数据通信与计算机网络：第8讲 以太网

第四章局域网技术笫8讲以太网本讲内容第四章局域网4.4CSMA/CD和IEEE802.3标准4.4.1ALOHA4.4.2CSMA4.4.3CSMA/CD4.4.4二进制指数退避算法4.4.5以太网帧格式4.4.6IEEE802.3标准4.4.1ALOHAALOHA协议是20世纪70年代夏威夷大学的NormanAbramson及其同事设计的用于基于地面的无线广播通信上的系统。其基本思想适用于任何站点间没有协调关系的多站点对于共享信道的使用环境中。纯ALOHA基本思想：只要一个站点想要传输信息帧，它就把信息帧传输出去。然后它听一段时间，如果在信息来回传播的最大延迟时间（两倍于相距最远的两个站点之间传递信息的时间）再加上一小段固定的时间内收到了确认，传输成功；否则，发送站点等待一段随机的时间后重发信息帧。

纯ALOHA协议的原理任何一个站都可以在帧生成后立即发送（可能冲突），并通过信号的反馈，检测信道，以确定发送是否成功。如果发送失败，则经随机延时后再发送1U2U3U信道t重发重发再重发重发碰撞碰撞成功成功成功纯ALOHA3个概念：帧时t：发送一个标准长度的帧所需要的时间。网络负载G：在帧时t内总共发送的平均帧数（包括发送成功的帧和因冲突未发送成功的帧）吞吐量S：负载*传输成功概率（在帧时t内成功发送的平均帧数）没有发生冲突的帧的比例是多少考虑一个无限用户的网络模型，平均每帧时产生S个新帧，合理的吞吐率要求0<S<1

（生成帧的时间<<帧时t）当G＝0.5时，吞吐率最大，其值为≈0.18。

阴影帧的冲突危险区

帧时t：发送一个标准长度的帧所需要的时间。S-ALOHA：分隙ALOHA协议的原理冲突：2个帧同时发送，忙：信道上有帧正在发送ALOHA：无法区别冲突，忙；都认为是冲突S-ALOHA：解决“忙”，但无法解决冲突S-ALOHA：分隙ALOHA协议的原理1972年，Roberts发明了一种能把信道利用率提高一倍的信道分配策略，即时隙ALOHA协议。用时钟来统一用户的数据发送。办法是将时间分为离散的时间片，用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数据连续的纯ALOHA就变成离散的时隙ALOHA。由于冲突的危险区平均减少为纯ALOHA的一半，时隙ALOHA的信道利用率可以达到36.8%（1/e），是纯ALOHA协议的两倍。但对于时隙ALOHA，用户数据的平均传输时间要高于纯ALOHA系统。S-ALOHA：原理在一个时隙内只产生一个新帧，新帧不允许立即发送，将在下一个时隙的开始处t0+t时发送，不发生冲突在一个时隙内产生一个以上新帧，在前一个时隙结束t0+t时发送，将发生冲突时间

t0

t0＋△t

t0＋t

t0＋2t

t0

t0＋αt

t0＋βt

t0＋t

t0＋2t冲突危险区S-ALOHA：分槽/分隙分隙ALOHA的时间以时隙(TimeSlot)为单位时隙的长度对应一帧的传输时间，其起点由专门的信号来标志新帧的产生是随机的，但分隙ALOHA不允许随机发送，凡帧的发送必须在时隙的起点，即冲突危险区是原来的一半冲突主要发生在时隙的起点，一旦发送成功，则不会出现冲突。即生成新帧并等待发送的这一帧时内，是冲突危险区，为原来的一半ALOHA和S-ALOHA

