基于Ethernet控制器的CSMA／CA无线局域网适配器的设计与实现
一种基于CSMA／CA的无线局域网协议的实现方法
中 图 分 类 号 ：Ｐ ９． Ｔ ３３ ４ ０
文献标识码 ： Ａ
一
种基于 Ｃ ＭＡ Ｃ Ｓ ／Ａ的无线局域 网协议的实现方法
刘 利 民 ， 徐 志伟
（ 国科 学 院 计 算 技 术 研 究 所 ， 北 京 １０ ８ ） 中 ０００
摘
要 ：论 述 了一种 基 于 Ｃ ＭＡ Ｃ 的无线局 域 网协议 的 实现方 法 ，按照 ＩＥ ８ ０ ． 协议标 准 以及通 过无 线传 Ｓ ／Ａ Ｅ Ｅ ８２１ １
现 方 法 。Ｃ Ｓ Ａ 协 议 可 有 令 牌 法 和 时 间 片 法 等 多
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种 方 法 ， 自都 有 不 同 的特 点 。为 了有 效 进 行数 据 帧 各
的 发 送 和 接 收 ， 我 们 开 发 的 一 种 无 线 局 域 网 适 配 器 在
体 系一Ⅶ ． Ａ ＷＬ Ｎ中， 用 了一种 基 于 时间 片的Ｃ ＭＡ 采 Ｓ ／ Ｃ Ａ协议 的实 现 方 法 。该 方 法有 效 利 用 了时 间 片选 择
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IEEE802_MAC层CSMA_CA机制的分析与研究
IEEE802_MAC层CSMA_CA机制的分析与研究IEEE 802 MAC 层 CSMA/CA 机制是一种用于在共享媒体上进行数据传输的协议，常用于局域网中的无线网络。
CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）是一种争用式访问控制技术，通过侦听信道上的信号和发送确认帧来避免碰撞。
CSMA/CA 机制在保证数据传输质量、提高网络效率和减少冲突上具有一定的优势。
首先，CSMA/CA机制的基本原理是侦听和传输确认。
在发送数据之前，节点首先侦听信道上是否存在其他节点的传输，如果信道上有传输，节点则等待一段时间再次侦听。
只有在信道空闲时，节点才能开始传输数据。
此外，在数据传输过程中，发送方节点还会发送确认帧，接收方节点在收到确认帧后才停止传输，以确保数据传输的正确性。
CSMA/CA机制的特点之一是退避算法。
当信道繁忙时，节点会等待一个随机的退避时间，之后再次侦听信道。
退避时间的长度是根据节点数量和信道负载动态调整的，以提高信道的利用率。
此外，CSMA/CA机制还通过发送短的信标帧和后传导信号来减少隐藏终端问题。
CSMA/CA机制还具有一些改进措施来提高网络性能。
其中一个是帧的截断传输，即将较长的帧分成多个较小的片段进行传输，以减小传输过程中发生冲突的概率。
另一个是帧间距的增加，即在每个帧之间增加一定的间隔时间，以便其他节点选择性侦听和传输。
此外，CSMA/CA机制还可以支持不同的连接方式。
对于点对点连接，CSMA/CA机制使用虚拟载波监听技术，可以提供基于数据包的传输。
对于广播连接，CSMA/CA机制使用基于扉口的机制，具备广播链接性能。
CSMA/CA机制的研究主要集中在网络性能的改善方面。
这些研究包括减小退避时间、改进确认机制、优化帧间距等技术。
此外，还有一些研究关注网络拓扑结构的调整和节点的动态调度，以提高网络的容量和效率。
csmaca协议工作原理
csmaca协议工作原理
CSMACA协议是一种用于共享介质以及协调通信的协议。
其
工作原理如下：
1. 空闲状态：当网络中没有节点进行传输时，所有节点都可以按需发送数据。
2. 数据传输：当一个节点准备发送数据时，它首先监听信道，如果发现信道空闲，就发送数据。
如果信道被其他节点占用，该节点则等待直到信道空闲。
3. 碰撞检测：当一个节点发送数据时，其他节点也在监听信道。
如果多个节点同时尝试发送数据，就会发生碰撞。
当检测到碰撞时，所有节点都停止发送数据，并等待一段随机时间（退避时间）后重新尝试发送。
