广播信道可以进行一对多的通信。下面要讨论的局域网使用的就是广播信道。局域网是在20世纪70年代末发展起来的。局域网技术在计算机网络中占有非常重要的地位。

一、局域网的数据链路层

1、介绍

局域网最主要的特点是:网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。在局域网刚刚出现时，局域网比广域网具有较高的数据率、较低的时延和较小的误码率。但随着光纤技术在广域网中普遍使用，现在广域网也具有很高的数据率和很低的误码率。

2、有点

局域网具有如下的一些优点：

• 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
• 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
• 提高了系统的可靠性(reliability)、可用性(availability)和生存性(survivability)。

3、类别

局域网可按网络拓扑进行分类。图(a)是星形网。由于集线器(hub)的出现和双绞线大量用于局域网中，星形以太网以及多级星形结构的以太网获得了非常广泛的应用。图(b)是环形网，图 ©为总线网，各站直接连在总线上。总线两端的匹配电阻吸收在总线上传播的电磁波信号的能量，避免在总线上产生有害的电磁波反射。总线网以传统以太网最为著名，但以太网后来又演变成了星形网。经过四十多年的发展，以太网的速率已大大提高。现在最常用的以太网的速率是1Gbits(家庭或中小企业)、10Gbits(数据中心)和100Gbits(长距离传输)，且其速率仍在继续提高。现在以太网已成为了局域网的同义词，因此本章从本节开始都是讨论以太网技术。

局域网可使用多种传输媒体。双绞线最便宜，原来只用于低速(1~2Mbits)基带局域网。现在从10Mbits至10Gbits的局域网都可使用双绞线。双绞线已成为局域网中的主流传输媒体。当数据率更高时，往往需要使用光纤作为传输媒体。

必须指出，局域网工作的层次跨越了数据链路层和物理层。由于局域网技术中有关数据链路层的内容比较丰富，因此我们就把局域网的内容放在数据链路层这一章中讨论。但这并不表示局域网仅仅和数据链路层有关。

4、共享通信

共享信道要着重考虑的一个问题就是如何使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源。这在技术上有两种方法:

• 静态划分信道，如在第2章的2.4节中已经介绍过的频分复用、时分复用、波分复用和码分复用等。用户只要分配到了信道就不会和其他用户发生冲突。但这种划分信道的方法代价较高，不适合于局域网使用。
• 动态媒体接入控制，它又称为多点接入(multiple access)，其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。这里又分为以下两类:
  • 随机接入：随机接入的特点是所有的用户可随机地发送信息。但如果恰巧有两个或更多的用户在同一时刻发送信息，那么在共享媒体上就要产生碰撞(即发生了冲突)，使得这些用户的发送都失败。因此，必须有解决碰撞的网络协议。
  • 受控接入：受控接入的特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制这类的典型代表有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询(polling)，或称为轮询。

5、传统以太网

属于随机接入的以太网将被重点讨论。受控接入则由于目前在局域网中使用得较少不再讨论。
由于以太网的数据率已演进到每秒吉比特甚至高达400吉比特，因此通常就用“传统以太网”来表示最早流行的10Mbit/s 速率的以太网。为了讨论原理，下面我们就从传统以太网开始。

1. 以太网两个标准

• 以太网的两个标准 DIX Ethermet V2与IEEE的 802.3 标准只有很小的差别，因此很多人也常把802.3 局域网简称为“以太网”。

• 出于有关厂商在商业上的激烈竞争，IEEE802委员会当初未能形成一个统一的、“最佳的”局域网标准，而是被迫制定了几个不同的局域网标准，如802.4令牌总线网、802.5令牌环网等。为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，IEEE802委员会就把局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)子层和媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。

• 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC 子层，而LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种传输媒体和 MAC 子层的局域网对 LLC 子层来说都是透明的，如下图所示：
  

• 然而到了20世纪90年代后，激烈竞争的局域网市场逐渐明朗。以太网在局域网市场中已取得了垄断地位，并且几乎成为了局域网的代名词。这里不必叙述后来陆续出现的多种以太网标准的详细过程。目前使用最多的局域网只剩下DIX Ethernet V2(简称为以太网),而不是IEEE 802委员会制定的几种局域网。IEEE 802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC(即IEEE 802.2标准)的作用已经消失了，很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC协议而没有LLC协议。本章在介绍以太网时就不再考虑LLC子层。这样对以太网工作原理的讨论会更加简洁。

