1. 以太网的传输介质与网卡#

以太网常用的传输介质有四种：粗缆、细缆、双绞线和光纤，其适用情况见表3.2。

NOTE

在上述标准中，“10”表示速率为10Mb/s；“Base”表示基带以太网；早期标准中，“Base”后的“5”或“2”分别表示单段最大传输距离约为500m或185m，“T”代表双绞线，“F”代表光纤。

计算机与外界局域网的连接通过主板上嵌入的网络适配器(Adapter)实现，也称网络接口卡(NIC)。适配器内置处理器和存储器，工作在数据链路层。适配器与局域网之间通过电缆或双绞线以串行方式通信；适配器与计算机之间则通过 I/O 总线以并行方式通信。因此，适配器的重要功能之一是进行串行与并行数据的转换。此外，适配器还负责：物理连接与电信号匹配、帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码，以及数据缓存等。当适配器收到正确的帧时，会通过中断通知主机，并将数据交付给协议栈的网络层；当主机要发送 IP 数据报时，协议栈将其向下传递给适配器，由适配器封装成帧后发送至局域网。

2. 以太网 MAC 地址#

IEEE 802 标准为局域网规定了一种 48 位的全球唯一地址，固化在网络适配器的 ROM 中，称为物理地址或 MAC 地址，用于控制主机在网络上的数据通信。全球所有局域网适配器的 MAC 地址均不重复；一台计算机只要未更换适配器，无论地理位置如何变化，其 MAC 地址保持不变。

MAC 地址长 6B(48 位)，通常用 12 个十六进制数字表示，以连字符或冒号分隔，例如 02-60-8c-e4-b1-21。高 24 位为厂商代码，低 24 位为厂商自行分配的适配器序列号。

当路由器通过适配器接入局域网时，该适配器的 MAC 地址用于标识路由器的对应接口。若路由器连接多个网络，则需配备多个适配器，每个接口拥有独立的 MAC 地址。

适配器从网络上每收到一个 MAC 帧，首先用硬件检查其目的地址。若为发往本站的帧，则接收；否则丢弃。这里“发往本站的帧”包括以下三种帧：

1. 单播帧(一对一)，目的地址与本站 MAC 地址相同。
2. 广播帧(一对全体)，目的地址为全1(FF-FF-FF-FF-FF)。
3. 多播帧(一对多)，目的地址为某个多播组地址，发送给局域网中部分站点。

3. CSMA/CD 协议#

由于总线在同一时间只允许一个站点发送数据，否则各站之间会互相干扰，导致所发送的数据被破坏。因此，如何协调总线上各站点的发送行为，是以太网必须解决的关键问题。

载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)协议是 CSMA 协议的重要改进，适用于总线形网络或半双工网络环境。对于全双工网络，由于其采用两条独立信道分别用于发送和接收，通信双方可同时收发数据，不会产生冲突，因此无须使用 CSMA/CD 协议。

载波监听是指每个站点在发送前和发送过程中都必须持续检测信道：发送前监听是为了确认信道空闲以获取发送权；发送中监听则是为了及时发现是否发生冲突。具体而言，站点在发送数据前先监听信道，只有当信道空闲时才开始发送。冲突检测(Collision Detection)即边发送边检测，适配器在发送数据的同时监测信道上的电压变化；当检测到电压变化幅度超过特定门限值时，即判定发生冲突，立即停止发送，并等待一段随机时间后重试。

CSMA/CD 协议的工作流程可简单概括为 “先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发”。

电磁波在总线上的传播速率是有限的。因此，某时刻发送站检测到信道空闲，并不意味着信道真正空闲。如图3.22所示，设 $\tau$ 为单程传播时延。在t=0时，A站开始发送数据。在 $t=\tau-\delta$ 时，A站的数据尚未到达B站，B站因检测到信道空闲也开始发送。经过 $\delta/2$ 时间( $t=\tau-\delta/2$ 时)，A站和B站的数据在信道上发生冲突，但此时两个站点均未察觉。直到 $t=\tau$ 时，B站检测到冲突并停止发送。在 $t=2\tau-\delta$ 时，A站也检测到冲突并停止发送。至此，两个站点的发送均失败，都需推迟一段时间后重传。

