區域網設計/乙太網
乙太網現在是共享匯流排結構的佈線LAN中最常用的技術，因為它與其他LAN技術（如令牌環和令牌匯流排）相比，是一種簡單且價格便宜的解決方案。
乙太網存在兩種版本，具有不同的幀格式
- DIX乙太網II（1982）：由DEC、英特爾和施樂開發的版本（此後稱為“DIX”首字母縮略詞）；
- IEEE 802.3標準（1983）：由IEEE 802工作組標準化的版本。
由於存在兩種版本的乙太網，因此在更高層協議封裝中存在相當大的不一致性
- 較舊的協議（例如IP）和遠離IEEE的協議使用DIX乙太網II封裝；
- 從一開始就被IEEE標準化的協議（例如STP）使用IEEE 802.3封裝。
DIX乙太網II資料包[1]具有以下格式
| 7位元組 | 1位元組 | 6位元組 | 6位元組 | 2位元組 | 46到1500位元組 | 4位元組 | 12位元組 |
| 前導碼 | SFD | 目標MAC地址 | 源MAC地址 | EtherType | 有效載荷 | FCS | IFG |
| DIX乙太網II幀（64到1518位元組） | |||||||
其中最重要的欄位是
- 前導碼（7位元組）：用於恢復發射機時鐘和接收機時鐘之間同步的位元序列。
- 只要資料包穿過集線器，前導碼就可以縮短→在一個級聯中不能連線超過4個集線器：
區域網設計/中繼器和網橋#物理層互連；
- 幀起始分隔符（SFD）欄位（1位元組）：標識幀開頭的位元序列；
- EtherType欄位（2位元組）：標識有效載荷中使用的上層協議（它是一個大於或等於1500的數字）；
- 幀間隙（IFG）欄位（12位元組）：暫停，即沒有訊號，標識幀的結束。
IEEE 802.3資料包可以具有以下兩種格式之一
| 7位元組 | 1位元組 | 14位元組 | 3位元組 | 0到1497位元組 | 0到43位元組 | 4位元組 | 12位元組 |
| 前導碼 | SFD | MAC頭 | LLC頭 | 有效載荷 | 填充 | FCS | IFG |
| IEEE 802.3幀（64到1518位元組） | |||||||
| 7位元組 | 1位元組 | 14位元組 | 8位元組 | 0到1492位元組 | 0到38位元組 | 4位元組 | 12位元組 |
| 前導碼 | SFD | MAC頭 | LLC SNAP頭 | 有效載荷 | 填充 | FCS | IFG |
| IEEE 802.3幀（64到1518位元組） | |||||||
- 備註
- DIX乙太網II和IEEE 802.3幀具有相同的最小和最大長度，因為IEEE必須指定與舊版本的乙太網相容的幀格式；
- 可以透過檢視源MAC地址後面的欄位中的值來區分DIX乙太網II幀和IEEE 802.3幀
- 如果它小於或等於1500（“長度”欄位），則該幀為IEEE 802.3；
- 如果它大於或等於1536（“EtherType”欄位），則該幀為DIX乙太網II；
- 在IEEE 802.3幀中，“長度”欄位會使“幀間隙”（IFG）欄位變得多餘，但為了與DIX乙太網II幀保持相容而保留了該欄位；
- 在DIX乙太網II幀中，上層必須傳輸至少46個位元組，而在IEEE 802.3幀中，幀可以根據需要透過一些填充擴充套件到最小尺寸；
- IEEE 802.3幀中的LLC和LLC SNAP頭與DIX乙太網II幀中的“EtherType”欄位相比浪費了更多位元組，儘管它們旨在實現相同的功能，即指定上層協議，這就是IEEE 802.3標準未被廣泛採用，而是有利於DIX乙太網II的原因。
10 Mbps乙太網可以在以下傳輸物理介質上工作
- 同軸電纜:
- 10Base5：粗纜（最大500米）；
- 10Base2：細纜（最大185米）；
- 雙絞線:
- 10BaseT：使用4對雙絞線中的2對的電纜（最大100米）
- 非遮蔽（UTP）：無遮蔽；
- 遮蔽（STP）：使用單個全域性遮蔽；
- 包覆（FTP）：使用單個全域性遮蔽+每對遮蔽；
- 10BaseT：使用4對雙絞線中的2對的電纜（最大100米）
- 光纖（最大1-2公里）
一開始，共享匯流排在物理上是由同軸電纜組成的
- 吸血鬼接頭：每張網絡卡透過吸血鬼夾連線到粗同軸電纜，這允許透過物理接觸（電氣連續性）進行電氣傳播→連線不便；
- T型接頭：每張網絡卡透過T型接頭連線到細同軸電纜→連線和斷開主機需要拔掉整個網路。
隨著雙絞線的引入，佈線（即建築物中的電纜鋪設）獲得了更大的靈活性：每個主機都可以透過特定的RJ45聯結器連線到RJ45壁式插座，所有插座又連線到一個機櫃。
