CSMA协议原理 Contiki协议栈的设计

Contiki由几个独立的模块组成，是一个开放源码、多任务事件驱动的嵌入式网络专用操作系统，微轻量级的控制器，无线传感网络协议栈Rime。整个应用包括kernel、libraries、user code，对于一些周期性的操作或者网络协议很有帮助。

一．协议栈总体框架

Contiki系统为了支持多种硬件平台和软件协议设计了如图1.1所示的层次框架，通过contiki-conf.h的宏定义用户可以灵活地选择协议类型，如：

#define NETSTACK_CONF_NETWORK rime_driver

#define NETSTACK_CONF_MAC csma _driver

#define NETSTACK_CONF_RDC cxmac_driver

#define NETSTACK_CONF_RADIO sx1278_radio_driver

#define NETSTACK_CONF_FRAMER framer_nullmac

图1.1协议栈层次

Contiki V2.7支持的各层次协议类别如图1.2所示，其中NETSTACK_MAC是一个概念层次，真正处理MAC逻辑是由NETSTACK_RDC（Radio Duty Cycling）完成的；而NETSTACK_RADIO层支持的射频驱动，用户可以自由扩展。

图1.2 Contiki V2.7支持的协议类型

二．收发Radio Packet的调用与时序

1. 接收Radio Packet

图2.1显示了接收Radio Packet的调用逻辑与时序，当射频硬件接收到数据包时ISR通知rf_process，rf_process自底向顶调用：RDC-》MAC-》NETWORK协议栈的接收函数，最后将数据包提交给应用程序绑定的进程。

图2.1接收Radio Packet

2. 发送Radio Packet

如图2.2所举例，process_i需要发送abc（Anonymous best-effort local area Broad Cast）数据包，进程自顶向底调用：MAC-》RDC-》RADIO协议栈的发送函数，最后通过射频硬件以无线电方式传输。

图2.2发送Radio Packet

三．CSMA（Carrier Sense Multiple Access）协议原理

CSMA协议提供相对可靠的MAC层传输，每次调用RDC层发送数据包后，它根据反馈信息判断是否需要缓存并重传该数据包。

CSMA的关键数据结构如图3.1所示，struct neighbor_queue根据不同的接收地址缓存数据包；struct rdc_buf_list将同一个接收地址的不同PACKETBUF_ATTR_MAC_SEQNO的数据包进行链接；struct queuebuf保存需要重传的数据包头和数据实体；struct qbuf_metadata存储回调函数指针等信息。

图3.1 csma关键数据结构

CSMA根据RDC层发送数据包的反馈信息选择相应逻辑动作：

MAC_TX_OK：发送成功，回收缓存数据结构和善后工作；

MAC_TX_NOACK：启动ctimer，随机延时后重传，直到发送次数超过MAX；

MAC_TX_COLLISION：继续重传，且发送次数不受限。

一个CSMA的典型时序如图3.2所示，当RDC层发送完数据包后，CSMA的回调函数packet_sent（）根据发送结果选择动作（见上面逻辑描述），如果需要重传则根据重传次数选择一个随机时间设置ctimer，当ctimer定时器超时后再次发送该缓存的数据包。

图3.2 csma逻辑与时序