以太网数据链路层协议

3.3.2　局域网技术

局域网的拓扑结构，从宏观的角度向我们展示出了局域网中计算机之间的物理连接方式，拓扑结构好比粗线条，向我们勾勒出了局域网的轮廓。但是，仅仅通过线路把计算机连起来并不能实现通信。要使数据经由传输介质从一个节点传送到另外一点，必须有一套标准来对具体的工作方式和工作过程进行规定。

IEEE 802系列协议就是这样一套标准，它定义了一套用于网络物理部件(接口卡和电缆)的网络标准，这套标准工作在OSI模型中的物理层和数据链路层(详见3.4节)。当今存在三种比较重要的局域网技术:以太网、令牌环网和光纤分布式数据接口，而IEEE 802.3、IEEE 802.5和IEEE 802.8三个协议分别对这三种技术进行了规定。下面我们对这三种局域网技术作一介绍。

令牌环网与光纤分布式数据接口

令牌环网(Token Ring)由IBM公司于20世纪70年代开发。令牌环网采用环型拓扑结构，并且设立令牌进行访问控制，以防止数据传输冲突。其通信传输介质可以是无屏蔽双绞线、屏蔽双绞线，也可以是光纤等。在老式的令牌环网中，数据传输速度为4Mbps或16Mbps，新型的快速令牌环网速度可达100Mbps。

IEEE 802.5协议对令牌环网的介质访问方法作出了规定。在令牌环网中，有一个令牌沿着环路在各节点间依次传递。令牌实际上是一个特殊格式的数据包(在局域网中，谈到数据包时一般使用“帧”这个词)，它本身并不包含信息，仅仅作为控制信道的手段，以确保在同一时刻只有一个节点能够独占信道。当环上节点都空闲时，令牌绕环在各节点计算机之间传递。当节点上的一台计算机需要传输数据时，它暂停传递过来的令牌，等待所传输的数据被目标节点计算机接收后，令牌重新开始传递。

由此可见，在令牌环网中，由于各节点只有取得令牌后才能发送数据，因此不会发生冲突。同时，由于令牌在网环上是按顺序依次传递的，因此对所有节点，访问权是公平的。但是，令牌环网管理起来较为复杂，需要选择专门的节点监视和管理令牌。由于目前以太网技术发展迅速，令牌网又存在固有缺点，因此除了银行等少数场合外，现在这种网络已经比较少见了。

光纤分布式数据接口(FDDI)是在令牌环网的基础上发展起来的技术，其拓扑结构当然也是环型，其工作原理由IEEE 802.5协议定义。FDDI的传输媒体为光纤，传输速度可达100Mbps，FDDI也常常被划分在城域网技术的范畴。FDDI的工作原理如图3-6。

图3-6　FDDI的工作原理

FDDI的访问方法与令牌环网的访问方法类似，在网络通信中均采用“令牌”传递。不同之处主要在于FDDI使用定时的令牌访问方法。FDDI令牌沿着网络环路从一个节点向另一个节点移动，如果某节点不需要传输数据，FDDI将获取令牌并将其发送到下一个节点中;如果该节点需要传输数据，该站便将令牌吸收，实现数据的传输和处理，随后产生新的令牌，并发送一帧或多帧到同一环上的其他站点。由此可见，与令牌环网不同的是，节点上的令牌被吸收完成了它的数据传输之后，该节点便在环上插入一新的令牌，并可向环上的不同方向发送多个帧，这样，来自多个节点的多个帧可能都在网络上，为用户提供高容量的通信。

以太网

在已有的局域网技术中，以太网是最成功的、应用最广的局域网技术，世界上85%的连接个人计算机和工作站的局域网都使用以太网技术。以太网最早由Xerox公司创建，并由Xerox、Intel和DEC公司在20世纪70年代联合开发。最初，其数据传输速率就已达到10Mbps。随着网络的发展，传统10Mbps的以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量速度需求，于是又出现了传输速率达100Mbps的快速以太网，传输速率达1000Mbps的高速以太网以及更高传输速率的万兆以太网。

最初，以太网采用总线型的拓扑结构，以同轴电缆、双绞线或光纤作为传输介质。总线型拓扑结构的网络以广播方式进行工作，即所有与网络连接的工作站都可以收到网络上传递的数据。收到数据以后，再通过查看包含在帧中的目的地的MAC地址，确定是否进行接收或放弃。如果目的地的MAC地址与自己的MAC地址相同，证明数据确实是发给自己的，就接收数据并作进一步的处理，反之则忽略数据。

以太网采用载波侦听多路访问和碰撞检测(CSMA/CD)机制进行工作，这一机制是以太网技术为核心，由IEEE 802.3协议规定。它描述了以太网控制节点间通信的方法。这个词看起来有些复杂，但如果我们将它分解为几个小概念，便会发现它描述的规则十分类似于人们在进行彬彬有礼的谈话时所使用的规则。为了有助于描述以太网的操作，我们使用饭桌上的对话作为类比。

在以太网中，将单个共享介质称作一个以太网段。我们将以太网段类比为饭桌，让几个代表节点的人坐在饭桌旁边很有礼貌地进行谈话。多路访问这个术语的含义是:在一个以太网站点传输数据时，介质上的所有站点都会听到该传输行为，这就是广播机制。这就像饭桌上一个人在讲话时，所有人都能够听到他(她)的讲话一样。

现在，假设你也坐在桌旁而且有话想说。但是，当时我正在讲话。由于这是一次很有礼貌的谈话，因此你不应立即开口讲话并打断别人，而是等到我讲完后再开口。刚才描述的情况在以太网协议中称为载波侦听。其含义是:在站点开始传输数据之前，它会“侦听”介质来确定其他站点是否正在进行传输，如果介质上很安静，站点便认为现在是一个适于传输数据的时间，反之则等待。

还有一种情况，想想谈话中有片刻寂静的情况。你和我都有一些话想说，我们都在发生片刻寂静时“侦听到了载波”，所以我们几乎同时开始讲话。用以太网术语来说，我们同时讲话时会发生冲突。在谈话时，我们可以很好地处理这种情况。在我们讲话的同时，都听到了对方也在讲话，因此我们都停止了讲话，以便对方能够继续。以太网节点在传输数据时也会侦听介质，确保它是在该时刻进行数据传输的唯一站点。如果站点听到它自己传输的数据以一种混乱的形式返回(如果其他站点也同时开始传输它们自己的消息便会发生这种情况)，那么就知道发生了冲突。

我们将共享介质型局域网中会发生冲突碰撞的区域称为一个冲突域。显然，单个以太网段就是一个冲突域，因为网段上的任何两个站点都无法在不产生冲突的情况下同时传输数据。如果站点检测到冲突，它们会停止传输数据，等待一个随机的时间长度，然后在检测到介质归于平静之后尝试再次传输数据。

随机暂停并重试是协议的重要组成部分。如果两个站点在进行传输时发生冲突，那么它们都需要重新进行传输。在适于传输数据的下一个时间，上次发生冲突的两个站点都会准备好数据以便进行传输。如果它们在第一次机会来到时再次传输了数据，那么很可能无限期地一次又一次发生冲突。而随机延迟则可以使任何两个站点都不会连续发生多次冲突。

总结一下，CSMA/CD机制的工作原理是:在发送数据之前，工作站首先需要侦听网络是否空闲，如果网络上没有任何数据传送，工作站就会把所要发送的信息投放到网络当中。否则，工作站会停止传输数据，等待一个随机的时间长度，然后在检测到介质归于平静之后尝试再次传输数据。这一原理可以进一步地概括为16个字:先听后发、边听边发、冲突停发、延迟重发。