1、数据通信与计算机网络（第二版）电子教案 笫九讲笫九讲 以太网以太网本讲内容第四章 局域网4.4 CSMA/CD和IEEE 802.3标准4.4.1 ALOHA4.4.2 CSMA4.4.3 CSMA/CD4.4.4 二进制指数退避算法4.4.5 以太网帧格式4.4.6 IEEE 802.3标准4.4.1 ALOHA ALOHA协议用于基于地面的无线广播通信系统。其基本思想适用于那些站点间无需协调的多路访问链路中。只要一个站点想要传输信息帧，立即发送信息帧。接收站点通过检查帧检验序列字段来决定帧是否完好无损。如果是合法帧，站点通过另外一个信道发出一个确认 站点在发送帧后监听一段时间，如果在信息来
2、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：如果收到了确认，则传输成功 否则，发送站点等待一段随机的时间后重发信息帧。如果重传多次仍得不到确认，放弃传输帧 性能分析采用如下网络模型 无限用户 用户产生的新帧服从普阿松分布，平均每帧时产生S个新帧，显然吞吐率应该满足0S1 站点发送的帧（包括新帧和重传帧）也服从普阿松分布，平均每帧时发送G帧 吞吐率应该是负载G与传送成功的概率，即SGP0。其中P0是发送的帧不会发生冲突的概率。ALOHA协议的性能 一个帧的冲突危险区为2个帧时：t0+t与阴影帧的开始碰撞与阴影帧的开始碰撞tt0+2tt0+3tt0冲
3、突危险区时间 ALOHA协议的性能 两个帧时内产生的帧数平均为2G，在整个冲突危险区内无任何其他帧产生的概率为 吞吐率S满足：G0.5时，S有最大值为1/2e0.18 GeP20GGeS2 考虑用户数固定的网络模型 N个相同的用户 每个用户在一个帧时内成功传输一帧的概率为S/N 每个时槽一个用户产生的负载（包括新帧和重传帧）为G/N 用户在给定时槽内成功发送一帧，相当于用户在冲突危险区内发送一帧并且其他用户都没有发送帧，因此 ALOHA协议的性能（续）)1N(2)NG1(*NGNS 化简后满足：)1N(2)NG1(GS N趋于无穷大时，即无限用户环境下与前面的分析有同样的结论：GGeS2S-A
4、LOHA S-ALOHA对ALOHA协议作了改进：信道上的时间被分成离散的时间间隔即时槽，其大小相当于帧的传输时间。每个帧只允许在时槽开始处进行传输 冲突危险区比ALOHA降低了一半:只有那些都在同一个时槽开始进行传输的帧才有可能冲突 而任一帧时内无其他帧发送的概率为GGeSGe S-ALOHA协议中的吞吐率满足 G1时，S有最大值为1/e0.3684.4.2 CSMA 在ALHOA和分槽ALOHA协议中，每个站点在发送时不考虑其他站点的情况 在局域网中，帧的传播时间常远小于帧的传输时间 一个站点发送帧后，别的站点马上就可以监听到 载波监听多路访问（CSMA也叫做先听先说（LBT）想要传输的站
5、点首先监听媒体上是否有其他站点在传输（载波监听。如果媒体空闲，则可立即传输。如果媒体忙，它必须等待 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。CSMA的忙等待机制 当媒体忙时，站点有三种坚持策略：非坚持CSMA：1.若媒体空闲就传输；否则，转到第2步。2.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：1.若媒体空闲就传输；否则，转到第2步。2.若媒体忙则继续监听，直到检测到信道空闲然后立即传输。3.如果有冲突，则等待一段随机的时间后重复第1步。CSMA的忙等待机制（续）P-坚持协议：1.若媒体空闲，以概率P传输，
6、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）。2.若媒体忙，继续监听直到信道空闲并重复第1步。3.若传输延迟了一个时间单位，则重复第1步。P-坚持要避免的主要问题是在重负荷下的不稳定 总共有N个站点，如果这些站点都有帧要传输，为了避免冲突，显然应该满足NP1，即P1/N 但是这样的概率P在轻负荷下时会出现大部分信道时间被浪费掉的情况4.4.3 CSMA/CD 以太网是目前最为广泛使用的局域网技术。1973年Robert Metcalfe在博士论文中描述了其对局域网技术的研究，毕业之后加入Xerox公司参与以太网的工作 1980年，Xerox、Intel、DEC联合