4. 退避机制：在发生碰撞后，节点会通过随机生成一个等待时间来避免继续发生碰撞。
每个节点生成的等待时间都是不同的，因此在退避时间结束后，节点们重新尝试发送数据时，有可能会发生较少的碰撞。
5. 持续监听：当一个节点发送数据后，它仍然持续监听信道。
如果在数据发送过程中发生碰撞，节点会立即停止发送数据并等待退避时间后重新尝试。
6. 优先级设置：CSMACA协议可以根据节点的需求设置优先级。
具有较高优先级的节点可以在信道空闲时立即发送数据，
而较低优先级的节点则需要等待空闲。
综上所述，CSMACA协议通过空闲监听、碰撞检测、退避机制和优先级设置来实现共享介质的可靠通信。
它能够有效避免节点之间的碰撞，并提高传输的成功率和整体效率。
CSMA-CA协议分析
《CSMA/CA协议研究分析》一．概述无线局域网标准802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性检测。
在802.3协议中，是由一种称为CSM/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)的协议来完成调节，这个协议解决了在Ethernet上的各个工作站如何在线缆上进行传输的问题，利用它检测和避免当两个或两个以上的网络设备需要进行数据传送时网络上的冲突。
二．CSMA/CA协议1.CSMA/CD为什么不能应用无线局域网以及CSMA/CA的由来CSMA/CD协议已成功地应用有线连接的局域网，但在无线局域网的环境下，确不能简单的搬用CSMA/CD协议，特别是碰撞检测部分。
原因如下：第一，在无线局域网的适配器上，接收信号的强度往往小于发送信号的强度，因此若要实现碰撞检测，那么在硬件上需要的花费就会过大。
第二，在无线局域网中，并非所有的站点都能够听见对方，而“所有的站点都能够听见对方”正是实现CSMA/CD协议必须具备的基础。
下面用图一的例子来说明这点。
虽然无线电波能够向所有方向传播，但其传播距离受限，而且当电磁波在传播过程中遇到障碍时，其传播距离就更短。
图一中画有四个无线站点，并假设无线信号传播范围是以发送站为圆心的一个圆形面积。
图一（a）表示站点A和C想和B通信。
但A和C相距较远，彼此都听不见对方。
当A和C检测到信道空闲时，就想向B发送数据，结果发生了碰撞。
（这祌未能检测其他站点信号的问题叫做隐蔽站问题。
）当移动站之间的障碍物时也可能出现上述问题。
例如，三个站点A，B和C彼此之间距离都差不多，相当于在一个等边三角形的三个顶点。
但A和C之间有一座山，因此A和C彼此都听不见对方。
若A和C同时向B发送数据就会发生碰撞，使B无法正常接收。
图一（a）给出了另一种情况。
计算机学科专业基础综合计算机网络-数据链路层(四)
计算机学科专业基础综合计算机网络-数据链路层(四)(总分：66.00，做题时间：90分钟)一、{{B}}单项选择题{{/B}}(总题数：51，分数：51.00)1.以太网的MAC协议提供的是______。
∙ A.无连接的不可靠的服务∙ B.无连接的可靠的服务∙ C.有连接的可靠的服务∙ D.有连接的不可靠的服务（分数：1.00）A. √B.C.D.解析：考虑到局域网信道质量好，以太网采取了两项重要的措施以使通信更简便：①采用无连接的工作方式；②不对发送的数据帧进行编号，也不要求对方发回确认。
因此，以太网提供的服务是不可靠的服务，即尽最大努力的交付。
差错的纠正由高层完成。
2.以下关于以太网的说法中，正确的是______。
∙ A.以太网的物理拓扑是总线型结构∙ B.以太网提供有确认的无连接服务∙ C.以太网参考模型一般只包括物理层和数据链路层∙ D.以太网必须使用CSMA/CD协议（分数：1.00）A.B.C. √D.解析：以太网的逻辑拓扑是总线型结构，物理拓扑是星形或拓展星形结构，因此A错误。
以太网采用两项措施简化通信：采用无连接的工作方式；不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发送确认，因此B错误。