A 站在开始发送后最多经过 $2\tau$ (端到端往返传播时延)即可确认是否发生冲突(当 $\delta \to 0$ 时)。因此，将以太网的端到端往返传播时延 $2\tau$ 称为争用期(也称冲突窗口)。每个站点在发送数据后的一小段时间内，存在冲突的可能；只有在争用期结束仍未检测到冲突，才能确定本次发送成功。

现在考虑一种情况：某站发送一个很短的帧，在发送完成前未检测到冲突。但该帧在传播途中与其他帧发生冲突，导致目的站收到错误帧(并丢弃)，而发送站却不知情，也不会重传。为避免此类问题，以太网规定了最短帧长，即争用期内可发送的数据量。若在争用期内检测到冲突，发送将中止，此时已发送的数据长度必小于最短帧长；因此，任何长度小于最短帧长的帧均为因冲突而异常中止的无效帧，应被丢弃。最短帧长的计算公式为

例如，以太网规定争用期为 51.2μs。对于 10Mb/s 的以太网，争用期内可发送 512bit(64B)。这意味着：若某站点在发送前 64B 未发生冲突，则后续数据也不会冲突(表示已成功抢占信道)；反之，若发生冲突，必定发生在前 64B 内。由于检测到冲突后立即停止发送，实际发出的数据量必然小于 64B。因此，以太网规定最短帧长为 64B。若实际要发送的帧小于 64B(如仅 40B)，则需在数据字段后添加若干整数字节的填充字段，确保整个 MAC 帧长度不小于 64B。

一旦发生冲突，若站点立即重传，极易再次冲突。CSMA/CD采用截断二进制指数退避算法来确定重传时机：冲突站点在停止发送后，推迟一个随机时间再重试。算法要点如下：

1. 确定基本退避时间为一个争议期(端到端往返传播时延 $2\tau$ )。
2. 从整数集合 $[0,1,\cdots,(2^k-1)]$ 中随机选取一个数 $r$，推迟时间为 $r$ 倍争用期，即 $2r\tau$。其中 $k=\min[$ 重传次数, $10]$，即重传次数 $\leq10$ 时，$k$ 等于重传次数；超过10次后，$k$ 不再增大，恒为10。
3. 若重传达16次仍失败，则判定网络过于拥塞，放弃该帧并向高层报告错误。

例如，首次冲突后(第1次重传)，k=1，随机数r从集合{0, 1}中选取，推迟时间为0或2τ；若再次冲突(第2次重传)，k=2，r从集合{0, 1, 2, 3}中选取，推迟时间为0, 2τ, 4τ或6τ，以此类推。该机制使重传平均等待时间随冲突次数增加而动态增长(称为动态退避)，有效降低再次冲突概率，提升系统稳定性。

此外，以太网规定：一旦检测到冲突，站点除立即停止发送数据外，还需继续发送32比特或48比特的人为干扰信号，以确保所有站点都能感知到冲突，这被称为强化碰撞机制。

以太网还规定帧间最小间隔为 9.6μs(相当于 96 比特的发送时间)。以便接收站有足够时间清空缓存，为接收下一帧做好准备。

CSMA/CD 协议的归纳如下：

1. 准备发送：适配器从网络层获取分组，封装成帧，放入适配器的缓存。

2. 检测信道：若信道忙，则持续监听直至空闲；若信道在 9.6μs 时间内保持空闲(满足帧间最小间隔)，则开始发送该帧。

3. 发送过程中持续检测信道，可能出现两种情况：

   • 发送成功：争用期内未检测到冲突，帧发送成功。
   • 发送失败：争用期内检测到冲突，立即停止发送，执行退避算法，等待随机时间后返回步骤2；若重传16次仍未成功，则放弃发送并向高层报告出错。

4. 以太网的 MAC 帧#

以太网 MAC 帧格式有两种标准：DIX Ethernet V2 标准(以太网 V2)和 IEEE 802.3 标准。此处仅介绍最常用的以太网 V2 标准的帧格式。