2个概念纯ALOHA中，一旦产生新帧，就立即发送，全然不顾是否有用户正在发送，所以发生冲突的可能伴随着发送的整个过程（吞吐率=0.18）分隙ALOHA中，规定发送行为必须在时隙的开始，一旦在发送开始时没有冲突，则该帧将成功发送（吞吐率=0.37）ALOHA和S-ALOHA的比较练习题4.1吞吐率=负载*传输成功概率=0.18练习题4.31万个航空订票站竞争使用一条分槽ALOHA信道，每个站平均每小时发出18个请求，一个时槽为125us。信道的负载大约是多少？练习题4.8局域网竞争方案的一个缺点是由于多个站点试图同时访问信道而导致的带宽浪费。假设将时间分割成离散的时槽，每个时槽中有N个站点以概率p试图发送帧。请问由于多个站点试图同时发送而造成的浪费的时间比例是多少（出现冲突的概率）？冲突：2个帧同时发送，忙：信道上有帧正在发送ALOHA：无法区别冲突，忙；都认为是冲突S-ALOHA：解决“忙”，但无法解决冲突4.4.2CSMACSMA-解决忙与冲突载波监听多路访问（CSMA〕也叫做先听先说（LBT）在CSMA机制中，想要传输的站点首先听一听媒体上是否有其他站点在传输（载波监听〕。如果媒体忙，它必须等待。如果媒体空闲，则可传输。发送站点在发送完后要等待一段时间以等待确认，如果没有收到确认，发送站点认为发生了冲突，就重发该帧。

带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD引入原因

当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因此产生了CSMA/CD原理站点使用CSMA协议进行数据发送；在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突；在发出干扰信号后，等待一段随机时间，在重复上述过程。4.4.3CSMA/CD以太网采用的媒体访问协议是载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD载波监听意味着站点能够监测到链路是忙还是空闲冲突检测是指站点在传输帧的同时监听链路，从而能够监测到站点所传输的帧与别的站点传输的帧之间发生冲突的情形CSMA/CD的要点在一帧传输完成后的时刻t0，想要发送的站点都可以尝试发送如两个或多个站点同时发送则发生冲突判断出冲突后，立即停止发送，并延时一个随机时隙数后，通常其中的一个站点将发送成功等待等10毫秒等15毫秒

当某一个结点要发送数据时，它首先要侦听信道有无其它结点正在发送数据，若没有，则立即抢占信道发送数据；如果信道正忙，则需要等待直至信道空闲再发

三种冲突处理方式：

1：1-坚持

2：0-坚持

3：P坚持在CSMA机制中，需要一个算法来决定当发现媒体忙时，站点该怎么办。常用的有三种算法：非坚持CSMA1-坚持协议P-坚持协议非坚持CSMA。欲传输的站点监听媒体并遵循以下规则：若媒体空闲就传输；否则，转到第2步。若媒体忙，等待一段随机的重传延迟时间，重复第1步。1-坚持CSMA协议。欲传输的站点监听媒体并遵循以下规则：若媒体空闲就传输；否则，转到第2步。若媒体忙则继续监听，直到检测到信道空闲然后立即传输。如果有冲突，则等待一段随机的时间后重复第1步。CSMA/CD的规则：若媒体空闲，传输；否则，转第2步。若媒体忙，一直监听直到信道空闲然后立即传输。若在传输中监听到冲突，发出一个短小的人为干扰(jamming)信号（32比特）让所有的站点都知道发生了冲突并停止传输。发完人为干扰信号，等待一段随机的时间，再次试图传输（从第1步开始重复）。CSMA/CD的冲突检测的最坏情况4.4.4二进制指数退避算法当冲突发生后，时间被分成离散的时槽。时槽长度等于在传输媒体上来回传输的时间，时槽长度为512比特时间即51.2us。第一次冲突产生后，每个站点等待0或1个时槽后尝试重新发送。如果每个站点等待的时槽数相同，这样它们将再次冲突。这一次，它们会从0、1、2、3中随机挑选一个数作为等待的时槽数。如果又产生第三次冲突，它们将从0～-1中随机挑选一个等待的时槽数。i次冲突后，等待的时槽数从0～中随机选出。如果冲突的次数达到10次后，随机等待的最大时槽数固定为1023。在16次冲突后，站点放弃传输，并报告一个错误。采用二进制指数退避的1－坚持方式的好处在于它在不同的负载时信道利用率都比较合理。CSMA/CD的概念模型CSMA/CD最大冲突检测时间图冲突检测示意图

冲突检测时间是指某一站从发送一帧开始到发现有冲突发生的一段时间。网络的最大冲突检测时间通常是网络端到端传播时延的两倍。

CSMA/CD争用时间片长度的确定

CSMA/CD通常将争用时间片的长度设为最大冲突检测时间CSMA/CD最短帧长与争用时间片的关系

CSMA/CD要求最短帧的发送时间不得少于一个争用时间片无冲突检测的CSMA信道的争用势必发生冲突，冲突将降低信道的利用率二进制指数退避算法各站点尝试争用信道而连续遇到冲突时，随机选择一定范围内的某个退避等待时间片数第1次冲突：0～1（即21-1）；第2次冲突：0～3（即22-1）；

