有線和無線網絡在數據鏈路層的特性存在差異，具體為：

• CSMA/CD 用于有線網絡，通過檢測和處理沖突來維持網絡的穩定性。
• CSMA/CA 用于無線網絡，強調沖突的預防，以應對無線信道共享的挑戰

1 有線網 CSMA/CD

有線網 CSMA/CD （Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波偵聽多路訪問與沖突檢測）

在有線網絡中，設備間通過網線相互連接，它的工作原理是

• 載波偵聽CS：設備在發送數據之前會先監聽網絡，以檢測是否有其他設備在傳輸數據。如果檢測到網絡空閑，則開始發送數據。
• 多路復用MA：總線型網絡，許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上
• 沖突檢測CD： 在數據發送過程中，設備持續監聽網絡。如果檢測到沖突 (即兩個或多個設備同時發送數據導致信號混合) ，發送數據的設備會停止傳輸，并發送一個“沖突信號”以通知網絡上的其他設備。
  • 重傳數據： 發生沖突后，設備會等待一段隨機的時間后再次嘗試發送數據。這個隨機等待時間稱為“退避算法”，可以有效減少后續沖突的可能性。

有線網的CSMA/CD依賴于網線共享介質，設備在數據發送的過程中，還可以檢測網線狀態

2 無線網 CSMA/CA

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，載波偵聽多路訪問/沖突避免）

與有線網不同的是，無線網通過電磁波進行數據交互。無線是半雙工工作模式，無線客戶端沒有同時進行接收和發送的能力，無法檢測到沖突。

因此無線網使用的機制是沖突避免。

• 載波偵聽CS：設備在發送數據之前也會監聽無線信道，檢查是否有其他設備在使用。只有信道空閑，設備才會繼續執行發送操作。
• 多路復用MA：多個計算機可以同時接入
• 沖突避免CA：
  • 發送請求：為了盡量避免沖突，在發送數據之前，設備可能會先發送一個“準備發送”信號 (如RTS，即請求發送) ，并等待接收設備返回“允許發送”信號 (如CTS，即清除發送) 。
  • 數據發送：收到 CTS 信號后，設備才會發送數據。
  • ACK確認：數據發送成功后，接收設備會發送一個確認信號 (ACK) 。如果發送設備在規定時間內沒有收到 ACK，它會認為數據丟失并重新發送。

ACK機制

• 數據幀成功發送并被接收設備接收到后，接收設備會發送一個 ACK (Acknowledgment)幀 給發送設備，表示數據成功到達。
• 如果發送設備在指定時間內未收到 ACK，它會認為數據丟失并重新發送
• 保證了數據傳輸的可靠性，避免了數據丟失后無反饋導致的傳輸失敗

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

引入“準備發送”請求 (RTS) 和“允許發送”確認 (CTS) 這兩個控制幀，在發送數據之前確保信道空閑，減少隱蔽節點問題

• RTS(Request to Send)：發送設備首先向接收設備發送一個 RTS 幀，表明自己想要發送數據
• CTS (Clear to Send)：接收設備在確認信道空閑后，會回復一個 CTS 幀，允許發送設備進行數據傳輸

隱藏節點與暴露節點

• 隱藏節點：在接收者AP的通信范圍內而在發送者STA1通信范圍外的節點STA2
• 暴露節點：在發送者STA1的通信范圍之內而在接收者AP通信范圍之外的節點STA2
  • 問題：STA1發送時，STA2錯誤地認為不能向STA1范圍之外的接受者AP2發送
  • 解決：只有當收到AP1的CTS幀時才保持安靜；若沒有收到，則說明AP1不再STA2的范圍內，此時STA2發送數據不會發到AP1，也就不會影響SAT1向AP1發送