2. 适配器的作用

• 计算机与外界局域网的连接是通过适配器(adapter)。适配器本来是在主机箱内插入的一块网络接口板(或者是在笔记本电脑中插入一块PCMCIA卡——个人计算机存储器卡接口适配器)。这种接口板又称为网络接口卡NIC(Network Interface Card)或简称为“网卡”。
• 由于现在计算机主板上都已经嵌入了这种适配器，不再使用单独的网卡了，因此本书使用适配器这个更准确的术语。在这种通信适配器上面装有处理器和存储器(包括RAM和ROM)。适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的，而适配器和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的 I/0 总线以并行传输方式进行的。因此，适配器的一个重要功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换。
• 由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同，因此在适配器中必须装有对数据进行缓存的存储芯片。在主板上插入适配器时，还必须把管理该适配器的设备驱动程序安装在计算机的操作系统中。
• 这个驱动程序以后就会告诉适配器，应当从存储器的什么位置上把多长的数据块发送到局域网，或者应当在存储器的什么位置上把局域网传送过来的数据块存储下来。适配器还要能够实现以太网协议。
• 请注意，虽然我们把适配器的内容放在数据链路层中讲授，但适配器所实现的功能却包含了数据链路层及物理层这两个层次的功能。现在的芯片的集成度都很高，以致很难把个适配器的功能严格按照层次的关系精确划分开。
• 适配器在接收和发送各种帧时，不使用计算机的CPU。这时计算机中的CPU可以处理其他任务。当适配器收到有差错的帧时，就把这个帧直接丢弃而不必通知计算机。当适配器收到正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机，并交付协议栈中的网络层。当计算机要发送 IP 数据报时，就由协议栈把 IP 数据报向下交给适配器，组装成帧后发送到局域网。
• 下图表示适配器的作用。我们特别要注意，计算机的硬件地址(在本章的3.3.5节讨论)就在适配器的 ROM 中，而计算机的软件地址–IP地址(在第4章4.2.3节讨论)，则在计算机的存储器中。
  

二、CSMACD协议

1、介绍

• 最早的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这种连接方法既简单又可靠，因为在那个时代普遍认为:“有源器件不可靠，而无源的电缆线才是最可靠的”。

2、通信原理

• 总线的特点是:当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据。这种就是广播通信方式。但我们并不总是要在局域网上进行一对多的广播通信。为了在总线上实现一对一的通信，可以使每一台计算机的适配器都拥有一个与其他适配器都不同的地址在发送数据帧时，在帧的首部写明接收站的地址。现在的电子技术可以很容易做到:仅当数据帧中的目的地址与适配器ROM 中存放的硬件地址一致时，该适配器才能接收这个数据帧适配器对不是发送给自己的数据帧就丢弃。这样，具有广播特性的总线上就实现了一对一的通信。
• 人们也常把局域网上的计算机称为“主机”“工作站”“站点”或“站”。在本书中，这几个名词都可以当成是同义词。

3、措施

• 为了通信的简便，以太网采取了以下两种措施:

1）CSMA/CD

• 第一，采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。适配器对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做可以使以太网工作起来非常简单，而局域网信道的质量很好，因通信质量不好产生差错的概率是很小的。因此，以太网提供的服务是尽最大努力的交付，即不可靠的交付。
• 当目的站收到有差错的数据帧时(例如，用 CRC查出有差错)，就把帧丢弃，其他什么也不做。对有差错是否需要重传则由高层来决定。例如，如果高层使用TCP协议，那么TCP就会发现丢失了一些数据。于是经过一定的时间后，TCP就把这些数据重新传递给以太网进行重传。但以太网并不知道这是重传帧，而是当作新的数据帧来发送。
• 我们知道，总线上只要有一台计算机在发送数据，总线的传输资源就被占用。因此，在同一时间只能允许一台计算机发送数据，否则各计算机之间就会互相干扰，使得所发送数据被破坏。因此，如何协调总线上各计算机的工作就是以太网要解决的一个重要问题。以太网采用最简单的随机接入，但有很好的协议用来减少冲突发生的概率。
• 这好比有一屋子的人在开讨论会，没有会议主持人控制发言。想发言的随时可发言，不需要举手示意。但我们还必须有个协议来协调大家的发言。这就是:如果你听见有人在发言，那么你就必须等别人讲完了才能发言(否则就干扰了别人的发言)。但有时碰巧两个或更多的人同时发言了，那么一旦发现冲突，大家都必须立即停止发言，等听到没有人发言了你再发言。
• 以太网采用的协调方法和上面的办法非常像，它使用的协议是CSMA/CD，意思是载波监听多点接入/碰撞检测。

