網路架構大概論4－ 網路底層的訊框傳送法則

隨機時間的計算

設計協定一定要考慮最好和最差的狀況，如果發生碰撞後嘗試傳輸時再次發生碰撞，那麼等待時間將不再是隨機亂數，等待時間改採「二元指數後退演算法」（binary exponential backoff algorithm）。

我們假設第幾次發生碰撞為n（n≦16，如果n＞16，會放棄傳送訊框，並向網路架構的上一層報錯），t為n和10取最小值，r為一個倍數，r的值在0≦r＜2t（n、t、r皆為包含0的正整數）。

如果今天發生第一次碰撞，n為1，1和10的最小值為1，推導出0≦r＜21，所以r的值有可能為0或1，再乘上一個時槽的時間（10Mbps的時槽為51.2μs），因此是0μs或是51.2μs。所以當第一次碰撞之後，將以隨機的方式再從0μs或是51.2μs當中選一個；因此有可能碰撞發送jam signal之後立刻補送訊框出去，或是等51.2μs之後再傳送。第二次碰撞以此類推，將在0μs、51.2μs、102.4μs中隨機選擇1種作為等待時間。

如果今天發生第十一次碰撞，11和10的最小值為10，所以r最多就是1023，等待時間最多為52377.6μs（約52ms），從第十一次碰撞到第十五次碰撞都是如此。

由於網路速度的不同，時槽的秒數也不同，10Mbps的訊框最短為64 Byte，1個時槽為51.2μs；100Mbps網路的訊框最短為64 Byte，1個時槽為5.12μs；1Gbps網路的訊框最短為512 Byte，1個時槽為4.096μs。10Gbps以上的網路已不使用CSMA/CD，所以根本不會發生碰撞（詳情後述）。

CSMA監聽／發送策略

在監聽線路是否忙碌的方法上，也分成許多不同的作法，Ethernet採用1-persistent（1-堅持法），相對的還有O-persistent（O-堅持法），在這兩者中間尚有P- persistent（P-堅持法）和non-persistent（非持續法）。

1-persistent

持續監聽傳輸媒體上是否正處於忙碌狀態（資訊傳送中或發生碰撞），當傳輸媒體一有空閒，就立刻傳送資料。

P-persistent

持續監聽傳輸媒體上是否處於忙碌狀態，如果傳輸媒體空閒，則根據事先定義的p機率值決定下一步要繼續監聽或是立即傳輸資料。P是直接傳輸的機率，1-P（此為1減P）是持續監聽的機率，P-堅持法所所設定的參數通常需要斟酌其它因素考量（網路上的電腦數量、資訊傳輸密度、各台裝置間收發的比例等），較為複雜。

non-persistent

如果偵測到傳輸媒體是空閒狀態，則立刻傳輸資料。如果偵測到傳輸媒體目前是忙碌狀態，則會隨機等待一段時間後再監聽。此策略與P-peristent相比，比較不容易發生碰撞，媒體利用率會比較好，但相對來說傳輸延遲就會增加。

O-persistent

是英文，不是數字，這個策略以完全公平為導向，在此策略中，每個裝置都會有個傳輸順序（通常網路中會有個裝置負責管理），第一台裝置傳輸完1個時槽後，就輪到第二台裝置傳輸1個時槽，第二台傳輸完後接著第三台，以此類推。每台裝置都會持續的監聽傳輸媒體上的資料，以便確定自己該在什麼時候傳輸。

當Ethernet採用CSMA/CD時，採用1-persistent策略，P-persistent策略則是使用在Wi-Fi的CSMA/CA上。O-persistent比較常用在控制環境下，因為傳輸資料量不大，各裝置間都可以在一定的時間內搶到線路所有權。

時槽（time slot）

時槽定義為在最大網路佈建的情況下，最短的訊框從網路中最遠的2點來回1次所需要的時間，會受到網路速度（傳輸頻率）和最短訊框的大小所影響。網路速度越快、時槽越短；訊框越小、時槽越短。

單工、半雙工、全雙工

假設現在有A、B點，如果資訊只能從A點傳至B點，或是B點傳至A點，則這種傳輸方式稱為單工，常見的例子有廣播式協定等。

雙工指的是A、B兩點的資訊均能夠相互傳輸，而雙工又可再細分為半雙工和全雙工。半雙工的A、B兩點雖然能夠相互傳輸資訊，但在同一時間內只能從A點向B點傳輸，或是由B點向A點傳輸，無法同時進行，像是無線電；而全雙工能夠在同一時間內讓A、B兩點相互傳送資訊。

