计算机网络自顶向下(以太网)--软件工程专业

1、以太网以太网1.1.以太网的基本要素以太网的基本要素2.CSMA/CD2.CSMA/CD协议协议3.3.以太网技术以太网技术1.以太网的基本要素 一个以太局域网（一个以太局域网（Ethernet LAN)Ethernet LAN)可能形式多种多样，它可能形式多种多样，它可以有一个总线拓扑或者是星型拓扑，它可以在同轴电缆，可以有一个总线拓扑或者是星型拓扑，它可以在同轴电缆，双绞线或者光纤上运行，它可以有不同的数据传送速率，如：双绞线或者光纤上运行，它可以有不同的数据传送速率，如：10Mbps,100Mbps10Mbps,100Mbps和和1Gbps1Gbps。以太网的形式虽然各有不同，但。以太网

2、的形式虽然各有不同，但是它们都有一些共同的特性。是它们都有一些共同的特性。以太网的帧结构以太网提供无连接服务以太网采用基带传输和曼彻斯特编码以太网以太网 MAC 帧帧物理层物理层MAC层层10101010101010 1010101110101010101010 10101011前同步码前同步码帧开始帧开始定界符定界符7 字节字节1 字节字节IP层层目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据CRC6624字节字节46 1500IP 数据报数据报1.1以太网的以太网的MAC 帧结构帧结构帧定界符8字节数据字段的最小长度数据字段的最小长度最小帧长最小帧长 64 字节字节 18 字节首部尾部字节

3、首部尾部 =461.1以太网的以太网的MAC 帧结构说明帧结构说明n先导字段（8字节）：前7个字节均是10101010用于唤醒接收方，并使之与发送方的时钟同步，最后一个字节是10101011用于告诉接受方我发送的数据来了。n目的地址字段（6字节）：用于确定信道上的信号发送给该局域网中的哪个适配器n源地址（6字节）：发送该帧的局域网上的适配器地址，谁发的就是谁的地址n类型（2个字节）：标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。1.1以太网的以太网的MAC 帧结构说明帧结构说明n数据字段（46-1500字节）：这个字段携带IP数据报，以太网的最大传输单元是1

4、500字节，多于1500字节的数据报将被分片处理，数据字段的最小长度是46字节，不够46字节的需要填充到46个字节。这里大家想一下为什么最小数据帧是46？n循环冗余校验（CRC 4字节）：CRC字段的目的是使得接收端的适配器检测发送方发过来的帧当中是否有错误数据字段的最小长度数据字段的最小长度最小帧长最小帧长 64 字节字节 18 字节首部尾部字节首部尾部 =461.2以太网提供无连接服务以太网提供无连接服务n所有的以太网技术都向网络层提供了无连接服务，也就是说适配器A要向适配器B发送一个数据报时：pA会直接的把该数据报封装在以太网帧中，然后将这一帧发送到局域网上，而不会事先先和适配器B“握手

5、”。pB接收到A的帧时间，通过CRC校验之后，适配器并不发一个确认帧，即使是校验失败了也不会发否认帧，而是直接丢弃。这时间的A根本也不知道它发送的帧是被接受了还是被丢弃了，至于丢弃帧所造成的影响由B的上层协议负责。1.3以太网采用基带传输和曼彻斯特编码以太网采用基带传输和曼彻斯特编码n以太网使用基带传输就是说适配器直接向广播信道发送数字信号基带数 字信号曼彻斯特编码 码元1111100000出现电平转换2.CSMA/CD2.CSMA/CD协议协议nCSMA/CD =Carrier Sense Multiple Access CSMA/CD =Carrier Sense Multiple Acc

6、ess with Collision Detection with Collision Detection = =载波监听多点接入载波监听多点接入/ /冲突检测冲突检测 是随机访问算法争用型协议是随机访问算法争用型协议nCSMA/CDCSMA/CD发展发展想发就发，冲突重发想发就发，冲突重发ALOHAALOHAALOHAALOHA载波检测载波检测CSMACSMA 载波检测：发送前，先监听信道，信道空才发载波检测：发送前，先监听信道，信道空才发CSMA CSMA 冲突检测冲突检测CSMA/CDCSMA/CD 冲突检测：发送时，边发边测。冲突检测：发送时，边发边测。2.1 CSMA/CA协议协议

