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2.4 以太网

以太网并不属于网络的一种,而是代表一种局域网技术,也是现在使用最多的局域网技术。根据局域网所使用的拓扑结构和介质,可以采用多种技术构建局域网。

以太网是最常见的局域网技术,现在使用的绝大部分局域网都在使用以太网技术。电气与电子工程协会(IEEE)在IEEE 802.3标准中,制定了以太网的技术标准,包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。现在的以太网分为两种,一种是经典以太网(总线型),另一种是交换式以太网,CSMA/CD主要用在经典以太网中。共享式以太网是以太网最早期的状态,已经被交换式以太网所取代。

2.4.1 共享式以太网

在介绍网络的结构时,提到过总线型结构,共享式以太网就采用了总线型结构。在共享式以太网中,所有节点都共享一段传输通道,并且通过该通道传输信息。除了总线型结构外,一部分采用了集线器的星形结构也属于共享式以太网。

1.共享式以太网的特点

共享式以太网的主要特点如下。

● 通信采用半双工,即所有节点都可以发送和接收数据,但同一时刻只能选择发送或者接收数据。

● 对于较大的数据,以太网通过分包的方式传输,这种数据包就是数据帧。

● 在出现通信冲突时,会使用CSMA/CD协议。

共享带宽: 所有设备都共享总带宽,每个设备获得1/n的带宽。

2.CSMA/CD协议

CSMA/CD协议(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)的全称是“载波监听多点接入/碰撞检测”,其中,“多点接入”指的是网络上的计算机以多点方式接入。“载波监听”指的是用电子技术检测网线,每个设备发送数据前都需要检测网络上是否有其他计算机在发送数据,如果有,则暂时停止发送数据。

从电气原理上解释,计算机在发送数据时同时检测网线上电压的大小。如果有多个设备在发送数据,那么往往线上的电压就会有大的波动,计算机就会认为产生了碰撞(冲突)。所以CSMA/CD也叫“带冲突检测的载波监听多路访问”。

当某个网络上的设备A检测到网络是空闲的,就开始向设备B发送数据。虽然电信号非常快,但也不是瞬间就可以到达的,总会经过一段极其微小的时间。若在这段时间内,恰巧B因为检测到网上没有信号,并开始发送数据,那么结果就是,数据刚发送出去,就碰撞了,整个过程如图2-14所示,两个帧都没法使用了。

图2-14

其中B本来应该在 t = τ 时收到A数据,但其检测网络没有数据传输后,立马发送了数据,并在 t = τ 时收到了数据,经过检测判断,刚才发生的包与现在接收的包已经发生了碰撞。而A在发送完数据后,应该等到 t =2 τ 接收到B返回的信息,但是因为B提前发送了,所以A收到数据的时间其实是小于2 τ 的,经过检测判断,网络上发生了碰撞。2 τ 被称为“征用期”,也叫作“碰撞窗口”。如果这段时间后,仍没检测到碰撞,就认为发送未产生碰撞。所以使用CSMA/CD协议的以太网不能使用全双工,只能使用半双工模式通信。每个站点发送数据后,都会存在碰撞的可能。这种不确定性直接降低了以太网的带宽。

检测到碰撞发生后,发送端以及接收端立即停止发送数据,并继续发送若干比特的人为干扰信号,让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

2.4.2 共享式以太网的工作过程

共享式以太网标准结构就是总线型拓扑结构,如图2-15所示。

图2-15

工作过程如下。

如果PC3给PC1发送信息,则PC3向总线上发送一个数据帧,其他所有计算机都能接收到数据帧。然后计算机会检测该数据帧,当PC1发现数据帧的目的地址是自己时,就会接收该数据,并向上层提交。如果其他计算机发现目的地址不是自己时,就会将该数据帧丢弃。以太网就会在具有广播特性的总线上实现一对一的数据通信。

由于以太网的信道质量较好,误差较小,所以以太网对数据帧不进行编号,也不要求对方发回确认。另外也不必先建立连接,就可直接发送数据。换言之,以太网提供的是不可靠的交付,是尽最大努力的交付。通过校验数据帧,如果发生了错误,接收端就会丢弃。而这个错误,上层会有对应的机制解决,数据链路层不作考虑。当上层发现数据少了,会要求发送端重传,对于数据链路层来说,这次发送的帧和之前发送的帧,按照同样的标准进行发送和接收,不会考虑是不是上一次的后续,或者是跟上一次有任何联系的情况。

2.4.3 交换式以太网

交换式以太网是以交换机为中心构成的,是一种星形拓扑结构的网络。现在已经广泛应用于局域网中。它的出现将共享式以太网的冲突问题隔绝在每一个端口,并摆脱了所有设备共享一条数据总线的固有缺陷。

在共享式以太网中,因为都处于一条总线中,所以容易产生冲突而导致数据发送失败。而在交换式以太网中,将冲突隔绝在每一个端口,涉及该端口的通信设备之间才可能产生冲突,对于其他端口则正常传输数据。关于冲突域将在后面的章节介绍。

在共享式以太网中,所有节点共享一条通信线路,因此当多个节点同时访问线路时,会造成线路拥塞,从而降低数据的传输速率。而交换式以太网以交换器为中心,为所有设备提供连接的接口,由它来提供数据的转发和传输,就好像每个节点都拥有一条独立的通信线路,节点之间的数据传输可以同时进行,不会造成线路阻塞,引起传输速率降低。 tpRHoi6aYgOygJl3nAM7yRWNQ4JdIozaLbRGyibQG0j28QyiWyh6hjcNWta/OX/L

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