數(shù)據(jù)通信與計算機網(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標準4.4.1ALOHA4.4.2CSMA4.4.3CSMA/CD4.4.4二進制指數(shù)退避算法4.4.5以太網(wǎng)幀格式4.4.6IEEE802.3標準4.4.1ALOHAALOHA協(xié)議是20世紀70年代夏威夷大學的NormanAbramson及其同事設(shè)計的用于基于地面的無線廣播通信上的系統(tǒng)。其基本思想適用于任何站點間沒有協(xié)調(diào)關(guān)系的多站點對于共享信道的使用環(huán)境中。純ALOHA基本思想：只要一個站點想要傳輸信息幀，它就把信息幀傳輸出去。然后它聽一段時間，如果在信息來回傳播的最大延遲時間（兩倍于相距最遠的兩個站點之間傳遞信息的時間）再加上一小段固定的時間內(nèi)收到了確認，傳輸成功；否則，發(fā)送站點等待一段隨機的時間后重發(fā)信息幀。

純ALOHA協(xié)議的原理任何一個站都可以在幀生成后立即發(fā)送（可能沖突），并通過信號的反饋，檢測信道，以確定發(fā)送是否成功。如果發(fā)送失敗，則經(jīng)隨機延時后再發(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個概念：幀時t：發(fā)送一個標準長度的幀所需要的時間。網(wǎng)絡(luò)負載G：在幀時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：負載*傳輸成功概率（在幀時t內(nèi)成功發(fā)送的平均幀數(shù)）沒有發(fā)生沖突的幀的比例是多少考慮一個無限用戶的網(wǎng)絡(luò)模型，平均每幀時產(chǎn)生S個新幀，合理的吞吐率要求0<S<1

（生成幀的時間<<幀時t）當G＝0.5時，吞吐率最大，其值為≈0.18。

陰影幀的沖突危險區(qū)

幀時t：發(fā)送一個標準長度的幀所需要的時間。S-ALOHA：分隙ALOHA協(xié)議的原理沖突：2個幀同時發(fā)送，忙：信道上有幀正在發(fā)送ALOHA：無法區(qū)別沖突，忙；都認為是沖突S-ALOHA：解決“忙”，但無法解決沖突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，即時隙ALOHA協(xié)議。用時鐘來統(tǒng)一用戶的數(shù)據(jù)發(fā)送。辦法是將時間分為離散的時間片，用戶每次必須等到下一個時間片才能開始發(fā)送數(shù)據(jù)連續(xù)的純ALOHA就變成離散的時隙ALOHA。由于沖突的危險區(qū)平均減少為純ALOHA的一半，時隙ALOHA的信道利用率可以達到36.8%（1/e），是純ALOHA協(xié)議的兩倍。但對于時隙ALOHA，用戶數(shù)據(jù)的平均傳輸時間要高于純ALOHA系統(tǒng)。S-ALOHA：原理在一個時隙內(nèi)只產(chǎn)生一個新幀，新幀不允許立即發(fā)送，將在下一個時隙的開始處t0+t時發(fā)送，不發(fā)生沖突在一個時隙內(nèi)產(chǎn)生一個以上新幀，在前一個時隙結(jié)束t0+t時發(fā)送，將發(fā)生沖突時間

t0

t0＋△t

t0＋t

t0＋2t

t0

t0＋αt

t0＋βt

t0＋t

t0＋2t沖突危險區(qū)S-ALOHA：分槽/分隙分隙ALOHA的時間以時隙(TimeSlot)為單位時隙的長度對應(yīng)一幀的傳輸時間，其起點由專門的信號來標志新幀的產(chǎn)生是隨機的，但分隙ALOHA不允許隨機發(fā)送，凡幀的發(fā)送必須在時隙的起點，即沖突危險區(qū)是原來的一半沖突主要發(fā)生在時隙的起點，一旦發(fā)送成功，則不會出現(xiàn)沖突。即生成新幀并等待發(fā)送的這一幀時內(nèi)，是沖突危險區(qū)，為原來的一半ALOHA和S-ALOHA