从相关层次看，局域网仅工作在OSI的物理层和数据链路层，而广域网工作在OSI的下三层，而以太网是局域网的一种实现形式，因此C正确。
只有当以太网工作于半双工方式下才需要CSMA/CD协议来应对冲突问题，速度小于或等于1Gb/s的以太网可以工作于半双工或全双工，而速度大于或等于10Gb/s的以太网只工作在全双工方式下，因此没有争用问题，不使用CSMA/CD协议，因此D错误。
3.下列以太网中，采用双绞线作为传输介质的是______。
∙ A.10BASE-2∙ B.10BASE-5∙ C.10BASE-T∙ D.10BASE-F（分数：1.00）A.B.C. √D.解析：这里的BASE前面的数字代表数据率，单位为Mb/s；“BASE”指介质上的信号为基带信号(即基带传输，采用曼彻斯特编码)；后面的5或2表示每段电缆的最长长度为500m或200m(实际为185m)，T表示双绞线，F表示光纤。
CSMA CA
此外，无线信道还由于传输条件特殊，造成信号强度的动态范围非常大。这就使发送站无法使用冲突检测的 方法来确定是否发生了碰撞。
因此，无线局域不能使用CSMA/CD协议，而是以此为基础，制定出更适合无线络共享信道的载波监听多路访 问/冲突避免CSMA/CA协议。CSMA/CA协议利用ACK信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到络上返 回的ACK信号后，才确认送出的数据已经正确到达目的 。
工作流程
802.11标准为数据帧定义了不同的信道使用优先级，使用三种不同的时间参数：短帧间隔SIFS、长帧间隔 DIFS和点协同间隔PIFS。SIFS最短，使用它作为等待时延的结点将用最高的信道使用优先级来发送数据帧。络中 的控制帧以及对所接收数据的确认帧都采用SIFS作为发送之前的等待时延。DIFS最长，所有的数据帧都采用DIFS 作为等待时延。PIFS具有中等级别的优先级，主要作为AP定期向服务区内发送管理帧或探测帧所用的等待时延。
（4）在WLAN中，本结点处有冲突并不意味着在接收结点处就有冲突 。
谢谢观看
第一类避免冲突的工作方式要点如下：每次传递结束后，立即把时间划分成时间片，这些时间片分属络中各 结点。结点根据时间片的先后发送信息，具有第一个时间片的结点首先发送，发送结束后，按优先权顺序把发送 权交给具有第二个时间片的结点。轮到某个结点而该结点又无报文可发时，它的时间片就空闲不用。如果在时间 片轮回一周后，所有结点都无报文可发，那么络就返回到CSMA/CD方式，这时又按竞争方式获取信道。信道在 CSMA/CD方式下使用一次后，系统又回到时间片方式。在这种可避免冲突的系统中，通常给某些结点以特殊的优 先权，使它们总是能在第一个时间片发送信息。如果给它们的时间片没有使用，则重新在其他结点轮流分配时间 片。在这种系统中，结点必须有能力完成时间片的同步，执行分配时间片的算法以及CSMA/CD方式的算法，因此， 实现起来较复杂，价格也较贵。这种方法的优点是效率高。
关注CSMA CA协议分析详解
CSMA/CA协议分析概述无线局域网标准的802.11的MAC协议与802.3标准的MAC协议非常相似。
在802.3协议中，MAC 协议使用的是一种叫做CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)，即载波监听多路访问/冲突检测机制。
这个协议解决了如何在有线以太网上检测和避免当两个或两个以上的网络设备需要同时进行数据传输时网络上的冲突。
其工作原理可以总结为先听后说，边听边说;一旦冲突，立即停说;等待时机，然后再说。
但其并不适合无线局域网，在无线局域网中，无线电波传输距离受限，不是所有的节点都能够都能监听到信号;而且，无线网卡工作在半双工模式下，设备无法一边接收数据信号，一边传送数据信号。
另一方面，无线带宽本就不高，一旦发生碰撞，重新发送数据，会降低吞吐量。
