谈谈 Wi-Fi 的 RTS/CTS 设计

我不是专业的 Wi-Fi 技术工作者。但我可以谈谈作为统计复用网络的 Wi-Fi，通用的网络分布式协调功能在底层是相通的。

从一个图展开：

基于这底层逻辑，共享以太网可以用 CSMA/CD，而 Wi-Fi 只能用 CSMA/CA，区别在 CD(冲突检测) 和 CA(冲突避免)。

以太网做冲突检测很简单，直观讲，假设把信号电压约束在 0～5V，只要检测到大于 5 + δV 电压就意味着冲突，但 Wi-Fi 就没这么简单，于是隐藏节点和暴露节点问题被拎出来。

在调查评估这些问题事实上有多大影响，需不需要花大力气解决之前，工人的思路往往是先解决它们。因为无法 CD，则只能 CA。从另一个更合理的角度看，如果不能 CD，最简单的方法应只保留 CSMA，而不是解决不能 CD 的问题。没有了 CD，Wi-Fi 的 MAC 逻辑变得更加简洁：直接随机二进制退避发送，直到成功或彻底失败。

但这种极简的 MAC 逻辑会带来比较大的冲突概率，显然无法满足性能需求，那么接下来的起点应从物理层入手，从此步入正轨。但即使 802.11 也有犯糊涂的时候，产出了 RTS/CTS 这种复杂但没卵用的设计。同样的故事在 TCP 演进过程中经常发生，降低物理层误码率，很多拥塞控制层面复杂的丢包检测机制和算法就不再需要。在物理层尚未做出改变前，等待好于折腾。典型的本末倒置设计一般都是希望其外的金玉掩盖其中的败絮开始。

回到上图，信号特征的区别是有线无线网络的最本质区别，RTS/CTS 的思路也简单，见招拆招，既然信号在接收端看起来比较拉，就从 receiver 而不是 sender 入手来检测或避免冲突，流程就顺理成章了。

但欲发送数据帧的 sender 根本不知道 receiver 的情况，既不知道距离多远，也不知道 receiver 附近是否有自己检测不到的其它传输正在发生，唯一能做的就是低成本询问。由于共享介质特征，询问结果至少需要保留一帧成功接收的时间，这次询问才有意义，于是询问必须带有 “资源预留” 的含义：

• sender 附近的节点均可收到信号强度不弱的 RTS，获知了 sender 的资源预留申请；
• receiver 如果能收到 RTS 并回复 CTS，CTS 足够强到让其附近节点收到，它们也获知 sender 的资源申请；
• CTS 回到 sender，sender 开始发送帧；
• receiver 如果收不到 RTS，sender 将超时重试发送 RTS；

这样一来，sender，receiver 附近的所有相关节点都知道了 sender 将有帧要发往 receiver，并主动避让，避让时间包含在 RTS，CTS 帧头字段中，大约为 sender 成功发帧的时间。这一切看起来就是这么顺理成章。

理论上，RTS 中应该包含两个 “避让时间”，一个是 sender 附近节点需要避让的时间 D1，另一个是 receiver 附近节点需要避让的时间 D2，由 receiver 在 CTS 中 echo 回来被其附近节点收到，D1 < D2。原因也不难理解，D1 只是 RTS/CTS 这种短帧来回的时间，而 D2 才是长数据帧来回的时间。如果 sender 的 RTS 有去无回，附近其它节点就可以竞争信道，回避 D2 的时间就没有必要。

更进一步，D1 甚至可以是 0，只要 sender 附近节点听不到 receiver 发送的 CTS，它们就可以自由和其它节点通信，从而解决暴露节点问题。但 802.11 只是简单的全部避让。

看起来很不错的一个机制，但仔细琢磨，它只是在小心翼翼避免根本避免不了或根本不会发生的问题：

• 如果 sender 要发送的数据帧很短，何不直接发送(或者包在 RTS/CTS 中)呢；
• AP 对任何节点均可达，AP 根本没有隐藏站，暴露站问题；
• 虽然 RTS/CTS 相比数据帧很小，在越来越大的带宽下，二者影响越来越一致；
• 隐藏站和暴露站并不多见…

如果不能精确认领和解决问题，在弹性系统中交给概率是最好方法。RTS/CTS 机制非常类似 TCP 的 D-SACK，对大多数场景帮助不大，少数可以帮助到的场景，获得的全局收益不大。它也非常像人们集中大量时间和精力优化异常流的做法，比如优化 TCP 丢包检查和重传，却只为解决非常罕见的问题。

同样都是 “链路资源预留”，电路交换就是精确认领解决问题，仔细品它们的区别。类似的经验在数据中心正在融合，还是那个观点，网络越往高速发展，就越不可抗拒地将设计推回到面向连接的电路交换，同时代价也是昂贵的，但作为非汇聚非骨干的普通接入网络，高速和通用兼容需要权衡轻重，这一点上，Wi-Fi，TCP，接入以太网有相似的特征，它们成功的原因一致，也踩过同样的坑。

浙江温州皮鞋湿，下雨进水不会胖。