網路架構大概論4－ 網路底層的訊框傳送法則

這次我們走入網路的更底層，TCP/IP網路模型的第一層或是OSI網路模型的第二層，了解訊框實際上在有線和無線網路上傳輸的策略，此部分已相當接近網路傳輸的最底層，再下去就是將訊框轉換為電氣∕光學規格在媒體上傳送。

▲CSMA和同軸電纜在網路分層架構的對應關係

802.3

上次講完IP，此次就是更底層的網路傳輸方式，在OSI網路架構屬於L2資料鏈結層的CSMA（Carrier Sense Multiple Access，載波偵測多重存取）載波偵測多重存取網路通訊協定，定義在IEEE 802.3當中。由於當時主要的實體傳輸媒介為同軸電纜，也就是你家電視接收無線或有線電視訊號的那條電纜，IEEE 802.3也就把同軸電纜一同定義成為OSI架構的L1實體層，CSMA和同軸電纜也就正好對應TCP/IP模型的L1鏈結層。不過因為現今主流傳輸媒介為RJ-45雙絞線，同軸電纜的部分只會跟著CSMA稍微提到一些。

現在的LAN（Local Area Network）大多都脫離不了IEEE 802.3的標準範疇，由於802.3下面還有許多更改版規格，我們先從最基礎的功能開始談起，也就是以同軸電纜作為連結媒介，傳輸速度最大只有10Mbps的原始版本。

CSMA

IEEE 802.3使用了一種稱為CSMA的技術作為核心，因為在較為早期的網路，線材作為匯流排看待，任何連上此網路匯流排的電腦都可以在其上傳輸資料；但就像菜市場攤販叫賣一樣，大家同時說話很容易聽不清楚芹菜1把10元、西瓜買一送一的特價資訊，電腦也需要有一套傳輸規則，避免大家同時傳輸資料造成錯誤，而此規則就是CSMA。

CSMA載波偵測多重存取的規則就像其名稱一樣，為了避免在其它電腦傳輸資料時造成干擾，當某台電腦想要傳輸時，會先監聽傳輸媒介是否正在使用，如果沒有其它電腦正在傳輸，代表線路目前是空閒狀態可立即使用；如果監聽的結果是線路正在使用，則持續保持監聽狀態，直到線路空閒，這就是CS（Carrier Sense）的由來。

另外一方面，由於大家都位在同一匯流排上，當某部電腦正在傳送資料時，則所有位於匯流排上的電腦都會接收到這份資料，電腦處理與否的關鍵在於傳送訊框表頭所包含的MAC（Media Access Control）位址是否跟自己相符，如果兩者一致就接收下來進行後續的處理，不同就表示這份資料不是給我的，不進行處理；這種同一匯流排可供多台電腦存取的特性，就是MA（Multiple Access）的由來。

CSMA/CD

實際上在傳輸訊框時，僅使用CSMA策略會造成傳輸速率下降，因為它沒有辦法確保多台電腦在同一時間，傳輸資料時所造成的訊框碰撞現象。因為在此之前監聽發現沒有電腦使用網路，多台電腦同時以為線路是空閒狀態，進行傳輸時就會造成訊號重疊在一起，接收方無法正確收到訊框。所以實際應用加入了CD（Collision Detection）變成CSMA/CD，對於碰撞的發生進行偵測並處理，提高線路傳輸效率。基本策略與CSMA相同，如果線路目前是空閒狀態，則可以進行傳輸工作，但不同的是傳輸工作進行時，偵測工作也同時進行著，如果傳輸中偵測到了不是自己所送出的訊號，就立刻停止自己的傳輸工作，進入碰撞偵測的後續處理。

偵測到訊框碰撞之後，立即停止原先的傳輸工作，連續發出一串32  bit干擾訊號，用以提醒此網路匯流排其它的裝置發生碰撞。接著等待一段隨機時間，再次嘗試因碰撞而未傳輸完畢的訊框。等待時間不固定，是為了盡量讓裝置們不要再次發生碰撞。

jam signal的發送長度

jam signal是32 bit長的亂數，或者直接發送1也可以，主要是讓發送方了解到發生碰撞，以及讓接收方的訊框CRC結果失敗，丟棄此訊框。

在Ethernet中，最大的架設環境下，距離最遠的兩端點訊號時間差可達232  bit傳輸時間，也就是說，當A電腦發送231bit之後，與A最遠的B電腦若已傳輸1bit，下個傳輸1bit的時間就會偵測到A電腦送來的訊號，才會偵測到碰撞發生，停止傳輸。而傳輸32  bit長度的jam signal是為了讓A電腦更容易辨識，過短的jam signal無法保證A電腦得知碰撞發生。

Ethernet訊框最短長度64  Byte也是因為232 bit的傳輸時間差而設計出來的，因為當A電腦發送之後，最遠的B電腦需要經過232  bit傳輸時間後才可收到訊號；若是碰撞發生，回傳給A電腦的碰撞訊號也要232  bit的傳輸時間，一來一往之下就是464  bit（58  Byte），為了確保A電腦佔據網路夠久的時間偵測B電腦傳來的碰撞訊號，以及電腦單位經常使用2的次方影響，就制訂出了64Byte這個最短訊框長度。

▲CSMA/CD的發送流程