为此，在802.11中对CSMA/CD进行了一些修改，采用了新的协议CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)，即，载波监听多路访问/冲突避免机制，利用ACK信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当STA收到网络上返回的ACK信号后才确认送出的数据已经正确到达目的地址。
CSMA/CA协议为了尽量避免碰撞，802.11标准规定，所有的STA在完成帧的发送后，必须在等待一段很短的时间才能发送下一帧，这段时间叫做帧间间隔IFS.帧间间隔的长短取决于该站要发送的帧的类型。
高优先级的帧需要等待的时间较短，因此可以优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。
若低优先级帧还没来得及发送而其他高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。
这样就减少了发生碰撞的机会。
至于各种帧间间隔的具体长度，这取决于使用的物理层特性。
SIFS，即短(Short)帧间间隔。
SIFT是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。
网络组建 CSMA CA协议
网络组建CSMA CA协议我们知道总线型局域网在MAC层的标准协议是CSMA/CD，即载波侦听多点接入/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。
但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此802.11全新定义了一种新的协议，即载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA（with Collision Avoidance）。
802.11标准有两种访问方法：优先访问和载波侦听多路访问冲突避免（CSMA/CA）。
两种访问方法都是数据链路层的功能。
在优先访问方法中，接入点也充当点协调器。
点协调器建立无争用期，在这个时段内，基站无法发送数据（除了接入点外），直到这个点协调器建立了连接。
在无争用期，点协调器登记基站。
如果一个基站因为有信息要发送而显示可登记，点协调器就会把这个基站加入登记表。
如果这个站不可登记，点协调器就发送一个信号帧，表示到下一个空闲争用期还要等多久。
登记表上的基站下一次就会进行了通信，一次只能有一个基站通信。
在登记表上所有基站都有机会发送后，就会有另一个空闲争用期，在这个时期内，点协调器再统计各基站以决定它是否可登记并想发射数据。
优先访问是为对时间敏感的通信设计的。
这些通信主要有语音、视频、电视会议，所有这些通信形式都要求不间断通信。
优先访问在802.11中又称为点协调功能。
载波侦听多路访问冲突避免（CSMA/CA）是一种无线网络中更常用的访问方法，也称为分布式协调功能。
在CSMA/CA中，等待发送的基站监听通信频率是否空闲。
通过监测接收信号强度指示器（RSSI）等级来决定频率是否空闲。
如果两个或多个同时想发送信息的基站没有冲突，就表明频率处于空闲。
一旦频率空闲，每个基站监听DIFS秒，以确定频率是否要继续空闲。
DIFS是分布式协调功能的内帧间隔，它是预先定义的强制空闲或者延迟时期。
如果频率在DIFS时期仍保持空闲，这样基站就可以避免冲突，因为每个要求发送的基站都计算不同的等待时间或者反馈时间，直到再次检查频率是否空闲。
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进行设计 ：
Ｔ Ｃ： 发送 时钟 （ ＾ ．针 对 Ｅ ｃ ｅ 制 嚣 ．Ｄ Ｃ而言 ） ｘ 翰 ｔｒｔ ｈａ 控 ＥＬ ，
