CSMA/CD 协议

（1）总线型一对一通信：最早的以太网是总线型的，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，属于广播通信。为了在总线上实现一对一的通信,可以使每一台计算机的适配器拥有一个与其他适配器都不同的地址。在发送数据帧时,在帧的首部写明接收站的地址，仅当数据帧中的目的地址与适配器 ROM 中存放的硬件地址一致时,该适配器才能接收这个数据帧。适配器对不是发送给自己的数据帧就丢弃。

（2）以太网通信措施：

• 第一,采用较为灵活的无连接的工作方式：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。因此,以太网提供的服务是尽最大努力的交付,即不可靠的交付。当目的站收到有差错的数据帧时,就把帧丢弃。对有差错帧是否需要重传则由高层（TCP 协议，若 TCP 发现丢失了数据，就把这些数据重新传递给以太网进行重传，但以太网并不知道这是重传帧）来决定。在同一时间只能允许一台计算机发送数据,否则各计算机之间就会互相干扰,使得所发送数据被破坏。以太网采用最简单的随机接入,并使用 CSMA/CD（载波监听多点接入/碰撞检测，Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议以减少冲突发生的概率。
• 第二,以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码，每一个码元的正中间出现一次电压的转换,而接收端就利用这种电压的转换很方便地把位同步信号提取出来。曼彻斯特编码的缺点是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍(因为每秒传送的码元数加倍了)。

（3）CSMA/CD 载波监听多点接入/碰撞检测协议：

• “多点接入”就是说明这是总线型网络,许多计算机以多点接入的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”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机也在发送，就是检测信道,不管在发送前,还是在发送中,每个主机都必须不停地检测信道。在发送前检测信道,是为了获得发送权。在发送中检测信道,是为了及时发现有没有其他站的发送和本站发送的碰撞。这就称为碰撞检测。
• “碰撞检测”也就是“边发送边监听”,即适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况,以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。当几个站同时在总线上发送数据时,总线上的信号电压变化幅度将会增大(互相叠加)。当适配器检测到的信号电压变化幅度超过一定的门限值时,就认为总线上至少有两个站同时在发送数据,表明产生了碰撞。一旦发现总线上出现了碰撞,其适配器就要立即停止发送,然后等待一段随机时间后再次发送。

（4）碰撞起因

• 既然每一个站在发送数据之前已经监听到信道为“空闲”,那么为什么还会出现数据在总线上的碰撞呢?
• 这是因为电磁波在总线上总是以有限的速率传播的，若是在这个传播时延内有多台主机检测到空闲，并发送数据，则发生冲突。

（5）碰撞分析

• 把总线上的单程端到端传播时延记为 τ，最迟经过 2τ 的时间发送端能检测到碰撞，即总线的端到端往返传播时延。
• 显然,在使用 CSMA/CD 协议时,一个主机不可能同时进行发送和接收(但必须边发送边监听信道)。因此使用 CSMA/CD 协议的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)。
• 每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内,存在着遭遇碰撞的可能性。这一小段时间是不确定的,它取决于另一个发送数据的站到本站的距离。以太网的这一特点称为发送的不确定性。如果希望在以太网上发生碰撞的机会很小，必须使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。
• 以太网的端到端往返时间 2τ 称为争用期(contention period),又称为碰撞窗口(collision window)。这是因为一个站在发送完数据后,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生碰撞。

（6）碰撞解决方案 以太网使用截断二进制指数退避(truncated binary exponential backoff)算法来确定碰撞后重传的时机。这种算法让发生碰撞的站在停止发送数据后,推迟(这叫做退避)一个随机的时间再次发送。因为如果几个发生碰撞的站都在监听信道,那么都会同时发现信道变成了空闲。如果大家都同时再重新发送,那么肯定又会发生碰撞。为了使各站进行重传时再次发生冲突的概率减小,具体的退避算法如下:

• 协议规定了基本退避时间为争用期 2τ,争用期时间具体是 51.2us。对于 10 Mbit/s 以太网,在争用期内可发送 512bit,即 64 字节。也可以说争用期是 512 比特时间。
• 从离散的整数集合,当重传次数不超过 10 时,参数 k 等于重传次数;但当重传次数超过 10 时,k 就不再增大而一直等于 10。
• 当重传达 16 次仍不能成功时(这表明同时打算发送数据的站太多,以致连续发生突),则丢弃该帧,并向高层报告。