2個概念純ALOHA中，一旦產(chǎn)生新幀，就立即發(fā)送，全然不顧是否有用戶正在發(fā)送，所以發(fā)生沖突的可能伴隨著發(fā)送的整個過程（吞吐率=0.18）分隙ALOHA中，規(guī)定發(fā)送行為必須在時隙的開始，一旦在發(fā)送開始時沒有沖突，則該幀將成功發(fā)送（吞吐率=0.37）ALOHA和S-ALOHA的比較練習題4.1吞吐率=負載*傳輸成功概率=0.18練習題4.31萬個航空訂票站競爭使用一條分槽ALOHA信道，每個站平均每小時發(fā)出18個請求，一個時槽為125us。信道的負載大約是多少？練習題4.8局域網(wǎng)競爭方案的一個缺點是由于多個站點試圖同時訪問信道而導致的帶寬浪費。假設(shè)將時間分割成離散的時槽，每個時槽中有N個站點以概率p試圖發(fā)送幀。請問由于多個站點試圖同時發(fā)送而造成的浪費的時間比例是多少（出現(xiàn)沖突的概率）？沖突：2個幀同時發(fā)送，忙：信道上有幀正在發(fā)送ALOHA：無法區(qū)別沖突，忙；都認為是沖突S-ALOHA：解決“忙”，但無法解決沖突4.4.2CSMACSMA-解決忙與沖突載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA〕也叫做先聽先說（LBT）在CSMA機制中，想要傳輸?shù)恼军c首先聽一聽媒體上是否有其他站點在傳輸（載波監(jiān)聽〕。如果媒體忙，它必須等待。如果媒體空閑，則可傳輸。發(fā)送站點在發(fā)送完后要等待一段時間以等待確認，如果沒有收到確認，發(fā)送站點認為發(fā)生了沖突，就重發(fā)該幀。

帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議CSMA/CD引入原因

當兩個幀發(fā)生沖突時，兩個被損壞幀繼續(xù)傳送毫無意義，而且信道無法被其他站點使用，對于有限的信道來講，這是很大的浪費。如果站點邊發(fā)送邊監(jiān)聽，并在監(jiān)聽到?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原理站點使用CSMA協(xié)議進行數(shù)據(jù)發(fā)送；在發(fā)送期間如果檢測到?jīng)_突，立即終止發(fā)送，并發(fā)出一個瞬間干擾信號，使所有的站點都知道發(fā)生了沖突；在發(fā)出干擾信號后，等待一段隨機時間，在重復上述過程。4.4.3CSMA/CD以太網(wǎng)采用的媒體訪問協(xié)議是載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測CSMA/CD載波監(jiān)聽意味著站點能夠監(jiān)測到鏈路是忙還是空閑沖突檢測是指站點在傳輸幀的同時監(jiān)聽鏈路，從而能夠監(jiān)測到站點所傳輸?shù)膸c別的站點傳輸?shù)膸g發(fā)生沖突的情形CSMA/CD的要點在一幀傳輸完成后的時刻t0，想要發(fā)送的站點都可以嘗試發(fā)送如兩個或多個站點同時發(fā)送則發(fā)生沖突判斷出沖突后，立即停止發(fā)送，并延時一個隨機時隙數(shù)后，通常其中的一個站點將發(fā)送成功等待等10毫秒等15毫秒

當某一個結(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先要偵聽信道有無其它結(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)，若沒有，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-堅持

2：0-堅持

3：P堅持在CSMA機制中，需要一個算法來決定當發(fā)現(xiàn)媒體忙時，站點該怎么辦。常用的有三種算法：非堅持CSMA1-堅持協(xié)議P-堅持協(xié)議非堅持CSMA。欲傳輸?shù)恼军c監(jiān)聽媒體并遵循以下規(guī)則：若媒體空閑就傳輸；否則，轉(zhuǎn)到第2步。若媒體忙，等待一段隨機的重傳延遲時間，重復第1步。1-堅持CSMA協(xié)議。欲傳輸?shù)恼军c監(jiān)聽媒體并遵循以下規(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，直到檢測到信道空閑然后立即傳輸。如果有沖突，則等待一段隨機的時間后重復第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)聽直到信道空閑然后立即傳輸。若在傳輸中監(jiān)聽到?jīng)_突，發(fā)出一個短小的人為干擾(jamming)信號（32比特）讓所有的站點都知道發(fā)生了沖突并停止傳輸。發(fā)完人為干擾信號，等待一段隨機的時間，再次試圖傳輸（從第1步開始重復）。CSMA/CD的沖突檢測的最壞情況4.4.4二進制指數(shù)退避算法當沖突發(fā)生后，時間被分成離散的時槽。時槽長度等于在傳輸媒體上來回傳輸?shù)臅r間，時槽長度為512比特時間即51.2us。第一次沖突產(chǎn)生后，每個站點等待0或1個時槽后嘗試重新發(fā)送。如果每個站點等待的時槽數(shù)相同，這樣它們將再次沖突。這一次，它們會從0、1、2、3中隨機挑選一個數(shù)作為等待的時槽數(shù)。如果又產(chǎn)生第三次沖突，它們將從0～-1中隨機挑選一個等待的時槽數(shù)。i次沖突后，等待的時槽數(shù)從0～中隨機選出。如果沖突的次數(shù)達到10次后，隨機等待的最大時槽數(shù)固定為1023。在16次沖突后，站點放棄傳輸，并報告一個錯誤。采用二進制指數(shù)退避的1－堅持方式的好處在于它在不同的負載時信道利用率都比較合理。CSMA/CD的概念模型CSMA/CD最大沖突檢測時間圖沖突檢測示意圖