7、基本思想基本思想CSMA/CDCSMA/CD的工作原理可概括成四句话，即：的工作原理可概括成四句话，即：先听后发，边发边听，冲突停止，随机延后重发先听后发，边发边听，冲突停止，随机延后重发 n载波监听：先听后发载波监听：先听后发 发送前先监听总线上是否有信号，如果有，则停止发送发送前先监听总线上是否有信号，如果有，则停止发送数据数据( (避免冲突避免冲突) )，同时继续监听，直至发现信道空闲时，同时继续监听，直至发现信道空闲时（信道空闲：（信道空闲：96bit96bit时间内没有检测到信道上有信号），时间内没有检测到信道上有信号），发送数据发送数据. .n冲突检测：边听边发冲突检测：边听边发

8、边发送数据，边检测信道看是否与别人发生冲突，边发送数据，边检测信道看是否与别人发生冲突， 若冲突，立即停止发送，随机延迟后再去若冲突，立即停止发送，随机延迟后再去“载波监听载波监听”2.2 冲突检测冲突检测n这里引出来一个疑问，为什么有了载波监听（先听再发），这里引出来一个疑问，为什么有了载波监听（先听再发），还要冲突检测还要冲突检测（边发边听）？边发边听）？即，为什么测到信道闲再发送，仍会冲突？即，为什么测到信道闲再发送，仍会冲突？n原因：原因：一个站点检测到自己附近没有信号并不意味着信道上面没有信一个站点检测到自己附近没有信号并不意味着信道上面没有信号，号，电磁波传播需要时间，以下两种可能

9、性会导致信号冲突。电磁波传播需要时间，以下两种可能性会导致信号冲突。有别的一个或多个站点正在发送而信号，但是发送的信号还没有传有别的一个或多个站点正在发送而信号，但是发送的信号还没有传播到要发送信号的这个站点。播到要发送信号的这个站点。可能有别的一个或多个站点检测到它自己周围信道上没有信号，自可能有别的一个或多个站点检测到它自己周围信道上没有信号，自己正准备发送而信号。己正准备发送而信号。2.3 实例分析实例分析1 kmABt冲突冲突 t = B 发送数据B 检测到发生冲突检测到发生冲突 t = t = 02.3 实例分析实例分析n思考：经过2 时间没有检测到冲突，可以肯定这次发送不会发生冲突

10、，这是为什么？n概念：以太网将2 称为争用期 (contentionperiod) ， 或冲突窗口，竞争时间片、时间槽、冲突时间 片。2.3 争用期的长度争用期的长度n理论上，CSMA/CD协议的争用期为2 n工程上，10 M以太网，取 51.2 s 为争用期的长度。p在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。p争用期长度，又称为512位延迟(51.2us) 。n以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。2.4 最短有效帧长最短有效帧长 n10 Mb/s 以太网，如果监测到发生冲突， 一定是在发送的前 64 字节之内。 n监测到冲突后立即中止发送， 这

11、时已发出的数据少于 64 个字节。这也就是为什么以太网规定：凡是长度小于 64 字节的帧都认为是由于冲突而异常中止的碎片：无效帧。n所以： 10M以太网规定最短有效帧长为 64 字节2.5 小结小结n载波检测只能减少冲突，不能避免冲突当某个站点监听到信道空闲时，也可能信道并非是空闲的。p原因：电磁波传播需要时间，而监听只能测到本站接入点的信号。n所以发送后需要检测是否发生冲突：“冲突检测”若冲突，立即停止发送，随机延迟后在“载波检测”n经过2 时间没有检测到冲突，可以肯定这次发送不会发生冲突n线路越长，这种冲突的概率越大。设：信号传播速度设：信号传播速度c=200m/us， 总线长总线长d10

