4.3-2 DCF和CSMA/CA在线视频

在总线形以太网当中

为了连接在总线行以太网中的终端能够公平地竞争总线

设计了一种CSMA/CA算法

在无线局域网当中 也为了解决多点接入问题

也设计了DCF和CSMA/CA算法

下面 我们来详细学习

分布协调功能（DCF） CSMA/CA算法操作过程

还有RTS和CTS解决隐蔽站问题的过程

在无线局域网当中

MCA帧的功能主要是解决多点解决的问题

解决多点接入问题有两种办法

一个是分布协调功能 简称为DCF

还有一种是点协调功能 简称PCF

分布协调功能的核心是基于终端自由平等竞争无线信道

而点协调功能使用AP询问的方式分配相应的信道

在DCF当中主要是解决IBSS和BSS中的信道问题

那么这个功能对于系统来说是必须要提供的

而点协调功能（PCF）当中

因为是由AP来询问方式分配信道的

而IBSS当中没有AP

因此是解决BSS当中终端占用信道的问题

这种功能对于系统来说 是可选的

也就是可以提供这个功能 也可以没有提供这个功能

下面 我们主要学习DCF的功能

对于DCF来说

它主要是建立终端自由平等竞争总线信道的机制

那么它主要采用的是载波侦听多点接入/冲突避免机制

简称（CSMA/CA）机制

在总线形以太网当中为了终端公平竞争总线

也提供了一种竞争机制

叫载波侦听多点接入/冲突检测机制 简称CSMA/CD算法

那么在这两种机制当中

就有一个词不一样 一个是冲突避免 一个是冲突检测

因为在无线局域网当中

终端很难检测到发生的冲突

因此只能尽量避免冲突的发生

另外一个是 这里都有一个载波侦听

那么在无线局域网中的载波指的是

经过调制以后的电磁波信号

而在总线形以太网当中载波往往指的是

像曼彻斯特编码这种有跳变的信号 称为载波信号

那么DCF要完成的另外一个功能是解决隐蔽站的问题

它的方法主要是采用RTS和CTS

下面 我们看一下CSMA/CA的操作过程

比如说 对于这样一个独立基本服务集也好

还是基本服务集也好

所有的终端共享同一个信道

因此在发送数据之前 必须要检测信道是否空闲

如果信道忙的话 就不能发送数据

那怎么样才算信道是忙的呢

信道当中存在电磁波并且电磁波的能量超过一定的阈值

那么终端在发送数据之前 信道要空闲

信道空闲的先决条件是有两个

一个就是不忙

还有一个是 网络分配向量NAV值为0

在无线局域网的MAC帧当中 曾经说过

有一个字段叫持续时间的字段

那么持续时间字段就是为了预留无线信道而设置的字段

那么这个NAV向量也是为了预留信道时间而设置的参数

我们可以把它看做是一个计数器

初始的时候值为0

后面根据数据传输过程当中的需要

把这个值由持续时间字段赋值

详细的过程 我们配合后面的讲解来说明

那么终端检测到信道是空闲的是不是马上就可发送数据了

不一定 还要等待一段时间

等待一个叫帧间间隔的时间

为什么要设置一个等待帧间间隔时间呢

这个主要有三个方面

一个就是为了帧对界

就是让终端检测到从信道上没有电磁波到有电磁波的

这样一个过程

就是进行帧对界

第二个 对于那些连续接收MAC帧的接收端 清空缓存

第三个 天线发送状态和接收状态之间的切换

所以要设计这样一个帧间间隔

那么帧间间隔到底多长呢

就是这个时间要设计多长呢

帧间间隔长度根据发送的MAC帧的类型来定

前面说过MAC帧有三种类型

一种是控制类型 还有管理类型和数据类型

这样三种类型

不同的MAC帧的帧间间隔还不一样

那么 帧间间隔长度决定MAC帧的发送优先级

帧间间隔越短 对应类型的MAC帧的发送优先级就越高

帧间间隔类型不同 它的时间长度也不同

无线局域网为了对不同类型的MAC帧分配不同的优先级

它确定了4种不同的帧间间隔

下面我们来看其中两种比较重要的

一种叫短帧间间隔

短帧间间隔是无线局域网要求的最短帧间间隔