2）曼彻斯特(Manchester)编码

• 以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码的信号。我们在第2章的2.2.2节中已经简单地介绍过曼彻斯特编码了。我们知道，二进制基带数字信号通常就是高低电压交替出现的信号。
• 使用这种信号的最大问题就是当出现一长串连续的1或连续的0时接收端就无法从收到的比特流中提取位同步(即比特同步)信号。如图3-16所示，曼彻斯特编码的编码方法是把每一个码元再分成两个相等的间隔。码元1是前一个间隔为低电压而后一个间隔为高电压。码元0则正好相反，从高电压变到低电压(也可采用相反的约定，即1是“前高后低”而0是“前低后高”)。这样就保证了在每一个比特的正中间出现一次电压的转换，而接收端就利用这种电压的转换很方便地把位同步信号提取出来。但是从曼彻斯特编码的波形图也不难看出其缺点，这就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍(因为每秒传送的码元数加倍了)。
  

4、CSMA/CD 协议的要点

• “多点接入”：就是说明这是总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。协议的实质是“载波监听”和“碰撞检测”。
• “载波监听”也就是“边发送边监听”。这里必须指出，在通信领域，在大多数情况下Carrier 的标准译名是“载波”。但对于以太网，总线上根本没有什么“载波”。其实英语Carrier 有多种意思，如“承运器”“传导管”或“运载工具”等。因此在以太网中，把Carrier 译为“载体”或“媒体”可能更加准确些。考虑到“载波”这个译名已经在我国广泛流行了好几十年，本书也就继续使用这个不准确的译名。我们知道，载波监听就是不管在想要发送数据之前，还是在发送数据之中，每个站都必须不停地检测信道。在发送前检测信道，是为了避免冲突。如果检测出已经有其他站在发送，则本站就暂时不要发送数据。
• 在发送中检测信道，是为了及时发现如果有其他站也在发送，就立即中断本站的发送。这就称为碰撞检测。
• “碰撞检测”是适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况。当两个或几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化幅度将会增大(互相叠加)。当适配器检测到的信号电压变化幅度超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。这时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。因此，任何一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，其适配器就要立即停止发送，免得继续进行无效的发送，白白浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。
• 既然每一个站在发送数据之前已经监听到信道为“空闲”，那么为什么还会出现数据在总线上的碰撞呢?这是因为电磁波在总线上总是以有限的速率传播的。这和我们开讨论会时相似。一听见会场安静，我们就立即发言，但偶尔也会发生几个人同时抢着发言而产生冲突的情况。
• 下图所示的例子可以说明这种情况。设图中的局域网两端的站A和B相距1km用同轴电缆相连。
• 电磁波在1km电缆的传播时延约为5μs(这个数字应当记住)。因此，A向B发出的数据，在约5μs后才能传送到B。换言之，B若在A发送的数据到达B之前发送自己的帧(因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息)，则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。在局域网的分析中，常把总线上的单程端到端传播时延记为$\alpha$。发送数据的站希望尽早知道是否发生了碰撞。那么，A 发送数据后，最迟要经过多长时间才能知道自己发送的数据和其他站发送的数据有没有发生碰撞?从下图不难看出，这个时间最多是两倍的总线端到端的传播时延($2\alpha$)，或总线的端到端往返传播时延。由于局域网上任意两个站之间的传播时延有长有短，因此局域网必须按最坏情况设计，即取总线两端的两个站之间的传播时延(这两个站之间的距离最大)为端到端传播时延。
• 显然，在使用 CSMA/CD 协议时，一个站不可能同时进行发送和接收(但必须边发送边监听信道)。因此使用 CSMACD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。
• 下面是上图中的一些重要的时刻。
  
  由此可见，每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这一小段时间是不确定的，它取决于另一个发送数据的站到本站的距离。因此，以太网不能保证在检测到信道空闲后的某一时间内，一定能够把自己的数据帧成功地发送出去(因为存在产生碰撞的可能)。以太网的这一特点称为发送的不确定性。如果希望在以太网上发生碰撞的机会很小，必须使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