12、0m， d/c=100/200=0.5us ，2 1us 1us内，有其他站点发送，都可能冲突内，有其他站点发送，都可能冲突 总线长总线长d500m， d/c=500/200=2.5us ，2 5us 5us内，有其他站点发送，都可能冲突内，有其他站点发送，都可能冲突2.5 小结（续）小结（续）n以太网在最小帧长度不变的情况下，如果网络的数据率由10Mbps改为100Mbps，请问端到端的最长距离应该如何变化，答案是缩短到原来的1/5，因为必须保证在发送帧的时间大于信号往返的时间。n如果保证端到端距离不变的情况下网络的数据率由10Mbps改为100Mbps，则最小帧长度则会变成原来的10倍，上

13、面的例子如有不太恰当之处，请大家及时指出。 2.6 截断型二进制指数退避算法截断型二进制指数退避算法 前面说的既然载波检测只能减少冲突，若是冲突真的发生后延迟相同的时间，冲突双方乃至多方仍然都会测到信道闲，很容易再次冲突，如下图所示：延迟相同时间延迟相同时间CBA用户时间2.6 截断型二进制指数退避算法截断型二进制指数退避算法n各站互相不能联系，如何让各站延迟不同的时间？各站互相不能联系，如何让各站延迟不同的时间？需要动态算法分配等待时间需要动态算法分配等待时间随机取值随机取值n如何取随机值？如何取随机值？n已知：发送后最多经过已知：发送后最多经过2 时间就能检测到冲突，时间就能检测到冲突，

14、所以，以所以，以2 为时间单位，为时间单位，p取随机数取随机数 n random（0，X）p延时延时n倍的倍的2 时间再去监听信道时间再去监听信道p二个冲突站，取不同的二个冲突站，取不同的n，可以避免再次冲突，可以避免再次冲突2.6.1 随机数的范围随机数的范围n random（0，X）， X如何取？n X太小，负载重时，冲突太多设，有8个站要发信， 若X=3，可取0， 2 、4 、6 冲突可能性相当大nX太大，负载轻时，效率低，延时大设，只有A，B二个站要发信， X=100，可取0， 2 、4 、，200 若A取180 ，B取190 ， 0180 时间内信道浪费2.6.2 退避算法分析退避算

15、法分析n希望：根据网络当前负载计算延迟时间：p轻载时(发送站少)，在较小的区间取随机数p重载时(发送站多)，在较大的区间取随机数n如何知道负载轻重：p根据帧的重复冲突次数猜测负载轻重重复冲突次数多，说明网络负载重延时时间区间大，分散负载2.6.3 二进制指数规律二进制指数规律冲突次数iL随机数n的范围120 1240 3380 74160 151010240 10231120480 2047n为每个帧设一个局部参数Lp当第一次发生冲突时，令L2p每重复冲突一次，L加倍L=2，4，8，16，pn random（0，L-1）p随机退避n*2 时间再监听信道n等价于：第i次冲突：L= 2ipn=ra

16、ndom（02i-1）p所以，称为二进制指数规律n效果：p冲突少的帧重发成功的机会大p冲突多的帧重发成功的机会小这个也是它的缺点2.6.4 什么是截断型什么是截断型n重复冲突次数重复冲突次数 i 较大时，指数规律增长太快较大时，指数规律增长太快nn太大，网络效率低，工程上，太大，网络效率低，工程上，n取取1000已经足够，已经足够， 所以冲突次数所以冲突次数 i10 （2i-1 i=10）时，）时，L不再加倍不再加倍pIf i10 then n = random（01023) else L=L*2； n = random（0L-1) n重复冲突次数太多（如重复冲突次数太多（如 i 大于大于15

17、） ，p这种情况可能性不大，猜测可能网络有故障这种情况可能性不大，猜测可能网络有故障p设置一个最大重传次数设置一个最大重传次数M（如，（如，M15），）， iM时，则不再重传，并向上层报告出错。时，则不再重传，并向上层报告出错。n综上，整个算法等价于：综上，整个算法等价于：pn= random（02i-1） i10pn= random（01023) 10=i16 2.6.5 冲突后，延时冲突后，延时n*2 时间再去监听信道时间再去监听信道ni：当前连续冲突的次数n延时时间n*2pn=random（02i-1） i10pn= random（01023) 10i16 in10151023 2.7

