計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自頂向下(以太網(wǎng))-軟件工程專業(yè)

軟件工程

以太網(wǎng)以太網(wǎng)1.以太網(wǎng)的基本要素2.CSMA/CD協(xié)議3.以太網(wǎng)技術(shù)1.以太網(wǎng)的基本要素

一個(gè)以太局域網(wǎng)（EthernetLAN)可能形式多種多樣，它可以有一個(gè)總線拓?fù)浠蛘呤切切屯負(fù)?，它可以在同軸電纜，雙絞線或者光纖上運(yùn)行，它可以有不同的數(shù)據(jù)傳送速率，如：10Mbps,100Mbps和1Gbps。以太網(wǎng)的形式雖然各有不同，但是它們都有一些共同的特性。以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)提供無(wú)連接服務(wù)以太網(wǎng)采用基帶傳輸和曼徹斯特編碼以太網(wǎng)MAC幀物理層MAC層1010101010101010101011前同步碼幀開始定界符7字節(jié)1字節(jié)…IP層目的地址源地址類型數(shù)據(jù)CRC6624字節(jié)46~1500IP數(shù)據(jù)報(bào)1.1以太網(wǎng)的MAC

幀結(jié)構(gòu)幀定界符8字節(jié)數(shù)據(jù)字段的最小長(zhǎng)度＝最小幀長(zhǎng)64字節(jié)

18字節(jié)首部尾部=461.1以太網(wǎng)的MAC

幀結(jié)構(gòu)說(shuō)明先導(dǎo)字段（8字節(jié)）：前7個(gè)字節(jié)均是10101010用于喚醒接收方，并使之與發(fā)送方的時(shí)鐘同步，最后一個(gè)字節(jié)是10101011用于告訴接受方我發(fā)送的數(shù)據(jù)來(lái)了。。。目的地址字段（6字節(jié)）：用于確定信道上的信號(hào)發(fā)送給該局域網(wǎng)中的哪個(gè)適配器源地址（6字節(jié)）：發(fā)送該幀的局域網(wǎng)上的適配器地址，誰(shuí)發(fā)的就是誰(shuí)的地址類型（2個(gè)字節(jié)）：標(biāo)志上一層使用的是什么協(xié)議，以便把收到的MAC幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個(gè)協(xié)議。1.1以太網(wǎng)的MAC

幀結(jié)構(gòu)說(shuō)明數(shù)據(jù)字段（46-1500字節(jié)）：這個(gè)字段攜帶IP數(shù)據(jù)報(bào)，以太網(wǎng)的最大傳輸單元是1500字節(jié)，多于1500字節(jié)的數(shù)據(jù)報(bào)將被分片處理，數(shù)據(jù)字段的最小長(zhǎng)度是46字節(jié)，不夠46字節(jié)的需要填充到46個(gè)字節(jié)。這里大家想一下為什么最小數(shù)據(jù)幀是46？循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC4字節(jié)）：CRC字段的目的是使得接收端的適配器檢測(cè)發(fā)送方發(fā)過(guò)來(lái)的幀當(dāng)中是否有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)字段的最小長(zhǎng)度＝最小幀長(zhǎng)64字節(jié)

18字節(jié)首部尾部=461.2以太網(wǎng)提供無(wú)連接服務(wù)所有的以太網(wǎng)技術(shù)都向網(wǎng)絡(luò)層提供了無(wú)連接服務(wù)，也就是說(shuō)適配器A要向適配器B發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)：A會(huì)直接的把該數(shù)據(jù)報(bào)封裝在以太網(wǎng)幀中，然后將這一幀發(fā)送到局域網(wǎng)上，而不會(huì)事先先和適配器B“握手”。B接收到A的幀時(shí)間，通過(guò)CRC校驗(yàn)之后，適配器并不發(fā)一個(gè)確認(rèn)幀，即使是校驗(yàn)失敗了也不會(huì)發(fā)否認(rèn)幀，而是直接丟棄。這時(shí)間的A根本也不知道它發(fā)送的幀是被接受了還是被丟棄了，至于丟棄幀所造成的影響由B的上層協(xié)議負(fù)責(zé)。1.3以太網(wǎng)采用基帶傳輸和曼徹斯特編碼以太網(wǎng)使用基帶傳輸就是說(shuō)適配器直接向廣播信道發(fā)送數(shù)字信號(hào)基帶數(shù)字信號(hào)曼徹斯特編碼

