CSMA/CD中的碰撞检测

CSMA/CD（载波感知多路访问/碰撞检测）是一种媒体访问控制方法。在早期的以太网技术和局域网中，当采用共享总线拓扑结构时，每个节点（计算机）都通过同轴电缆进行连接，因此CSMA/CD方法被广泛地使用。

注意：如今，以太网采用全双工传输方式，其网络拓扑结构有两种：星形拓扑（通过交换机或路由器进行连接）以及点对点拓扑（直接连接）。因此，CSMA/CD技术已经不再被使用，不过，这些拓扑结构仍然可以被支持。

CSMA/CD的工作原理是什么？

步骤1：请检查发送方是否准备好传输数据包了。

步骤2：

• 请检查传输连接是否处于空闲状态。
• 发送方需要持续检查传输链路/媒介是否处于空闲状态。
• 为此，它持续感知来自其他节点的传输信号。
• 发送方在连接上发送一些虚拟数据。如果它没有收到任何冲突信号，那就意味着当前连接处于空闲状态。
• 如果它检测到载体是空闲的，且不存在碰撞情况，那么就会发送数据。否则，它将不会发送任何数据。

步骤3：

• 传输数据，并检查是否存在冲突情况。
• 发送方通过链接来传输其数据。
• CSMA/CD并不采用“确认”机制。它通过检测冲突信号来判断传输是否成功。
• 在传输过程中，如果节点接收到碰撞信号，那么传输就会停止。
• 然后，该站点会在连接上发送一个干扰信号，并等待一段时间后再次发送该帧数据。
• 经过一段时间之后，它再次尝试传输数据，并重复上述过程。

步骤4：如果传输过程中没有检测到任何碰撞，那么发送方就会完成其帧的传输，同时重置相关的计数器。

一个车站如何知道自己的数据是否会发生冲突呢？

请考虑上述情况。这里有两个车站，分别命名为A站和B站。

• 传播时间：T_p = 1小时信号从A点传输到B点需要1小时的时间。
• 在 t=0 时刻，A 发送了数据。经过 30 分钟后，发生了碰撞。
• 在碰撞发生之后，会生成一个碰撞信号，并将其发送给A站和B站，以便让这两个站点了解发生了碰撞的情况。
• 由于碰撞发生在中途，因此，碰撞信号也需要30分钟才能到达A和B点。
• 因此，t=1小时A和B都收到了碰撞信号。该碰撞信号被该链路上的所有站点所接收。

如何确保，真正与我们的站点发生冲突的，是来自其他站点的数据呢？

为此，需要计算传输时间（T）。t> 传播时间（T）p[粗略的估计] 这是因为，在从我们的站点传输出最后一位数据之前，我们至少希望确保其中一些数据已经到达了目的地。这样就能保证连接不会处于繁忙状态，也不会发生冲突。

在时间t=0时，A发送了它的数据。此时的时间为50分59秒。随后发生了碰撞。

• 这次碰撞发生在数据到达B点之前。现在，碰撞信号再次需要50到59分钟才能到达A点。
• 因此，A大约在2小时后才会收到碰撞信息，也就是在……之后。2 * T_p. 
• 因此，为了确保更严格的约束条件，必须完全检测到这种碰撞现象。T_t > 2 * T_p.
• 这是系统能够检测到是否发生了数据碰撞的最大时间。

那么，要传输的数据包的最小长度应该是多少呢？

传输时间 = Tt = 数据包的长度 / 链路的带宽。将上述公式代入后，可以得到：数据包的长度 / 链路的带宽 >= 2 * T。p

数据包的长度 >= 2 * Tp * 链路的带宽

注意：在那些数据包并不那么长的情况下，填充功能就派上用场了。我们可以在数据末尾添加额外的字符，以满足上述条件。

CSMA/CD的特点

• 载波感知：在传输数据之前，设备会先监听网络状态，以确认传输介质是否空闲。如果传输介质被占用，那么设备会等待介质变得空闲之后再进行数据传输。
• 多路访问：在CSMA/CD网络中，多个设备共享同一传输介质。每个设备都有平等的访问机会来使用该介质，只要介质处于空闲状态，任何设备都可以发送数据。
• 碰撞检测：如果有两个或更多的设备同时发送数据，就会发生冲突。当某个设备检测到冲突时，它会立即停止发送数据，并发送一个“干扰信号”，以通知网络中的其他设备该发生了冲突。之后，这些设备会等待一段随机的时间，然后再尝试发送数据，从而降低再次发生冲突的可能性。
• 后退算法：在CSMA/CD协议中，采用了一种“退避算法”来决定设备在发生碰撞后何时可以重新发送数据。该算法在设备重新发送数据之前会先设置一个随机延迟时间，以此来降低再次发生碰撞的可能性。
• 最小框架尺寸：CSMA/CD协议要求帧的最小尺寸，这样所有设备都有足够的时间来检测传输过程中是否发生了冲突。如果帧的长度过短，那么某个设备可能无法检测到冲突，从而继续发送数据，最终导致网络中的数据损坏。

CSMA/CD的局限性

• 可扩展性有限：CSMA/CD在可扩展性方面存在局限性，因此可能不适合那些拥有大量设备的庞大网络。
• 易受碰撞的影响：虽然CSMA/CD能够检测冲突，但它无法阻止冲突的发生。冲突可能会导致数据损坏、重新传输的延迟以及网络性能下降等问题。
• 带宽的无效利用：CSMA/CD采用随机分配方式。后退算法这可能会导致网络资源的低效使用。带宽如果某个设备持续遭遇碰撞的话。
• 对安全攻击的脆弱性：CSMA/CD并不提供任何安全功能，因此该协议容易受到诸如数据包嗅探等安全攻击的威胁。欺骗行为.