沖突檢測 - 以太網(wǎng)工作原理分析

　　載波偵聽多路訪問為控制會話提供了一個好的起點，但是仍然有一個難題需要解決。讓我們回到用來類比的飯桌談話上，想想談話中有片刻寂靜的情況。你和我都有一些話想說，我們都在發(fā)生片刻寂靜時“偵聽到了載波”，所以我們幾乎同時開始講話。用以太網(wǎng)術(shù)語來說，我們同時講話時會發(fā)生沖突。

　　在談話時，我們可以很好地處理這種情況。在我們講話的同時，都聽到了對方也在講話，因此我們都停止了講話，以便對方能夠繼續(xù)。以太網(wǎng)節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)時也會偵聽介質(zhì)，確保它是在該時刻進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ徽军c。如果站點聽到它自己傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以一種混亂的形式返回(如果其他站點也同時開始傳輸它們自己的消息便會發(fā)生這種情況)，那么就知道發(fā)生了沖突。有時，我們將單個以太網(wǎng)段稱作一個沖突區(qū)域，因為網(wǎng)段上的任何兩個站點都無法在不產(chǎn)生沖突的情況下同時傳輸數(shù)據(jù)。如果站點檢測到?jīng)_突，它們會停止傳輸數(shù)據(jù)，等待一個隨機(jī)的時間長度，然后在檢測到介質(zhì)歸于平靜之后嘗試再次傳輸數(shù)據(jù)。

　　隨機(jī)暫停并重試是協(xié)議的重要組成部分。如果兩個站點在進(jìn)行傳輸時發(fā)生沖突，那么它們都需要重新進(jìn)行傳輸。在適于傳輸數(shù)據(jù)的下一個時間，上次發(fā)生沖突的兩個站點都會準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)以便進(jìn)行傳輸。如果它們在第一次機(jī)會來到時再次傳輸了數(shù)據(jù)，那么很可能無限期地一次又一次發(fā)生沖突。而隨機(jī)延遲則可以使任何兩個站點都不會連續(xù)發(fā)生多次沖突。

　　以太網(wǎng)的缺點

　　單根共享電纜可作為一個完整以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。但在單根共享電纜的情況下，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的大小實際上存在一定的限制。主要原因在于共享電纜的長度。

　　電氣信號可以沿電纜飛快傳播，但是它們的行程卻不長，而且臨近設(shè)備(如熒光燈)的電氣干擾還會擾亂信號。要使設(shè)備能夠清楚地以最小延遲接收到對方發(fā)送的信號，網(wǎng)絡(luò)電纜必須足夠短才行。這就限制了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上兩臺設(shè)備之間的最大距離(稱作網(wǎng)絡(luò)直徑)。此外，按照CSMA/CD方式，在任一給定時間，只能有一臺設(shè)備傳輸信號，所以能夠共存于一個網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備的數(shù)量實際也存在限制。如果太多設(shè)備連接到同一個共享網(wǎng)段上，它們之間爭用介質(zhì)的現(xiàn)象便會增加。在有機(jī)會傳輸數(shù)據(jù)之前，設(shè)備可能會等待非常長的時間。

　　工程師們已經(jīng)開發(fā)出大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來緩解這些難題。其中的許多設(shè)備并不是只針對以太網(wǎng)的，它們在其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中同樣可以發(fā)揮作用。

　　轉(zhuǎn)發(fā)器

　　最初廣泛使用的以太網(wǎng)介質(zhì)是被稱作“粗電纜網(wǎng)”的銅制同軸電纜。這種電纜的最大長度是500米。在大型建筑或校園環(huán)境中，500米長的電纜經(jīng)常不足以連接所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。但轉(zhuǎn)發(fā)器可以解決這個問題。

　　轉(zhuǎn)發(fā)器連接多個以太網(wǎng)段并且偵聽每個網(wǎng)段，同時將它在某個網(wǎng)段上聽到的信號重復(fù)發(fā)送到與轉(zhuǎn)發(fā)器相連接的所有其他網(wǎng)段。使用多條電纜并將它們連接到轉(zhuǎn)發(fā)器，可以顯著延長網(wǎng)絡(luò)直徑。

　　網(wǎng)段劃分

　　在我們用飯桌進(jìn)行的比喻中，桌旁只有幾個人在進(jìn)行對話，任一給定時刻只能有一個人講話的規(guī)定便不會對交流形成大的障礙。但是假如有許多人坐在桌旁并且在任一時刻只允許有一個人講話，那又會怎么樣呢?

　　如果是這樣的話，上面的比喻肯定不再適用。實際上，有很多人參與的談話經(jīng)常會分成多個同時進(jìn)行的不同談話。在擁擠的房間內(nèi)或燒烤晚宴上，如果在任一時間只能有一個人講話，許多人會因等待說話的時間過長而感到沮喪。對人類來說，這個問題會得到自行糾正：聲音的傳輸范圍有限，而耳朵善于從環(huán)境噪聲中捕捉住特定的談話。因此，在聚會時，同一個房間的人很容易分成多個小組進(jìn)行談話。因為網(wǎng)絡(luò)電纜可以快捷、高效地長距離傳輸信號，所以不會出現(xiàn)上面這種自然而然的分組情況。

