3.2 相关知识

共享式以太网（即使用集线器或共用一条总线的以太网）采用了载波监听多路访问/冲突检测（Carries Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）机制来进行传输控制。共享式以太网的典型代表是使用10Base-2、10Base-5的总线型网络和以集线器为核心的10Base-T星形网络。在使用集线器的以太网中，集线器将很多以太网设备（如计算机）集中到一台中心设备上，这些设备都连接到集线器中的同一物理总线结构中。从本质上讲，以集线器为核心的以太网同原先的总线型以太网无根本区别。

1.集线器的工作原理

集线器也就是常说的Hub，是一个物理层设备。集线器是一种共享式的网络设备，即每个时刻只能有一个端口在发送数据。集线器并不处理或检查其上的通信量，仅通过将一个端口接收的信号重复分发给其他端口来扩展物理介质。所有连接到集线器的设备共享同一介质，其结果是它们也共享同一冲突域、广播域和带宽。因此集线器和它所连接的设备组成了一个单一的冲突域。如果一个节点发出一个广播信息，集线器会将这个广播传输给所有同它相连的节点，因此它也是一个单一的广播域。当网络中有两个或多个站点同时进行数据传输时，将会产生冲突，如图3.2和图3.3所示。

图3.2 集线器直接连接

图3.3 多级集线器连接

当网络中节点过多时，冲突将会很频繁，利用Hub连网并不适合，这也限制了以太网的可扩展性。交换机采用将冲突区域分割的方法解决了这个问题。

2.共享式以太网的工作特点

（1）带宽共享

在局域网中，数据都是以“帧”的形式传输的。共享式以太网是基于广播的方式来发送数据的，因为集线器不能识别帧，所以它就不知道一个端口收到的帧应该转发到哪个端口，它只好把帧发送到除源端口以外的所有端口，这样网络上所有的主机都可以收到这些帧。这就造成了只要网络上有一台主机在发送帧，网络上所有其他的主机都只能处于接收状态，无法发送数据。也就是说，在任何一时刻，所有的带宽只分配给了正在传送数据的那台主机。举例来说，虽然一台 100Mbps的集线器连接了 20台主机，表面上看起来这20台主机平均分配5Mbps带宽。但是实际上在任何一时刻只能有一台主机在发送数据，所有带宽都分配给它了，其他主机只能处于等待状态。之所以说每台主机平均分配有5Mbps 带宽，是指较长一段时间内的各主机获得的平均带宽，而不是任何一时刻主机都有5Mbps带宽。

（2）带宽竞争

在共享式以太网中，带宽是如何分配的呢？共享式以太网是一种基于“竞争”的网络技术，也就是说网络中的主机将会“尽其所能”地“占用”网络发送数据。因为同时只能有一台主机发送数据，所以相互之间就产生了“竞争”。

（3）冲突检测/避免机制

在基于竞争的以太网中，只要网络空闲，任何一主机均可发送数据。当两个主机发现网络空闲而同时发出数据时，就会产生“碰撞”（Collision），也称为“冲突”，如图3.4所示。这时两个传送操作都遭到破坏，此时 CSMA/CD 机制将会让其中的一台主机发出一个“通道拥挤”信号，这个信号将使冲突时间延长至该局域网上所有主机均检测到此碰撞。然后，两台发生冲突的主机都将随机等待一段时间后再次尝试发送数据，避免再次发生数据碰撞的情况。

图3.4 冲突发生

共享式以太网这种“带宽竞争”的机制使得冲突（或碰撞）几乎不可避免。而且网络中的主机越多，碰撞的概率越大。

虽然任何一台主机在任何一时刻都可以访问网络，但是在发送数据前，主机都要侦听网络是否堵塞。假如共享式以太网上有一台主机想要传输数据，但是它检测到网上已经有数据在传输了，那么它必须等一段时间，只有检测到网络空闲时，这台主机才能发送数据。

（4）不能支持多种速率

在共享式以太局域网中的网络设备必须保持相同的传输速率，否则一个设备发送的信息，另一个设备不可能收到。单一的共享式以太网不可能提供多种速率的设备支持。