（7）指数退避算法分析

• 适配器每发送一个新的帧,就要执行一次 CSMA/CD 算法。适配器对过去发生过的碰撞并无记忆功能。因此,当好几个适配器正在执行指数退避算法时,很可能有某一个适配器发送的新帧能够碰巧立即成功地插入到信道中,得到了发送权,而已经推迟好几次发送的站,有可能很不巧,还要继续执行退避算法,继续等待。
• 若发送数据小于争用期 512bit，发送端边发送边侦听，如果发生冲突并用了 51.2us 冲突回传回来时，早就发完了，那发送站认为这个碰撞不是自己的帧，因而不会重传这个帧。为了避免发生这种情况,以太网规定了一个最短帧长 64 字节,即 512bit。如果要发送的数据非常少,那么必须加入一些填充字节,使帧长不小于 64 字节。对于 10Mbit/s 以太网,发送 512bit 的时间需要 51.2us,也就是上面提到的争用期。
• 由此可见,以太网在发送数据时,如果在争用期(共发送了 64 字节)没有发生碰撞那么后续发送的数据就一定不会发生冲突。换句话说,如果发生碰撞,就一定是在发送的前 64 字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送,这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节,因此凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。只要收到了这种无效帧,就应当立即将其丢弃。

（8）强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时,除了立即停止发送数据外,还要再继续发送 32 比特或 48 比特的人为干扰信号 (jamming signal),以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。 以太网还规定了帧间最小间隔为 96μs,相当于 96 比特时间。这样做是为了使刚刚收到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。

集线器与星型拓扑

集线器的一些特点如下：

• 从表面上看,使用集线器的局域网在物理上是一个星形网,但使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各主机共享逻辑上的总线,各主机中的适配器执行 CSMA/CD 协议)，，在同一时刻至多只允许一个主机发送数据。
• 集线器工作在物理层,它的每个接口仅仅简单地转发比特——收到 1 就转发 1,收到 0 就转发 0,不进行碰撞检测。若两个接口同时有信号输入(即发生碰撞),那么所有的接口都将收不到正确的帧。
• 集线器采用了专门的芯片,进行自适应串音回波抵消。这样就可使接口转发出去的较强信号不致对该接口接收到的较弱信号产生干扰(这种干扰即近端串音)。每个比特在转发之前还要进行再生整形并重新定时。
• 集线器一般都有少量的容错能力和网络管理功能。例如,假定在以太网中有一个适配器出了故障,不停地发送以太网帧。这时,集线器可以检测到这个问题,在内部断开与出故障的适配器的连线,使整个以太网仍然能够正常工作。

以太网的信道利用率

假定一个 10 Mbit/s 以太网同时有 10 个站在工作,那么每一个站所能发送数据的平均速率似乎应当是总数据率的 1/10(即 1Mbit/s)。但由于碰撞的存在，信道资源会造成浪费。因此,以太网总的信道利用率并不能达到 100%。 下图的例子是以太网的信道被占用的情况。一个站在发送帧时出现了碰撞。经过若干个争用期后,发送成功了。假定发送帧需要的时间是。它等于帧长(bit 除以发送速率(10 Mbit/s)。成功发送一个帧需要占用信道的时间是,也就是发送时延+传播时延。

要提高以太网的信道利用率,就必须减小 $a=\frac{\tau}{T_0}$,当 a→0 时,只要一发生碰撞,就立即可以检测出来,并立即停止发送,因而信道资源被浪费的时间非常非常少。以太网的参数 a 的值应当尽可能小些,这就要求分子数值要小些,而分母的数值要大些。

现在考虑一种理想化的情况，假定以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞,即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据,于是我们可计算出极限信道利用率 a 远小于 1 才能得到尽可能高的极限信道利用率。

以太网的 MAC 层

（1）在局域网中,硬件地址又称为物理地址或 MAC 地址(因为这种地址用在 MAC 帧中)，是指局域网上的每台计算机中固化在适配器的 ROM 中的 48 位（6 字节）的地址。IEEE 的注册管理机构 RA(Registration Authority) 负责分配地址字段的 6 个字节中的前三个字节(即高位 24 位)给生产局域网适配器的厂家,称为组织唯一标识符 OUI(Organizationally Unique Identifier)。地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)则由厂家自行指派称为扩展标识符(extended identifier),只要保证生产出的适配器没有重复地址即可。一个公司可能有几个 OUI,也可能有几个小公司合起来购买一个 OUI。