即：收到CTS幀則靜默，沒收到則認為信道空

隨機退避算法（Random Backoff Algorithm）

當信道忙碌時，設備不會立即重新嘗試發送數據，而是會等待一個隨機的時間段后再嘗試。

• 隨機等待時間由 退避算法 (Backoff Algorithm) 決定，以減少多個設備同時再次嘗試發送數據的可能性，從而避免沖突
• 具體做法：
  • 每次檢測到信道忙碌后，設備會生成一個隨機退避時間。
  • 退避時間越長，設備等待的時間越久，從而分散重試時間點，降低沖突概率
  • 退避時間最短的站優先發送數據幀，該最短時間稱為退避窗口
  • 其他設備再次檢測到信道忙碌生成退避時間時，則新的退避時間 = 上次退避時間 - 退避窗口

幀間間隔 (Interframe Space, IFS)

用于控制設備在發送數據幀之間的等待時間，以確保無線信道的公平性和有效性。

EEE 802.11 標準定義了幾種不同類型的 IFS

• 短幀間間隔 (Short Interframe Space，SIFS)
  • 用于高優先級的操作，如 ACK 確認幀、CTS 幀、以及從站的響應幀
  • 確保重要數據能夠迅速傳輸而不受其他幀的干擾
• 點協調功能幀間間隔 (Point Coordination Function Interframe Space, PIFS)
  • 用于集中控制模式下，接入點 (AP) 在無競爭的情況下使用，如在 PCF (點協調功能) 模式下的優先級操作
  • 用于在競爭前啟動通信，以便接入點在競爭階段之前獲得信道控制權
• 分布式協調功能幀間間隔 (Distributed Coordination Function Interframe Space, DIFS)
  • 用于普通數據幀的傳輸，通常在競爭環境中使用
  • 正常數據幀在競爭信道時使用的間隔，確保優先級較低的設備在優先級較高的操作完成后再嘗試發送數據
• 擴展幀間間隔 (Extended Interframe Space, EIFS)
  • 當一個設備接收到一個有錯誤的數據幀時，它會等待 EIFS 時間后再試圖發送數據
  • 最長，避免網絡中更多的沖突或干擾發生。
  • 當設備認為信道狀況不佳時，會使用更長的等待時間以減少進一步的沖突。

• NAV 是其它設備的一個時間記時器，當設備的 NAV 計時器大于零時，設備會認為信道正在被其他設備占用，因此不會嘗試進行傳輸，被禁止訪問介質。
• ACK 之后有個 DIFS (分布式協調功能幀間間隔)，這是個競爭窗口，容許優先級低的設備再嘗試發送數據

載波偵聽 (Carrier Sensing)

物理載波偵聽與虛擬載波偵聽

• 物理載波偵聽：在設備發送數據之前，它會先偵聽無線信道，檢查是否有其他設備在使用該信道。如果信道空閑，設備才會繼續后續的發送操作。
• 虛擬載波偵聽：是通過網絡分配器 (如無線接入點) 來管理信道的占用情況，利用控制幀 (如 RTS/CTS)來減少沖突

網絡分配向量（Network Allocation Vector，NAV）

• 無線設備在信道上聽到某些控制幀 (如 RTS/CTS 或數據幀) 時設置的一個計時器，表示該設備預計信道會被占用的時間，設備會在 NAV 計時器歸零之前避免傳輸數據
• 一種虛擬載波偵聽機制，與物理載波偵聽相結合有助于更準確地判斷信道狀態，減少沖突
• 工作原理：
  • NAV 設置： 當一個設備在無線信道上接收到某個幀 (如 RTS 或 CTS) 時，它會讀取該幀中的持續時間字段 (Duration Field) 。這個字段表示該幀預期的占用時間，包括發送數據幀和接收 ACK 所需的時間。接收設備會根據這個持續時間設置自己的 NAV 計時器
  • 信道占用判斷： 當設備的 NAV 計時器大于零時，設備會認為信道正在被其他設備占用，因此不會嘗試進行傳輸。NAV 計時器歸零后，設備會再次檢查信道是否空閑，如果空閑，則可以開始自己的傳輸。

參考

• WiFi基礎(四)：WiFi工作原理及WiFi接入過程