CDMA的缺點

雖然說Ethernet採用的CDMA/CD有針對碰撞發生進行偵測，確保發送和接收到的訊框是完整的，但是卻無法保證碰撞不會發生，特別是當線路上的裝置越來越多時，碰撞的發生次數將成指數級成長，加上所採用的1-persistent策略在高傳輸量時的效率不佳，珍貴的傳輸時間和資源都會被浪費在處理碰撞和等待時間上。

幸好後來的802.3x制定出full-duplex（全雙工）傳輸方式，將原始的half-duplex（半雙工）模式加以改良。switch（交換器）的發明直接讓網路傳輸脫離訊框碰撞的苦海，就算是較多裝置的網路也不會讓傳輸效率下降。

媒體讓全雙工成為可能

最初的網路是採用類似現今傳輸電視訊號的同軸電纜，規格標準為10BASE5或10BASE2，內部結構是單芯銅線，外層使用編織金屬網包覆，達到阻隔雜訊和接地功能。同一時間內只能有1台裝置傳輸，運作在半雙工的狀態。

後來傳輸媒體漸漸的從同軸電纜移到雙絞線（顧名思義，內部線路兩兩成對，相互扭轉在一起），原先使用雙絞線傳輸只是為了佈建方便，讓同一條線材可以同時傳輸電話和網路訊號。

採用雙絞線的佈線方式不但方便，更重要的是一開始所定義的接頭規格就有8個觸點，保留4個觸點只取用4個觸點，2個做為發送，2個作為接收，相當於直接佈建2條同軸電纜，1條用於發送，1條用於接收，這個改變使得網路從半雙工變為全雙工。此外同軸電纜需要的收發器、終端電阻也在使用雙絞線後消失，佈建成本更低，因此相當快速的取代同軸電纜成為Ethernet主流的傳輸媒介。

switch讓CSMA/CD殞落

導線線材數增多，實現全雙工傳輸，但最容易降低網路傳輸速度的碰撞問題依然沒有解決。switch交換器的出現，正好解決這個問題，透過1個小小的技巧解決掉多裝置網路容易發生訊框碰撞的情況。

較早出現的hub網路裝置，僅負責將許多訊號線聚合在一起，或是作為長距離網路的電子訊號放大之用，hub只負責把某條線路傳來的訊號，加以放大並從其它的線路傳遞出去。switch做的事情更為聰明一些，它能夠自動學習哪台電腦在哪條網路線上，傳給A裝置的訊框就會從A裝置和switch連接的網路線傳輸，不會跑到別的地方去。由於A裝置和switch之間的這條線路將相當於獨立佔有，不會有其它裝置的訊框跑過來，也就不會發生碰撞。

switch辨識訊框的MAC位址，和其傳來的網路介面（網路線插孔）進行綁定的動作，即可依據訊框MAC位置決定要從哪個網路介面傳輸。

由於線路獨佔的特性，網路拓樸形態也從過去的bus匯流排，變更為由switch為中心的star星狀拓墣。switch也允許網路上的裝置線路速度不一致，10/100/1000Mbps皆可裝設在同一網路中。

全雙工新版流量控制

在採用CSMA/CD的半雙工傳輸模式下，如果接收端裝置效能不足，無法快速處理傳送端送來的訊框，想要請傳送端降低傳送速率，但半雙工模式無法同時進行雙向傳輸，沒有辦法告知對方我快吐了。此時有2種作法，第一種就是直接在網路上造成訊框碰撞，對方偵測到之後就會進入碰撞之後的處理演算法，而這演算法本身就有降低傳輸速率的功效。第二種就是由接收端直接發出傳輸訊框，另一端就會以為線路上有其它電腦要傳輸，自己就會停下來，以上2種針對半雙工傳輸模式的流量控制方法統稱為back pressure。

使用流量控制可減少緩衝區溢位，訊框資料遺失，導致資料必須重新傳遞的現象，讓線路使用率提升。

進步到全雙工傳輸之後，由於傳送和接收分別在獨立的線組上執行，CSMA/CD被拋棄，根本就不會產生碰撞；於是可以直接告訴對方我快滿了，請降低傳輸速度避免訊框遺失。支援全雙工傳輸模式的裝置都會持續監控自身的緩衝區，當緩衝區內部的資料快要到達緩衝區的頂點，便會發出pause訊框，發送的裝置收到後便會降低傳輸速率。

▲大家共用1條線的bus匯流排網路拓墣

▲各台裝置分別占有獨立線路的star星狀拓墣