7、开发以太网的基带版本，并在1985年发布了以太网的增强版本。IEEE 802.3委员会以以太网为基础，制定了IEEE 802.3局域网规范，两个版本的整体技术是一致的。以太网采用载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD 多路访问即多个站点通过一个共享媒体来发送和接收帧 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（续）CSMA协议中不进行冲突检测 一旦有两个帧发生冲突，在这两个坏帧传输的这段时间内，其他站点都不能传输。CSMA/CD对于CSMA作了改进，在传输的同时进行冲突检
8、测，又叫做边说边听（LWT）。CSMA/CD可以和一个现实生活中的例子进行类比：假设很多人在一个大的房间内讨论，任何人都可以发言：载波监听：如果别人在讲话，则先听别人讲；多路访问：我听到的，别人也可以听到；冲突检测：自己发言的同时发现另外一个也在讲，则停止讲话。CSMA/CD（续）CSMA/CD：1.若媒体空闲，传输；否则，转第2步。2.若媒体忙，一直监听直到信道空闲然后立即传输。3.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。32比特的jam的目的是使那些接收到该帧的站点会发现帧的CRC校验码错误，从而会丢弃该帧。这个
9、被中断的帧被称为发育不全帧（Runt Frame）32比特的jam只要不是正好等于刚刚遇到冲突而中断的帧的CRC校验码就可以许多以太网网卡在设计时发送32个1，因为正好等于发育不全帧的合法校验码的概率只有1/232。4.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）。帧间间隔IFG 实际的以太网标准中，要求在检测到媒体空闲后必须等待一个帧间间隔IFG（InterFrame Gap）IFG长度为96比特时间 目的是允许最近传输的站点能够将其收发器硬件从发送模式转向接收模式。宽带总线来讲，延迟还会更长，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
10、于从头端到电缆尾部的传播延迟的4倍。检测冲突所花费的时间 A B(a)A 在时刻 t 发送一帧 A B(b)A 发送的帧在时刻 t+d 到达 B A B(c)B 在时刻 t+d 开始发送，与 A 的帧冲突 A B(d)B 和 A 冲突后的帧在时刻 t+2d 到达 A 基带系统的CSMA/CD冲突检测最长需要2倍传播延迟 宽带总线的最坏情况发生在与头端离得最远的两个相邻站点间，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 CSMA/CD系统有一条非常重要的原则：帧必须足够长以使冲突能在帧传输完毕前被检测到 4.4.4 二进制指数退避算法 CSMA/CD采用1坚持算法，为了使得发生冲突的站点
11、在下次试图传输的时候不大可能再次发生冲突，采用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，以太网标准规定时槽长度为512比特时间（对于10Mbps以太网来说为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023-1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，
12、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。不良后果：没有遇到过或遇到冲突次数少的站点比等待时间更长的站点更有机会得到媒体的访问权。12 i 时间片时间片(即时槽）即时槽）长短的确定长短的确定：对于基带系统，等于最远两站之间传输延迟的两倍。对于宽带系统，等于最远两站之间传输延迟的四倍。最短帧长最短帧长：任何帧都必须要有必要的长度，以使得冲突能在帧发送完毕前被检测到。最短帧的的发送时间大于一个时间片（51.2us）。4.4.5 以太网帧格式 前导 目的地址 源地址 类型 检验和 数据 64 48 48 16 32 046 填充(a)DIX 帧格式
13、 01500 前导 目的地址 源地址 长度 检验和 数据 64 48 48 16 32 046 填充(b)IEEE802.3 帧格式 01500 DIX帧格式来源于最早设计以太网的三家公司（Digital、Intel、Xerox）的首字母 IEEE 802.3委员会对DIX帧格式作了少许改动，这两种帧结构基本上一致:除了DIX格式的帧中的16比特的长度字段对应IEEE 802.3帧中的16比特的类型字段。IEEE 802.3帧格式 802.3的MAC子层帧格式 前导序列（7个字节10101010）帧开始标志（1字节，10101011）目标地址和源地址 2 或 6个字节，以太网为6个字节(IEE