（2）MAC 帧格式 常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准,一种是 DIX Ethernet V2 标准(即以太网 V2 标准),准),另一种是 IEEE 的 802.3 标准。这里只介绍使用得最多的以太网 V2 的 MAC 帧格式。以太网 V2 的 MAC 帧由五个字段组成：目的地址（6 字节），源地址（6 字节），类型字段（2 字节，标志上一层使用的是什么协议，0x0800 表示上层使用的是 IP 数据报，0x8137 表示该帧是由 Novell IPX 发过来的），数据字段（46 到 1500 字节，46 字节=最小长度 64 字节-18 字节的收尾），帧检验序列 FCS（4 字节，使用 CRC 检验）。

（3）数据长度判断 以上 MAC 帧格式并没有帧长度(或数据长度)字段，接收方依据曼彻斯特编码的特性（每个码元中间有一次电压转换）确定数据字段的长度。但是当数据字段的长度小于 46 字节时,MAC 子层就会在数据字段的后面加入填充字段,但 MAC 帧的首部并没有指出数据字段的长度是多少，上层协议如何知道填充字段的长度呢? 当上层使用 IP 协议时,其首部就有一个“总长度”字段。因此,“总长度”加上填充字段的长度,应当等于 MAC 帧数据字段的长度。例如,当 IP 数据报的总长度为 42 字节时,填充字段共有 4 字节。当 MAC 帧把 46 字节的数据上交给 IP 层后,IP 层就把其中最后 4 字节的填充字段丢弃。

（4）位同步 为了接收端迅速实现位同步,从 MAC 子层向下传到物理层时还要在帧的前面插入 8 字节(由硬件生成),它由两个字段构成。第一个字段是7 个字节的前同步码,它的作用是使接收端的适配器在接收 MAC 帧时能够迅速调整其时钟频率,使它和发送端的时钟同步。第二个字段是帧开始定界符,定义为 10101011，它的前六位的作用和前同步码一样,最后的两个连续的 1 就是告诉接收端适配器:“MAC 帧的信息马上就要来了,请适配器注意接收”。

（5）无效的 MAC 帧

• 帧的长度不是整数个字节；
• 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错
• 收到的帧的 MAC 客户数据字段的长度不在 46~1500 字节之间。

扩展的以太网

在物理层扩展以太网

以太网上的主机之间的距离不能太远,否则主机发送的信号经过铜线的传输就会衰减到使 CSMA/CD 协议无法正常工作。现在,扩展主机和集线器之间的距离的一种简单方法就是使用光纤和一对光纤调制解调器。光纤调制解调器的作用就是进行电信号和光信号的转换。如果使用多个集线器,就可以连接成覆盖更大范围的多级星形结构的以太网。

优点：跨独立以太网通信，扩大了以太网覆盖的地理范围。 缺点：三个独立以太网的通过集线器互连起来后就把三个碰撞域变成一个碰撞域，且这时的最大吞吐量仍然是单个以太网的吞吐量。如果不同的独立以太网使用不同的以太网技术(如数据率不同),那么就不可能用集线器将们互连起来。如上图中,一个系使用 10Mbit/s 的适配器,而另外两个系使用 100Mbit/s 的适配器,那么用集线器连接起来后,大家都只能工作在 10 Mbit/s 的速率。

数据链路层扩展以太网

（1）扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。最初使用的是网桥(bridge)。网桥对收到的帧根据其 MAC 帧的目的地址进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时,并不是向所有的接口转发此帧,而是根据此帧的目的 MAC 地址,查找网桥中的地址表,然后确定将该帧转发到哪一个接口,或者是把它丢弃(即过滤)。交换式集线器(switching hub，或称为以太网交换机(switch)或第二层交换机(L2 switch))的出现很快就淘汰了网桥。 以太网交换机的特点：

• 太网交换机实质上就是一个多接口的网桥,通常都有十几个或更多的接口,以太网交换机的每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连,并且一般都工作在全双工方式。
• 以太网交换机还具有并行性,即能同时连通多对接口,使多对主机能同时通信(而网桥只能一次分析和转发一个帧)。相互通信的主机都是独占传输媒体,无碰撞地传输数据。
• 以太网交换机的接口还有存储器,能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
• 以太网交换机是一种即插即用设备,其内部的帧交换表(又称为地址表)是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
• 对于传统的 10 Mbit/s 的共享式以太网,若共有 10 个用户,则每个用户占有的平均带宽只有 1Mbis。若使用以太网交换机来连接这些主机,虽然在每个接口到主机的带宽还是 10Mbit/s,但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽,因此对于拥有 10 个接口的交换机的总容量则为 100 Mbit/s。这正是交换机的最大优点。
• 以太网交换机一般都具有多种速率的接口,例如,可以具有 10 Mbit/s、100Mbit/s 和 1Gbit/s 的接口的各种组合,这就大大方便了各种不同情况的用户。 虽然许多以太网交换机对收到的帧采用存储转发方式进行转发,但也有一些交换机采 用直通 ( cut-through)的交换方式。直通交换不必把整个数据帧先缓存后再进行处理,而是在 接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口,因而提高了帧的 转发速度。如果在这种交换机的内部采用基于硬件的交叉矩阵,交换时延就非常小。

