广播信道及CSMA/CD协议

广播信道

广播信道可以进行一对多的通信。下面讨论使用广播信道的局域网，局域网技术在计算机网络中占有非常重要的地位。

一、局域网的数据链路层

局域网的特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

局域网的优点：

具有广播功能，从一个站点可以很方便地访问全网，共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
便于系统的扩展和逐渐演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

局域网按网络拓扑的分类：
星形网、环形网、总线网。。。。。。如图：

局域网可以使用多种传输媒体，双绞线为主流传输媒体；当数据率很高时，需要使用光纤。
共享信道，为使众多用户能合理方便的共享通信媒体资源，在技术上有两种方法：

静态划分信道，用户只要分配到信道就不会和其他用户发生冲突。但代价较高，不适于局域网使用。
动态媒体接入控制（多点接入），信道并非在用户通信时固定分配给用户。这里又分两类：
–随机接入，所有的用户可随机地发送消息。若恰有两个或以上的用户同时发送则产生碰撞（冲突），因此，必须有解决碰撞的网络协议。
–受控接入，用户不能随机地发送消息而必须服从一定的控制。典型代表有：分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询（轮询）。

1、以太网的两个标准

1982年，DIX Ethernet V2，成为世界上第一个局域网产品的规约。
1983年，IEEE 802.3[W-IEEE802.3]，第一个IEEE的以太网标准。

严格来说，“以太网”应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网。
2、适配器的作用
计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器（网络接口卡NIC简称网卡） 进行的。适配器上装有处理器和存储器（包括RAM和ROM）。
功能：

要进行数据串行传输和并行传输的转换。
要能够实现以太网协议。
不使用计算机CPU的接收和发送各种帧，若有差错，直接丢弃；正确，则使用中断来通知计算机，并交付协议栈中的网络层。

二、CSMA/CD协议

总线的特点：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据，这种就是广播通信方式。
为通信的简便，以太网采取一些两种措施：

1.无连接，不必先建立连接就可以直接发送数据，适配器对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。当目的站收到差错帧，就把帧丢弃，其他什么也不做。 对有差错帧是否需要重传则由高层来决定，若需重传，以太网也只当是新的数据帧来发送。对于冲突，以太网使用的协议是CSMA/CD，意思是载波监听多点接入/碰撞检测。
2.使用曼彻斯特编码的信号，优点：利用电压的转换方便的提取同步信号；缺点：每秒传送的码元数加倍了。

CSMA/CD的要点！！

“多点接入” 总线型网络，许多计算机以该方式连接在一根总线上。协议的实质是“载波监听”和“碰撞检测”。
“载波监听”，就是 检测信道，不管在发送前，还是发送中，每个站都必须不停地检测信道。
“碰撞检测”/“冲突检测” 在发送中检测信道称为碰撞检测，也就是 “边发送边监听”

在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收（但必须边发送边监听信道）。因此该以太网不可能进行全双工通信，而只能进行双向交替通信（半双工通信）。

争用期（碰撞窗口）如上图，最先发送数据帧的A站，在发送数据帧后至多经过时间2τ就可知道该数据帧是否遭受碰撞，因此，以太网的端到端往返时间2τ称为争用期。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发送碰撞。
以太网使用 截断二进制数退避 算法来确定碰撞重传的时机。
具体的退避算法如下：

发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据
协议规定了基本退避时间为争用期2τ=51.2us=512比特时间（对于10Mbit/s以太网）。
从离散的整数集合[0,1,…, (2^k-1)]中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的争用期。参数k=Min[重传次数，10]
当重传16次仍不能成功，则丢弃该帧，并向高层报告。

若连续多次发生冲突，该算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大 （动态退避），因而减小发生碰撞的概率有利于整个系统的稳定。

强化碰撞，当发送数据的站一旦发现碰撞，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送32/48bit的 人为干扰信号 以便让所有用户都知道现在发送了碰撞