碼元1111100000出現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換2.CSMA/CD協(xié)議CSMA/CD=CarrierSenseMultipleAccess

withCollisionDetection

=載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/沖突檢測(cè)

是隨機(jī)訪問(wèn)算法－爭(zhēng)用型協(xié)議CSMA/CD發(fā)展想發(fā)就發(fā)，沖突重發(fā)＝>>ALOHAALOHA＋載波檢測(cè)＝>>CSMA

載波檢測(cè)：發(fā)送前，先監(jiān)聽信道，信道空才發(fā)CSMA＋沖突檢測(cè)＝>>CSMA/CD

沖突檢測(cè)：發(fā)送時(shí)，邊發(fā)邊測(cè)。2.1CSMA/CA協(xié)議基本思想CSMA/CD的工作原理可概括成四句話，即：

先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停止，隨機(jī)延后重發(fā)

載波監(jiān)聽：先聽后發(fā)發(fā)送前先監(jiān)聽總線上是否有信號(hào)，如果有，則停止發(fā)送數(shù)據(jù)(避免沖突)，同時(shí)繼續(xù)監(jiān)聽，直至發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)（信道空閑：96bit時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到信道上有信號(hào)），發(fā)送數(shù)據(jù).沖突檢測(cè)：邊聽邊發(fā)邊發(fā)送數(shù)據(jù)，邊檢測(cè)信道看是否與別人發(fā)生沖突，

若沖突，立即停止發(fā)送，隨機(jī)延遲后再去“載波監(jiān)聽”2.2沖突檢測(cè)這里引出來(lái)一個(gè)疑問(wèn)，為什么有了載波監(jiān)聽（先聽再發(fā)），還要沖突檢測(cè)（邊發(fā)邊聽）？？

即，為什么測(cè)到信道閑再發(fā)送，仍會(huì)沖突？原因：一個(gè)站點(diǎn)檢測(cè)到自己附近沒有信號(hào)并不意味著信道上面沒有信號(hào)，電磁波傳播需要時(shí)間，以下兩種可能性會(huì)導(dǎo)致信號(hào)沖突。有別的一個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)正在發(fā)送而信號(hào)，但是發(fā)送的信號(hào)還沒有傳播到要發(fā)送信號(hào)的這個(gè)站點(diǎn)?？赡苡袆e的一個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)檢測(cè)到它自己周圍信道上沒有信號(hào)，自己正準(zhǔn)備發(fā)送而信號(hào)。2.3實(shí)例分析1kmABt沖突t=

B發(fā)送數(shù)據(jù)B檢測(cè)到發(fā)生沖突t=t=02.3實(shí)例分析思考：經(jīng)過(guò)2時(shí)間沒有檢測(cè)到?jīng)_突，可以肯定這次發(fā)送不會(huì)發(fā)生沖突，這是為什么？？？概念：以太網(wǎng)將2稱為爭(zhēng)用期(contentionperiod)，

或沖突窗口，競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間片、時(shí)間槽、沖突時(shí)間片。2.3爭(zhēng)用期的長(zhǎng)度理論上，CSMA/CD協(xié)議的爭(zhēng)用期為2工程上，10M以太網(wǎng)，取51.2s為爭(zhēng)用期的長(zhǎng)度。在爭(zhēng)用期內(nèi)可發(fā)送512bit，即64字節(jié)。爭(zhēng)用期長(zhǎng)度，又稱為512位延遲(51.2us)。以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若前64字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會(huì)發(fā)生沖突。2.4最短有效幀長(zhǎng)