14、E 802 specifies the use of either 16-or 48-bit addresses,no conformant implementation of IEEE 802.3 uses 16-bit addresses.)目的地址第一位（LSB:Least Significant Bit）为 0，表示单地址（individual address）；为 1，表示组地址（group address），支持multicast，目的地址全 1，为广播地址。源地址第一位（LSB）为0。地址中的第二位（LSB）用来区分本地地址和全球地址。帧长度域（2字节，取值在0-1500之间）数
15、据（0-1500个字节）填充（0-46字节）校验和：CRC校验（4个字节）以太网帧格式 64比特的前导：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，取值为10101010 该字段用于“唤醒”接收者，接收者利用它与发送方的时钟进行同步。对于差分曼彻斯特编码，前导字段的前7个字节正好是一个方波 前导字段的最后一个字节取值为10101011，“提醒”接收者帧的开始，注意以太网帧的结尾并没有采用相应的同步机制来确定，它可以通过检测到链路的空闲来表示。以太网帧格式 48比特的目的地址和48比特的源地址 以太网上的所有主机（实际上世界上的所有以太网主机）都有一个唯一的以太网地址。从技术
16、的角度来看，以太网地址应该是指主机上安装的网卡的地址，一般烧到网卡的ROM中 网卡判断该帧的目的地址是否为网卡的以太网地址，如果是，则把这些帧递交给高层 以太网帧格式 16比特的类型/长度字段：DIX格式中该字段为类型字段，标识这个帧应该递交给哪一个高层协议 类型字段的取值大于1500 802.3 LAN中该字段为长度字段，给出了所携带的用户数据的长度 用户数据最长为1500字节，以防止节点长时间地独占传输媒体 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。实际的环境中，大多数主机都采用DIX帧格式，而不是IEEE 802.3帧格式。以太网帧格式 数据和填充字段 为了保证站点能
17、够在传输完数据帧之前检测到冲突，以太网限制帧的最小长度为512比特（64字节），其中目的地址（6字节）、源地址（6字节）、类型（2字节）和检验和（4字节）字段占去了18字节 数据和填充字段要求最少为46字节，最长为1500字节 如果用户数据不够，则通过填充字段来满足限制 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最小帧长限制 为什么限制每个帧中从长度字段结束到检验和字段开始的长度最小为46字节？考虑一个2500米的以太网配置，两个站点间最多有四个转发器，把传输媒体的传播延迟和转发器处的转发延迟考虑在一起，IEEE802.3认为端到端的传播延迟最多为51.2微秒，而传输速率为10
18、Mbps，也就是帧的最小帧长限制为512比特，以太网帧中的目的地址、源地址、类型和检验和字段占去了18字节，所以携带的数据最少为46字节（368比特）。4.4.6 IEEE 802.3标准 IEEE 802.3标准支持多种物理媒体选项：物理层各不相同，但都采用相同的数据链路层协议 10Base5 10Base2 10BaseT 10BROAD36 10BASEF 媒体选项的命名策略：10表示数据速率为10Mbps Base表示采用基带传输 Broad表示采用宽带传输 T表示双绞线 F表示光纤10Base5 10Base5是最早的以太网技术采用的媒体选项 通常称为粗缆：使用10毫米直径的50的同
19、轴电缆 数据速率是10Mbps，采用曼彻斯特编码。10Base5支持的传输媒体的长度最长为2.5公里 一个网段最长为500米 通过转发器（repeater）来扩展覆盖的范围 转发器用来连接两段电缆，从它连接的电缆上收到的数字信号经过放大后转发给连接的另一条电缆中 转发器工作在物理层，它和MAC协议无关，因为它既无缓冲功能，也无分段功能。如果不同网段上的两个站点同时试图传输，就会产生冲突。标准允许任何两个站点间最多有四个转发器 10Base5（续）主机通过一个收发器（transceiver）连接到粗缆，每个网段最多可以连接100个节点。收发器主要监听媒体上的载波，把数据传输到媒体上，检测是否有冲
