1.6 以太網

1.6.1 以太網的發展歷程

1972年，剛從麻省理工學院畢業的Bob Metcaife來到Xerox Palo Alto Research Center（簡稱Xerox PARC，即施樂帕克研究中心的計算機實驗室工作，并被Xerox雇用為該研究中心的網絡專家，Bob Metcaife的第一項工作是把Xerox公司的Alto（阿爾托）計算機連到ARPANet上（ARPANet是現在流行的Internet的前身）。在訪問ARPANet的過程中，他偶然發現了Abramson的關于Aloha系統（指世界上最早的無線電計算機通信網）的早期研究成果，在閱讀了Abramson的有關Aloha論文后，Metcaife認識到，雖然Abramson已經做了大量的研究和假設，但通過優化后可以把Aloha系統的速率提高到100%。1972年年底，Metcaife和David Boggs設計了一套網絡，把不同的Alto計算機連接起來，接著又把NOVA計算機連接到EARS激光打印機上。Metcaife把他的這一研究性工作命名為AltoAloha。1973年5月，世界上第一個個人計算機局域網AltoAloha投入運行，成為計算機網絡研究史上的里程碑和奠基石，揭開了計算機網絡研究的嶄新一頁。Metcaife將AltoAloha網絡改名為以太網（Ethernet），其靈感來自于電磁輻射是可以通過發光的以太來傳播的這一想法。

最初的以太網以2.94Mb/s的速度運行，運行速度慢的原因是以太網的接口定時采用Alto系統時鐘，即每340ns才發送一個脈沖，導致傳輸率為2.94Mb/s，后來做了許多改進，以適應以太網的載波監聽為特點的傳輸（載波監聽即每個終端站在要傳輸自己的信息之前，先要探聽網絡上的動靜）。經過一段時間的研究與發展，1976年，以太網已發展到連接100個用戶節點，并在1000m長的粗纜上運行。Metcaife和Boggs于1976年6月發表了題為“以太網：局域網的分布型信息包交換”的著名論文，于1977年12月獲得專利，經過長期研究，以太網終于正式誕生了。Xerox公司急于把這一成果迅速產品化并推向市場，因此，將以太網改名為Xerox Wire。后來在Intel公司、DEC公司和Xerox公司共同指定其網絡標準時改名為“以太網”。

在制定標準的過程中，Xerox公司提供技術，DEC公司提供以太網硬件，Intel公司提供芯片，三方于1979年首次舉行聯席會議，1980年9月，公布了第三稿的“以太網，一種局域網的數據鏈路層和物理層規范1.0版”，這就是著名的以太網藍皮書，也稱DIX（DEC、Intel和Xerox的第一個字母）版以太網1.0規范，一開始規范規定在20MHz下運行，經過一段時間后降為10MHz，重新定義了DIX標準，并以1982年公布的以太網2.0版規范終結。后來經過兩次很小的修改之后，DIX標準于1983年變成IEEE 802.3標準。

以太網在標準化之后繼續發展，而且至今也還在發展。100Mb/s、1000Mb/s的以太網版本甚至更高的速率也相繼出來了。電纜技術有了改進，交換技術和其他的特性也加入進來。

以太網之所以具有如此強大的生命力，最主要的理由可能是它的簡單性和靈活性。在實踐中，簡單性帶來了可靠、廉價以及易于維護等特性。另外，利用TCP/IP，以太網很容易互聯，而且TCP/IP已經在實踐中占了主導地位，IP是一個無連接的協議，所以它非常適合于以太網，因為以太網也是無連接的。IP不太適合于ATM，因為ATM是面向連接的。這種不一致性無疑削弱了ATM的發展機會。