以太网还规定了帧间最小间隔为9.6us，相当于96比特时间，为了使刚刚收到的数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

三、使用集线器的星形拓扑

1990年IEEE制定出星形以太网10BASE-T的标准802.3i。“10”代表10Mbit/s的数据率，“BASE”表示连接线上的信号是基带信号，“T”代表双绞线。
10BASE-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑。
集线器的特点：

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议（各站中的适配器执行CSMA/CD协议）
一个集线器有许多接口。像一个多接口的转发器。
集线器工作在物理层，它的每个接口仅简单地转发比特，不进行碰撞检测。
集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。每个比特在转发之前还要进行再生整形并重新定时。

集线器本身必须非常可靠。现在的堆叠式集线器由4~8个集线器堆叠起来使用，集线器一般都需要有少量的容错能力和网络管理功能。

IEEE 802.3标准还可以使用光纤作为传输媒体，相应的标准是10BASE-F系列，F代表光纤。它主要用作集线器之间的远程连接。

四、以太网的信道利用率

在以太网中定义了参数a，它是以太网单程端到端时延τ与帧的发送时间T0之比：a=τ/T0。要使信道利用率高则a值应当尽可能小些。当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，同时以太网的帧长度不能太短。
理想化的情况下，我们可以计算出极限信道利用率Smax=T0/（T0+τ）=1/（1+a），，，只有当参数a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率。

五、以太网的MAC层

一、MAC层的硬件地址
在局域网中，硬件地址又称物理地址或MAC地址。在标识系统中，地址就是识别某个系统的一个非常重要的标识符。
有定义这样说：“名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处。”

IEEE的注册管理机构RA 是局域网全球地址的法定管理机构。由它分配地址字段的前三个字节，由这三个字节构成的号叫组织唯一标识符OUI，也叫公司标识符。后三个字节由厂家自行指派，称为扩展标识符（不可重复）
用该方式得到的48位地址称为EUI-48。EUI表示扩展的唯一标识符。。。可见MAC地址实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48

IEEE规定地址字段的第一个字节的最低位为I/G位（Individual/Group）。最低第二位为G/L位（Global/Local）

当I/G位为0时，地址字段表示一个单个站地址；
当I/G位为1时，表示组地址，用来进行多播；
当G/L位为0时，是全球管理，厂商向IEEE购买的OUI都属于全球管理；
当G/L位为1时，是本地管理，用户可任意分配网络上的地址，采用2字节地址字段时全都是本地管理。

一个地址块可分别生成2²³个单个站地址和2²³个组地址。以太网几乎不理会G/L位。
当路由器通过适配器连接到局域网时，适配器上的硬件地址就用来标志路由器的某个接口。路由器若同时连接到两个网络上，则它就需要两个适配器和两个硬件地址。
适配器有过滤功能。每收到一个MAC帧就先用硬件检查MAC帧中的目的地址，正确收下，差错丢弃。
发往本站的帧包括以下三种帧：

单播帧（一对一），收到的帧的MAC地址与本站的相同。
广播帧（一对全体），发送给本网上所有站点的帧（全1地址）。
多播帧（一对多），发送给本网上一部分站点的帧。

以太网适配器还可设置为一种特殊的工作方式，混杂方式，“窃听”其他站点的通信而并不中断其他站点的通信。嗅探器（使用了设置为混杂方式的网络适配器）可帮助学习网络的人员更好地理解各种网络协议的工作原理。
二、MAC帧的格式
MAC帧格式图片

两个标准：IEEE 802.3标准规定的MAC帧的格式与以太网V2 MAC帧格式的区别：

IEEE 802.3规定的MAC帧的第三个字段是“长度/类型”。>0x0600时，表示“类型”；<0x0600时，表示“长度”。若字段的长度与长度字段的值不等，则该帧为无效的MAC帧。
当“长度/类型”字段值小于0x0600时，数据字段必须装入上面的逻辑链路控制LLC子层的LLC帧。