　　隨著規(guī)模的擴(kuò)大，以太網(wǎng)會面臨堵塞問題。如果大量站點都連接到同一網(wǎng)段并且每個站點都產(chǎn)生許多網(wǎng)絡(luò)流量，那么在有機(jī)會發(fā)送數(shù)據(jù)時，會有很多站點嘗試進(jìn)行傳輸操作。這種情況會使沖突越來越頻繁地產(chǎn)生，由此導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸無法正常進(jìn)行，完成一次成功的傳輸需要花費難以想象多的時間。減少堵塞的一種方法是：將單個網(wǎng)段劃分為多個網(wǎng)段，從而形成多個沖突區(qū)域。這種解決辦法會造成另一個問題，即這些分隔開的網(wǎng)段無法相互共享信息。

　　網(wǎng)橋

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　　還記得以太網(wǎng)的多路訪問和共享介質(zhì)意味著線路上的所有站點會收到所有傳輸數(shù)據(jù)并檢查自己是否是目標(biāo)接收方嗎?網(wǎng)橋便利用這個特性在各個網(wǎng)段間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。在上圖中，網(wǎng)橋?qū)⒕W(wǎng)段1和網(wǎng)段2連接在一起。如果站點A或B要發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)橋?qū)⑹盏骄W(wǎng)段1上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，它應(yīng)如何響應(yīng)該流量呢?它可以像轉(zhuǎn)發(fā)器一樣自動將該幀發(fā)送到網(wǎng)段2上，但是這并不能減輕堵塞現(xiàn)象，因為網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在的行為與單個長網(wǎng)段沒有區(qū)別。

　　網(wǎng)橋的目標(biāo)在于減少兩個網(wǎng)段上不必要的網(wǎng)絡(luò)流量。為了做到這一點，在決定如何處理幀之前，它會檢查幀的目標(biāo)地址。如果目標(biāo)地址是站點A或B，那么便無需將幀發(fā)送到網(wǎng)段2上。因此，網(wǎng)橋不會執(zhí)行任何操作。我們可以說，網(wǎng)橋過濾或丟棄了該幀。如果目標(biāo)地址是站點C或D，或者是一個廣播地址，那么網(wǎng)橋會將該幀傳輸(或者說轉(zhuǎn)發(fā))到網(wǎng)段2。通過轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)了上圖中所有四臺設(shè)備的相互通信。此外，由于網(wǎng)橋可以根據(jù)需要過濾掉數(shù)據(jù)包，在站點A向站點B發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，站點C也可以向站點D發(fā)送數(shù)據(jù)，兩個對話可以同時進(jìn)行!

　　交換機(jī)是比網(wǎng)橋更先進(jìn)的類似產(chǎn)品，它不僅功能與網(wǎng)橋相當(dāng)，而且為網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點提供了一個專用網(wǎng)段。

　　為了解決網(wǎng)絡(luò)分段造成的問題，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)使用了網(wǎng)橋。網(wǎng)橋可將兩個(或更多)網(wǎng)段連接在一起，與轉(zhuǎn)發(fā)器一樣能夠提高網(wǎng)絡(luò)直徑，但是網(wǎng)橋的不同之處在于它還有助于控制網(wǎng)絡(luò)流量。網(wǎng)橋可以發(fā)送和接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這和其他任何節(jié)點一樣，但是它在功能上與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點并不相同。網(wǎng)橋不會產(chǎn)生任何自己的流量，因為它與轉(zhuǎn)發(fā)器相同，只是重復(fù)它從其他站點那里聽到的內(nèi)容。(最后一句的表述并不完全準(zhǔn)確：網(wǎng)橋會產(chǎn)生一種特殊的以太網(wǎng)幀，使得它們能夠與其他網(wǎng)橋進(jìn)行通信，但是這并不屬于本文的討論范疇。) 以太網(wǎng)介質(zhì)

　　路由器

　　網(wǎng)橋允許不同網(wǎng)段同時進(jìn)行對話，從而減少了網(wǎng)絡(luò)擁堵，但是它們在對流量進(jìn)行分段方面存在一些局限。

　　網(wǎng)橋的一個重要特征便是：它會向所有連接的網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)廣播。這種行為很有必要，因為以太網(wǎng)廣播的目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點，但是對于過于龐大的網(wǎng)橋網(wǎng)絡(luò)，這種做法也會帶來問題。如果網(wǎng)橋網(wǎng)絡(luò)中的大量站點都發(fā)送廣播，與所有這些設(shè)備處于同一個網(wǎng)段中一樣，會發(fā)生嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁堵。

　　路由器是一種高級的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以將單個網(wǎng)絡(luò)從邏輯上劃分為兩個單獨的網(wǎng)絡(luò)。盡管以太網(wǎng)廣播可以通過網(wǎng)橋到達(dá)網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點，但是它們無法通過路由器，因為路由器形成了網(wǎng)絡(luò)的邏輯邊界。

　　路由器所基于的協(xié)議獨立于具體的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如以太網(wǎng)或下文要討論的令牌環(huán)網(wǎng))。它可以將使用不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)(不論是局域網(wǎng)還是廣域網(wǎng))輕松連接在一起。因此，它在將世界各地的設(shè)備連接到全球互聯(lián)網(wǎng)的工作中得到了廣泛應(yīng)用。

　　請參見路由器工作原理查看對該技術(shù)的詳細(xì)討論。