最后，以太網已經在多個關鍵的方面取得了顯著進展。從速率來看，以太網已經提升了幾個數量級；從結構來看，集線器和交換機被引入進來。但是，這些變化并不要求軟件也跟著發生變化。如果網絡銷售人員在一個大客戶那里展示的時候這樣說：“我為你們帶來了一種新奇的網絡。你們所需要做的事情是，丟棄所有的硬件，并且重寫所有的軟件”，那么，他就有問題了。FDDI和ATM在剛剛引入的時候，其速度都超過了以太網，但是這些網絡與以太網不兼容，并且更加復雜，而且難以管理。最終，以太網趕上了它們的速度，所以它們不再具有優勢，除了ATM已經滲透到電話系統的核心以外，其他幾種網絡技術都悄然退出計算機的舞臺。

1.6.2 以太網標準系列

以太網最初采用總線結構，用無源介質（如同軸電纜）作為總線來傳輸信息，現在也采用星型結構。以太網費用低廉，便于安裝，操作方便，因此得到不斷發展和廣泛應用，在其發展過程中形成了以下一些標準。

1．傳統以太網

傳統以太網是以前廣泛應用的一類局域網絡，其典型速率是10Mb/s。在其物理層定義了多種傳輸介質（粗同軸電纜、細同軸電纜、雙絞線和光纖）和拓撲結構（總線型、星型和混合型），形成了一個10Mb/s以太網標準系列，即IEEE 802-3的10Base-5、10Base-2、10Base-T和10Base-F標準。

1）10Base-5網絡

10Base-5是由粗纜構成的以太網的標準。IEEE 802.3協議開始時就是粗纜以太網的標準。10Base-5表示采用10Mb/s的基帶（Baseband）傳輸，傳輸距離是100m的5倍，即10Base-5網絡采用總線介質和基帶傳輸，速率為10Mb/s，網段長度為100m的5倍，是標準的以太網。10Base-5網絡采用50?的RG-8粗同軸電纜連接。該網絡并不是將節點直接連到粗同軸電纜上，而是在粗同軸電纜上接一外部收發器，外部收發器上有一個附加裝置接口（AUI），由一段稱為收發器電纜的短電纜將外部收發器與插在計算機中的網卡連接起來，這就連接了節點機與粗電纜，從而形成網絡。收發器電纜長度不得超過50m。

它的安裝比細電纜復雜，但它能更好地抗電磁干擾，防止信號衰減。在每個網段的兩端要用50?的終端匹配器進行端接，同時要有一端接地。圖1.25所示為10Base-5網絡的物理結構。

10Base-5網絡所使用的硬件如下。

①帶有AUI插座的以太網卡。它插在計算機的擴展槽中，使該計算機成為網絡的一個節點，以便接入網絡。

②0.4英寸/50?的粗同軸電纜。這是10Base-5網絡定義的傳輸介質。

③外部收發器。兩端連接粗同軸電纜，中間經AUI接口由收發器電纜連接網卡。

④收發器電纜。兩頭帶有AUI接頭，用于外部收發器與網卡之間的連接。

⑤50?的終端匹配器。電纜兩端各接一個終端匹配器，用于阻止電纜上的信號散射。

10Base-5標準中規定的網絡指標和參數如表1.3所示。

由于50?細同軸電纜和50?粗同軸電纜的電氣特性是一致的，因此它們可混合連接在一個以太網上，這樣可以彌補細同軸電纜傳輸距離短，而粗同軸電纜價格昂貴和安裝不方便的缺陷。通常，粗同軸電纜用于干線，細同軸電纜用于支線網段。粗纜收發器接到干線電纜上，收發器的AUI接口接入一種叫作粗／細同軸電纜轉換器的設備，細纜分支則通過粗／細同軸電纜轉換器把計算機接入網絡。

2）10Base-2網絡

由于用粗同軸電纜組網有需要配置收發器、電纜柔軟性不好、不便于結構化連接、成本高等缺點，基本上被后來出現的細同軸電纜所取代。10Base-2適合細同軸電纜以太網的標準，實際上它就是針對細同軸電纜以太網而修訂的，是IEEE 802.3協議的一個補充協議。

