Ethernet802.3中的关键要素

CSMA/CD

系统将以太网信号传送到连接在 LAN 中的每一台主机,传送时使用一个特殊的规则集来确定哪台工作站可以访问网络。以太网所使用的规则集是基于 IEEE 载波侦听多路访问/冲突检测 (CSMA/CD) 技术。
载波侦听
在 CSMA/CD 接入方法中,要发送报文的所有网络设备必须在发送之前进行侦听。
如果设备检测到来自其它设备的信号,它就会等待特定的时间的后再尝试发送。
如果没有检测到流量,设备将发送报文。在发送过程中,设备仍会继续侦听 LAN 中的流量或冲突。报文发送之后,设备将恢复默认侦听模式。
多路访问
如果设备之间的距离造成一台设备的信号延时,也就是说,另一台设备无法检测到信号,则另一台设备可能也会开始发送。那么,现有两台设备同时在介质中发送信号。报文将在介质中传播,直到相互碰头。此时,双方的信号就会混合,报文被损坏,从而形成冲突。虽然报文已损坏,但剩余信号会混杂在一起继续通过介质传播。
冲突检测
当设备处于侦听模式下,它可以检测到共享介质中何时发生冲突,因为所有设备均可检测到信号振幅的增长高于正常水平。
冲突发生时,处于侦听模式的其它设备以及所有正在发送的设备,都会检测到信号振幅的增长。每台正在发送的设备将继续发送,以确保网络上的所有设备都检测到冲突。
堵塞信号和随机回退
检测到冲突之后,发送设备将发出堵塞信号。堵塞信号通知其它设备发生了冲突,以便它们调用回退算法。回退算法将使所有设备在随机时间内停止发送,以让冲突消除。
设备上的延迟过时后,该设备将恢复到“发送前侦听”模式。随机回退时间可确保涉入冲突的设备不会再同时尝试发送流量,以免再现整个冲突过程。但是,在回退期间,可能会有第三台设备在两台涉入冲突的设备重新发送之前先行发送报文。
以太网通信
交换 LAN 网络中的通信以三种方式进行:单播、广播和组播:
单播:在单播通信中,帧从一台主机发出,发往一个特定的目的地。在单播传输中,只有一个发送方和一个接收方。单播传输是 LAN 和 Internet 中最主要的传输形式。单播传输的例子包括 HTTP、SMTP、FTP 和 Telnet。
广播:在广播通信中,帧从一个地址发送到所有其它地址。在此情况下,只有一个发送方,但是信息发送到所有连接的接收方。当需要将同一报文发送到 LAN 上的所有设备时,广播传输必不可少。广播传输的示例有地址解析协议 (ARP) 发送到 LAN 上所有计算机的地址解析查询。
组播:在组播通信中,帧发送到一组特定的设备或客户端。组播传输客户端必须是逻辑组播组的成员才能接收信息。组播传输的示例有网络协作业务会议的视频和语音传输。
双工设置
用于以太网通信的双工设置有两种:半双工和全双工。图中显示了现代网络设备中提供的两种双工设置。
半双工:半双工通信依赖于单向数据流,在单向数据流中,发送数据和接收数据不会同时执行。这种形式类似于步话机或对讲机的工作方式,因为任何时候只能有一个人说话。如果一个人在另一个人准备开口时说话,则会发生冲突。因此,半双工通信实施 CSMA/CD 以帮助降低冲突的可能性,并在冲突发生时检测到冲突。因为数据每次只能沿一个方向流动,半双工通信存在由于持续等待而引起的性能问题。半双工连接常见于一些老式硬件(如集线器)。当多个节点连接到集线器,共享集线器与交换机端口的连接时,这些节点必须以半双工模式工作,因为终端计算机必须能够检测冲突。如果网卡无法配置为全双工工作,则节点可采用半双工模式工作。在此情况下,交换机上的端口默认也为半双工模式。由于存在这些限制,因此在新型硬件中全双工通信已经替代了半双工。
全双工: 在全双工通信中,数据流为双向,因此可以同时发送数据和接收数据。双向支持减少了传输间的等待时间,从而提高了性能。目前市场上销售的大部分以太网网卡、快速以太网网卡和千兆以太网网卡都提供了全双工功能。在全双工模式下,冲突检测电路处于禁用。两个相连的端点由于使用了网络电缆中两条不同的电路,因此它们发送的帧不可能发生冲突。每一全双工连接仅使用一个端口。为实现全双工连接,交换机必须能支持全双工;或者如果两个节点之间采用直接连接,则两个节点都必须支持全双工。当节点通过全双工网卡直接连接到一个交换机端口,而无需与其它设备共享端口时,交换机端口应配置为全双工模式。
标准的共享式基于集线器的以太网配置,其效率通常为 10Mb/s 带宽的 50% 到 60%。与 10Mb/s 带宽相比,全双工快速以太网可双向提供 100% 的效率(100Mb/s 发送和 100Mb/s 接收)。

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