以太网CSMA/CD协议

    1、以太网的概念
    以太网最早由Xerox（施乐）公司在1975年创建。
    1980年，DEC（数字装备公司）、lntel（英特尔公司）和Xerox三家公司联合推出以太网(EtherNet)规约，即Ethernet V1标准。
    1982年，修改为第二版，DIX Ethernet V2。
    1983年，IEEE 802 委员会以DIX Ethernet V2为基础，推出了IEEE802.3标准，IEEE802.3又叫做具有CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)的网络。
    IEEE802.3以太网标准是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）、千兆以太网（1000Mbit/s）和１０Ｇ（１０Gbit/s）以太网系列，它们都采用CSＭＡ／ＣＤ访问控制方法，符合IEEE802.3标准。
    根据以太网使用的电缆类型和信号处理方法，习惯用类似于“10Base-T”的方式进行命名。这种命名方式由三个部分组成。
    10：表示速率，单位是Mbps。
    Base:表示传输机制，Base代表基带，Broad代表宽带。
    T:传输介质，T表示双绞线，F表示光纤。
    2、以太网CSMA/CD工作过程
    首先网络中的每个结点都能访问总线，通过总线发送数据，称为多路访问。
    在发送数据前，结点需要先“听”一下总线上是否有数据信号，这个过程称为载波侦听。
    如果“听”到总线没有数据信号，总线空闲，那么结点就将数据帧发送出去。此时也有可能另一站点同时检测到总线空闲，也发送了数据帧，便发生了“冲突”，如图4所示，在A发送的数据还未到达B站点时、B站点也检测到总线空闲，发送了数据帧，这时便发生了冲突。

    所以在发送数据帧的同时，还需要继续监听总线，检测是否发生了冲突，称为冲突检测。如果检测到了冲突，就马上停止数据发送,并发送一个加强干扰信号，用以通知总线上其他各有关站点发生了冲突。
    如果检测到有总线上有数据信号，结点便避让一段时间后再尝试。
    3、退避算法
    上面谈到在监听总线过程中，如果检测到有总线上有数据信号，结点便避让一段时间后再尝试,决定退让时间的方法称为退避算法，常用的退避算法有非坚持、1-坚持、P-坚持3种。
    (1)非坚持算法。如果检测到有总线上有数据信号，则等待一个随机时间，再去重新检测总线。它的缺点是，可能有几个站点要发送数据，且都检测到总线上有信号，则都会等待一个随机时间，可能就在这个随时时间里，总线上数据传完，处于空闲状态，故使用率降低。
    (2)1-坚持算法。若发生了冲突，则采用二进制指数退避算法延迟一段时间再去检测。它的优点是，总线利用率高，缺点是假若有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。以太网就是采用这种方法。
    (3)P-坚持算法。如果检测到总线是空闲的，则以P的概率发送，而以1-P的概率延迟一个时间单位发送。延迟后，再检测，若空闲，再以P的概率发送，1-P的概率延迟发送。P-坚持算法的关键在于选择P的有效值，P过大，冲突就不可避免，P过小，则总线利用率低。
    4、以太网帧格式
    伴随着以太网的发展，历史上以太网帧格式有五种 ，现在我们介绍的是IEEE802.3一般帧格式，其格式如下图所示：

    图中各字段含义如下：
    前导码字段(P)：作用是使接收端进入同步状态，以便数据的接，其格式为7个字节的10101010；
    帧开始标志(SFD)：紧跟在前导码字段之后标识本信息帧的开始，其格式为10101011，当控制器将接收帧送入缓冲器时，前导码字段(P)和帧开始标志(SFD)均被去除，类似地当控制器发送帧时，这两个字段作为前缀加入帧中，下面我们在计算最小帧长和最大帧时都是指去除前缀时的长度；
    信宿/信源地址(DA/SA)：分别对应目的地址和源地址，MAC地址可以用2－6字节来表示，原则上是这样，但实际都是6字节；
    数据字段长度(L)：表示DATA字段的实际长度，占2字节；
    用户数据字段(DATA)：长度小于1500字节，存放高层LLC的信息,当该字段长度为1500字节时，帧的最大长度为1518字节；
    填充字段(PAD)：为保证帧长度不小于64字节，用填充字段，填充字段不大于46字节；
    帧检验序列(FCS)：4个字节，用于循环冗余校验码。
    5、帧的最小长度
    以太网发送的帧的长度必须足够大，以确保发送端在收到冲突信号时还在发送数据。也就是说整个帧的发送时间T应当不小于信号在网中“传播距离最大”的两个结点之间传输时间的两倍2t，t为最远站点之的传输时间。
    帧传输时间可以这样估算：t=帧从结点到媒体的时间 + 媒体上传输的时间 + 转发器的处理时间。
    以IEEE802.3定义的标准CSMA/CD网络10BASE5为例，来分析一下帧实际传输时间的估算。10BASE5的基本特征是：基带传输、速率为10Mbps、采用粗同轴电缆、单段缆线最长500米、最多允许5段，如下图：

    图中各数字意义如下：
    1、信号发送到结点的时间约2us,即20比特时间；
    2、信号从结点到媒体的时间（50米）约0.25 us ，即2.5比特时间。计算方法是传输距离除于传输速率,传输速率约光速的2/3，即200m/ us；
    3、介质存取单元（Media Access Unit,MAU）收发时间约2us,即20比特时间；
    4、2500米传输所需时间约12.5us,即125比特时间，计算方法同上；
    5、4个中继器转发处理时间约8us,即80比特时间（20比特/中继器）；
    困此，t=(20+2.5+20+125+80) (比特时间)
    T=(20+2.5+20+125+80)*2 = 512 (比特时间)
    即为了保证发送结点在完成发送任务之前可以发现冲突，帧的最小长度规定为512位（64字节），那么根据MAC帧格式可知，当DATA数据字段为0，为保证帧的最小长度为64字节，可填充的PAD字段的最大长度应为46字节。

    6、二进制指数退避算法
    二进制指数退避算法过程如是，将检测到冲突发生的最长时间2t当作一个时隙：
    发生第一次冲突后，站点等待0或1个时隙再开始重传；
    发生第二次冲突后，站点随机地选择等待0，1，2或3个时隙再开始重传；
    第i次冲突后，在0至2ⁱ-1间随机地选择一个等待的时隙数，再开始重传;
    当i>=10次冲突，选择等待的时隙数固定在0至1023（2¹⁰-1）间；
    当i>=16次冲突，丢弃该帧，发送失败，报告上层协议。
    CSMA/CD的特点是并不能避免冲突的发生，只能解决冲突带来的问题，以太网在共享总线上运行CSMA/CD协议,存在以下特点:共享介质，不适应重负荷应用环境；帧的延迟不能确定，实时性差；无优先级区分，重要的帧和不重要的帧都有相同的权力使用总线；存在碰撞域,以太网内的结点和以太网的覆盖范围受到限制等，但由于设计简单方便，还是得到了广泛应用。