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

CSMA/CD爭用時間片長度的確定

CSMA/CD通常將爭用時間片的長度設(shè)為最大沖突檢測時間CSMA/CD最短幀長與爭用時間片的關(guān)系

CSMA/CD要求最短幀的發(fā)送時間不得少于一個爭用時間片無沖突檢測的CSMA信道的爭用勢必發(fā)生沖突，沖突將降低信道的利用率二進制指數(shù)退避算法各站點嘗試爭用信道而連續(xù)遇到?jīng)_突時，隨機選擇一定范圍內(nèi)的某個退避等待時間片數(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次以后報告上層如有四個準備發(fā)送的站的站號分別為0010（2#）、0100(4#)、1001(9#)和1010(10#)，當爭用周期開始后，分別將最高位送出，仲裁機構(gòu)作或運算結(jié)果送回。2#和4#檢測到1，則知道有高序號的站點也希望發(fā)送，則退出競爭，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)如非堅持算法那樣減少沖突而又象1－堅持算法那樣減少空閑時間的一種折衷方案是P-堅持協(xié)議。其規(guī)則如下：若媒體空閑，以概率P傳輸，以概率(1-P)延遲一個時間單位。該時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)聽直到信道空閑并重復第1步。若傳輸延遲了一個時間單位，則重復第1步。要避免的主要問題是在重負荷下的不穩(wěn)定。在實際的以太網(wǎng)標準中，還有一個幀間間隔IFG（InterFrameGap），其長度為96比特時間，在站點真正傳輸幀之前，必須首先監(jiān)聽到一個96比特時間的媒體空閑。幀間間隔的目的是允許最近傳輸?shù)恼军c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，被浪費的帶寬減少為檢測沖突所花費的時間。對于基帶系統(tǒng)，主機此時用于檢測一個沖突的時間為從信道的一端到另一端的傳播延遲（d）的兩倍。對于寬帶總線來講，最壞的情況發(fā)生在與頭端離得最遠的兩個相鄰站點間，此時用于檢測沖突的時間等于從頭端到電纜尾部的傳播延遲的4倍。幀必須足夠長以使沖突能在幀傳輸完畢前被檢測到4.4.5以太網(wǎng)幀格式以太網(wǎng)幀以64比特的前導開始，其中前導字段的前面7個字節(jié)中每個字節(jié)是由一組1和0交替的比特串組成,第8個字節(jié)為10101011,最后2個11提醒接收者幀開始.在前導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型字段，該字段起著多路復用的功能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度字段，給出了所攜帶的用戶數(shù)據(jù)的長度在數(shù)據(jù)字段后面包括32比特的CRC檢驗和，用于檢測幀傳輸過程中可能出現(xiàn)的錯誤。盡管以太網(wǎng)的這兩種幀格式略有不同，但是在實際環(huán)境中卻不會出現(xiàn)問題。以太網(wǎng)網(wǎng)卡可以接受兩種類型的幀格式，網(wǎng)卡驅(qū)動程序可以根據(jù)該字段的取值范圍來確定該幀是哪種類型的幀。在實際的環(huán)境中，大多數(shù)主機都采用DIX幀格式，而不是IEEE802.3幀格式。4.4.6IEEE802.3標準IEEE802.3標準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，一個網(wǎng)段最長為500米10Base2細以太網(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。細纜價格低廉，而且安裝方便每個網(wǎng)段的使用范圍最長只有200米（更加精確的說是185米），并且每個網(wǎng)段內(nèi)最多只能連接30個站點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。由于非屏蔽雙絞線傳輸質(zhì)量較差，每個網(wǎng)段的長度限制在100米以內(nèi)。10BROAD36是802.3LAN中唯一采用寬帶信號的規(guī)范。選用標準的75的CATV同軸電纜。從頭端出發(fā)的分段的最大長度是1800米。所以最大的端對端的跨度是3600米。10BROAD36的數(shù)據(jù)速率為10Mbps，電纜通過差分相移鍵控（