1. 帧前插入的8B前导码分为两个字段：第一个字段是7B的前同步码，用于实现比特同步；第二个字段是1B的帧开始定界符，标志MAC帧的开始。

   NOTE

   以太网帧不需要帧结束定界符。因为当以太网传送帧时，各帧之间必须保持至少96比特时间的间隙，因此，接收方只要找到帧开始定界符，其后连续到达的比特流即属于同一帧。此外，以太网采用了违规编码法的思想，这种编码(曼彻斯特编码)的特点是在每个码元中间都有一次电压跳变。当发送方把一个帧发送完毕后，就不再发送其他码元，因此发送方网络接口上的电压也不再变化，这样接收方就能很容易地找到帧的结束位置，这个位置往前数4B就是FCS字段，从而确定数据字段的结束位置。

2. 目的地址：6B，帧在局域网中的目的适配器的 MAC 地址。

3. 源地址：6B，发送该帧的源适配器的 MAC 地址。

4. 类型：2B，标识上一层使用的是什么协议，以便将收到的 MAC 帧的数据交给相应的上层协议。例如，当类型字段的值是 0x0800 时，表示上层使用的是 IP。

5. 数据：46～1500B，承载上层的协议数据单元(如IP数据报)。以太网的最大传输单元为1500B，若IP数据报超过此长度，则需在网络层进行分片。此外，由于CSMA/CD协议算法限制，以太网帧必须满足最小长度为64B，当IP数据报不足46B时，MAC子层会在数据字段后面添加整数字节的填充字段，以确保帧长达到64B。

   NOTE

   “46是怎么来的？”——由CSMA/CD协议可知，以太网帧的最短帧长为64B，而MAC帧的首部和尾部的长度为18B，因此数据字段最少为64-18=46B。

6. 检验码(FCS)：4B，采用32位CRC码，检验范围从目的地址到数据字段(含目的地址、源地址、类型和数据)，但不检验前导码。

IEEE 802.3 帧格式与以太网 V2 帧格式的区别在于：用长度字段替代了 V2 帧中的类型字段，指示数据字段的长度。在实践中，这两种机制可以并存，由于 IEEE 802.3 数据字段的最大长度为 1500B，故长度字段的值 $\leq 1500$；从而 1501 到 65535 的值则被解释为类型标识符。

5. 高速以太网#

速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网，其主要类型如表3.3所示。

1. 无线局域网的组成#

无线局域网可分为两大类：有固定基础设施的无线局域网和无固定基础设施的移动自组织网络。所谓“固定基础设施”，是指预先部署、能覆盖一定地理范围的固定基站。

2. CSMA/CA 协议#

CSMA/CD 协议已成功用于有线局域网，但无线局域网不能简单照搬 CSMA/CD 协议。无线局域网仍使用 CSMA 协议，但无法实现冲突检测，主要有两个原因：

1. 适配器接收到的信号强度通常远小于其发送信号的强度，且无线信道中信号强度的动态范围极大，若要实现冲突检测，硬件上的成本将会过高。
2. 在无线通信中，并非所有站点都能互相侦听到对方(却可能产生冲突)，即存在隐蔽站问题，导致冲突检测机制无法发现所有冲突。

A站和B站均在AP的覆盖范围内，但彼此距离较远，无法侦听到对方。当A站和B站同时检测到信道空闲时，都向AP发送数据，导致发生冲突，而双方均无法察觉，这就是隐蔽站问题。这里A站和B站互为隐蔽站，它们检测不到彼此的信号，却能产生冲突。

为此，802.11协议定义了广泛应用于无线局域网的CSMA/CA协议。它对CSMA/CD协议进行改进，将“冲突检测”改为“冲突避免”(Collision Avoidance，CA)。“冲突避免”并不是指协议可以完全避免冲突，而是要尽量降低冲突发生的概率。由于802.11协议不支持冲突检测，一旦站点开始发送帧，就必须完整发送该帧；若在冲突存在时，仍发送整个帧(尤其是长数据帧)，将严重降低网络效率，因此必须采用冲突避免技术来降低冲突概率。