这段时间主要用于让终端完成发送方式和接收方式的转换

这种帧间间隔所对应的MAC帧

通常已经取得了信道控制权

这些终端发送MAC帧等待的帧间间隔

另外就是 分布协调功能帧间间隔

这个帧间间隔的时间是短帧间间隔（SIFS）+2个时隙

那么当一个终端用DCF传输数据的时候

必须侦听到信道持续空闲DIFS时间以后

才能传输数据或者进入退避时间

那么就是我们刚才前面说的 当侦听到信道是空闲的

并且等待持续时间以后还不一定能发送数据

这是为什么呢

我们来看一下

当终端发送第一帧MAC帧的时候检测信道有两种结果

一种是信道空闲

那么这个时候有多个终端同时发送数据的概率是比较低的

比如说 终端A检测信道

这个时候发现信道空闲了

那么它持续帧间间隔（DIFS）以后 终端A马上发送数据

跟其它终端相冲突的概率是比较小的

因为如果冲突 也就是同一个时间多个终端检测信道是空的

还有一种情况是 当终端检测信道的时候 信道是忙的

但是 这个时候多个终端同时发送数据的概率就比较高了

比如说 在信道忙的这段时间内

可能有好几个终端 如终端C 终端D 终端B

这么几个终端都来检测信道

那么这些终端都发现信道是忙的情况下

它都等待信道是空闲的状态

那么也就是说 当信道一空闲下来

可能这4个终端同时检测到信道是空的

如果终端A持续DIFS时间以后 马上就发送数据的话

那么B C D都可能持续DIFS时间后也发送数据了

那么这4个终端也就有可能发送冲突了

但是终端是很难检测冲突发生的

那么这应该怎么办呢

我们就要用一个退避机制

什么叫退避机制呢

就是说

终端在初始检测信道忙的情况下

每一个终端不继续检测终端是否忙

而是通过某种退避算法独立产生一个退避的延迟时间

那么我们把这种信道持续空闲DIFS时间以后

只有在退避时间内一直检测到信道空闲的终端

才能发送数据的这样一种机制 称为退避机制

那么退避多长时间呢

我们下面来详细看一下CSMA/CA的操作过程

首先 终端准备发送数据

发送数据的时候先去检测信道是不是忙的

只有信道不忙并且NAV是不是等于0

如果是信道不忙并且NAV=0的情况下

它要持续检测DIFS 这个时间内信道一直空闲

如果是一直空闲

那么就发送数据了

这是刚开始检测到信道是马上是空闲的情况

如果在帧间间隔时间内检测到信道忙了

那么跟一开始检测到信道是忙的时候一样

生成一个随机的退避时间

然后设置一个退避时间定时器

每隔一个时隙 定时器减1

生成退避时间以后

继续检测信道是否空闲

如果检测到信道不空闲 那么继续检测

如果检测到信道是空闲了

那么在持续DIFS内 信道是不是一直空闲

如果是在某一个时间又不空闲了

那么继续检测信道是不是忙

如果在持续的DIFS时间间隔里 信道一直是空闲的话

那么马上看一下退避时间是不是到了

如果退避时间到了 马上发送数据

如果退避时间没有到的话 那么继续检测信道是不是忙的

如果这个时候信道不忙 那么继续看退避时间是不是到了

如果这个期间检测到信道突然忙了

那怎么办呢

这个时候马上暂停退避时间定时器

然后 继续检测信道是不是空闲

然后持续地检测信道是空闲了

并且DIFS时间内信道也是空闲的情况下

重新启动定时器

然后重复刚才的工作

这就是CSMA/CA的详细操作过程

但是刚才一个环节里有随机生成退避时间

到底退避时间怎么生成呢

退避时间生成方法是这样

首先 设置一个变量CW

称为争用窗口

然后为每个终端设置一个最大和最小争用窗口

我们把它记为CWmin 和CWmax

那么初始的状态下 CW=CWmin

然后终端检测到信道忙的时候

在0-CW中随机选择一个整数R

并且使退避时间T=R×ST ST是一个固定时隙

它取决于无线局域网的物理层协议标准和数据传输速率

那么在发送端在发送MAC帧以后 直到重传定时器溢出