10Base-2網絡也采用總線結構。在這種網絡中，各站通過RG-58型細同軸電纜連接成網絡。同樣，10Base-2表示采用10Mb/s的基帶（Baseband）傳輸、傳輸距離是100m的2倍（實際是185m）的以太網。

根據10Base-2網絡的總體規模，它可以分割為若干個網段，每個網段的兩端要用50?的終端匹配器端接，同時要有一端接地。圖1.26所示為10Base-2網絡的物理結構。

10Base-2網絡所使用的硬件如下。

①帶有BNC插座的以太網卡（使用網卡內部收發器）。它插在計算機的擴展槽中，使該計算機成為網絡的一個節點，以便連接入網。

②0.2英寸/50?的細同軸電纜。這是10Base-2網絡定義的傳輸介質。

③BNC連接器。用于細同軸電纜與T形連接器的連接。

④50?的終端匹配器。電纜兩端各接一個終端匹配器，用于阻止電纜上的信號散射。

⑤10Base-2標準中規定的網絡指標和參數如表1.3所示。

3）10Base-T網絡

1991年下半年，IEEE 802.3標準中又增加了一個新的網絡類，即10Base-T，它是IEEE 802.3標準的擴充。這種網絡不采用總線拓撲，而是采用星型拓撲。10Base-T網絡也是采用基帶傳輸，速率為10Mb/s，T表示使用雙絞線作為傳輸介質。10Base-T技術的特點是使用已有的802.3MAC層，通過一個介質連接單元（MAU）與10Base-T物理介質相連接。典型的MAU設備有網卡和集線器（Hub）。常用的10Base-T物理介質是兩對三類UTP，UTP電纜內含4對雙絞線，收、發各用一對。連接器是符合ISO標準的RJ-45連接器，所允許的最大UTP電纜長度為100m，網絡拓撲結構為星型，圖1.27所示為10Base-T網絡的物理連接。

與采用同軸電纜的以太網相比，10Base-T網絡更適合在已布線的辦公大樓中使用。因為在典型的辦公大樓中，95%以上的辦公室與配電室的距離不超過100m。同時，10Base-T網絡采用的是與電話交換系統相同的星型結構，容易實現網絡線與電話線的綜合布線。這就使得10Base-T網絡的安裝和維護簡單且費用低廉。此外，10Base-T采用了RJ-45連接器，使網絡連接比較可靠。

10Base-T網絡所使用的硬件如下。

①帶有RJ-45插座的以太網卡。它插在計算機的擴展槽中，使該計算機成為網絡的一個節點，以便連接入網。

②三類以上的UTP電纜（雙絞線）。這是10Base-T網絡定義的傳輸介質。

③RJ-45連接器。電纜兩端各壓接一個RJ-45連接器，一端連接網卡，另一端連接集線器。

④10Base-T集線器。10Base-T集線器是10Base-T網絡技術的核心。

集線器（Hub）是一個具有中繼器特性的有源多口轉發器，其功能是接收從某一端口發送來的信號，進行重新整形再轉發給其他的端口。集線器還具有故障隔離功能，當網絡出現異常情況時，如某個網絡分支發生故障，集線器就會自動阻塞相應的端口，刪除特定的網絡分支，使網絡的其他分支不受影響，仍能正常地工作。集線器有8口、12口、16口和24口等多種類型。有些集線器除提供多個RJ-45端口外，還提供BNC插座和AUI插座，支持UTP、細同軸電纜和粗同軸電纜的混合連接。10Base-T標準中規定的網絡指標和參數如表1.3所示。

4）10Base-F網絡

10Base-F網絡是指采用光纖介質和基帶傳輸，速率為10Mb/s的以太網。10Base-F網絡系統結構不同于由粗同軸電纜和細同軸電纜組成的以太網。因為光信號傳輸的特點是單方向，適合于端—端式通信，因此10Base-F以太網呈星型或放射型結構，如圖1.28所示。其基本組成除計算機外，還有光纖集線器、網卡和光纜。光纜中至少有一對光纖（發送和接收各用一根光纖），一般采用62.5/125μm的多模光纖，接頭為ST或SC。光纜具有傳輸速率高、網段距離遠、抗外界干擾能力強等優于同軸電纜的性能，特別適于樓宇間遠距離聯網。10Base-F標準中規定的網絡指標和參數見表1.3。