１ＭＨ ，占空 比５％，用于 Ｅ Ｌ 芯片发送数 据的 同步 ．该 时钟连 ０ ｚ ０ ＤＣ 续运行 ＴＤ ｘ ：发送数据（ 输出） Ｄ Ｃ 出的申行数据 ，高电平有效 。 ，Ｅ Ｌ ￣ Ｔ Ｅ 允 许发ｊ（ 出） 荷 发进帧” ｘ Ｎ： 兰翰 ． 前序 一位有效 ，最 后一 第 位复值 ．高 电平有效 。 ＲＣ ｘ ：接收 时钟（ 翰入） ０ ｚ 占空 比５ ％．用于 同步进 入 ，１ＭＨ ， ｏ Ｅ Ｌ 苗片的数据 ． 时钟连续遥千。 ＤＣ 谖 亍 Ｃ Ｎ：载波傍 听（ Ｓ 输入） ，随接收 帧前序 第一位 变高 ，最 后一位 复位 ， 电平有效 。 高 Ｃｌ ｏ ：冲突指示 （ ｌ 翰入 ） ．用于 指示介质 访 问是否 发生冲突 ，高 电平 有效
关艇闫 ： ｔｅ ￣；控制嚣 ； 配器 ；协议 Ｅｈｒ ｔ ｎ 适
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维普资讯
第２ 卷 ８
￡ ２
第２ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
他 ２
计
算 机
工
程
２ ０ 年２ ０ ２ 月
Ｆ ｂ ｕａ ｙ ２ ０ ｅ ｒ ｒ ０ ２
Ｃｏ ｐ ｔｒＥｎ ｉｅ ｒｎ ｍ ｕ ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｇ
・
工 程应 用技 术与实现 ・ 文章编号： ００ ３２（ ０） ４ ２９ ０ １０－ ４ ２ ２ ２ ２－ ２ － ８０ ０
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１ ｙｗｏｄ ｌＥ ｂｒ ｅ；Ｃｏ ｔｏ ｅ ；Ａｄ ｐｅ ；Ｐ ｔｃｌ Ｋｅ ｒ ｓ ｔｅｌ ｔ ｎｒ ｇ ｒ ａ ｔｒ ｒ ｏｏ ｏ
ＩＥ ８０． 协议为 无线 局域蹰的通信 协议 ，由于无线 Ｅ Ｅ ８２１ １ 通信存在不便于冲突检测的问题，所以无线局域蹰的通信协 议规定采用 Ｃ ＭＡＣ － Ｓ ／Ａ载波挂 测多路访 问／ 冲突避 免协议 。 在 我们开发的一种无线局域网适配器体系 ＹＨＷＬ Ｎ中，为 － Ａ 了简化系统设计 ．我们 在数据链路层一级实现 了Ｙ ・ Ａ ＨＷＬ Ｎ 与Ｅｈ 懈 的兼容 ．这样就 可以直接应用Ｅｈ＇ ｔ ｔ ｔ ｎ 的底层驱动 ＇ａ ｅ ￣ 程序和Ｅ ｈ ｅ ｔｍｔ与主 机的接 １ ｔ ３以爱其丰富的软、硬件资蔼 ， 同时也 有利于有线与无线嘲之 间的操作转换 ，实现有线 蹰与 Ｙ ＷＬ Ｎ的连接，增加网络应用的灵活性 。 Ｈ－ Ａ
ＬＩ ｍｉ Ｓ ＵＵ ｎ 。 ＨＡＮＧ ａ ｘ ａ ＤＯＵ ｅ ｈ ａ ０ Ｃｈ ｏ ｕ ｎ 。 ０ Ｗ ｎ ｕｚ
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文献标识码： Ａ
中 朋分类 号： Ｔ ３３ １ Ｐ９． １
基 于Ｅ ｈ ｒｅ 制 器的Ｃ ＭＡ Ｃ ： ｔｅｎｔ ￣ Ｓ ／ Ａ￣线局 域 网 适 配 器的设 计 与 实现
刘利 民 ，尚 轩’ 翦 。觳
ｆ解教 军军械工程学院光学与 电子工程 系．石隶庄 ０∞ ； ｌ ＿ ０ ２国防科技大学计算机科学与工程学院 ，长沙 ４０７） １ ３ ０ 摘 要： 论述了一种基于Ｅｈ ｔ ｔ ｔ ｎ 控制嚣 的无线局域用适 配器的设计 方｝ ．为 了简化系统设 计，利用现有的Ｅ Ｌ 与主机 的接 口硬件 和赣件 ｃ￣ 者 ＤＣ 协议标 准以爰通过Ｅ Ｌ ￣ 无线收发器信 号的分析 ．提 出了利用Ｃ Ｍ ￣ Ｄ Ｓ ／ Ａ ＤＣ Ｉ Ｓ Ａ Ｃ 和Ｃ ＭＡ Ｃ 协议转换为中心的系统 设计思想。并佯述了系统设计方案 ．给出了适配器的工作过程 。
２ ｎ ｔ ｕ ｅｏ Ｃｏ ｕｅ ｃ ｎ ｅ ｎ ｎ ｉｅ ｒｎ ａ ｏ ａ Ｕ ｉ ｒｉ ｆ ｆ ｕ ｅ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｃｂ ｎ ｓ ａ４ ０ ７ ） － ｓｉ ｔ ｆ ｍｐ ｔｒ ｉ ｃ ｄ Ｅ ｇ ｕ ｅ ｉｇ ｄ ｎ ｌ ｎ ｖ ｓ ｙｏ Ｄｅｅ ｓ ｃ ｎ ｌ ， ａ ｇ ｂ １ ０ ３ Ｉ ｔ Ｓ ｅ ａ ｅ ｔ Ｔ ｇ