鉴于无线信道的通信质量远不如有线信道，802.11 协议在数据链路层引入确认/重传(ARQ)机制：站点每发送完一帧后，必须收到接收方的确认帧(ACK)，才能继续发送下一帧。因此，802.11 无线局域网采用的是一种停止-等待式可靠传输协议。

802.11 协议在 MAC 子层定义了两种介质访问控制方式。

1. 分布式协调功能(DCF)。不采用任何中心控制，各站通过争用信道获得发送权。这是802.11协议必须实现的方式，也是目前广泛使用的方式。
2. 点协调功能(PCF)。使用 AP 集中控制，用类似于探询的方法将发送权轮流分配给各站，从而避免冲突。它是 802.11 协议的可选方式，实际很少使用。

802.11 协议规定，各站在发送数据前必须检测信道，若信道忙，则禁止发送。为进一步减少冲突，802.11 协议还要求：即使检测到信道空闲，也需再等待一段短暂时间(确保信道持续空闲)，方可发送帧。该时间称为帧间间隔(InterFrame Space, IFS)，其长度取决于帧的类型。

1. DIFS(分布式协调 IFS)：最长的 IFS，在 DCF 方式下用来发送数据帧和管理帧。
2. PIFS(点协调 IFS)：中等长度的 IFS，在 PCF 方式中使用。
3. SIFS(短 IFS)：最短的 IFS，用于分隔同一对话中的连续帧，如 ACK 帧、CTS 帧、分片后的数据帧，以及对 AP 探询的响应帧等。

当信道由忙变为空闲时，在有多个站点同时等待发送的情况下，若它们都在时间 DIFS 后立即发送数据，则必然导致冲突。因此，CSMA/CA 协议规定：当检测到信道从忙变为空闲时，任何站点要发送数据，必须先等待时间 DIFS，再进入争用期，并执行随机退避，即随机选择一个退避时隙数，并在每个空闲时隙将其减 1，直至减为 0 后才发送。当且仅当检测到信道空闲且这个数据帧是要发送的第一个数据帧时，才不使用退避算法，其他所有情况都必须使用退避算法，具体为：

1. 要发送第一个数据帧之前检测到信道忙；
2. 未收到确认，要重传数据帧；
3. 每次确认成功后要发送下一个数据帧。CSMA/CA 协议的退避算法与 CSMA/CD 协议类似，第 i 次退避在[0, …, (2^{4+k} - 1)]个时隙中随机选择一个，当时隙范围最大达到 1023 时(对应第 6 次重传)，就不再增加。

CSMA/CA 协议算法归纳如下：

1. 若站点首次尝试发送数据(非因重传而发送)，且检测到信道空闲，则在等待时间 DIFS 后(信道持续空闲)，立即发送整个数据帧。否则执行步骤2。
2. 站点选取一个随机数，设置退避计时器。计时器运行的规则是：若信道忙，则冻结计时器(暂停递减)，并继续等待，直至信道变为空闲(称为推迟接入)；若信道空闲，且在时间DIFS内持续空闲，则开始争用信道，进行倒计时。当计时器减至0时(仅可能发生在信道持续空闲期间)，站点立即发送整个数据帧并等待确认。
3. 发送站收到确认后，若仍有后续帧待发送，则转到步骤2。若在规定时间(由重传计时器控制)内未收到确认，则按二进制指数退避规则增大竞争窗口，再转到步骤2重新尝试。

NOTE

推迟接入和退避的区别。推迟接入发生在信道忙时，为的是等待争用期的到来，此时退避计时器处于冻结状态。而退避是争用期各站点执行的算法，此时信道是空闲的，退避总出现在DIFS之后。

802.11 协议还规定各站采用虚拟载波监听机制：源站在发送数据前，通过帧首部的持续期字段，向所有能接收到该帧的站点通告其将占用信道的总时长(包括目的站回复 ACK 所需的时间)。其他站点收到后，将据此设置自身的网络分配向量(Network Allocation Vector，NAV)，并在 NAV 计时期间暂停发送，进而显著降低冲突概率。所谓虚拟载波监听，是指这些站点并未实际监听物理信道，而基于接收到的通知主动避让，效果等同于持续监听信道。

