有线和无线网络在数据链路层的特性存在差异，具体为：

• CSMA/CD 用于有线网络，通过检测和处理冲突来维持网络的稳定性。
• CSMA/CA 用于无线网络，强调冲突的预防，以应对无线信道共享的挑战

1 有线网 CSMA/CD

有线网 CSMA/CD （Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问与冲突检测）

在有线网络中，设备间通过网线相互连接，它的工作原理是

• 载波侦听CS：设备在发送数据之前会先监听网络，以检测是否有其他设备在传输数据。如果检测到网络空闲，则开始发送数据。
• 多路复用MA：总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上
• 冲突检测CD： 在数据发送过程中，设备持续监听网络。如果检测到冲突 (即两个或多个设备同时发送数据导致信号混合) ，发送数据的设备会停止传输，并发送一个“冲突信号”以通知网络上的其他设备。
  • 重传数据： 发生冲突后，设备会等待一段随机的时间后再次尝试发送数据。这个随机等待时间称为“退避算法”，可以有效减少后续冲突的可能性。

有线网的CSMA/CD依赖于网线共享介质，设备在数据发送的过程中，还可以检测网线状态

2 无线网 CSMA/CA

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波侦听多路访问/冲突避免）

与有线网不同的是，无线网通过电磁波进行数据交互。无线是半双工工作模式，无线客户端没有同时进行接收和发送的能力，无法检测到冲突。

因此无线网使用的机制是冲突避免。

• 载波侦听CS：设备在发送数据之前也会监听无线信道，检查是否有其他设备在使用。只有信道空闲，设备才会继续执行发送操作。
• 多路复用MA：多个计算机可以同时接入
• 冲突避免CA：
  • 发送请求：为了尽量避免冲突，在发送数据之前，设备可能会先发送一个“准备发送”信号 (如RTS，即请求发送) ，并等待接收设备返回“允许发送”信号 (如CTS，即清除发送) 。
  • 数据发送：收到 CTS 信号后，设备才会发送数据。
  • ACK确认：数据发送成功后，接收设备会发送一个确认信号 (ACK) 。如果发送设备在规定时间内没有收到 ACK，它会认为数据丢失并重新发送。

ACK机制

• 数据帧成功发送并被接收设备接收到后，接收设备会发送一个 ACK (Acknowledgment)帧 给发送设备，表示数据成功到达。
• 如果发送设备在指定时间内未收到 ACK，它会认为数据丢失并重新发送
• 保证了数据传输的可靠性，避免了数据丢失后无反馈导致的传输失败

RTS/CTS 机制 (Request to Send / Clear to Send)

引入“准备发送”请求 (RTS) 和“允许发送”确认 (CTS) 这两个控制帧，在发送数据之前确保信道空闲，减少隐蔽节点问题

• RTS(Request to Send)：发送设备首先向接收设备发送一个 RTS 帧，表明自己想要发送数据
• CTS (Clear to Send)：接收设备在确认信道空闲后，会回复一个 CTS 帧，允许发送设备进行数据传输

隐藏节点与暴露节点

• 隐藏节点：在接收者AP的通信范围内而在发送者STA1通信范围外的节点STA2
• 暴露节点：在发送者STA1的通信范围之内而在接收者AP通信范围之外的节点STA2
  • 问题：STA1发送时，STA2错误地认为不能向STA1范围之外的接受者AP2发送
  • 解决：只有当收到AP1的CTS帧时才保持安静；若没有收到，则说明AP1不再STA2的范围内，此时STA2发送数据不会发到AP1，也就不会影响SAT1向AP1发送

即：收到CTS帧则静默，没收到则认为信道空

随机退避算法（Random Backoff Algorithm）

当信道忙碌时，设备不会立即重新尝试发送数据，而是会等待一个随机的时间段后再尝试。

• 随机等待时间由 退避算法 (Backoff Algorithm) 决定，以减少多个设备同时再次尝试发送数据的可能性，从而避免冲突
• 具体做法：
  • 每次检测到信道忙碌后，设备会生成一个随机退避时间。
  • 退避时间越长，设备等待的时间越久，从而分散重试时间点，降低冲突概率
  • 退避时间最短的站优先发送数据帧，该最短时间称为退避窗口
  • 其他设备再次检测到信道忙碌生成退避时间时，则新的退避时间 = 上次退避时间 - 退避窗口

帧间间隔 (Interframe Space, IFS)

用于控制设备在发送数据帧之间的等待时间，以确保无线信道的公平性和有效性。

EEE 802.11 标准定义了几种不同类型的 IFS

• 短帧间间隔 (Short Interframe Space，SIFS)
  • 用于高优先级的操作，如 ACK 确认帧、CTS 帧、以及从站的响应帧
  • 确保重要数据能够迅速传输而不受其他帧的干扰
• 点协调功能帧间间隔 (Point Coordination Function Interframe Space, PIFS)
  • 用于集中控制模式下，接入点 (AP) 在无竞争的情况下使用，如在 PCF (点协调功能) 模式下的优先级操作
  • 用于在竞争前启动通信，以便接入点在竞争阶段之前获得信道控制权
• 分布式协调功能帧间间隔 (Distributed Coordination Function Interframe Space, DIFS)
  • 用于普通数据帧的传输，通常在竞争环境中使用
  • 正常数据帧在竞争信道时使用的间隔，确保优先级较低的设备在优先级较高的操作完成后再尝试发送数据
• 扩展帧间间隔 (Extended Interframe Space, EIFS)
  • 当一个设备接收到一个有错误的数据帧时，它会等待 EIFS 时间后再试图发送数据
  • 最长，避免网络中更多的冲突或干扰发生。
  • 当设备认为信道状况不佳时，会使用更长的等待时间以减少进一步的冲突。

• NAV 是其它设备的一个时间记时器，当设备的 NAV 计时器大于零时，设备会认为信道正在被其他设备占用，因此不会尝试进行传输，被禁止访问介质。
• ACK 之后有个 DIFS (分布式协调功能帧间间隔)，这是个竞争窗口，容许优先级低的设备再尝试发送数据

载波侦听 (Carrier Sensing)

物理载波侦听与虚拟载波侦听

• 物理载波侦听：在设备发送数据之前，它会先侦听无线信道，检查是否有其他设备在使用该信道。如果信道空闲，设备才会继续后续的发送操作。
• 虚拟载波侦听：是通过网络分配器 (如无线接入点) 来管理信道的占用情况，利用控制帧 (如 RTS/CTS)来减少冲突

网络分配向量（Network Allocation Vector，NAV）

• 无线设备在信道上听到某些控制帧 (如 RTS/CTS 或数据帧) 时设置的一个计时器，表示该设备预计信道会被占用的时间，设备会在 NAV 计时器归零之前避免传输数据
• 一种虚拟载波侦听机制，与物理载波侦听相结合有助于更准确地判断信道状态，减少冲突
• 工作原理：
  • NAV 设置： 当一个设备在无线信道上接收到某个帧 (如 RTS 或 CTS) 时，它会读取该帧中的持续时间字段 (Duration Field) 。这个字段表示该帧预期的占用时间，包括发送数据帧和接收 ACK 所需的时间。接收设备会根据这个持续时间设置自己的 NAV 计时器
  • 信道占用判断： 当设备的 NAV 计时器大于零时，设备会认为信道正在被其他设备占用，因此不会尝试进行传输。NAV 计时器归零后，设备会再次检查信道是否空闲，如果空闲，则可以开始自己的传输。

参考

• WiFi基础(四)：WiFi工作原理及WiFi接入过程