以太网：帧、共享介质历史与现代全双工链路

从共享总线到交换机

以太网诞生于20世纪70年代中期，是目前使用最广泛的有线局域网技术。最初的以太网使用一根同轴电缆作为总线，所有结点都连接在这根总线上，正是上一节所说的共享介质型网络：任何结点发送的帧都会被其他所有结点收到，各结点用CSMA/CD协调发送。

20世纪90年代，以太网改用双绞线连接成星形拓扑，中心是集线器（hub）。集线器是一个物理层设备，它把从一个接口收到的比特原样转发到所有其他接口，因此网络在逻辑上仍然是一条共享的“总线”，冲突照样会发生。

如今，星形拓扑的中心几乎都是交换机（switch）。交换机是一个链路层设备，它存储并转发整个帧，而且只把帧转发到通往目的结点的接口上。

非共享介质型网络

在非共享介质型网络下，网络中的每个介质会直接连上交换机，由交换机来转发数据帧。这种网络传输方式一般采用的是全双工通信。

假设A发送了一个目标地址为B的数据，交换机负责将数据转发给介质B。

由于每条链路只连接一个结点和一个交换机接口，并且两个方向可以同时传输，链路上根本不会发生冲突，也就不再需要CSMA/CD。A向B发送的同时，C也可以向D发送，交换机会分别转发这两个帧。

以太网帧结构

无论物理介质和速率如何变化，以太网的帧格式几十年来基本保持不变：

以太网提供的是无连接、不可靠的服务：发送前不需要握手，CRC校验失败的帧被直接丢弃，既不确认也不重传。如果需要可靠传输，由上层的TCP负责发现丢失并重传。

CSMA/CD与二进制指数退避

在共享介质的以太网中，适配器按CSMA/CD的规则发送帧：

1. 适配器从网络层得到数据报，封装成帧。
2. 侦听信道：如果信道空闲，就开始发送；如果信道忙，就一直等到信道空闲后再发送。
3. 发送过程中持续检测信道。如果整个帧发送完毕都没有检测到其他信号，这一帧就发送成功了。
4. 如果检测到冲突，立即停止发送，并发送48比特的阻塞信号，确保所有结点都知道发生了冲突。
5. 中止发送后进入二进制指数退避：第$n$次冲突后，从$\{0, 1, \dots, 2^m - 1\}$中随机选取$K$，其中$m = \min(n, 10)$，等待$K \times 512$个比特时间后回到第2步。连续16次失败后放弃发送。

冲突越多，说明竞争的结点可能越多，可选的等待时间范围就成倍扩大，从而迅速降低再次冲突的概率；而竞争者少时，等待时间又很短。

最小帧长也来自CSMA/CD：发送一个最小帧（64字节，即512比特）所需的时间必须不小于信号在网络中往返一次的时间，这样冲突发生时发送方仍在发送，一定能检测到冲突。

以太网标准

以太网有许多标准，它们的名称常常形如“速率 + BASE + 介质”：BASE表示基带传输，T表示双绞线，F、SX、LR等表示光纤。

速率提高了几个数量级，但帧格式没有改变，所以上层协议完全感觉不到底层链路的变化。现代交换式以太网都工作在全双工模式下，CSMA/CD只是为了兼容而保留。

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