此外，電話機使用的RJ11聯結器也可以連線到RJ45壁式插座→在佈線中，RJ45插座可以放置在整個建築物中，然後可以根據需要決定是連線乙太網卡還是電話機，透過在機櫃中切換資料連線和電話連線。
- 特性
- 不受電磁干擾的影響
- 距離更遠
- 成本更高
- 靈活性較低
當同一個衝突域中的兩個或多個節點同時傳輸，並且它們的訊號重疊時，就會發生衝突。載波偵聽多路訪問/衝突檢測（CSMA/CD）協議指定如何識別衝突（CD）以及如何恢復衝突（重傳）。
CSMA/CD 是一種簡單且分散式的 **隨機訪問** （即非確定性） **協議**：它不像令牌環那樣需要中間裝置或特殊的同步機制（令牌環的同步機制就是令牌本身） → CSMA/CD 協議在吞吐量方面效率很高，因為沒有同步開銷，在延遲和通道佔用方面也是如此。
在 全雙工模式 下，CSMA/CD 協議不再需要啟用。
檢測碰撞
[edit | edit source]節點可以使用 **碰撞檢測** (CD) 來檢測碰撞，而不是在傳輸完整個幀後再檢查是否發生碰撞：在傳輸過程中，節點會嘗試理解是否發生了碰撞（“邊說邊聽”），如果發生碰撞，則立即停止傳輸，避免浪費通道進行無用的傳輸。
在實際應用中，碰撞檢測的實現方式取決於傳輸介質的型別。
- 同軸電纜：傳輸和接收使用同一個通道 → 測量鏈路的平均直流電就足夠了；
- 雙絞線、光纖：有兩個通道，一個用於傳輸，另一個用於接收
- 傳送站：它們可以透過在傳輸過程中檢測接收通道上的活動來判斷是否發生了碰撞；
- 非傳送站：它們只能透過檢測接收幀上的錯誤 CRC 碼來判斷是否發生了碰撞。
- **阻塞序列** 是一種強大的訊號，由檢測到碰撞的節點發出，以確保 CRC 碼無效，並最大程度地提高所有其他節點都理解發生了碰撞的可能性。
減少碰撞次數
[edit | edit source]**載波偵聽** (CS) 可以減少碰撞次數：想要傳送資料的節點在傳送之前會偵聽通道
- 如果偵聽到通道空閒：節點會發送幀；
- 如果偵聽到通道繁忙
- 1-持久 CSMA：節點會持續檢查通道是否空閒，並在通道空閒後立即傳送；
- 0-持久 CSMA：節點會在隨機時間後再次嘗試；
- -持久 CSMA：節點以 的機率等待隨機時間（0-持久），以 的機率立即再次檢查（1-持久）。
在區域網中，最壞情況下，通道佔用率等於可用頻寬的 30-40% → 乙太網實現 1-持久 CSMA/CD，因為它針對的是平均負載低的網路，碰撞機率很低。
- CSMA 的侷限性
然而，對於雙絞線或光纖，CSMA 無法完全避免碰撞（否則 CD 就沒有用）：如果考慮傳播時間，一個距離較遠的節點可能會偵聽到通道空閒，即使實際上通道繁忙，但傳輸還沒有到達該節點
**脆弱區間** 定義為距離較遠的節點開始傳輸會導致碰撞的時間間隔（它等於通道的傳播延遲），並且該間隔隨著距離的增加而增大 → 這種協議在小型網路中效果很好。
恢復碰撞
[edit | edit source]發生碰撞後，幀需要重新傳輸。如果參與碰撞的站立即重新傳輸，則會再次發生碰撞 → **後退演算法** 在等待中插入一個與重傳次數呈指數關係的隨機元素
- 第一次重傳：節點等待一個時間 ，該時間隨機選擇在 0 到 1 個時隙之間；
- 第二次重傳：節點等待一個時間 ，該時間隨機選擇在 0 到 3 個時隙之間；
- 第三次重傳：節點等待一個時間 ，該時間隨機選擇在 0 到 7 個時隙之間；
依此類推，根據公式
其中
- 是當前幀上發生的碰撞次數；
- 是 **時隙**，即傳送最小尺寸（64 位元組）的乙太網幀所需的時間，相當於 51.2 µs。
在每次等待結束時，節點會透過 CS 再次偵聽通道。
由於通道訪問是競爭性的，當一個站點成功獲得網路訪問許可權時，最好傳輸大資料包。需要建立幀的最小尺寸：如果幀太小，並且碰撞傳輸持續時間太短，則可能發生沒有站點注意到碰撞的情況。
幀大小 和碰撞直徑 之間存在約束，以便所有碰撞都能被識別：碰撞檢測只有在往返時間 ，即往返時間，小於傳輸時間 時才有效。
其中 是傳輸速度， 是傳播速度。
提高傳輸速度意味著增加幀的最小尺寸，或者對於相同的最小尺寸，它意味著減少節點之間的最大距離，但過大的幀會增加傳輸錯誤的機率，並會阻塞網路。
在乙太網 DIX 中，理論上的碰撞直徑不能超過 5750 米：[2]
在沒有集線器的情況下，網路的最大尺寸受到傳輸介質支援的最大距離的限制（例如，由於訊號衰減）。由於集線器，網路尺寸可以擴充套件（儘管最多隻能擴充套件到 3 公里，因為裝置不理想）：集線器通常放置在星型拓撲中的星形中心，它會重新生成訊號（中繼器）並在內部模擬共享匯流排，從而允許透過雙絞線將多個站點連線在一起：
區域網設計/中繼器和網橋#物理層互連.