20、突存在，有的时候又被称为媒体连接单元MAU（Medium Attachment Unit）收发器和网卡（控制器）间通过AUI（Attachment Unit Interface）电缆连接，在收发器和网卡将传递数据和控制信号。10Base510BASE-5 的网段10Base2 数据速率是10Mbps，使用曼彻斯特编码 常称为细以太网或者细缆 使用50的同轴电缆 只有5毫米直径 采用工业标准的BNC连接器组成T型接头，细缆中收发器一般都集成在网卡里面，相比粗缆来说：更加灵活，可靠性高。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
21、30个站点 IEEE 802.310Base2 10:10Mbps;2:电缆长度最长200米（实际185米）10BASE210Base210BaseT T代表双绞线 通过Hub连接，星形拓扑结构 节点到Hub间的距离最长为100米10BASE-T10BASE-510BASE-210BASE-T10BaseT 目前最为广泛使用的以太网技术 传输媒体为非屏蔽双绞线（T代表双绞线），采用星型拓扑 所有站点通过两对非屏蔽双绞线连接到一个集线器（Hub）Hub实际上是一个多口的转发器，当从一条线路上接收到信号时，集线器会向其他线路转发。Hub具有一些网络管理功能。比如如果有一个站点出现故障，一直持续发送
22、帧。10Base2对此就会无能为力，一个故障站点会导致整个网络也处于崩溃状态 10BaseT中的集线器可以检测到这个站点的故障，并且把该站点从网络中分割出来，其他站点仍然能够继续工作。10BaseT采用曼彻斯特编码，其数据速率为10Mbps。每个网段的长度限制在100米以内。10BROAD36 是802.3 LAN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（DPSK）来进行信号调制。10BASE510BASE210BASE-T10BRO
23、AD3610BASE-FP传输媒体同轴电缆(50ohm)同轴电缆(50ohm)非屏蔽双铰线同轴电缆(75ohm)850nm光纤对编码技术基带(曼彻斯特码)基带(曼彻斯特码)基带(曼彻斯特码)宽带(DPSK)曼彻斯特/on-off拓扑总线总线星型总线/树型星型最大网段长度(m)5001851001800500每网段的结点数10030-33 IEEE802.3 10Mbps物理层媒体选项 转发器与集线器 转发器一般用于10Base2和10Base5中，以太网网段之间可以通过repeater连接起来以扩展传输媒体的长度。集线器是一个多口的转发器，当从一条线路上接收到信号时，集线器会向其他线路转发。如
24、果多于两个端口同时传输，产生并发送一个冲突存在信号。一般具有一些网络管理功能。转发器和集线器工作在物理层 802.3标准允许任何两个站点间最多有四个转发器 网段间通过转发器和集线器连接不过只是为了扩展覆盖的范围，它们从本质上仍然属于同一个冲突域（Collision domain）采用CSMA/CD规则共享同一个信道的所有节点位于同一个冲突域 在同一个冲突域内，任何两个节点同时传输都会遇到冲突。转发器与集线器（续）在通过转发器或集线器构建以太网的实践中常常要求遵循5-4-3原则 5指任意两个站点间最多有5个以太网网段 4指任意两个站点间最多有4个转发器 3表示任意两个站点间最多有3个网段有站点相
25、连 另外2个网段仅仅用于扩充网络覆盖的范围 通过转发器或集线器来连接多个网段的方式常常称为级连 可堆叠集线器（Stackable Hub）：各个集线器之间可以通过另外一个高速数据通道（常常是G bps）相连，从而使得各个堆叠起来的Hub组合起来形成一个具有更多端口的Hub 堆叠起来的Hub实际上相当于一个大的Hub。它和通过以太网技术把多个网段级连起来是不同的概念，级连技术必须遵循以太网的基本组网原则，即5-4-3原则练习题4.3 1万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125?s。信道的负载大约是多少？4.8 局域网竞争方案的一个缺点是由于多
26、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是多少？4.16 考虑一个基带总线LAN上连接的两个站点，相距1km，帧长度为100比特，传播速度为2108米/秒。假设每个站点产生的帧服从普阿松分布，平均每秒产生1000个帧。假设数据速率为1Mbps，对于ALOHA协议，如果站点在时刻t开始传输一个帧，请问冲突的概率是多少？如果是分槽ALOHA协议结果又如何？如果数据速率为10Mbps，分别采用ALOHA和分槽ALOHA的结果如何？4.28 考虑一个基带CSMA/CD网（注意不是IEEE 802.3），电缆长度为1km，不使用任何转发器，支持的数据速率为1Gbps，信号在电缆中的传播速度为200m/?s。请问最小帧长是多少？