如果都没有接收到确认应答的话 就认定冲突发生

这个时候 发送端通过CSMA/CA算法重新发送该MAC帧

但是在计算退避时间的时候 增大CW的值

怎么来增大呢

如果i是重传次数 那么CW就等于2的3+i次方

然后再减1

直到CW=CWmax为止

那么一旦发送端接收到了确认应答以后

就把CW设置成初始的CWmin

在802.11标准当中 最大最小争用窗口都有相应的值规定

最小争用窗口是7 最大争用窗口是255

那么在无线局域网当中 它采用的是确认重传机制

那么这个确认应答信号怎么来传输呢

这个应答过程怎么来传输呢

比如说终端A向AP发送数据

那么AP接收到正确数据以后 它要发送一个应答帧

那么确保接收到数据以后 马上发送应答帧ACK

那么要采取这样几个措施

发送ACK的帧间间隔SIFS要远远小于DIFS

然后 发送端发送MAC帧的时候

把持续时间字段的值置为

接收端发送ACK所需要的时间+SIFS

比如终端A这个时候检测信道 信道是忙的

那么终端A算出一个退避时间

然后在持续的帧间间隔之内 如果信道一直是空闲的

然后在它的退避时间之内 信道也一直是空闲的

那么终端A就发送数据帧

在这个数据帧当中 把它的持续时间置成

AP要发送应答帧的时间和AP等待的最短帧间间隔时间(SIFS)

然后 在其它终端都能接收到终端A发送的MAC帧

那么其它终端把自己的NAV和持续时间进行比较

如果它的NAV的值比终端A发送的MAC帧持续时间小的话

那么用这个持续时间值更新它自己的NAV值

这样确保了AP的ACK的发送成功

最后 我们来看一下

怎么样解决DCF另外一个功能呢

怎么样解决隐蔽站的问题

左边这个是终端A的电磁波的有效传播范围

右边是终端C的电磁波的有效传播范围

那么这两个传播范围里都包含AP

但是终端A和终端C是互相隐蔽的

这是我们前面讲的

那么这个时候

怎么样来解决它们有可能同时向AP发送数据

而造成冲突的情况呢

终端A先向AP发送一个请求帧RTS

然后在请求帧当中

把它的持续时间置成回复它的请求帧的时间

比如说CTS的时间 和终端A发送数据的时间

以及AP回复应答帧的时间

再加上3个SITS

那么在终端A的电磁波覆盖范围里面的终端

它在接收到RTS MAC帧以后

把自己的NAV的时间跟这个RT当中的持续时间相比较

如果它的NAV的值小于持续时间

那么把持续时间更新为NAV

而在AP发送CTS应答帧的时候

在AP的电磁波覆盖范围里面 比如说终端C

它就接收到了CTS MAC帧

CTS当中的持续时间是终端A发送数据的时间

以及AP发送应答帧的时间

加上两个SIFS

终端C就把AP发送的CTS持续时间

来跟它自己的NAV值进行比较

如果说是NAV值小 就更新自己的NAV值

这样就确保解决了隐蔽站的问题

那么从这个传输过程当中

RTS和CTS在这样一个传输过程当中

这种方式在终端A在发送RTS的时候

事实上和终端C发送还是有可能发送冲突的

因此在规定的时间之内

如果终端A没有接收到AP的回复 就是CTS帧的话

它会重新发送RTS

那么终端A和AP之间发送数据的代价

就是RTS和CTS的时间

如果终端A向AP发送的数据是很长的话

那么这种方式是可取的

但是如果它本身发送的数据很短

这样的代价还是挺大的

因此802.11标准 给MAC帧的长度设置了阈值

如果MAC帧的长度超过了这个阈值的话

那么它可以采取这种方法

如果小于这个阈值 那么通常就不采用这种方法

我们把刚才的内容进行一下简单的小结

第一个 解决终端自由争用信道

是通过增加退避时间来避免发生冲突的方法

另外 不同长度的帧间间隔为不同类型的MAC帧

分配不同的优先级

就是通过这样两个方法

第二个 隐蔽站问题的解决

是通过NAV实现信道预留

然后通过交换RTS和CTS解决隐蔽站问题