數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：第8講 以太網(wǎng)

第四章局域網(wǎng)技術(shù)笫8講以太網(wǎng)本講內(nèi)容第四章局域網(wǎng)4.4CSMA/CD和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)4.4.1ALOHA4.4.2CSMA4.4.3CSMA/CD4.4.4二進(jìn)制指數(shù)退避算法4.4.5以太網(wǎng)幀格式4.4.6IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)4.4.1ALOHAALOHA協(xié)議是20世紀(jì)70年代夏威夷大學(xué)的NormanAbramson及其同事設(shè)計(jì)的用于基于地面的無(wú)線(xiàn)廣播通信上的系統(tǒng)。其基本思想適用于任何站點(diǎn)間沒(méi)有協(xié)調(diào)關(guān)系的多站點(diǎn)對(duì)于共享信道的使用環(huán)境中。純ALOHA基本思想：只要一個(gè)站點(diǎn)想要傳輸信息幀，它就把信息幀傳輸出去。然后它聽(tīng)一段時(shí)間，如果在信息來(lái)回傳播的最大延遲時(shí)間（兩倍于相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)站點(diǎn)之間傳遞信息的時(shí)間）再加上一小段固定的時(shí)間內(nèi)收到了確認(rèn)，傳輸成功；否則，發(fā)送站點(diǎn)等待一段隨機(jī)的時(shí)間后重發(fā)信息幀。

純ALOHA協(xié)議的原理任何一個(gè)站都可以在幀生成后立即發(fā)送（可能沖突），并通過(guò)信號(hào)的反饋，檢測(cè)信道，以確定發(fā)送是否成功。如果發(fā)送失敗，則經(jīng)隨機(jī)延時(shí)后再發(fā)送1U2U3U信道t重發(fā)重發(fā)再重發(fā)重發(fā)碰撞碰撞成功成功成功純ALOHA3個(gè)概念：幀時(shí)t：發(fā)送一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的幀所需要的時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載G：在幀時(shí)t內(nèi)總共發(fā)送的平均幀數(shù)（包括發(fā)送成功的幀和因沖突未發(fā)送成功的幀）吞吐量S：負(fù)載*傳輸成功概率（在幀時(shí)t內(nèi)成功發(fā)送的平均幀數(shù)）沒(méi)有發(fā)生沖突的幀的比例是多少考慮一個(gè)無(wú)限用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)模型，平均每幀時(shí)產(chǎn)生S個(gè)新幀，合理的吞吐率要求0<S<1

（生成幀的時(shí)間<<幀時(shí)t）當(dāng)G＝0.5時(shí)，吞吐率最大，其值為≈0.18。

陰影幀的沖突危險(xiǎn)區(qū)

幀時(shí)t：發(fā)送一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的幀所需要的時(shí)間。S-ALOHA：分隙ALOHA協(xié)議的原理沖突：2個(gè)幀同時(shí)發(fā)送，忙：信道上有幀正在發(fā)送ALOHA：無(wú)法區(qū)別沖突，忙；都認(rèn)為是沖突S-ALOHA：解決“忙”，但無(wú)法解決沖突S-ALOHA：分隙ALOHA協(xié)議的原理1972年，Roberts發(fā)明了一種能把信道利用率提高一倍的信道分配策略，即時(shí)隙ALOHA協(xié)議。用時(shí)鐘來(lái)統(tǒng)一用戶(hù)的數(shù)據(jù)發(fā)送。辦法是將時(shí)間分為離散的時(shí)間片，用戶(hù)每次必須等到下一個(gè)時(shí)間片才能開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)連續(xù)的純ALOHA就變成離散的時(shí)隙ALOHA。由于沖突的危險(xiǎn)區(qū)平均減少為純ALOHA的一半，時(shí)隙ALOHA的信道利用率可以達(dá)到36.8%（1/e），是純ALOHA協(xié)議的兩倍。但對(duì)于時(shí)隙ALOHA，用戶(hù)數(shù)據(jù)的平均傳輸時(shí)間要高于純ALOHA系統(tǒng)。S-ALOHA：原理在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)只產(chǎn)生一個(gè)新幀，新幀不允許立即發(fā)送，將在下一個(gè)時(shí)隙的開(kāi)始處t0+t時(shí)發(fā)送，不發(fā)生沖突在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)以上新幀，在前一個(gè)時(shí)隙結(jié)束t0+t時(shí)發(fā)送，將發(fā)生沖突時(shí)間

