以太网交换技术
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• Ethernet核心技术：随机争用型介质访 问控制方法。（CSMA/CD） (IEEE 802.3)
• 作用：解决多结点共享公用总线传输介 质的问题
• 随机争用型：任何连网结点都是随机发 送数据，网中无集中控制，各结点都必 须平等地争用发送时间。
载波监听多路访问（CSMA）控制方法
CSMA发送流程可以概括为：
更高层
LLC子层
802.2逻辑链路控制层
数据链路层 物理层
MAC子层
物理收发信号
wk.baidu.com
PLS
接入单元接口
AUI
物理介质连接设备
PMA
介质接入
物理介质
单元MAU
802.3/802.3u/802.3z/80 2.3ab、CSMA/CD
802.4令牌总线 802.5令牌环 802.6 城域网
同轴电缆双绞线光纤
以太网的工作原理
• ③一旦监听到冲突，立即停止发送，并在短时间 内坚持连续向总线上发一串阻塞信号强化冲突， 通知总线上各站有冲突发生，以便及早空出信道， 提高信道的利用率；
• ①监听总线，如果媒体是空闲的，则以P 的概率发送，而以（1-P）的概率延迟一 个时间单位。单位时间通常等于最大的 传播延迟的2倍。
• ②如果媒体是忙的，继续监听，直至检 测到媒体空闲，重复步骤①。
• ③如果传输延迟了一个时间单位，则重 复步骤①。
• 在具体实现以概率p发送数据时，可以选择一个在 0-1之间的随机数I。若I<=p(概率p的大小是事先 给定的),则发送数据，否则延迟时间t后再重新监 听信道。
以太网交换技术
3.1 以太网和局域网IEEE802标准
• 1973年由美国 Xerox公司独自开发, 后由 DEC, Intel两公司加入
• IEEE802.3标准：以太网 • 媒体存取方式：CSMA/CD • 编码方式：曼彻斯特编码
IEEE802标准的概念
• IEEE802： 1980年2月，美国电气与电子 工程协会（Institute of Electrical and Electronics Engneers）完成一个名为802的 项目。
• 起始符为10101011，标志着一帧的开始。
• 目的地址共48位，指示接收站点。最高位为“0”时表 示唯一地址或单播地址（unicast address）；最高位为 “1”时表示组地址或组播地址（ multicast address）； 全“1”时为广播地址（broadcast address）。
1坚持CSMA
• ①如果媒体是空闲的，则可以发送； • ②如果媒体是忙的，则继续监听，直至检测到
媒体空闲，立即发送。 • ③如果有冲突（在一段时间内未收到肯定的回
复），则等待一随机量的时间，重复步骤①。
• 优点： –只 要 媒 体 空 闲 ， 站 点 就 立 即 发 送 ， 可 充 分 利用信道。
➢针对范围：OSI的第一层(物理层)和第二层(数 据链路层)
➢目的：定义了与物理配线及数据传输有关的 网络问题
IEEE802.3帧
字节 7
1
6
6
2 46~1500 4
前导码| 帧首定界符| 目的地址 | 源地址 | 类型 | 数据区| 帧校验序
SFD
DA
SA
TYPE DATA FCS
• 前导符是7个字节的10101010。前导符字段的曼彻斯特 编码会产生10MHz、持续5.6µs 的方波，便于接收方的 接收时钟与发送方的发送时钟进行同步。
• 如何确定P值，是问题的关键。
• 实际上，若P=1，就是1坚持CSMA。
• 若媒体忙时，有N个站有数据等待发送，一旦当前 的发送完成时，将要试图传输的站的期望值为NP， 若P过大，使NP>1，表明有多个站试图发送，冲突 不可避免。
• 所以必须使NP<1，当然，若P过小，则媒体利用率 会大大降低。
以太网基本原理——CSMA/CD
• 先听后发
• 具体方法是网中各站在发送信息帧之前，先监听 信道，看信道是忙或闲，如信道闲（即没有别的 站往信道上发送信息帧）就发送信息帧；否则， 就推迟自己的发送行动。推迟的时间，选择一种 退避算法决定。根据退避算法，载波侦听多路访 问可以分为三种类型：