为了缓解隐蔽站的问题，802.11 协议允许发送站对信道进行预约。在图 3.26 中，A 站和 B 站互为隐蔽站，下面以 A 站和 AP 通信为例，介绍信道预约的方法。

1. 在 A 站向 AP 发送数据帧 DATA 前，先检测信道。若信道空闲，则等待时间 DIFS 后，广播一个请求发送 RTS(Request To Send)控制帧，目的是告诉所有能够收到 RTS 帧的站：“我要占用信道一段时间[SIFS+CTS+SIFS+DATA + SIFS+ACK]”，即从成功收到 RTS 帧起，到 AP 完成 ACK 发送为止的时间。这个时间被写入 RTS 帧首部。
2. 若 AP 正确收到 RTS 帧且信道空闲，则等待时间 SIFS 后，广播一个允许发送 CTS(Clear To Send)控制帧。目的不仅是告诉源站“可以发送数据了”，同时也是告诉所有能收到 CTS 帧的站“我要占用信道一段时间[SIFS+DATA + SIFS+ACK]”，即从成功收到 CTS 帧起，到 AP 完成 ACK 发送为止的时间。该时间同样被写入 CTS 帧首部。
3. A站收到CTS帧后，再等待时间SIFS，即可发送数据帧。其首部写入时间[DATA+SIFS + ACK]，即从开始接收数据帧起 $^{①}$，到AP完成ACK发送为止的时间。

任何站点只要收到 RTS 帧、CTS 帧或数据帧之一，就会根据其首部的持续期字段设置自己的 NAV，如图 3.27 所示。虽然 B 站收不到 A 站发送给 AP 的 RTS 帧，但能收到 AP 广播的 CTS 帧，B 站根据 CTS 帧首部的内容设置自己的 NAV，因此在这段时间内不会发送数据、干扰信道。因此，虚拟载波监听机制能够有效减少由隐蔽站引发的冲突问题。

显然，使用 RTS/CTS 帧会使网络的通信效率有所下降，但这两种控制帧都很短，与数据帧相比开销不算大。相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生冲突而导致数据帧重传，浪费的时间往往更多。信道预约并非强制要求，各站点可自行决定是否启用。或仅当待发送的数据帧长度超过某一阈值时才使用 RTS/CTS 帧，从而在可靠与效率之间取得平衡。

CSMA/CD 协议与 CSMA/CA 协议的主要区别如下：

1. 冲突处理机制不同。CSMA/CD 协议能在发送过程中检测冲突，但无法避免冲突；CSMA/CA 协议无法在发送时检测冲突(尤其是发生在接收端的冲突)，因此只能尽量避免冲突。
2. 传输介质不同。CSMA/CD协议用于总线形有线以太网，CSMA/CA协议则用于无线局域网。
3. 检测方式不同。CSMA/CD 协议通过检测线路中的电压变化来判断是否冲突；而CSMA/CA 协议只能在发送前通过能量检测、载波侦听或两者的混合方式，综合判断信道是否空闲。

总结：CSMA/CA 协议的思想是 “先打招呼，再发数据”，发送前先广播通知其他站点，在其指定的时段内暂时发送，以预防冲突；而 CSMA/CD 协议则是“边发边听，撞了就停”，发送前先监听信道，发送过程中持续检测信号，一旦发现冲突，就立即停发，并启动退避重传机制。

3. 802.11 局域网的 MAC 帧#

802.11 局域网的帧共有三种类型：数据帧、控制帧和管理帧。其中，数据帧以及三种常用的控制帧(RTS帧、CTS帧和ACK帧)的格式如图3.28所示。

802.11 帧由以下三部分组成：

1. MAC 首部，共 30B。帧的复杂性主要体现在 MAC 首部。
2. 帧主体，即数据部分，最大长度不超过2312B，远大于以太网帧的数据载荷。
3. 帧检验序列(FCS)，作为MAC尾部，共4B。

802.11 帧首部中最关键的部分是四个地址字段(均为 MAC 地址)，此处仅讨论前三个(地址 4 用于自组网络)。这三个地址的具体含义由帧控制字段中的两个标志位 “去往 AP” 和 “来自 AP” 共同决定。表 3.4 列出了 802.11 帧的地址字段最常用的两种情况。