…

第10次冲突：0~1023（即210-1），此后固定选择范围；16次以后报告上层如有四个准备发送的站的站号分别为0010（2#）、0100(4#)、1001(9#)和1010(10#)，当争用周期开始后，分别将最高位送出，仲裁机构作或运算结果送回。2#和4#检测到1，则知道有高序号的站点也希望发送，则退出竞争，不再发送下一位，9#和10#继续送出次高位，仍不分高下，在继续，9#退出，最后10#得到帧的发送权如非坚持算法那样减少冲突而又象1－坚持算法那样减少空闲时间的一种折衷方案是P-坚持协议。其规则如下：若媒体空闲，以概率P传输，以概率(1-P)延迟一个时间单位。该时间单位通常等于最大的传播延迟的两倍。若媒体忙，继续监听直到信道空闲并重复第1步。若传输延迟了一个时间单位，则重复第1步。要避免的主要问题是在重负荷下的不稳定。在实际的以太网标准中，还有一个帧间间隔IFG（InterFrameGap），其长度为96比特时间，在站点真正传输帧之前，必须首先监听到一个96比特时间的媒体空闲。帧间间隔的目的是允许最近传输的站点能够将其收发器硬件从传输模式转向接收模式。采用CSMA/CD技术后，被浪费的带宽减少为检测冲突所花费的时间。对于基带系统，主机此时用于检测一个冲突的时间为从信道的一端到另一端的传播延迟（d）的两倍。对于宽带总线来讲，最坏的情况发生在与头端离得最远的两个相邻站点间，此时用于检测冲突的时间等于从头端到电缆尾部的传播延迟的4倍。帧必须足够长以使冲突能在帧传输完毕前被检测到4.4.5以太网帧格式以太网帧以64比特的前导开始，其中前导字段的前面7个字节中每个字节是由一组1和0交替的比特串组成,第8个字节为10101011,最后2个11提醒接收者帧开始.在前导字段之后是帧的目的地址和源地址DIX格式的帧中紧接着地址字段的是类型字段，该字段起着多路复用的功能802.3LAN的以太网的帧格式稍有不同，紧接着地址字段的是长度字段，给出了所携带的用户数据的长度在数据字段后面包括32比特的CRC检验和，用于检测帧传输过程中可能出现的错误。尽管以太网的这两种帧格式略有不同，但是在实际环境中却不会出现问题。以太网网卡可以接受两种类型的帧格式，网卡驱动程序可以根据该字段的取值范围来确定该帧是哪种类型的帧。在实际的环境中，大多数主机都采用DIX帧格式，而不是IEEE802.3帧格式。4.4.6IEEE802.3标准IEEE802.3标准中给出了多种以太网技术，这些以太网技术的物理层各不相同，但是都采用相同的数据链路层协议10Base510Base210BaseT10BROAD3610BASE－F10Base5最早的以太网技术是10Base5使用10毫米直径的50的同轴电缆，其抗低频噪音功能要比CATV中的75电缆好得多，因此通常称为粗缆。10BASE5的数据速率是10Mbps，其比特传输采用了曼彻斯特编码。在10Base5中，一个网段最长为500米10Base2细以太网使用50的同轴电缆，数据速率是10Mbps，使用曼彻斯特编码，但是10Base2只有5毫米直径。使用灵活，可靠性高。细缆价格低廉，而且安装方便每个网段的使用范围最长只有200米（更加精确的说是185米），并且每个网段内最多只能连接30个站点10BaseT目前最为广泛使用的以太网技术10BaseT采用曼彻斯特编码，其数据速率为10Mbps。由于非屏蔽双绞线传输质量较差，每个网段的长度限制在100米以内。10BROAD36是802.3LAN中唯一采用宽带信号的规范。选用标准的75的CATV同轴电缆。从头端出发的分段的最大长度是1800米。所以最大的端对端的跨度是3600米。10BROAD36的数据速率为10Mbps，电缆通过差分相移键控（