光纖的一端與光收發器連接，另一端與網卡連接。根據網卡的不同，光纖與網卡有兩種連接方法：一種是把光纖直接通過ST或SC接頭連接到可處理光信號的網卡（此類網卡是把光纖收發器內置于網卡中）上；另一種是通過外置光收發器連接，即光纖外收發器一端通過AUI接口連接電信號網卡，另一端通過ST或SC接頭與光纖連接。采用光／電轉換設備也可將粗、細電纜網段與光纜網段組合在一個網絡中。

2．高速以太網

傳統以太網10Mb/s的傳輸速率在多方面都限制了其應用。特別是進入20世紀90年代，隨著多媒體信息技術的成熟和發展，對網絡的傳輸速率和傳輸質量提出了更高的要求，10Mb/s網絡所提供的網絡帶寬難以滿足人們的需要。于是，國際上一些著名的大公司便聯合起來研究和開發新的高速網絡技術。相繼開發并公布的高速以太網絡技術有100Mb/s以太網、1000Mb/s以太網和10Gb/s以太網技術，IEEE 802委員會對這些技術分別進行了或正在進行著標準化工作。

1）100Mb/s以太網

具有代表性的100Mb/s的高速以太網絡技術有兩個，一個是由3Com、Intel、Sun和Bay Networks等公司開發的100Base-T技術；另一個是由HP、AT&T及IBM等公司開發的100Base-VG技術。前者在MAC（介質訪問控制）子層仍采用CSMA/CD協議，而在物理層則提供100Mb/s的傳輸速率，是名副其實的快速以太網。而后者在MAC子層采用一種新的輪詢帶優先訪問協議，但仍支持IEEE 802.3幀格式，也支持IEEE 802.5幀格式，在物理層也提供了100Mb/s的傳輸速率，可以把它看作是一種變形的快速以太網。

這兩種技術難分伯仲，各具特色。IEEE不得不同時接納這兩種技術，100Base-T作為以太網IEEE 802.3標準的擴充條款，定為IEEE 802.3u標準；而100Base-VG被定義為IEEE 802.12標準。但100Base-VG與100Base-T間需協議轉換，且價格較貴，因此，實際應用并不多。

100Base-T定義了3種物理層標準，即100Base-T4、100Base-TX和100Base-FX，分別支持不同的傳輸介質。100Base-T4是4對UTP電纜系統，支持三類、四類和五類UTP電纜。UTP電纜采用RJ-45連接器，在4對線中，3對線用于數據傳輸，一對線用于沖突檢測。100Base-TX是兩對UTP電纜系統，支持五類UTP和一類屏蔽雙絞線（STP）電纜。其中，五類UTP電纜采用RJ-45連接器，而一類STP電纜采用9芯梯形連接器；100Base-FX是光纖傳輸系統，使用2芯62.5/125μm多模光纖，也可用2芯單模光纖，100Base-FX支持可選的全雙工操作方式，特別適用于超長距離或易受電磁波干擾的環境。

100Base-T網絡采用以集線器為中心的星型拓撲結構，并規定了計算機節點與集線器之間的最大電纜長度：100Base-T4和100Base-TX均為100m；100Base-FX為400m。并且100Base-T4、100Base-TX和100Base-FX可以通過一個集線器實現混合連接，集成到同一網絡中。100Base-T和10Base-T在支持傳輸介質上的主要差別是，100Base-T不支持同軸電纜。

2）1000Mb/s以太網

千兆位（1000Mb/s）以太網也稱為吉比特以太網（或10億位以太網）。為了適應當前和今后網絡應用對網絡更大帶寬的需求，3Com公司和其他一些主要生產廠商成立了千兆位以太網聯盟，積極研制和開發1000Mb/s以太網。IEEE已將千兆位以太網標準作為IEEE 802.3家族中的新成員予以公布。