以太网使用截断二进制指数退避(truncated binary exponential backof)算法来确定碰撞后重传的时机。截断二进制指数退避算法并不复杂。这种算法让发生碰撞的站在停止发送数据后，不是等待信道变为空闲后就立即再发送数据，而是退避一个随机的时间。这点很容易理解，因为几个发生碰撞的站将会同时检测到信道变成了空闲。如果大家都同时重传，必然接连发生碰撞。如果采用退避算法，生成了最小退避时间的站将最先获发送权。以后其余的站的退避时间到了，但发送数据之前监听到信道忙，就不会马上发送数据了。

我们还应注意到，适配器每发送一个新的帧，就要执行一次CSMA/CD 算法。适配器对过去发生过的碰撞并无记忆功能。因此，当好几个适配器正在执行指数退避算法时，很可能有某一个适配器发送的新帧能够碰巧立即成功地插入到信道中，得到了发送权，而已经推迟好几次发送的站，有可能很不巧，还要继续执行退避算法，继续等待。

现在考虑一种情况。某个站发送了一个很短的帧，但在发送完毕之前并没有检测出碰撞。假定这个帧在继续向前传播到达目的站之前和别的站发送的帧发生了碰撞，因而目的站将收到有差错的帧(当然会把它丢弃)。可是发送站却不知道这个帧发生了碰撞，因而不会重传这个帧。这种情况显然是我们所不希望的。为了避免发生这种情况，以太网规定了一个最短帧长64字节，即512比特。如果要发送的数据非常少，那么必须加入一些填充字节，使帧长不小于 64 字节。对于 10 Mbits 以太网，发送 512 比特的时间需要 51.2 us，也就是上面提到的争用期。

由此可见，以太网在发送数据时，如果在争用期(共发送了64字节)没有发生碰撞，那么后续发送的数据就一定不会发生冲突。换句话说，如果发生碰撞，就一定是在发送的前64 字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64字节，因此凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。只要收到了这种无效帧，就应当立即将其丢弃。

前面已经讲过，信号在以太网上传播1km大约需要5us。以太网上最大的端到端时延必须小于争用期的一半(即 25.6 μs)，这相当于以太网的最大端到端长度约为5km。实际上的以太网覆盖范围远远没有这样大。因此，实用的以太网都能在争用期51.2ms内检测到可能发生的碰撞。以太网的争用期确定为51.2 us，不仅考虑到以太网的端到端时延，而且还包括其他的许多因素，如存在的转发器所增加的时延，以及下面要讲到的强化碰撞的干扰信号的持续时间等。

下面介绍强化碰撞的概念。这就是当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除立即停止发送数据外，还要再继续发送 32 比特或48 比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞(如下图所示)。对于10Mbits以太网，发送32(或48)比特只需要3.2(或4.8)us。

从下图可以看出，A站从发送数据开始到发现碰撞并停止发送的时间间隔是$T_B$。A站得知碰撞已经发生时所发送的强化碰撞的干扰信号的持续时间是$T_J$。图中的B站在得知发生碰撞后，也要发送人为干扰信号，但为简单起见，上图没有画出B站所发送的人为干扰信号。发生碰撞使A浪费时间$T_B+T_J$。可是整个信道被占用的时间还要增加一个单程端到端的传播时延。因此总线被占用的时间是$T_B+T_J+t$

以太网还规定了帧间最小间隔为9.6μs，相当于96 比特时间。这样做是为了使刚刚收
到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

5、总结

根据以上所讨论的，可以把CSMAVCD协议的要点归纳如下:

1. 准备发送:适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部(见后面的3.4.3节)，组成以太网帧，放入适配器的缓存中。但在发送之前，必须先检测信道。
2. 检测信道:若检测到信道忙，则继续不停地检测，一直等待信道转为空闲。此时若在96比特时间内信道保持空闲(保证了间最小间隔)，就发送这个。
3. 在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适配器要边发送边监听。这里只有两种可能性

• 发送成功:如果在争用期内一直未检测到碰撞，就认为发送成功(如果接收方收到了有差错的帧，就丢弃它，后续的工作由高层来处理)。发送完毕后，其他什么也不做。然后回到1
• 发送失败:在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据，并按规定发送人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法，等待r倍512比特时间后，返回到步骤(2)，继续检测信道。但若重传达16次仍不能成功，则停止重传而向上报错。