t0

t0＋△t

t0＋t

t0＋2t

t0

t0＋αt

t0＋βt

t0＋t

t0＋2t沖突危險(xiǎn)區(qū)S-ALOHA：分槽/分隙分隙ALOHA的時(shí)間以時(shí)隙(TimeSlot)為單位時(shí)隙的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)一幀的傳輸時(shí)間，其起點(diǎn)由專(zhuān)門(mén)的信號(hào)來(lái)標(biāo)志新幀的產(chǎn)生是隨機(jī)的，但分隙ALOHA不允許隨機(jī)發(fā)送，凡幀的發(fā)送必須在時(shí)隙的起點(diǎn)，即沖突危險(xiǎn)區(qū)是原來(lái)的一半沖突主要發(fā)生在時(shí)隙的起點(diǎn)，一旦發(fā)送成功，則不會(huì)出現(xiàn)沖突。即生成新幀并等待發(fā)送的這一幀時(shí)內(nèi)，是沖突危險(xiǎn)區(qū)，為原來(lái)的一半ALOHA和S-ALOHA

2個(gè)概念純ALOHA中，一旦產(chǎn)生新幀，就立即發(fā)送，全然不顧是否有用戶(hù)正在發(fā)送，所以發(fā)生沖突的可能伴隨著發(fā)送的整個(gè)過(guò)程（吞吐率=0.18）分隙ALOHA中，規(guī)定發(fā)送行為必須在時(shí)隙的開(kāi)始，一旦在發(fā)送開(kāi)始時(shí)沒(méi)有沖突，則該幀將成功發(fā)送（吞吐率=0.37）ALOHA和S-ALOHA的比較練習(xí)題4.1吞吐率=負(fù)載*傳輸成功概率=0.18練習(xí)題4.31萬(wàn)個(gè)航空訂票站競(jìng)爭(zhēng)使用一條分槽ALOHA信道，每個(gè)站平均每小時(shí)發(fā)出18個(gè)請(qǐng)求，一個(gè)時(shí)槽為125us。信道的負(fù)載大約是多少？練習(xí)題4.8局域網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)方案的一個(gè)缺點(diǎn)是由于多個(gè)站點(diǎn)試圖同時(shí)訪問(wèn)信道而導(dǎo)致的帶寬浪費(fèi)。假設(shè)將時(shí)間分割成離散的時(shí)槽，每個(gè)時(shí)槽中有N個(gè)站點(diǎn)以概率p試圖發(fā)送幀。請(qǐng)問(wèn)由于多個(gè)站點(diǎn)試圖同時(shí)發(fā)送而造成的浪費(fèi)的時(shí)間比例是多少（出現(xiàn)沖突的概率）？沖突：2個(gè)幀同時(shí)發(fā)送，忙：信道上有幀正在發(fā)送ALOHA：無(wú)法區(qū)別沖突，忙；都認(rèn)為是沖突S-ALOHA：解決“忙”，但無(wú)法解決沖突4.4.2CSMACSMA-解決忙與沖突載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA〕也叫做先聽(tīng)先說(shuō)（LBT）在CSMA機(jī)制中，想要傳輸?shù)恼军c(diǎn)首先聽(tīng)一聽(tīng)媒體上是否有其他站點(diǎn)在傳輸（載波監(jiān)聽(tīng)〕。如果媒體忙，它必須等待。如果媒體空閑，則可傳輸。發(fā)送站點(diǎn)在發(fā)送完后要等待一段時(shí)間以等待確認(rèn)，如果沒(méi)有收到確認(rèn)，發(fā)送站點(diǎn)認(rèn)為發(fā)生了沖突，就重發(fā)該幀。

帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議CSMA/CD引入原因

當(dāng)兩個(gè)幀發(fā)生沖突時(shí)，兩個(gè)被損壞幀繼續(xù)傳送毫無(wú)意義，而且信道無(wú)法被其他站點(diǎn)使用，對(duì)于有限的信道來(lái)講，這是很大的浪費(fèi)。如果站點(diǎn)邊發(fā)送邊監(jiān)聽(tīng)，并在監(jiān)聽(tīng)到?jīng)_突之后立即停止發(fā)送，可以提高信道的利用率，因此產(chǎn)生了CSMA/CD原理站點(diǎn)使用CSMA協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；在發(fā)送期間如果檢測(cè)到?jīng)_突，立即終止發(fā)送，并發(fā)出一個(gè)瞬間干擾信號(hào)，使所有的站點(diǎn)都知道發(fā)生了沖突；在發(fā)出干擾信號(hào)后，等待一段隨機(jī)時(shí)間，在重復(fù)上述過(guò)程。4.4.3CSMA/CD以太網(wǎng)采用的媒體訪問(wèn)協(xié)議是載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)CSMA/CD載波監(jiān)聽(tīng)意味著站點(diǎn)能夠監(jiān)測(cè)到鏈路是忙還是空閑沖突檢測(cè)是指站點(diǎn)在傳輸幀的同時(shí)監(jiān)聽(tīng)鏈路，從而能夠監(jiān)測(cè)到站點(diǎn)所傳輸?shù)膸c別的站點(diǎn)傳輸?shù)膸g發(fā)生沖突的情形CSMA/CD的要點(diǎn)在一幀傳輸完成后的時(shí)刻t0，想要發(fā)送的站點(diǎn)都可以嘗試發(fā)送如兩個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送則發(fā)生沖突判斷出沖突后，立即停止發(fā)送，并延時(shí)一個(gè)隨機(jī)時(shí)隙數(shù)后，通常其中的一個(gè)站點(diǎn)將發(fā)送成功等待等10毫秒等15毫秒

當(dāng)某一個(gè)結(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先要偵聽(tīng)信道有無(wú)其它結(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)，若沒(méi)有，則立即搶占信道發(fā)送數(shù)據(jù)；如果信道正忙，則需要等待直至信道空閑再發(fā)

三種沖突處理方式：

1：1-堅(jiān)持

2：0-堅(jiān)持

3：P堅(jiān)持在CSMA機(jī)制中，需要一個(gè)算法來(lái)決定當(dāng)發(fā)現(xiàn)媒體忙時(shí)，站點(diǎn)該怎么辦。常用的有三種算法：非堅(jiān)持CSMA1-堅(jiān)持協(xié)議P-堅(jiān)持協(xié)議非堅(jiān)持CSMA。欲傳輸?shù)恼军c(diǎn)監(jiān)聽(tīng)媒體并遵循以下規(guī)則：若媒體空閑就傳輸；否則，轉(zhuǎn)到第2步。若媒體忙，等待一段隨機(jī)的重傳延遲時(shí)間，重復(fù)第1步。1-堅(jiān)持CSMA協(xié)議。欲傳輸?shù)恼军c(diǎn)監(jiān)聽(tīng)媒體并遵循以下規(guī)則：若媒體空閑就傳輸；否則，轉(zhuǎn)到第2步。若媒體忙則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，直到檢測(cè)到信道空閑然后立即傳輸。如果有沖突，則等待一段隨機(jī)的時(shí)間后重復(fù)第1步。CSMA/CD的規(guī)則：若媒體空閑，傳輸；否則，轉(zhuǎn)第2步。若媒體忙，一直監(jiān)聽(tīng)直到信道空閑然后立即傳輸。若在傳輸中監(jiān)聽(tīng)到?jīng)_突，發(fā)出一個(gè)短小的人為干擾(jamming)信號(hào)（32比特）讓所有的站點(diǎn)都知道發(fā)生了沖突并停止傳輸。發(fā)完人為干擾信號(hào)，等待一段隨機(jī)的時(shí)間，再次試圖傳輸（從第1步開(kāi)始重復(fù)）。CSMA/CD的沖突檢測(cè)的最壞情況4.4.4二進(jìn)制指數(shù)退避算法當(dāng)沖突發(fā)生后，時(shí)間被分成離散的時(shí)槽。時(shí)槽長(zhǎng)度等于在傳輸媒體上來(lái)回傳輸?shù)臅r(shí)間，時(shí)槽長(zhǎng)度為512比特時(shí)間即51.2us。第一次沖突產(chǎn)生后，每個(gè)站點(diǎn)等待0或1個(gè)時(shí)槽后嘗試重新發(fā)送。如果每個(gè)站點(diǎn)等待的時(shí)槽數(shù)相同，這樣它們將再次沖突。這一次，它們會(huì)從0、1、2、3中隨機(jī)挑選一個(gè)數(shù)作為等待的時(shí)槽數(shù)。如果又產(chǎn)生第三次沖突，它們將從0～-1中隨機(jī)挑選一個(gè)等待的時(shí)槽數(shù)。i次沖突后，等待的時(shí)槽數(shù)從0～中隨機(jī)選出。如果沖突的次數(shù)達(dá)到10次后，隨機(jī)等待的最大時(shí)槽數(shù)固定為1023。在16次沖突后，站點(diǎn)放棄傳輸，并報(bào)告一個(gè)錯(cuò)誤。采用二進(jìn)制指數(shù)退避的1－堅(jiān)持方式的好處在于它在不同的負(fù)載時(shí)信道利用率都比較合理。CSMA/CD的概念模型CSMA/CD最大沖突檢測(cè)時(shí)間圖沖突檢測(cè)示意圖