千兆位以太網標準分成兩個部分，即IEEE 802.3z和IEEE 802.3ab。

（1）IEEE 802.3z定義的傳輸介質為光纖和寬帶同軸電纜，鏈路操作模式為全雙工操作。其中，光纖系統支持多模光纖和單模光纖。多模光纖的傳輸距離為500m，單模光纖的傳輸距離為2000m。寬帶同軸電纜由短距離的銅介質構成，其傳輸距離為25m。

（2）IEEE 802.3ab定義的傳輸介質為五類UTP電纜，信息沿4對雙絞線同時傳輸，傳輸距離為100m，鏈路操作模式為半雙工操作。

千兆位以太網標準對MAC子層規范進行了重新定義，以維持適當的網絡傳輸距離，但介質訪問控制方法仍采用CSMA/CD協議，而且重新制定了物理層標準，使之能提供1000Mb/s的原始帶寬。由于千兆位以太網仍采用CSMA/CD協議，能夠提供從傳統以太網向千兆位以太網升級的最佳途徑，可最大限度地保護用戶在網絡硬件、軟件、管理工具及培訓等方面已有的投資，因此迎合了用戶使用產品的慣性心理。千兆位以太網提供了一種高速主干網的解決方案，以改變交換機與交換機之間及交換機與服務器之間的傳輸帶寬，是對現有主干網，如ATM、交換式快速以太網或FDDI等解決方案的有力補充，而不是取代它們。

100Mb/s以太網僅以2～3倍于10Mb/s以太網的價格將性能提高了10倍。同樣，1000Mb/s以太網也將具有相同的性能價格比優勢，即以2～3倍于100Mb/s以太網的價格將性能提高10倍。然而，千兆位以太網仍和其他以太網一樣，沒有提供對多媒體應用所需的服務質量的支持，這對于多媒體應用來說仍然是一種缺陷。

3）10Gb/s以太網

隨著信息技術的快速發展，特別是Internet和多媒體技術的發展和應用，網絡數據流量的迅速增加，使原有速率的局域網已難以滿足要求。IEEE組織了一個由3Com、Cisco、Intel和Lucent等著名IT企業組成的聯盟進行10Gb/s以太網技術的開發。在2000年年初，其高速研究組發布了10Gb/s以太網的IEEE 802.3ae規范。

（1）10Gb/s以太網概述。

10Gb/s以太網即萬兆位以太網（或百億位以太網），它并不只是將千兆位以太網的帶寬擴展10倍，它的目標在于擴展以太網，使其能夠超越LAN，以進入MAN和WAN。IEEE為10Gb/s以太網制定兩個分離的物理層標準，一個是為LAN制定的，另一個是首次為WAN制定的。

LAN版本提供了恰好10Gb/s的速率，實際上是千兆位以太網的一個更快的版本。千兆位以太網與10Gb/s以太網的差異要比100Mb/s以太網與千兆位以太網的差異小得多。兩者最重要的差異是，10Gb/s以太網不支持半雙工方式，而每一幀必須在48～1518B之間，千兆位以太網則支持更長的幀結構，雖然這將更為有效，但發生沖突時會導致更大的數據丟失。

WAN版本與LAN版本不同。它在一個同步光纖網（SONet）鏈路上以OC-192的速率（9.58Gb/s）傳輸以太網幀。這種方法與現有的電信網絡是兼容的，但它失去了許多以太網的優點，也限制了以太網鏈接的數量。

（2）10Gb/s以太網的應用。

10Gb/s以太網采用以光纖為傳輸介質、以交換機為中心的星型結構，可以為網絡提供更大的可用帶寬。

隨著帶寬技術的提高，每個新應用程序都將充分利用目前可用的帶寬，而從另一方面看，新應用程序的使用必將導致需要更大的帶寬。據推測，今后幾年LAN/WAN在某些應用上可能需要10Gb/s或高于10Gb/s的速率。由于采用10/100/1000Mb/s接口的企業和校園主干網的增加，以及為在昂貴的光纖線路中能傳輸更多數據，10Gb/s以太網的發展和應用成為必然。

