# CSMA/CA 介质访问控制协议

## CSMA/CA vs CSMA/CD

| 特性 | CSMA/CD（以太网） | CSMA/CA（WiFi） |
|------|-------------------|-----------------|
| 碰撞处理 | 检测并重传 | 预先避免 |
| 半双工/全双工 | 全双工 | 半双工 |
| 为什么不同 | 有线可检测碰撞 | 无线无法可靠检测碰撞 |

WiFi 使用 CA（Collision Avoidance，避免碰撞）而非 CD（Collision Detection，检测碰撞），因为：

1. **发送方无法监听**：自身发射信号远强于接收信号
2. **隐藏终端问题**：A 和 C 都听不到对方，但都能干扰 B
3. **暴露终端问题**：C 可以发送给 D，但不需要等待 A→B 完成

## CSMA/CA 工作流程

### 基本流程

```
1. 监听信道（Carrier Sense）
   ├── 物理层载波侦听（PHY-CS）：检测能量电平
   └── MAC 层虚拟载波侦听（VCA）：NAV 计数器

2. 信道空闲？
   ├── 是 → 等待 DIFS，然后发送
   └── 否 → 等待信道空闲 → DIFS → 进入退避

3. 退避（Backoff）
   ├── 随机选择 backoff counter ∈ [0, CW]
   ├── 每经过一个 slot time，counter -1
   ├── 信道变忙？→ 暂停 counter
   ├── 信道空闲 ≥ DIFS？→ 恢复计数
   └── counter = 0？→ 发送帧

4. 等待 ACK
   ├── 收到 ACK → 成功，CW 重置为 CWmin
   └── 未收到 ACK → 失败，CW 翻倍（二进制指数退避）
```

### 时间参数

| 参数 | 20 MHz | 40 MHz | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| SIFS | 16 μs | 16 μs | 短帧间间隔（高优先级响应） |
| PIFS | 28 μs | 28 μs | PCF 帧间间隔 |
| DIFS/DCF-IFS | 34 μs | 34 μs | 分布式帧间间隔 |
| EIFS | 492 μs | 492 μs | 扩展帧间间隔（错误后） |
| Slot time (2.4G) | 20 μs | 20 μs | 退避时隙 |
| Slot time (5G) | 9 μs | 9 μs | 5 GHz 更短的时隙 |

### CW（Contestation Window）参数

```
CWmin / CWmax:
- 802.11a/b/g:  CWmin=15, CWmax=1023
- 802.11n/ac/ax: CWmin=15, CWmax=1023（默认）
                 CWmin=15, CWmax=1023（QoS 数据）

退避过程：
第1次尝试: CW = [0, 15]     → 随机选一个数
第2次尝试: CW = [0, 31]     → 翻倍
第3次尝试: CW = [0, 63]     → 继续翻倍
...
第N次尝试: CW = [0, 1023]   → 达到上限后不再增加
```

## RTS/CTS 机制

### 隐藏终端问题

```
A ────→ B ←──── C

A 和 C 互相听不到，但都会干扰 B。
当 A 正在发送给 B 时，C 也开始发送 → 碰撞！
```

### RTS/CTS 解决方案

```
A          B          C
 │          │         │
 │──RTS────→│         │ (C 听到 RTS，设置 NAV)
 │←─CTS────│         │ (C 听到 CTS，延长 NAV)
 │──Data──→│         │ (C 保持沉默)
 │←─ACK───│         │
```

- **RTS（Request to Send）**：发送方请求发送，包含数据帧长度
- **CTS（Clear to Send）**：接收方确认，通知周围设备保持安静
- **NAV（Network Allocation Vector）**：虚拟载波侦听计数器

### 何时启用 RTS/CTS？

| 场景 | 建议 |
|------|------|
| 默认 | 禁用（开销大） |
| 隐藏终端严重 | 启用，或设置低 RTS threshold |
| 小帧传输多 | 谨慎使用（RTS/CTS 开销可能超过数据本身） |

## EIFS（扩展帧间间隔）

当接收方检测到帧错误（FCS 校验失败）时：

```
正常情况: DIFS → backoff → transmit
错误后:   EIFS → backoff → transmit

EIFS = SIFS + ACK_time + DIFS

目的：给发送方时间重传，避免接收方在恢复期间抢占信道
```

## 性能分析

### 吞吐量的理论上限（MacGregor- Kleinrock 模型）

```
S = (Pₜ × Tₜ) / (Tₜ + Tₑ + Tᵢ)

其中：
S   = 吞吐量效率
Pₜ  = 传输成功概率
Tₜ  = 成功传输时间
Tₑ  = 碰撞/失败后的平均等待时间
Tᵢ  = 信道空闲时间
```

### 实际观察到的规律

- **1-2 个竞争设备**：效率 > 80%
- **5-10 个竞争设备**：效率 ~ 50-70%
- **20+ 个竞争设备**：效率 < 30%，退避时间占主导