• 非坚持型CSMA • 1-坚持型CSMA • P坚持型CSMA。
• CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection 载波侦听多路访问/冲突检测协议
A
B
C
D
广播方式的以太网数 据的发送和接收
以太网基本原理——CSMA-CD
• CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection 载波侦听多路访问/冲突检测协议
• 缺点： –假如有两个或两个以上的站点有数据要发 送，冲突就不可避免。(为什么？）
• 因为：总线有一定的长度，且信号在信 道上以有限的速度传输，故当一个站发 送数据时，另一个站要经过一段传播延 迟时间才能检测到载波，即某站监听到 信道空闲，并非真正空闲。为此采用P坚 持CSMA。
（3）P坚持CSMA
节点A和节点B监听
B
两节点都检测到空闲状态
A
节点A和节点B传输
在线上发生冲突
随机等待
网络节点同时发送产生冲突
若碰撞次数>=16差错处理
CSMA/CD工作原理
CSMA/CD的发送流程：
• 先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重发
• ①每站在发送数据前，先监听信道是否空闲；
• ②若信道空闲，则发送数据，并继续监听下去；
• PAD字段用于数据填充。当用户数据不足46字 节时，要求将用户数据凑足46字节，以保证 IEEE802.3的帧长度不小于64字节（14字节帧 头+ 46字节数据+ 4字节CRC）。
• IEEE802.3的最大帧长度是1518字节（14字节
帧头+ 1500字节数据+ 4字节CRC）。
以太网结构和IEEE802标准
非坚持CSMA
• ①如果媒体是空闲的，则可以发送； • ②如果媒体是忙的，就不再坚持听下去，延迟一随
机时间后再重新监听，重复步骤①。 • 优点：
–采用随机重发延迟时间，可以减少冲突的可能 性。
• 缺点： –由于一旦监听到信道忙就延迟一随机时间再重 新监听，很可能在重新监听前信道就已经空闲， 故信道利用率不是很高，可采用1坚持CSMA。
• 作用：解决多结点共享公用总线传输介 质的问题
• 随机争用型：任何连网结点都是随机发 送数据，网中无集中控制，各结点都必 须平等地争用发送时间。
载波监听多路访问（CSMA）控制方法
CSMA发送流程可以概括为：
更高层
LLC子层
802.2逻辑链路控制层
数据链路层 物理层
MAC子层
物理收发信号
wk.baidu.com
PLS
接入单元接口
AUI
物理介质连接设备
PMA
介质接入
物理介质
单元MAU
802.3/802.3u/802.3z/80 2.3ab、CSMA/CD
802.4令牌总线 802.5令牌环 802.6 城域网
同轴电缆双绞线光纤
以太网的工作原理
• ③一旦监听到冲突，立即停止发送，并在短时间 内坚持连续向总线上发一串阻塞信号强化冲突， 通知总线上各站有冲突发生，以便及早空出信道， 提高信道的利用率；
• ①监听总线，如果媒体是空闲的，则以P 的概率发送，而以（1-P）的概率延迟一 个时间单位。单位时间通常等于最大的 传播延迟的2倍。
• ②如果媒体是忙的，继续监听，直至检 测到媒体空闲，重复步骤①。
• ③如果传输延迟了一个时间单位，则重 复步骤①。
• 在具体实现以概率p发送数据时，可以选择一个在 0-1之间的随机数I。若I<=p(概率p的大小是事先 给定的),则发送数据，否则延迟时间t后再重新监 听信道。
以太网交换技术
3.1 以太网和局域网IEEE802标准
• 1973年由美国 Xerox公司独自开发, 后由 DEC, Intel两公司加入
• IEEE802.3标准：以太网 • 媒体存取方式：CSMA/CD • 编码方式：曼彻斯特编码
IEEE802标准的概念
• IEEE802： 1980年2月，美国电气与电子 工程协会（Institute of Electrical and Electronics Engneers）完成一个名为802的 项目。