沖突檢測(cè)時(shí)間是指某一站從發(fā)送一幀開(kāi)始到發(fā)現(xiàn)有沖突發(fā)生的一段時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)的最大沖突檢測(cè)時(shí)間通常是網(wǎng)絡(luò)端到端傳播時(shí)延的兩倍。

CSMA/CD爭(zhēng)用時(shí)間片長(zhǎng)度的確定

CSMA/CD通常將爭(zhēng)用時(shí)間片的長(zhǎng)度設(shè)為最大沖突檢測(cè)時(shí)間CSMA/CD最短幀長(zhǎng)與爭(zhēng)用時(shí)間片的關(guān)系

CSMA/CD要求最短幀的發(fā)送時(shí)間不得少于一個(gè)爭(zhēng)用時(shí)間片無(wú)沖突檢測(cè)的CSMA信道的爭(zhēng)用勢(shì)必發(fā)生沖突，沖突將降低信道的利用率二進(jìn)制指數(shù)退避算法各站點(diǎn)嘗試爭(zhēng)用信道而連續(xù)遇到?jīng)_突時(shí)，隨機(jī)選擇一定范圍內(nèi)的某個(gè)退避等待時(shí)間片數(shù)第1次沖突：0～1（即21-1）；第2次沖突：0～3（即22-1）；