10Gb/s以太網的一類應用可能被作為主干網。如將其配置于核心LAN中，LAN管理員可使用10Gb/s以太網連接大量的服務器或到達以太網交換機的服務器。10Gb/s以太網也可用于連接企業網和校園網，這要取決于它們之間的距離以及LAN上使用的是單模光纖還是多模光纖；10Gb/s以太網也可被用于連接LAN各部門，如多個1000Mb/s以太網可通過一個單獨的10Gb/s以太網連接，但需要通過1000Mb/s以太網交換器和網管中心之間的鏈路來完成。

10Gb/s以太網的另一類應用是經波分多路復用（WDM）提供WAN入口，可在WDM傳輸網絡和中心POP（Point Of Presence，入網點）路由器間連接10Gb/s以太網，也可在中心和POP邊緣路由器間或在同一POP內連接10Gb/s以太網。

1.6.3 以太網的原理和技術

每種網絡結構都必須采用一種策略來控制設備對共享傳輸介質的訪問。IEEE 802.3類型的網絡采用的控制方法稱為CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect），即帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問法。

在采用CSMA/CD控制策略傳送數據時，計算機節點首先監聽網絡信息，然后才允許在共享介質上傳輸數據。如果它沒有檢測到介質上的載波（其實是個電信號），說明沒有設備占用介質，該節點就發送一個數據包。如果共享介質已被其他設備占用，則該節點就要等待一定的時間，然后再次監聽共享介質。當數據發送出去后，該節點繼續監聽共享介質，以了解是否存在傳輸沖突。出現傳輸沖突將導致傳輸的數據出現錯誤。在重新發送數據之前，沖突中的每個節點必須退避，并等待一定的時間。

在采用CSMA/CD法接收數據時，每個節點也必須檢測通過它的所有數據幀。如果數據幀中包含的目的地址不是該節點，便不接收數據。如果該節點接收到一個數據幀，而數據幀中所包含的目的地址正是該節點，那么該節點在接收數據包之前，首先檢測該數據幀的完整性。當檢查數據幀的完整性時，主要確認數據幀是否太長、是否正確或太短。在以太網中，如果信息幀的長度超過1518B，即被視為超長幀，因此不能加以處理。如果數據幀不超長，該節點便進行循環冗余檢驗（CRC），如果數據幀通過了循環冗余檢驗，則還要檢測數據幀是否太短，將少于64B的幀看作幀碎片。如果幀通過了所有這些測試，就會被送往網絡軟件驅動程序做進一步處理。

采用CSMA/CD方法的網絡在信息負荷量太大時無法保持正常運行，因為信息量太大，會使沖突的概率急劇升高，導致過多的幀重新發送，結果使網絡性能下降。

1．幀結構

IEEE 802.3介質訪問控制的協議規定的MAC幀結構如圖1.29所示。

①PA：前導碼，長度為7個字節（56位），每個字節均為AAH，即10101010，它在定界符之前發送，目的是使物理收發信號電路在接收時能達到穩態同步。

②SD：幀開始定界符，它表示一個有效幀的開始。長度為一個字節，格式為ABH，即10101011。

③DA：目標地址，有48位和16位兩種地址格式。

④SA：源地址，它和DA長度必須相同，但沒有成組地址。

⑤L：數據字段長度，兩個字節，表示LLC（邏輯鏈路控制）子層數據的8位組的數量。

⑥DATA：數據單元，長度由L字段給出，數據為LLC的PDU（協議數據單元）。

⑦PAD：幀填充，當DATA過短時，數據字段后的PAD字段填充8位的比特組，以滿足最小幀長的要求。

⑧FCS：幀校驗序列，采用32位CRC循環冗余校驗。其值由所傳送幀（從DA開始到PAD）的內容決定。

必須指出，地址信息在LLC和MAC幀中是不同的。為了把數據傳送到所連接的站點用源地址和目的地址指出是MAC子層的功能，而源或目的訪問點只需LLC子層知道就行了。為了對高層實體提供支持，在LLC子層的頂部有多個LLC服務訪問點，而MAC子層僅向LLC實體提供單個服務訪問點。