以太网每发送完一帧，一定要把已发送的帧暂时保留一下。如果在争用期内检测出发生了碰撞，那么还要在推迟一段时间后再把这个暂时保留的重传一次。

三、使用集线器的星形拓扑

1、介绍

传统以太网最初使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫作集线器(hub)，如下图所示。双绞线以太网总是和集线器配合使用的。每个站需要用两对无屏蔽双绞线(放在一根电缆内)，分别用于发送和接收。双绞线的两端使用 RJ-45 插头。由于集线器使用了大规模集成电路芯片，因此集线器的可靠性就大大提高了。1990年IEEE制定出星形以太网10BASE-T的标准802.3i。“10”代表10Mbit/的数据率，BASE表示连接线上的信号是基带信号，T代表双绞线。实践证明，这比使用具有大量机械接头的无源电缆要可靠得多。由于使用双绞线电缆的以太网价格便宜和使用方便因此粗缆和细缆以太网现在都已成为历史，并已从市场上消失了。

但10BASE-T以太网的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。这种性价比很高的 10BASE-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，从此以太网的拓扑就从总线型变为更加方便的星形网络，而以太网也就在局域网中占据了统治地位。

使双绞线能够传送高速数据的主要措施是把双绞线的绞合度做得非常精确。这样不仅可使特性阻抗均匀以减少失真，而且大大减少了电磁波辐射和无线电频率的干扰。在多对双绞线的电缆中，还要使用更加复杂的绞合方法。

2、集线器特点

• 从表面上看，使用集线器的局域网在物理上是一个星形网，但由于集线器使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍像一个传统以太网那样运行。也就是说，使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD 协议(更具体些说，是各站中的适配器执行CSMACD协议)。网络中的各站必须竞争对传输媒体的控制，并且在同一时刻至多只允许一个站发送数据。
• 一个集线器有许多端口，例如，8至16个，每个端口通过 RJ-45插头(与电话机使用的插头 RJ-11 相似，但略大一些)用两对双绞线与一台计算机上的适配器相连(这种插座可连接4对双绞线，实际上只用2对，即发送和接收各使用一对双绞线)。因此，一个集线器很像一个多端口的转发器。
• 集线器工作在物理层，它的每个端口仅仅简单地转发比特–收到1就转发1，收到0就转发0，不进行碰撞检测。若两个端口同时有信号输入(即发生碰撞)，那么所有的端口都将收不到正确的帧。下图是具有三个端口的集线器的示意图。
  
• 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。这样就可使端口转发出去的较强信号不致对该端口接收到的较弱信号产生干扰(这种干扰即近端串音)。每个比特在转发之前还要进行再生整形并重新定时。
• 集线器本身必须非常可靠。现在的堆叠式(stackable)集线器由4~8个集线器堆叠起来使用。集线器一般都有少量的容错能力和网络管理功能。例如，假定在以太网中有一个适配器出了故障，不停地发送以太网帧。这时，集线器可以检测到这个问题，在内部断开与出故障的适配器的连线，使整个以太网仍然能够正常工作。模块化的机箱式智能集线器有很高的可靠性。它全部的网络功能都以模块方式实现。各模块均可进行热插拔，出故障时不断电即可更换或增加新模块。集线器上的指示灯还可显示网络上的故障情况，给网络的管理带来了很大的方便。

四、以太网的信道利用率

假定一个10Mbits以太网同时有10个站在工作，那么每一个站所能肯选重发送数据的平均速率似乎应当是总数据率的1/10(即1Mbits)。其实不然因为多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞。当发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了。因此，当扣除碰撞所造成的信道损失后，以太网总的信道利用率并不能达到100%。


现在考虑一种理想化的情况。假定以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞(这显然已经不是CSMACD，而是需要使用一种特殊的调度方法)，并且能够非常有效地利用网络的传输资源，即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。这样，发送一帧占用线路的时间是+z，而帧本身的发送时间是7。于是我们可计算出极限信道利用率Smax为:

(3-3)式的意义是:虽然实际的以太网不可能有这样高的极限信道利用率，但(3-3)式指出了只有当参数a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率。反之，若参数a远大于1(即每发生一次碰撞，就要浪费相对较多的传输数据的时间)，则极限信道利用率就远小于1，而这时实际的信道利用率就更小了。据统计，当以太网的利用率达到30%时就已经处于重载的情况。很多的网络容量被网上的碰撞消耗掉了。