其中，地址 1 是直接接收该帧的节点地址，地址 2 是实际发送该帧的节点地址。

现假定在同一个BSS中，A站向B站发送数据，该过程分可为两个阶段。

第一阶段：A站→AP

A 站构造一个 802.11 帧发送给 AP。该帧首部字段设置如下：

“去往 AP=1” 而 “来自 AP=0”

地址 1 为 AP 的 MAC 地址。地址 2 为 A 站的 MAC 地址。地址 3 为 B 站的 MAC 地址。

第二阶段：AP→B站

AP 收到该帧后，将其转发给 B 站。此时构造的新 802.11 帧首部字段设置如下：

“去往 AP=0”而“来自 AP=1”；

地址 1 为 B 站的 MAC 地址，地址 2 为 AP 的 MAC 地址，地址 3 为 A 站的 MAC 地址。

理解这三个地址的关键：地址1和地址2始终表示当前无线传输的两端，即直接接收方和直接发送方。当主机发往AP时，接收方是AP，但最终目的不是AP，因此用地址3存放实际目的地址；当AP发往主机时，发送方是AP，但原始源不是AP，因此用地址3存放实际源地址。

下面讨论一种更复杂的情况。如图3.29所示，两个AP通过有线链路连接到同一个路由器R，A站和B站分别位于两个不同的子网中。现分析A站向B站发送数据的完整过程。由于A站与B站不在同一个子网内，该通信需经由路由器R转发，整个过程也可分为两个阶段。

第一阶段：A站→路由器R

A 站先判断 B 站的目的 IP 地址不在本地子网内，因此将数据发送给默认网关，即 R 的接口 L1。为此，A 站通过 ARP 获取接口 L1 的 MAC 地址，随后构造一个 802.11 帧发送给 AP1。

该 802.11 帧的首部字段设置如下：

“去往 AP=1”而“来自 AP=0”；

地址 1 为 AP1 的 MAC 地址，地址 2 为 A 站的 MAC 地址，地址 3 为接口 L1 的 MAC 地址。

AP1 收到该帧后，将其转换为 802.3 帧(仅包含源和目的两个 MAC 地址)，其中源地址为 A 站的 MAC 地址，目的地址为接口 L1 的 MAC 地址，并通过有线链路传送给路由器 R。

第二阶段：路由器 R→B 站

路由器 R 收到 802.3 帧后，解封装并提取出 IP 数据报。根据其中的目的 IP 地址，路由器 R 查询转发表，确定下一跳出口为连接 B 站所在子网的接口 L2。接着，路由器 R 通过 ARP 获取 B 站的 MAC 地址，并将该 IP 数据报重新封装为一个新的 802.3 帧，其中源地址为接口 L2 的 MAC 地址，目的地址为 B 站的 MAC 地址。AP2 收到此 802.3 帧后，将其转换为 802.11 帧并发往 B 站。

该 802.11 帧的首部字段设置如下：

“去往 AP=0” 而 “来自 AP=1”；

地址 1 为 B 站的 MAC 地址，地址 2 为 AP2 的 MAC 地址，地址 3 为接口 L2 的 MAC 地址。

上述两个阶段共同构成 A 站向 B 站发送数据的完整路径。从网络层视角看，IP 数据报从子网 1 经路由器 R 转发至子网 2；而链路层则通过 802.11 帧中的地址 3 字段，在无线与有线介质转换过程中保留了原始源或目的 MAC 地址，确保了通信语义正确。这一机制涉及网络层的路由器转发功能，学完相关内容后，读者将能更深入理解本例所述的跨网通信过程。

下面介绍 802.11 帧中的持续期字段和帧控制字段。

1. 持续期字段。在前面的 CSMA/CA 协议中提到，发送站点可对信道预约一段时间，并将该时间写入持续期字段，用于虚拟载波监听。
2. 帧控制字段。其中较重要的是类型和子类型字段，用于区分帧的功能。802.11帧分为三大类型，每种类型又分为若干子类型，如控制帧包括RTS、CTS、ACK等子类型。