CSMA/CD主要包括載波偵聽多路訪問、沖突檢測以及退避算法等方面的內容。

2．載波偵聽多路訪問

在共享介質的網絡中，各計算機節點都通過共享介質發送自己的幀，其他節點都可從介質上接收這個幀。僅有一個節點發送時才可發送成功；當有兩個或兩個以上節點同時發送，共享介質上的信息是多個節點發送信息的混合，目標節點無法辨認，則發送失敗。信息在共享介質上混合稱為沖突。如果各節點隨機地發送，沖突必然會發生。

載波偵聽多路訪問（CSMA）又稱為“先聽后說”，是減少沖突的主要技術。一個站點在發送前，首先監聽共享介質上是否有其他站正在發送信息。如果介質空閑，該站就發送；如果介質忙則退避一段時間再嘗試。

根據退避算法，載波偵聽多路訪問可以有3種類型，即非堅持型CSMA、1-堅持型CSMA和P堅持型CSMA。

①非堅持型CSMA的思想是：如果共享介質空閑就立即發送，如果介質忙則等待一隨機時間再嘗試。

②1-堅持型CSMA的思想是：如果介質空閑就立即發送，如果介質忙則繼續偵聽，直到介質空閑立即發送，如果有沖突（在規定的時間內未得到回復）則等待隨機時間后再偵聽。

③P堅持型CSMA的思想是：如果介質空閑則以概率P發送，而以概率1-P等待一段單位時間；如果介質忙則繼續偵聽，直到介質空閑后以概率P發送。

由于共享介質有一定的長度，一個站發送，另一個站檢測到載波有一段延遲時間。檢測到介質空閑，可能并非真正空閑，如果此時發送數據，則將導致沖突。

例如，在列車站A和列車站B之間只有一條單線鐵路，沒有其他的通信設施，兩個站的距離很遠（至少在人的視野以外），當A站向B站發出一列車時，B站并沒有發現，如果B站此時也發出一列車，兩列車就會相撞。另外，兩個或兩個以上站點同時發現介質空閑也有相當的概率。由于存在傳播時延，所以即使利用載波偵聽，發生沖突也是不可能完全避免的。

3．載波偵聽多路訪問／沖突檢測

單純CSMA算法不檢測已發生的沖突，即使沖突已經發生也要將已破壞的幀發送完，顯然，這將降低共享介質的利用率。對CSMA的一種改進方案稱為載波偵聽多路訪問／沖突檢測（CSMA/CD）。

沖突檢測最基本的思想是站點一邊將信息輸送到共享介質上，一邊從共享介質上接收信息，然后將發送出去的信息和接收的信息進行按位比較。如果兩者一致，說明沒有沖突；如果兩者不一致，則說明發生了沖突。沖突檢測是在發送的同時將接收信息進行比較，形象地稱為“邊說邊聽”。一旦檢出沖突后，發送站點就停止發送已開始發送的幀，不必將報錯的數據幀全部發完，并向總線發送一串阻塞信號，讓總線上其他各站均能感知沖突已經發生。沖突檢測可及早地釋放共享介質，提高信道利用率。

假設在網絡中相距最遠的兩個站分別是A站和B站。一個幀從A站出發到達B站，總共經歷的時間稱為傳播時延。一個站發送一幀所用的時間（即開始發送幀頭到發送幀尾結束之間的時間）稱為傳輸時延。對于基帶總線而言，傳輸時延（用于檢測的時間）應等于任意兩個站點之間最大的傳輸時延的兩倍。如圖1.30所示，設A、B兩站分別位于總線兩端，且傳播時延為1m s，只有A站發送的傳輸時延為2s時，A站才有可能檢測出沖突。

