计算机网络【五】广播通信+以太网

局域网的拓扑

广域网使用点到点通信
局域网使用广播通信
可以随意向网络中添加设备。

总线网
星形网，使用集线器。现在多使用星形网络。
环状网
树形网
其中匹配电阻用来吸收总线上传播的信号。

共享通信媒体

静态划分信道

频分复用、时分复用、波分复用、码分复用
可以让计算机充分使用介质来使用信号。可是这种方法太过麻烦。

动态媒体接入技术（多点接入）

随机接入(以太网使用)
受控接入

CSMA/CD协议

广播通信：所有的计算机都能收到其他计算机发送的信息（就算不是发给自己的也可以收到，但是不接受）

载波监听多点接入/碰撞检测协议：CSMA/CD协议
多点接入：许多计算机以多点接入的方式链接在一根总线上
载波监听：每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。如果有则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。

碰撞检测

当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值会增大（互相叠加）
当一个站检测到信号电压摆动值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（冲突）。
发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中会付出有用的信息。
每一个发送数据的站一旦发现总线上出现了碰撞就要立即停止发送免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机事件再次发送。

传播时延对载波监听的影响

发送信号的计算机检测到冲突（碰撞）最多是两倍的传播时延

CSMA/CD协议的特征

只能半双工通信（集线器这样的设备要求网卡必须是半双工通信）
每个站在发送数据之后的一小段时间内（两倍传送时间）以内，均存在遭遇碰撞的可能性
这种不确定性导致以太网的平均通信量原小于以太网的最高数据率。

争用期

争用期就是两倍的端到端传输时延 $τ\tau$ 。如果在争用期期间没有检测到碰撞就不会发生碰撞。

以太网的争用期取51.2微妙为争用期
对于10Mb/s以太网，争用期内可以发送512bit(64字节)。因此10Mb/s的以太网在发送数据时如果前64字节没有发生冲突则后续的数据就不会发生冲突
10Mb/s以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧。同理，100Mb/s以太网最短有效帧长为640字节。
最短有效帧长与传输时延和带宽有关。因此以太网规定局域网网线长度不能超过100m

二进制指数类型退避算法

确定基本退避时间，一般是争用期 $2τ2\tau$
确定参数k: $k = m i n [重传次数, 10]$
从整数集合[0,1,… $2^k-1$ ]中随机取出一个数，记为r。重传所需要的时延就是r倍的基本规避时间，即 $2rτ2r\tau$ 。
当重传16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

以太网

只要满足CSMA/CD(载波监听多点接入/碰撞检测)协议的局域网都叫做以太网
后来将数据链路层分为两个子层。逻辑链路控制LLC子层（已经被取消了），媒体介入控制MAC子层（网卡中含有）

以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
当接收站收到有差错的数据帧时就丢弃该帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来（传输层）决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这时一个重传的帧。

集线器

集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已经大大提升了。
使用集线器的以太网在逻辑上仍然是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议(载波监听多点接入/碰撞检测协议)，并共享逻辑上的总线。集线器像一个多接口的转发器，工作在物理层。集线器的带宽是被共享的。
在这里插入图片描述

10Base-T

通信距离稍微短，每个站到集线器的距离不超过100m。这种10Mb/s速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，及降低的成本，又调高了可靠性。是局域网发展史上一个非常重要的里程碑。

信道利用率

发送实际信息的时间占总时间的比率S
传输时延 $τ\tau$ ，发送时间 $T_0$
定义： $a=τT0a=\frac{\tau}{T_0}$
在这里插入图片描述

a比较小的时候表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。a越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，是的信道利用率明显降低。

对以太网参数的要求：

数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 $τ\tau$ 的数值会太大
以太网的帧长不能太短，否则 $T_0$ 的值会太小，使得a值增大
信道利用率的最大值：在理想情况下，以太网上的各占发送数据都不会发生冲突，
这样的情况下发送一帧占用线路的时间是 $T0+τT_0+\tau$ 而帧数据本身的发送时间是 $T_0$ ，于是我们可以计算出理想情况下的极限信道利用率
$Smax=T0T0+τ=11+aS_max=\frac{T_0}{T_0+\tau}=\frac{1}{1+a}$