…

第10次沖突：0~1023（即210-1），此后固定選擇范圍；16次以后報(bào)告上層如有四個(gè)準(zhǔn)備發(fā)送的站的站號(hào)分別為0010（2#）、0100(4#)、1001(9#)和1010(10#)，當(dāng)爭(zhēng)用周期開(kāi)始后，分別將最高位送出，仲裁機(jī)構(gòu)作或運(yùn)算結(jié)果送回。2#和4#檢測(cè)到1，則知道有高序號(hào)的站點(diǎn)也希望發(fā)送，則退出競(jìng)爭(zhēng)，不再發(fā)送下一位，9#和10#繼續(xù)送出次高位，仍不分高下，在繼續(xù)，9#退出，最后10#得到幀的發(fā)送權(quán)如非堅(jiān)持算法那樣減少?zèng)_突而又象1－堅(jiān)持算法那樣減少空閑時(shí)間的一種折衷方案是P-堅(jiān)持協(xié)議。其規(guī)則如下：若媒體空閑，以概率P傳輸，以概率(1-P)延遲一個(gè)時(shí)間單位。該時(shí)間單位通常等于最大的傳播延遲的兩倍。若媒體忙，繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)直到信道空閑并重復(fù)第1步。若傳輸延遲了一個(gè)時(shí)間單位，則重復(fù)第1步。要避免的主要問(wèn)題是在重負(fù)荷下的不穩(wěn)定。在實(shí)際的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，還有一個(gè)幀間間隔IFG（InterFrameGap），其長(zhǎng)度為96比特時(shí)間，在站點(diǎn)真正傳輸幀之前，必須首先監(jiān)聽(tīng)到一個(gè)96比特時(shí)間的媒體空閑。幀間間隔的目的是允許最近傳輸?shù)恼军c(diǎn)能夠?qū)⑵涫瞻l(fā)器硬件從傳輸模式轉(zhuǎn)向接收模式。采用CSMA/CD技術(shù)后，被浪費(fèi)的帶寬減少為檢測(cè)沖突所花費(fèi)的時(shí)間。對(duì)于基帶系統(tǒng)，主機(jī)此時(shí)用于檢測(cè)一個(gè)沖突的時(shí)間為從信道的一端到另一端的傳播延遲（d）的兩倍。對(duì)于寬帶總線(xiàn)來(lái)講，最壞的情況發(fā)生在與頭端離得最遠(yuǎn)的兩個(gè)相鄰站點(diǎn)間，此時(shí)用于檢測(cè)沖突的時(shí)間等于從頭端到電纜尾部的傳播延遲的4倍。幀必須足夠長(zhǎng)以使沖突能在幀傳輸完畢前被檢測(cè)到4.4.5以太網(wǎng)幀格式以太網(wǎng)幀以64比特的前導(dǎo)開(kāi)始，其中前導(dǎo)字段的前面7個(gè)字節(jié)中每個(gè)字節(jié)是由一組1和0交替的比特串組成,第8個(gè)字節(jié)為10101011,最后2個(gè)11提醒接收者幀開(kāi)始.在前導(dǎo)字段之后是幀的目的地址和源地址DIX格式的幀中緊接著地址字段的是類(lèi)型字段，該字段起著多路復(fù)用的功能802.3LAN的以太網(wǎng)的幀格式稍有不同，緊接著地址字段的是長(zhǎng)度字段，給出了所攜帶的用戶(hù)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度在數(shù)據(jù)字段后面包括32比特的CRC檢驗(yàn)和，用于檢測(cè)幀傳輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。盡管以太網(wǎng)的這兩種幀格式略有不同，但是在實(shí)際環(huán)境中卻不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。以太網(wǎng)網(wǎng)卡可以接受兩種類(lèi)型的幀格式，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序可以根據(jù)該字段的取值范圍來(lái)確定該幀是哪種類(lèi)型的幀。在實(shí)際的環(huán)境中，大多數(shù)主機(jī)都采用DIX幀格式，而不是IEEE802.3幀格式。4.4.6IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中給出了多種以太網(wǎng)技術(shù)，這些以太網(wǎng)技術(shù)的物理層各不相同，但是都采用相同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議10Base510Base210BaseT10BROAD3610BASE－F10Base5最早的以太網(wǎng)技術(shù)是10Base5使用10毫米直徑的50的同軸電纜，其抗低頻噪音功能要比CATV中的75電纜好得多，因此通常稱(chēng)為粗纜。10BASE5的數(shù)據(jù)速率是10Mbps，其比特傳輸采用了曼徹斯特編碼。在10Base5中，一個(gè)網(wǎng)段最長(zhǎng)為500米10Base2細(xì)以太網(wǎng)使用50的同軸電纜，數(shù)據(jù)速率是10Mbps，使用曼徹斯特編碼，但是10Base2只有5毫米直徑。使用靈活，可靠性高。細(xì)纜價(jià)格低廉，而且安裝方便每個(gè)網(wǎng)段的使用范圍最長(zhǎng)只有200米（更加精確的說(shuō)是185米），并且每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)最多只能連接30個(gè)站點(diǎn)10BaseT目前最為廣泛使用的以太網(wǎng)技術(shù)10BaseT采用曼徹斯特編碼，其數(shù)據(jù)速率為10Mbps。由于非屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸質(zhì)量較差，每個(gè)網(wǎng)段的長(zhǎng)度限制在100米以?xún)?nèi)。10BROAD36是802.3LAN中唯一采用寬帶信號(hào)的規(guī)范。選用標(biāo)準(zhǔn)的75的CATV同軸電纜。從頭端出發(fā)的分段的最大長(zhǎng)度是1800米。所以最大的端對(duì)端的跨度是3600米。10BROAD36的數(shù)據(jù)速率為10Mbps，電纜通過(guò)差分相移鍵控（