當傳播時延比傳輸時延要大許多時，或者說當幀過短時，可能出現發送站檢測不出沖突的情況，因此，要求沖突檢測時間不小于兩倍傳輸時延，即要求幀的最短長度要大于沖突檢測時間內能傳送的位數。IEEE 802.3 MAC幀格式中的填充位，就是當發送的幀過短時，用填充的方法達到最小幀長的要求。

如果A、B兩站的物理距離比較近，則會較早地檢測出沖突。檢出沖突則中止發送幀，這可能使得一個幀的開頭部分已發出，接收端收到的是有頭無尾的幀，這種幀稱為沖突碎片。沖突碎片的長度可能小于最小幀長。這樣的幀不必交高層軟件處理，而直接由接收接口丟棄。

4．沖突退避算法

一旦發生沖突就要重發原來的數據幀。沖突過的幀重發時可能再次發生沖突，為了避免或減輕這種情況，經常采用錯開各站的重發時間的方法。重發時間的控制問題就是沖突退避算法問題。為了降低再沖突的概率，需要等待一個隨機時間，然后再次使用CSMA方法嘗試傳輸。為保證這種退避維持穩定，常使用的計算重發時間間隔的算法是二進制指數退避算法（Binary Exponential Back off Algorithm）。它本質上是根據某一幀沖突的歷史估計網上信息量而決定重發應等待的時間。按此算法，當發生沖突時，控制器延遲一個隨機長度的間隔時間，是兩倍于前次的等待時間。二進制指數退避算法的公式為

T=RA×2N

式中，T為本次沖突后等待重發的間隔時間；R為隨機數；A為計時單位；N為沖突次數。

這個算法可以使未發生沖突或很少發生沖突的幀優先發送，而發生過多次沖突的幀發送成功的概率反而小。系統還設置一個最大重傳次數，超過這個次數則不再重傳，并報告出錯。

1.6.4 全雙工以太網的基本原理和特點

一般情況下，交換機端口和網卡都是以半雙工的工作方式，數據MAC幀的發送和接收不是同時進行的。

全雙工以太網是指交換機的端口和網卡都以全雙工的工作方式，可以同時進行MAC幀的發送和接收，如圖1.31所示。

基于全雙工交換器的以太網交換機的端口可以由用戶自己設置，100Mb/s的端口如果設置成全雙工方式，則相當于200Mb/s的端口速率。

需要注意的是，全雙工通信只有在數據傳輸鏈路兩端的節點設備（如交換機、網卡）都支持全雙工時才有效。

全雙工（Full Duplex, FD）是指在一個連接上同時進行數據的接收和發送。在廣域網上的連接通常是全雙工的，但以前局域網一直工作在半雙工方式下。因為在總線方式下采用CSMA/CD協議，如果兩臺工作站同時發送就會產生碰撞，所以只能是半雙工方式。在10Base-T的局域網中，雖然使用兩對雙絞線與集線器相連，一對用于發送，另一對用于接收，但根據10Base-T規定，在發送時必須在接收電纜上“監聽”碰撞信號，而不能接收數據，所以也作為半雙工方式工作，如圖1.32所示。

只有采用交換器連接網絡時才能使用全雙工通信，交換器的每個端口只連接一個站點，不會產生碰撞，也就不用在發送時用接收電纜監聽碰撞信號。在網絡結構和連線不變的情況下，以全雙工的方式運行，使網絡的速度提高了一倍。有些公司稱能夠支持20Mb/s或200Mb/s的網絡傳輸，實際上就是10Mb/s和100Mb/s網絡采用全雙工交換局域網連接的變相說法。目前全雙工方式在局域網接口卡和集線器中廣泛使用。當然要發揮全雙工的高效性能的關鍵是網絡操作系統必須是多任務的，能夠并行處理發送和接收，當一個客戶機從服務器讀取數據時，另一個客戶機可以向服務器寫數據。