以太网的 SMA/CD的工作过程

iARM

以太网这个名次最早由Bob Metcalfe（3Com的创始人）提出。以太这个词源于物理学，早先人们认为宇宙中充满着以太，认为以太是电磁波的载体（后被否定），电磁波正是以它作为载体传播到宇宙的每个角落。这个名字很生动的描述了网络的特点：广播型网络。
关于以太网的工作机制
以太网的工作机制在IEEE的802.3中有明确的定义，其核心内容就是CSMA/CD－Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect（载波侦听多路访问/冲突检测）。这个是以太网区别于其他局域网最显著的特征。
CSMA/CD的工作过程
1. 载波侦听
由于是共享型网络，所以一个站在发送数据前为了避免与其他站同时发消息而产生碰撞，工作站首先要侦听网络的状况，看看传输介质上是不是有载波信号（载波侦 听），其检测过程是：当网卡的一线对产生信号时，此时去测试另一对，若同时出现信号则表示出现了碰撞。这个过程被人们称为：先听后发。
2. 多路访问
意思是：一个节点发送数据可以同时到达多个节点。正好描述了以太网的特征。
3. 碰撞检测
为了避免两个站同时发送数据引入了碰撞检测的机制（设想两个站都准备发送数据而侦听网络，此时介质上没有载波，如果这时两个站都认为可以发送数据而同时发 送，那么冲突还是不可能避免）所以在发送过程中要不停的检测冲突的发生，如果检测到便立刻停止发送。这个过程被称作：边听边发。
4. 回退算法和回退区间
当检测到有碰撞发生时，工作站均会执行这个算法以调整自己的发送时间，从而达到避免碰撞发生。（后面详细介绍）
其发送流程可以简单的下面的流程图概括：


关于算法
下面我们着重来看看回退和回退区间的算法
1. 间隙时间（Slot time）：由于以太网帧的数据字段长度是变长的（46－1500字节），所以检测的时间也是可变的，对算法的实现是不利的，所以规定Slot time是网卡发送512bit（64个字节）所用的时间，对于不同速率的以太网标准，这个时间是不同的。为什么规定要取64个字节作为这个标准时间？这 个要看一下以太网帧的结构(以802.3的帧为例)

7 1 6 6 2 46－1500 4
前导码（PRE） 帧首定界（SFD） 目的地址
（DA） 源地址
（SA） 长度
（LEN） 数据区
（DATA） 校验序列
（FCS）

最小的帧长度最少应该包括下面几项：源，目地址；长度字段，数据区（取最小长度）；校验序列，所以加起来就是6＋6＋2＋46＋4＝64（字节），因为这个长度是帧的最小长度，当小于这个长度时帧肯定是不完整的（碎片），所以规定这个最小帧长度为碰撞检测的时间。
还有的书上给出了Slot time的近似算法Slot time≈2S/0.7C+2T(其中S为媒体总长度，C为光速，T为在物理层的延时)另外还有就是：L/R=Slot time(L为最小帧长度，R为网络的传输率)；由上面两个算式可以导出：L≈（2S/0.7C+2T）/R，由于碰撞只能发生在小于或者等于L的范围 内，所以L可以理解为媒体上传输的最大碎片长度。
2. 回退算法与回退区间
协议规定：从上一次发生碰撞到重新执行CSMA/CD的时间间隔被称为回退时间。我们把Slot time记为Δt，回退的时间间隔总是Δt的整数倍。回退区间为2的n次方（其中n为碰撞次数），例如：当发生一次碰撞时，区间为2的一次方即2，含义是 区间可以选择0和Δt两种，两站对应的组合可以为：
站点A 站点B
选择0 选择0
选择0 选择Δt
选择Δt 选择0
选择Δt 选择Δt
从表中我们看出：当选择第一和第四种情况的时候，会再次发生碰撞。由此我们不难推出一个一般性的结论：选择的组合数为m×m（其中m＝2的n次方）而再次 发生碰撞的几率为m/m²=1/m;由此可以看出，随着n变大后，m成指数变化，相应的碰撞几率会相应的有变小的趋势，但是不可能归 零，所以总是有会出现碰撞的几率。但是碰撞的发生并不是总是无之境的，协议规定n的最大值是10，相应的区间在0～1023Δt，如果达到10以后还可以 有6次重试的机会。当达到16次时则丢弃此帧，向高层报错并将n清零，进行下面的传输。
关于帧扩展技术
由上面的公式L≈（2S/0.7C+2T）/R，可以看出最小帧长度与碰撞域的距离（跨距S）成正比。随着以太网技术的发展，速度达到了1G的千兆以太网 出现，如果仍然按照Slot time为发送64个字节的时间计算，相应的碰撞域范围大约在30m左右，这大大的限制了应用。人们通过采用帧扩展技术增加最小帧长度的方法来达到增加跨 距的目的。具体的做法是把最小帧长度由64个字节增加为512字节。当帧长度小于512字节的时候填充相应的字节数以达到。当超过时则不需要进行扩展。帧 扩展技术只是在半双工模式下采用的，当采用全双工时就不受CSMA/CD的限制，当然也就无碰撞域的概念，相应的也不需要采用扩展技术。其实在现今，交换 机已经代替Hub，相应的端口的模式几乎都处在全双工状态。
关于以太网中继器的个数
现在交换机非常普遍，集线器几乎都已经消失了，但是既然谈到了CSMA/CD就还是提一下这里吧。
在10M以太网中集线器的个数为最多四个（著名的5－4－3－2－1规则），在100M的以太网中为I类最多为1个，II类最多为2个，（其中I类指不能进行编码/解码的，II类为可以进行的）。在1G的以太网中最多为一个。