（2）以太网交换机的自学习功能

• 当交换机不知道哪个接口对应哪个 MAC 主机时，就采用广播的方式，然后将过滤后的 MAC 地址和接口号对应填入交换表；
• 当交换表已知某个帧的目的 MAC 地址对应接口时，不必要广播，直接转发。
• 考虑到有时可能要在交换机的接口更换主机,这就需要更改交换表中的项目。为此,在交换表中每个项目都设有一定的有效时间。过期的项目就自动被删除。

（3）从总线以太网到星形以太网 总线以太网使用 CSMA/CD 协议,以半双工方式工作。但以太网交换机不使用共享总线,没有碰撞问题,因此不使用 CSMA/CD 协议,而是以全双工方式工作。既然连以太网的重要协议 CSMA/CD 都不使用了,为什么还叫做以太网呢?原因就是它的帧结构未改变,仍然采用以太网的帧结构。

虚拟局域网

（1）概念：虚拟局域网 VLAN(Virtual LAN)是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符,指明发送这个帧的计算机属于哪一个 VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务,而并不是一种新型局域网。

（2）实例 LAN1:(A1,A2,B1,C1),LAN2:(A3,B2,C2),LAN3:(A4,B3,C3)这 10 个用户划分为三个物理工作组,同时被划分为三个逻辑虚拟局域网 VLANVLAN1:(Al, A2, A3, A4), VLAN2: (Bl, B2, B3): VLAN3: (Cl, C2, C3)

（3）工作原理 虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag),用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网。插入 VLAN 标记得出的帧称为802.1Q 帧。

VLAN 标记字段的长度是 4 字节,插入在以太网 MAC 帧的源地址字段和类型字段之间。VLAN 标记的前两个字节总是设置为 0x8100(图中显示的是二进制),称为IEEE802.1Q 标记类型。在后面的两个字节中,前 3 位是用户优先级字段,接着的一位是规范格式指示符 CFI(Canonical FormatIndicator),最后的 12 位是该虚拟局域网 VLAN 标识符 VID (VLAN ID),它唯一地标志了这个以太网帧属于哪一个 VLAN。由于用于 VLAN 的以太网帧的首部增加了 4 个字节,因此以太网的最大帧长从原来的 1518 字节(1500 字节的数据加上 18 字节的首部)变为 1522 字节。

物理层

物理层的主要任务

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流,而不是指具体的传输媒体。 可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性,即:

• 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置,等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
• 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
• 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压的意义（如判断是高电平还是低电平）。
• 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数字信号与模拟信号

它的作用是：屏蔽不同的传输媒体和通信手段的差异。我们都知道，自然界的信号无非就是两种，一种是数字信号，另一种就是模拟信号。那么是什么模拟信号？什么又是数字信号呢？

说白了，所谓的模拟信号就是连续变化的物理量，模拟信号其特点是幅度连续(连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值)。模拟信号，其信号波形在时间上也是连续的，因此它又是连续信号。我们对连续信号进行抽样，就会得到抽样信号，但抽象信号就是离散的（说着说着就说到了信号系统，看来补考对我的影响还是有的）。但数字信号是不同于模拟信号的，他在时间域上是离散的，它有两种不同状态的物理量，分别用“0”，“1”来表示。这就好像电灯开关一样，也有两种不同的状态。

当然，数字信号与模拟信号是可以相互转换的，模拟信号通常使用 PCM（脉冲编码调制）方法量化并转换为数字信号，PCM 方法是使不同范围的模拟信号对应不同的二进制值。通常，数字信号通过载波相移得到模拟信号。