10Mb/s以太網(wǎng)，如果監(jiān)測(cè)到發(fā)生沖突，

一定是在發(fā)送的前64字節(jié)之內(nèi)。監(jiān)測(cè)到?jīng)_突后立即中止發(fā)送，

這時(shí)已發(fā)出的數(shù)據(jù)少于64個(gè)字節(jié)。這也就是為什么以太網(wǎng)規(guī)定：凡是長(zhǎng)度小于64字節(jié)的幀都認(rèn)為是由于沖突而異常中止的碎片：無(wú)效幀。所以：10M以太網(wǎng)規(guī)定最短有效幀長(zhǎng)為64字節(jié)2.5小結(jié)載波檢測(cè)只能減少?zèng)_突，不能避免沖突

當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)監(jiān)聽到信道空閑時(shí)，也可能信道并非是空閑的。原因：電磁波傳播需要時(shí)間，而監(jiān)聽只能測(cè)到本站接入點(diǎn)的信號(hào)。所以發(fā)送后需要檢測(cè)是否發(fā)生沖突：“沖突檢測(cè)”

若沖突，立即停止發(fā)送，隨機(jī)延遲后在“載波檢測(cè)”經(jīng)過(guò)2時(shí)間沒有檢測(cè)到?jīng)_突，可以肯定這次發(fā)送不會(huì)發(fā)生沖突線路越長(zhǎng)，這種沖突的概率越大。設(shè)：信號(hào)傳播速度c=200m/us，總線長(zhǎng)d＝100m，＝d/c=100/200=0.5us，2＝1us1us內(nèi)，有其他站點(diǎn)發(fā)送，都可能沖突總線長(zhǎng)d＝500m，＝d/c=500/200=2.5us，2＝5us

5us內(nèi)，有其他站點(diǎn)發(fā)送，都可能沖突2.5小結(jié)（續(xù)）以太網(wǎng)在最小幀長(zhǎng)度不變的情況下，如果網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)率由10Mbps改為100Mbps，請(qǐng)問(wèn)端到端的最長(zhǎng)距離應(yīng)該如何變化，答案是縮短到原來(lái)的1/5，因?yàn)楸仨毐ＷC在發(fā)送幀的時(shí)間大于信號(hào)往返的時(shí)間。如果保證端到端距離不變的情況下網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)率由10Mbps改為100Mbps，則最小幀長(zhǎng)度則會(huì)變成原來(lái)的10倍，上面的例子如有不太恰當(dāng)之處，請(qǐng)大家及時(shí)指出。

2.6

截?cái)嘈投M(jìn)制指數(shù)退避算法前面說(shuō)的既然載波檢測(cè)只能減少?zèng)_突，若是沖突真的發(fā)生后延遲相同的時(shí)間，沖突雙方乃至多方仍然都會(huì)測(cè)到信道閑，很容易再次沖突，如下圖所示：延遲相同時(shí)間CBA用戶時(shí)間2.6截?cái)嘈投M(jìn)制指數(shù)退避算法各站互相不能聯(lián)系，如何讓各站延遲不同的時(shí)間？

＝>>需要?jiǎng)討B(tài)算法分配等待時(shí)間

＝>>隨機(jī)取值如何取隨機(jī)值？已知：發(fā)送后最多經(jīng)過(guò)2時(shí)間就能檢測(cè)到?jīng)_突，

所以，以2為時(shí)間單位，取隨機(jī)數(shù)n＝random（0，X）延時(shí)n倍的2時(shí)間再去監(jiān)聽信道二個(gè)沖突站，取不同的n，可以避免再次沖突2.6.1隨機(jī)數(shù)的范圍n＝random（0，X），X如何取？X太小，負(fù)載重時(shí)，沖突太多設(shè)，有8個(gè)站要發(fā)信，若X=3，可取0，2、4、6

