以太網CSMA/CD算法&&交換機自學習/轉發簡述

一、以太網CSMA/CD算法

1. NIC從網絡層接收數據報，創建數據幀。
2. 監聽信道（1-堅持）：如果NIC監聽到信道空閒，則開始發送幀；如果NIC監聽到信道忙，則一直等待到信道空閒，然後發送幀。
3. NIC發送完整個幀，而沒有檢測到其他結點的數據發送，則NIC確認幀發送成功。
4. 如果NIC檢測到其他結點傳送數據，則中止發送，併發送阻塞信號。
5. 中止發送後，NIC進入二進制指數退避：
   第m次連續衝突後，取n=Min(m, 10)
   NIC從{0, 1, 2, …, 2ⁿ-1}中隨機選擇一個數K
   NIC等待K·512比特的傳輸延遲時間，再返回第2步
   （連續衝突次數越多，平均等待時間越長）

二、以太網交換機

特點：

• 鏈路層設備：存儲-轉發以太網幀；檢驗到達幀的目的MAC地址，選擇性向一個或多個輸出鏈路轉發幀；利用CSMA/CD訪問鏈路，發送幀
• 透明：主機感知不到交換機的存在
• 即插即用
• 自學習：交換機無需配置

主機利用共享鏈路直接連接交換機，交換機緩存幀，並在每段鏈路上利用CSMA/CD收發幀。由於每段鏈路是一個獨立的衝突域，故交換機可以多端口間同時傳輸，無衝突存在。
如圖，A-A’和B-B’的傳輸可以同時進行，沒有衝突

Q：交換機怎麼知道A’可以通過接口4到達，而B’可以通過接口5到達？
A：每個交換機有一個交換表，其中包括主機MAC地址、到達主機的接口、時間戳。

交換機：自學習

交換機通過自學習，獲知到達主機的接口信息

• 當收到幀時，交換機“學習”到發送幀的主機（通過幀的源MAC地址），位於收到該幀的接口所連接的LAN網段
• 將發送主機MAC地址/接口信息記錄到交換表中
  

交換機：幀過濾/轉發

當交換機收到幀：

1. 記錄幀的源MAC地址與輸入鏈路接口
2. 利用目的MAC地址檢索交換表
3. if 在交換表中檢索到與目的MAC地址匹配的入口
   then {
   if 目的主機位於收到幀的網段 then 丟棄幀
   else 將幀轉發到該入口指向的接口
   }
   else 泛洪 /* 向除收到該幀的接口之外的所有接口轉發 */

如上圖，例如A要發送數據幀到G，假設此時S₁，S₂，S₃，S₄中交換表都爲空。S₁接受到A發送的數據幀，記錄A的MAC地址及端口，由於S₁不知道G的MAC地址及端口，故S₁泛洪，則有一份數據傳送到S₄，S₄記錄A的MAC地址及端口後也泛洪，有一份數據到S₃，S₃同理記錄A的MAC地址及端口並泛洪，將一份數據傳送到G，此時G回傳確認數據，交換機進行選擇性轉發，不再泛洪，此時S₁，S₃，S₄學習到G的MAC地址及端口。

交換機 VS. 路由器

兩者均爲存儲轉發設備：
路由器：網絡層設備（檢測網絡層分組首部）
交換機：鏈路層設備（檢測鏈路層幀的首部）

兩者均使用轉發表：
路由器：理由路由算法（路由協議）計算（設置），依據IP地址
交換機：利用自學習、泛洪構建轉發表，依據MAC地址

網絡設備對比

參考文獻：
哈爾濱工業大學網課《計算機網絡之探賾索隱》李全龍