18、强化冲突强化冲突人为干扰信号！人为干扰信号！n问题：距离较远时，信号衰减大， 冲突信号可能被误测为不是冲突信号，那这时间该怎么办呢？n强化冲突： 一旦发现冲突，除了立即停止发送数据外，还要发送较短较强的人为干扰信号(jamming signal)， 使其它站点能测到冲突信号。2.7 人为干扰信号实例分析人为干扰信号实例分析数据帧TBABtA 检测到冲突开始冲突干扰信号 TJ数据片段信道占用时间A发送数据B发送数据2.7人为干扰信号实例分析人为干扰信号实例分析nA检测到冲突（TB2）， 立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。(B其实也发出了干扰信号，因为B的干扰信号影响到了A发送的数据帧，这里

19、便于理解没有画出B的干扰信号)n发送成功的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。 2.8 CSMA/CD流程图流程图开始发送开始发送载波载波监听监听冲冲突突检检测测2 内内冲突冲突是是否否强化强化冲突冲突信道忙信道忙是是否否退退避避算算法法 随机延时随机延时冲突过多冲突过多是是否否 组组 帧帧发送成功发送成功放弃发送放弃发送通知上层通知上层2.9 以太网的信道利用率以太网的信道利用率n冲突是影响以太网性能的重要因素：冲突使传统的以太网在负载超过40时，效率明显下降。而且随着负载的继续增加，性能急剧下降！n冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。 2.9

20、以太网的信道利用率以太网的信道利用率 n发送一帧所需的平均时间发送一帧所需的平均时间p传播时间传播时间 n发完最后一位，再经过时间发完最后一位，再经过时间 ，信道上无信号在传播信道上无信号在传播p争用时间：争用时间：K2 p发送时间发送时间T0 = L/C (s)帧长帧长(bit)/发送速率发送速率 (b/s)发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 2 2 2T0t占用期 发生冲突 发送一帧所需的平均时间2.9 提高以太网信道利用率的三种方法提高以太网信道利用率的三种方法以太网定义了参数 a= /T0 ：端到端时延 T0：帧的发送时间方法一：减小 a 值，可以提高以太网的信道利用率a0 ：一发

21、生冲突就立即可以检测出来， 并立即停止发送，因而信道利用率很高。a 越大，争用期所占的比例越大，信道浪费越大。 方法二：减小a值，提高以太网的信道利用率:限制以太网的连线长度，减小 。增加以太网的帧长，增大T0。 2.9 提高以太网信道利用率的三种方法提高以太网信道利用率的三种方法n我们大家都知道影响信道利用率的最主要因素就是信号冲突，那么我们就有必要分析一下信号冲突产生的因素：产生冲突的原因有很多，诸如：p数据分组的长度， T0 = L/C (s)帧长/ 速率 （以太网的最大帧长度为1518字节）p网络的直径（ ）p同一冲突域中节点的数量越多，产生冲突的可能性就越大。有了以上的分析不难得出提

22、高以太网信道利用率的方法三p使用网桥和交换机将网络分段，将一个大的冲突域划分为若干小冲突域（这也是前面为什么会提到冲突域的问题，因为前面的所有站点都是在同一个冲突域当中），这样前面的问题应会得到相应的化解。 2.9信道利用率的最大值信道利用率的最大值 Smaxn信道利用率最好的情况（理想化的情况）p发送数据没产生冲突。p发送一帧占用线路的时间是 T0 + p发送的每一帧的长度都是帧的最大长度极限信道利用率 Smax为：3 常用的以太网技术和标准常用的以太网技术和标准3.1早期4种正式的10 M以太网标准传统的以太网是共享以太网p 10Base-5：最初的粗同轴电缆以太网标准10：速率10M； BASE：基带传输； 5：500米。p 10Base-2：细同轴电缆以太网标准。 细同轴电缆便宜，可靠性性差 2：185米p 10Base-T：使用集线器和双绞线的以太网标准 更可靠、便宜和灵活 T：双绞线p 10Base-F：光缆以太网标准 价格较贵，不灵活 F ：光缆3 .2 常用的以太网技术常用的以太网技术n10Base2以太网 10Base2是一种非常流行的以太网技术 它使用总线拓扑结构，节点是线性方式连接的，连接的介质是同轴电缆，10代表1