沖突可能性相當(dāng)大X太大，負(fù)載輕時(shí)，效率低，延時(shí)大

設(shè)，只有A，B二個(gè)站要發(fā)信，

X=100，可取0，2、4、……，200

若A取180，B取190，

0～180時(shí)間內(nèi)信道浪費(fèi)2.6.2退避算法分析希望：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前負(fù)載計(jì)算延遲時(shí)間：輕載時(shí)(發(fā)送站少)，在較小的區(qū)間取隨機(jī)數(shù)重載時(shí)(發(fā)送站多)，在較大的區(qū)間取隨機(jī)數(shù)如何知道負(fù)載輕重：根據(jù)幀的重復(fù)沖突次數(shù)猜測(cè)負(fù)載輕重

＝>>重復(fù)沖突次數(shù)多，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重

＝>>延時(shí)時(shí)間區(qū)間大，分散負(fù)載2.6.3二進(jìn)制指數(shù)規(guī)律為每個(gè)幀設(shè)一個(gè)局部參數(shù)L當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時(shí)，令L＝2每重復(fù)沖突一次，L加倍

L=2，4，8，16，……n＝random（0，L-1）隨機(jī)退避n*2時(shí)間再監(jiān)聽信道等價(jià)于：第i次沖突：L=2in=random（0～2i-1）所以，稱為二進(jìn)制指數(shù)規(guī)律效果：沖突少的幀重發(fā)成功的機(jī)會(huì)大沖突多的幀重發(fā)成功的機(jī)會(huì)小這個(gè)也是它的缺點(diǎn)2.6.4什么是截?cái)嘈汀貜?fù)沖突次數(shù)i較大時(shí)，指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)太快n太大，網(wǎng)絡(luò)效率低，工程上，n取1000已經(jīng)足夠，

所以沖突次數(shù)i≥10（2i-1i=10）時(shí)，L不再加倍Ifi≥10thenn=random（0～1023)

else{L=L*2；n=random（0～L-1)}重復(fù)沖突次數(shù)太多（如i大于15），這種情況可能性不大，猜測(cè)可能網(wǎng)絡(luò)有故障設(shè)置一個(gè)最大重傳次數(shù)M（如，M＝15），

i>M時(shí)，則不再重傳，并向上層報(bào)告出錯(cuò)。綜上，整個(gè)算法等價(jià)于：n=random（0～2i-1）i<10n=random（0～1023)10<=i<162.6.5沖突后，延時(shí)n*2時(shí)間再去監(jiān)聽信道i：當(dāng)前連續(xù)沖突的次數(shù)延時(shí)時(shí)間n*2n=random（0～2i-1）

i<10n=random（0～1023)

10<i<16in101510232.7強(qiáng)化沖突—人為干擾信號(hào)！問(wèn)題：距離較遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)衰減大，

沖突信號(hào)可能被誤測(cè)為不是沖突信號(hào)，那這時(shí)間該怎么辦呢？強(qiáng)化沖突：

一旦發(fā)現(xiàn)沖突，除了立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要發(fā)送較短較強(qiáng)的人為干擾信號(hào)(jammingsignal)，

使其它站點(diǎn)能測(cè)到?jīng)_突信號(hào)。2.7人為干擾信號(hào)實(shí)例分析數(shù)據(jù)幀TBABtA檢測(cè)到?jīng)_突開始沖突干擾信號(hào)TJ數(shù)據(jù)片段信道占用時(shí)間A發(fā)送數(shù)據(jù)B發(fā)送數(shù)據(jù)2.7人為干擾信號(hào)實(shí)例分析A檢測(cè)到?jīng)_突（TB<2），

立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接著就發(fā)送干擾信號(hào)。(B其實(shí)也發(fā)出了干擾信號(hào)，因?yàn)锽的干擾信號(hào)影響到了A發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，這里便于理解沒有畫出B的干擾信號(hào))發(fā)送成功的不確定性使整個(gè)以太網(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。

2.8CSMA/CD流程圖開始發(fā)送載波監(jiān)聽沖突檢測(cè)2內(nèi)沖突是否強(qiáng)化沖突信道忙是否退避算法

隨機(jī)延時(shí)沖突過(guò)多是否

組幀發(fā)送成功放棄發(fā)送通知上層2.9以太網(wǎng)的信道利用率沖突是影響以太網(wǎng)性能的重要因素：

沖突使傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在負(fù)載超過(guò)40％時(shí)，效率明顯下降。而且隨著負(fù)載的繼續(xù)增加，性能急劇下降！沖突域：

