3.3 使用广播信道的数据链路层 + CSMA/CD协议

3.3 使用广播信道的数据链路层 + CSMA/CD协议

（计算机网络，P82）

零散知识点：

局域网拓扑连接形式有：星型网、环型网、总线网；

通常信道采用随机接入的形式（可能会发生碰撞）；

集线器工作在物理层；

计算机通过适配器（adapter）或网络接口卡与局域网连接；

适配器收到正确帧后，使用中断通知计算机，并将其交付给网络层；

主要内容如下：

• CSMA/CD协议
• 使用集线器的星形拓扑
• 以太网的MAC层、MAC帧
• 扩展以太网与交换机
• 高速以太网
• PPPoE

CSMA/CD协议 —— 交替半双工通信

以太网采取无连接、不可靠交付的形式，利用曼彻斯特编码传输数据；

CSMA/CD：载波监听多点接入/碰撞检测；

• 载波监听：不停的检测信道
• 碰撞检测：边发边监听

电磁波在1km电缆上传播时延约为5us；

单程端到端传播时延记为$\tau$， 所以最多在$2\tau$内就能确定是否发生碰撞；

发送流程：（以下针对10Mbit/s以太网）

1. 发送（最短64B，512bit，51.2us）
2. 碰撞窗口期/争用期（512比特时间），用来检测到碰撞；
3. 强化碰撞（发送32bit或48bit人为干扰数据,以便所有用户都知道发生了碰撞）
4. 截断二进制指数退避（所以以太网每发送完一帧，都要把数据暂存一下）；
5. 循环1、2、3直到重发16次失败，丢弃帧报告；或者发送成功；
6. 若成功，帧最小间隔（等待96比特时间）才可继续发送；

经过争用期，没有发生碰撞，才能肯定此次发送不会发生碰撞；凡数据帧长度小于64B的帧，都是由于冲突而异常终止的无效帧。

截断二进制指数退避：(下面的 t 指代 $\tau$ )

k = min{ 碰撞次数, 10 };
推迟发送时间 = rand[1, (2^k - 1)] * 2 * t

使用集线器的星形拓扑 —— 逻辑上仍是一个总线网，仍用 CSMA/CD 协议

• 集线器 → 物理层；
• 网络适配器 → 物理层 + 数据链路层；
• 交换机 → 数据链路层；

以太网的信道利用率：（P92）

$$a=\frac{\tau }{T_0}$$
$T_0$ 是发送数据成功占用的时间；$\tau$ 是单程端到端的传播时延；

极限的信道利用率：

$$S_{max}=\frac{T_0}{T_0+\tau }=\frac{1}{1+a}$$
所以，只有参数a远小于1时，才能尽可能提高极限信道利用率（实际情况下，利用率到30%，网络就已经处于重载了）。

以太网的MAC层、MAC帧

mac地址为48位二进制数；

局域网中的“地址”应该是每个硬件的“名字”或者标识符；

MAC地址 = 3B + 3B 
        = OUI（公司标识符） + 扩展标识符 
        = EUI （扩展唯一标识符）

MAC地址     第一字节最低位  I/G位   1（组播/广播）、0（单个地址）
            第一字节次第位  G/L位   1（本地地址）、0（全球唯一地址）

发往本地的帧包含三种帧： 单播、广播、组播；

嗅探器（Sniffer）工作在混杂方式；

MAC帧格式：（802.3标准MAC帧）

前同步码    目的地址    源地址  类型        数据      FCS
7 + 1       6           6       2       46~1500     4

前同步码：7B 的 10101010…… + 1B 的 10101011；（SONET/SDH无需前同步码）

类型： 0x0800 → IP数据报； 0x8137 → 表示帧由IPX发送过来；

无需结束码，结束时不发0也不发1，没有电平跳转，即结束（曼彻斯特码好处）；

802.3规定的无效帧：

• 帧长度不是整数字节；
• FCS查出有差错（通常误码率为$10^{-8}$，出错但MAC层未检测到概率为$10^{-14}$）;
• 客户数据字段长度不在46~1500B之间；

扩展的以太网

用集线器连接多个局域网：

• 共享碰撞域，会使主机平局吞吐量变小；
• 若局域网采用不同技术以太网（10Mbit/s与100Mbit/s），则会以速率小的为标准；

以太网交换机特点：独占传输媒体，无碰撞的传输数据；

大部分以太网交换机对收到的帧采用存储转发的方式进行转发，也有采用直通的交换方式；

自动学习：通过查看每个接口发来的帧地址，确定地址与接口的对应关系；

过滤：C、D因为地址不对，丢弃帧；只有B才手下目的地址正确的帧；

STP（生成树协议）：消除消息兜圈子的现象（防止从A转发出的消息，再被转发回A，无限兜圈循环）；

虚拟局域网VLAN（交换机实现）：VLAN限制了接受广播信息的计算机数量，使得局域网不会因广播信息过多，造成性能恶化（广播风暴）；

虚拟局域网的以太帧需要在源地址与类型之间加入 4B 的VLAN标记；

……  源地址  VLAN标记    类型    ……
        6       4       2

VLAN标记：

2B  +   3bit    +   1bit    +   12bit
0x81   用户优先级    CFI          VID

• 2字节的固定内容（方便数据链路层检查，是否有VLAN标记）；
• CFI（规范格式指示符）；
• VID（VLAN标识符，唯一标识了以太网帧属于哪一个VLAN）；

高速以太网

• 100BASE-T：
  • 全双工下无冲突；
  • 半双工下使用 CSMA/CD 协议；
  • 以太网标准帧；
  • 不支持同轴电缆；
• GE(吉比特以太网)：
  • 全双工下不适用 CSMA/CD 协议；
  • 半双工使用 CSMA/CD 协议；
  • 载波延伸：争用期增大到 512B（512*8比特时间）；
  • 最短帧仍为 64B ，不足 512B 的补足到 512B；
  • 增加分组突发方式：第一个短针不全到512B，后续短帧留有最小间隔时间，连续发送，直至达到1500字节或更多一些；
• 10GE及更快的以太网
  • 只工作在全双工模式
  • 帧格式与之前以太网帧格式完全相同；

PPPoE —— 在以太网上运行PPP （P108）

把PPP帧再封装到以太网中传输，现在光纤接入都要使用PPPoE；

最后

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