信道

按照传输媒介可以分为三类：

• 有线信道：有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。这一类信道使用的传输媒质包括用电线传输电信号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等，还有传输经过调制的光脉冲信号的光导纤维。
• 无线信道：无线信道主要有以辐射无线电波为传输方式的无线电信道和在水下传播声波的水声信道等。无线电信号由发射机的天线辐射到整个自由空间上进行传播。不同频段的无线电波有不同的传播方式。
• 存储信道：在某种意义上，磁带、光盘、磁盘等数据存储媒质也可以被看作是一种通信信道。将数据写入存储媒质的过程即等效于发射机将信号传输到信道的过程，将数据从存储媒质读出的过程即等效于接收机从信道接收信号的过程。

信道是传输信息的信道，信道容量描述了信道无差错地传输信息的最大能力，可以用来衡量信道的好坏。 关于信道，还有一个重要的参数，那就是信噪比，信噪比越大，信道的容量也越大，这里的话给出著名的香农公式：

物理层的传输媒介

我们大家都知道，数据在物理层传输的媒介是不一样的，工作在物理层的是集线器。不过，大致可以为一下两类：

• 引导型传输媒介：引导型传输媒体中又有不同的类别，比如同轴电缆、光缆、双绞线，其中双绞线根据是否屏蔽又可以继续细分。
• 非引导型传输媒介：非引导型传输媒介指的是无线电波在空间中的传播，利用不同的频段可以传输不同的信号。

通信的双方信息交互的方式

从通信的双方信息交互的方式来看,可以有以下三种基本方式：

• 单向通信又称为单工通信,即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
• 双向交替通信又称为半双工通信,即通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
• 双向同时通信又称为全双工通信,即通信的双方可以同时发送和接收信息

单向通信只需要一条信道,而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道(每个方向各一条)。显然,双向同时通信的传输效率最高。

信道复用技术

在进行通信时,复用器( multiplexer)总是和分用器( demultiplexer)成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器相反,它把高速信道传送过来的数据进行分用,分别送交到相应的用户。

• 频分多路复用 FDM: 每个用户占用不同的宽带频率, 单位 Hz. 用户得到一定的频率之后通信过程中始终占用该频率.
• 时分多路复用 TDM: 将时间段划分为等长的时分复用帧, 每个用户占用固定序号的时隙. 各用户占用的时隙是周期性出现的.
• 波分多路复用 WDM: 将不同的波长分配给不同的用户, 在光通信系统中常见.
• 码分复用 CDM: 多用于无线通信网络, 为每个用户分配一个 m 比特的唯一码片序列. 用户使用相同频率的载波, 利用各自的码片序列编码数据. 编码信号=原始数据*码片序列. 对于一个用户, 他想要发送它的数据, 那么假如该数据是 0 , 则发送自己的 m 比特的码片序列. 如果数据是 1, 就发送 m 比特码片序列的补码.并且要求个用户的码片序列相互正交.

常见的宽带接入技术

• ADSL 技术
• 光纤同轴混合网（HFC 网）
• FTTx 技术

从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：

• 有线宽带接入
• 无线宽带接入

参考资料

书籍参考

• 计算机网络: 自顶向下方法 -原书第七版
• 计算机网络-谢希仁
• 王道考研-计算机网络

视频参考

• 计算机网络 哈工大
• 计算机网络 湖南科技大学

文章参考

• 三天两夜肝完这篇万字长文，终于拿下了 TCP/IP
• 计算机网络:自顶向下方法 Github 仓库
• 计算机网络发展的四个阶段
• 计算机网络的发展历史
• 计算机网络起源 网络发展简介（一）
• 计算机网络基础知识总结
• 计算机网络速率，带宽，吞吐量概念
• 动画：什么是计算机网络时延
• 计算机网络分类-百度百科
• 计算机网络交换技术-百度百科
• 计算机网络-交换技术
• 计算机网络（一）
• 2019-02-21 网络层次划分
• 1-为什么要学习网络协议？
• 2-网络分层的真实含义是什么？
• 计算机网络太难？了解这一篇就够了
• 深入理解计算机网络（二）：应用层
• 计算机网络之应用层详述
• 计算机网络通信 TCP/IP 协议浅析 网络发展简介（二）
• 计算机网络自顶向下方法第 2 章-应用层(application-layer)
• 计算机网络
• 计算机网络之应用层详述
• 深入理解计算机网络（二）：应用层
• 计算机网络（二） 物理层
• 计算机网络（三） 数据链路层
• 计算机网络-3y
• 完全理解 ICMP 协议
• 计算机网络传输层知识点全覆盖
• 计算机网络之路由器
• IP 数据报分片——Fragmentation 和重组