在同一個(gè)沖突域中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能收到所有被發(fā)送的幀。2.9以太網(wǎng)的信道利用率

發(fā)送一幀所需的平均時(shí)間傳播時(shí)間

發(fā)完最后一位，再經(jīng)過(guò)時(shí)間，信道上無(wú)信號(hào)在傳播爭(zhēng)用時(shí)間：K×2發(fā)送時(shí)間T0=L/C(s)＝幀長(zhǎng)(bit)/發(fā)送速率(b/s)發(fā)送成功爭(zhēng)用期爭(zhēng)用期爭(zhēng)用期τ2τ2τ2T0τt占用期發(fā)生沖突發(fā)送一幀所需的平均時(shí)間…2.9提高以太網(wǎng)信道利用率的三種方法以太網(wǎng)定義了參數(shù)a=/T0

：端到端時(shí)延T0：幀的發(fā)送時(shí)間方法一：減小a值，可以提高以太網(wǎng)的信道利用率a→0：一發(fā)生沖突就立即可以檢測(cè)出來(lái)，

并立即停止發(fā)送，因而信道利用率很高。a越大，爭(zhēng)用期所占的比例越大，信道浪費(fèi)越大。方法二：減小a值，提高以太網(wǎng)的信道利用率:限制以太網(wǎng)的連線長(zhǎng)度，減小。增加以太網(wǎng)的幀長(zhǎng)，增大T0。

2.9提高以太網(wǎng)信道利用率的三種方法我們大家都知道影響信道利用率的最主要因素就是信號(hào)沖突，那么我們就有必要分析一下信號(hào)沖突產(chǎn)生的因素： 產(chǎn)生沖突的原因有很多，諸如：數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度，T0=L/C(s)＝幀長(zhǎng)/速率

（以太網(wǎng)的最大幀長(zhǎng)度為1518字節(jié)）網(wǎng)絡(luò)的直徑（）同一沖突域中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量越多，產(chǎn)生沖突的可能性就越大。 有了以上的分析不難得出提高以太網(wǎng)信道利用率的方法三使用網(wǎng)橋和交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)分段，將一個(gè)大的沖突域劃分為若干小沖突域（這也是前面為什么會(huì)提到?jīng)_突域的問(wèn)題，因?yàn)榍懊娴乃姓军c(diǎn)都是在同一個(gè)沖突域當(dāng)中），這樣前面的問(wèn)題應(yīng)會(huì)得到相應(yīng)的化解。2.9信道利用率的最大值Smax信道利用率最好的情況（理想化的情況）發(fā)送數(shù)據(jù)沒產(chǎn)生沖突。發(fā)送一幀占用線路的時(shí)間是T0+發(fā)送的每一幀的長(zhǎng)度都是幀的最大長(zhǎng)度極限信道利用率Smax為：3常用的以太網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)3.1早期4種正式的10M以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是共享以太網(wǎng)①10Base-5：最初的粗同軸電纜以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)10：速率10M；BASE：基帶傳輸；5：500米。②10Base-2：細(xì)同軸電纜以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

細(xì)同軸電纜便宜，可靠性性差2：185米③10Base-T：使用集線器和雙絞線的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

更可靠、便宜和靈活T：雙絞線④10Base-F：光纜以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

價(jià)格較貴，不靈活F：光纜3.2常用的以太網(wǎng)技術(shù)10Base2以太網(wǎng) 10Base2是一種非常流行的以太網(wǎng)技術(shù)它使用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)是線性方式連接的，連接的介質(zhì)是同軸電纜，10代表10Mbps，2代表200米，這是任何兩個(gè)中間沒有中繼器的節(jié)點(diǎn)之間的近似最大距離。但是其實(shí)其最大長(zhǎng)度應(yīng)該是185