CSMA/CD 与以太网退避

概述

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection，载波监听多路访问/冲突检测）是早期共享式以太网的 MAC 子层协议。虽然现代交换式以太网已不再使用它，但理解其原理对掌握网络演进和碰撞域概念至关重要。

[!QUESTION] 为什么需要 CSMA/CD？在共享介质（如同轴电缆或 Hub 集线器）上，多台设备共用同一根网线。如果没有协调机制，两台同时发送会导致信号叠加破坏——就像两个人同时在同一频道说话，谁也听不清。

CSMA/CD 工作流程

flowchart TD
    Start["有帧要发送"] --> Wait["等待信道空闲?"]
    Wait -->|"空闲"| Send["开始发送"]
    Wait -->|"忙碌"| Wait
    Send --> Check{"是否在 512bit<br/>时间内检测到冲突?"}
    Check -->|"否"| Done["发送完成 ✅"]
    Check -->|"是"| Collide["发生冲突 → 发送 Jam Signal"]
    Collide --> Backoff["指数退避算法计算等待时间"]
    Backoff --> Retry{"重传次数 < 16?"}
    Retry -->|"是"| Wait
    Retry -->|"否"| Fail["丢弃帧，上报错误 ❌"]

    style Done fill:#98FB98,color:#000
    style Fail fill:#FF6B6B,color:#fff

四个步骤详解

步骤	英文名称	说明
1	Carrier Sense	发送前先监听：信道忙就等，空闲才发
2	Multiple Access	多个设备共享同一介质
3	Collision Detection	发送过程中持续监测是否有冲突信号
4	Collision Handling	检测到冲突 → 发 Jam Signal → 执行退避 → 重试

二进制指数退避算法

冲突后的等待时间通过随机退避来避免再次冲突：

\text{等待时间} = \min(r, 2^{10}-1) \times 512 \text{ bit-time}

其中 r 为重传次数，512 bit-time 是最小帧长对应的传输时间（即争用期）。

flowchart TD
    k["重传次数 k"] --> r["r = random(0 ~ 2^k - 1)"]
    r --> capped["capped at 2^10 - 1 = 1023 (k > 10)"]
    capped --> backoff["backoff_time = r × 512 bit-time"]
    
    style k fill:#DDA0DD,color:#000
    style backoff fill:#98FB98,color:#000

退避表

重传次数 k	窗口大小 2^k - 1	可能等待的 slot 数范围
1	1	{0, 1}
2	3	{0, 1, 2, 3}
3	7	{0..7}
4	15	{0..15}
5–10	最大值 1023	{0..1023}
>10	仍为 1023	上限固定

如果重传 16 次仍然失败，帧被丢弃并向上层报告错误。

示例

假设节点 A 和 B 同时发送，发生冲突：

时刻 0ms:   A 和 B 同时发送 → 冲突！
            两者都发送 32bit Jam Signal
时刻 0.1ms: A 选 r=3 → 等 3×512bit-time = 3×51.2μs ≈ 154μs
            B 选 r=1 → 等 1×51.2μs ≈ 51μs
时刻 0.05ms: B 先等完，先尝试发送 → A 还在等
时刻 0.15ms: A 等完，发现信道已被 B 占用 → 退避重选 r
...

最小帧长与争用期

为什么最小帧是 64 字节？

关键公式：帧传输时间 ≥ 2 × 端到端传播延迟

如果帧太短，可能在冲突信号到达之前就已经发完了——发送方根本不知道发生过冲突。

sequenceDiagram
    participant A as 节点 A
    participant H as 最远节点 H
    Note over A,H: 传播延迟 = τ
    
    A->>H: 开始发送一个超短帧 (长度 < 2τ)
    H->>A: 冲突信号沿原路返回
    Note over A: 此时 A 已经发完了...<br/>没检测到冲突！🔥

所以规定：

\text{最小帧长} \geq 2 \times \tau \times \text{带宽}

对于经典 10Mbps 以太网，最长电缆段 2500m，$\tau \approx 12.5\mu s$：

\text{最小帧长} \geq 2 \times 12.5\mu s \times 10^7 \text{ bps} = 250,000 \text{ bits?}

等等，实际工程中使用了中继器和更短的网段组合，最终标准定为 512 bit-time = 64 bytes。

现代以太网中的命运

年代	拓扑	介质	CSMA/CD?
1980s	总线型	同轴电缆	✅ 必需
1990s	星型 + Hub	双绞线	✅ 存在但极少冲突
2000s+	全双工 Switch	双绞线/光纤	❌ 已禁用

全双工模式下，收发通道分离（两根线对），不存在碰撞的可能，CSMA/CD 自动关闭。从 Gigabit Ethernet (802.3ab) 起，交换机端口默认全双工运行。

[!note] 如何检查当前网卡是否启用了 CSMA/CD？
$ ethtool eth0 | grep -i coll
Supports Collision Detection: yes
Current Collision Detection: disabled (full-duplex)

关联笔记

hhs/NETWORK/Ethernet帧结构 — 以太网 II 帧的格式定义
hhs/NETWORK/Switch与路由器 — Switch 如何通过全双工消除冲突
hhs/NETWORK/VLAN与Trunk — VLAN 隔离冲突域

4.9 KiB Raw Blame History Unescape Escape