• 起始符为10101011，标志着一帧的开始。
• 目的地址共48位，指示接收站点。最高位为“0”时表 示唯一地址或单播地址（unicast address）；最高位为 “1”时表示组地址或组播地址（ multicast address）； 全“1”时为广播地址（broadcast address）。
1坚持CSMA
• ①如果媒体是空闲的，则可以发送； • ②如果媒体是忙的，则继续监听，直至检测到
媒体空闲，立即发送。 • ③如果有冲突（在一段时间内未收到肯定的回
复），则等待一随机量的时间，重复步骤①。
• 优点： –只 要 媒 体 空 闲 ， 站 点 就 立 即 发 送 ， 可 充 分 利用信道。
➢针对范围：OSI的第一层(物理层)和第二层(数 据链路层)
➢目的：定义了与物理配线及数据传输有关的 网络问题
IEEE802.3帧
字节 7
1
6
6
2 46~1500 4
前导码| 帧首定界符| 目的地址 | 源地址 | 类型 | 数据区| 帧校验序
SFD
DA
SA
TYPE DATA FCS
• 前导符是7个字节的10101010。前导符字段的曼彻斯特 编码会产生10MHz、持续5.6µs 的方波，便于接收方的 接收时钟与发送方的发送时钟进行同步。
• 如何确定P值，是问题的关键。
• 实际上，若P=1，就是1坚持CSMA。
• 若媒体忙时，有N个站有数据等待发送，一旦当前 的发送完成时，将要试图传输的站的期望值为NP， 若P过大，使NP>1，表明有多个站试图发送，冲突 不可避免。
• 所以必须使NP<1，当然，若P过小，则媒体利用率 会大大降低。
以太网基本原理——CSMA/CD
• 先听后发
• 具体方法是网中各站在发送信息帧之前，先监听 信道，看信道是忙或闲，如信道闲（即没有别的 站往信道上发送信息帧）就发送信息帧；否则， 就推迟自己的发送行动。推迟的时间，选择一种 退避算法决定。根据退避算法，载波侦听多路访 问可以分为三种类型：
• 非坚持型CSMA • 1-坚持型CSMA • P坚持型CSMA。
• CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection 载波侦听多路访问/冲突检测协议
A
B
C
D
广播方式的以太网数 据的发送和接收
以太网基本原理——CSMA-CD
• CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection 载波侦听多路访问/冲突检测协议
• 缺点： –假如有两个或两个以上的站点有数据要发 送，冲突就不可避免。(为什么？）
• 因为：总线有一定的长度，且信号在信 道上以有限的速度传输，故当一个站发 送数据时，另一个站要经过一段传播延 迟时间才能检测到载波，即某站监听到 信道空闲，并非真正空闲。为此采用P坚 持CSMA。
（3）P坚持CSMA
节点A和节点B监听
B
两节点都检测到空闲状态
A
节点A和节点B传输
在线上发生冲突
随机等待
网络节点同时发送产生冲突
若碰撞次数>=16差错处理
CSMA/CD工作原理
CSMA/CD的发送流程：
• 先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重发
• ①每站在发送数据前，先监听信道是否空闲；
• ②若信道空闲，则发送数据，并继续监听下去；
• PAD字段用于数据填充。当用户数据不足46字 节时，要求将用户数据凑足46字节，以保证 IEEE802.3的帧长度不小于64字节（14字节帧 头+ 46字节数据+ 4字节CRC）。
• IEEE802.3的最大帧长度是1518字节（14字节
帧头+ 1500字节数据+ 4字节CRC）。
以太网结构和IEEE802标准
非坚持CSMA
• ①如果媒体是空闲的，则可以发送； • ②如果媒体是忙的，就不再坚持听下去，延迟一随
机时间后再重新监听，重复步骤①。 • 优点：
–采用随机重发延迟时间，可以减少冲突的可能 性。
• 缺点： –由于一旦监听到信道忙就延迟一随机时间再重 新监听，很可能在重新监听前信道就已经空闲， 故信道利用率不是很高，可采用1坚持CSMA。