

协议概述

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）——载波侦听多路访问/冲突检测，是以太网（802.3）使用的介质访问控制协议。

它的核心思想可以用 16 个字概括：

先听后发、边发边听、冲突停发、随机重发

工作流程

先听后发（Carrier Sense）

站点在发送帧之前，先监听信道。如果信道空闲，开始发送；如果信道忙，等待信道变为空闲后再发送。

但"先听后发"不能完全避免冲突。因为电磁信号在信道中有传播时延，A 站开始发送后，B 站可能还没有"听到"A 的信号，误以为信道空闲，也开始发送，于是冲突就发生了。

边发边听（Collision Detection）

站点在发送帧的同时，持续监听信道上的信号。如果检测到信道上的信号与自己发出的不一致，说明发生了冲突。

冲突停发 + 发送 JAM 信号

一旦检测到冲突，立即停止发送数据，并发出一个短的阻塞信号（JAM），通知所有站点发生了冲突。JAM 信号通常是 32 比特或 48 比特。

随机重发（二进制指数退避）

发送冲突后，等待一段随机时间再尝试重新发送。等待时间由截断二进制指数退避算法决定（后面详述）。

争用期（碰撞窗口）

争用期是 CSMA/CD 中最关键的时间参数，也叫碰撞窗口或冲突窗口。

什么是争用期

考虑最坏情况：A 站开始发送，信号即将到达最远端的 B 站时（经过了接近 $\tau$ 的传播时延），B 站发现信道"空闲"也开始发送。B 的信号要再经过接近 $\tau$ 的时间才能传回 A 站。

也就是说，A 站从开始发送到最迟能检测到冲突的时间是：

$$\text{争用期}=2\tau$$

其中 $\tau$ 是信号在信道上的最大单程传播时延。

争用期的意义

• 在争用期内（发送开始后的 $2\tau$ 时间内），站点可能检测到冲突
• 如果过了争用期还没有检测到冲突，就可以确信这次发送不会再发生冲突了
• 以太网取 $2\tau =51.2\mu s$（10 Mbps 以太网，最大网段长度 2500m）

最小帧长

为了确保发送方能在发送完一帧之前检测到可能发生的冲突，帧的发送时间不能短于争用期：

$$T_f\ge 2\tau$$$$\text{最小帧长}=2\tau \times \text{数据率}$$

对于 10 Mbps 以太网：

$$\text{最小帧长}=51.2\mu s\times 10\text{ Mbps}=512\text{ bit}=64\text{ 字节}$$

这就是以太网规定最小帧长为 64 字节的原因。

如果发送的数据不足 64 字节，就需要在数据字段后面填充（Padding）到最小长度。

反过来： 如果接收方收到了一个小于 64 字节的帧，直接丢弃——这是一个因冲突而中途停止的无效帧（"碎片"）。

截断二进制指数退避算法

当发生冲突后，站点等待一段随机时间再重试。这个等待时间不是固定的，而是通过以下算法计算：

第 1 步： 确定基本退避时间为争用期 $2\tau$（记为一个"时槽"）

第 2 步： 第 $k$ 次冲突后（$k=1,2,3,\dots$），从 $\{0,1,2,\dots ,2^{min(k,10)}-1\}$ 中随机选一个整数 $r$

第 3 步： 等待时间 = $r\times 2\tau$

第 4 步： 如果重试 16 次后仍然冲突，放弃发送，向上层报告错误

关键细节：

重传次数 $k$	随机数范围	最大等待（时槽数）
1	$\{0,1\}$	1
2	$\{0,1,2,3\}$	3
3	$\{0,1,\dots ,7\}$	7
...	...	...
10	$\{0,1,\dots ,1023\}$	1023
11~16	$\{0,1,\dots ,1023\}$	1023（不再增大）
>16	放弃	—

"截断"的含义：$k>10$ 后，随机数范围不再增大，截断在 $2^{10}=1024$。

这种指数退避的设计思想：冲突次数越多，说明网络越拥挤，等待时间的上限越大，能更有效地分散各站点的重试时间。

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CSMA/CD 的约束条件

CSMA/CD 要求站点能够边发边听，这对物理层有要求：

• 必须是半双工通信（发送和接收共用信道）
• 站点需要有能力同时发送和检测信道信号
• 全双工链路不需要 CSMA/CD——因为发送和接收分别使用不同的通道，不存在冲突

因此，现代交换式以太网（每个端口独占带宽，全双工通信）已经不需要 CSMA/CD。

易错点

1. 争用期是 $2\tau$ 而不是 $\tau$

最坏情况下需要一个来回的传播时延才能检测到冲突。只取单程时延 $\tau$ 是不够的。

2. 最小帧长的计算要用争用期乘以数据率

最小帧长 = $2\tau \times R$（$R$ 是数据率）。有些同学会用单程时延 $\tau$ 来算，得到的结果只有正确值的一半。

3. 退避算法中 $k$ 的截断

$k>10$ 后随机数范围不再增大，保持在 $\{0,1,\dots ,1023\}$。不是无限增大的。最多重试 16 次。

4. 冲突后发送的是 JAM 信号，不是重传数据帧

检测到冲突后先发 JAM 信号（通知其他站），然后停止、等待、重试。不是检测到冲突就立即重传。

高频考点清单

• "先听后发、边发边听、冲突停发、随机重发"的完整流程
• 争用期 = $2\tau$，以及为什么是 $2\tau$
• 最小帧长 = $2\tau \times R$，以太网最小帧长 64 字节
• 截断二进制指数退避算法的详细步骤
• 给定冲突次数，计算退避时间的可能范围
• 全双工链路不需要 CSMA/CD

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