# 第02講 IEEE 802.3 Ethernet
計算機網路概論 黃能富教授

Ethernet
---
* 第一個被廣泛使用的LAN
* 傳輸速度約10 Mbps – 100 Gbps
* DEC 與 Intel 加入 Xerox 共同定義了 10-Mbps Ethernet 標準， 此標準由 **IEEE standard 802.3** 所組成
* **Ethernet的特性：**
1. **Connectionless**：傳送封包前不需建立連線
2. **Unreliable**(不可靠傳輸)：receiving NIC doesn’t send ACKs(確認訊息) or NACKs(未確認訊息) to sending NIC
3. Ethernet’s MAC protocol：**Carrier Sense Multiple Access with *Collision Detection* (CSMA/*CD*)**

Bus Topology
---
* all nodes in same collision domain (同時傳送會相互碰撞)

Cable Signaling (Manchester Encoding)
---
* Coaxial Cable：同軸電纜
* Each bit has a transition(如同 clocks)
* 只要有訊息傳輸，就會有電位的變化 -> low變high 或 high變low
=>因此可**同步**傳送端及接收端

Ethernet第一代 - **10Base5**
---
1. 最長可達 500 公尺
2. **transceiver**(transmitter + receiver)：用以偵測鏈結是否閒置，並在主機傳送時負責drives signal，並且也負責接收傳入的訊號
3. The transceiver is connected to an Ethernet adaptor 且adaptor插在主機上
4. CSMA/CD is implemented on the adaptor(介面卡)
5. Multiple Ethernet segments可以藉由 **repeater** 來連接
6. repeater ：是一個裝置用於傳送 digital signals
7. between any pair of hosts**不能有超過四台**repeater
->代表Ethernet最大可達範圍長度僅為 2500公尺
* 因為有半訊號增益器間電纜，因此Ethernet最大才可達範圍長度僅為 2500公尺
=> 3段Coaxial Cable(500*3)+1000=2500

Ethernet第二代 - **10Base2**
---
1. 非使用coax cable，而是用較細的纜線來實作，稱之為10Base2
* 10 表示該網路以10 Mbps運作
* Base 表示被用於baseband system
* 2 表示最長為 200 公尺

Ethernet第N代 - **10BaseT**
---
1. 更新的纜線技術稱作10BaseT
* T 代表 twisted pair(雙絞線)
* 長度限制在100公尺以下
2. 10BaseT而言，是許多point to point segments集中至multiway repeater，稱作**Hub**(集線器)
3. 運作方式還是broadcast

Star Topology
---
1. **switch** 於Star Topology最中間
2. 分散式的Ethernet protocol(主機和主機之間的訊息**不會collide**)
* Switch：**每個port(乙太網路接口)都可同時傳輸**

* ***Ethernet Switch ASIC example***
* 24+4 代表 => 24個port和4個Gigabit Ethernet
* Address Table用來記錄網卡位置和要到哪個port，且可同時查詢

## Ethernet Frame Format
* Preamble (64bits):使得接收端得以進行訊號同步
=> 一系列交錯的 0 與 1 訊號
* SFD -> Start Frame Delimiter (10101011)
* DA -> Source and Destination MAC Addresses(48bits each)
=> 來源及目的端主機的網卡位址
* SA -> Source MAC Address
* TYPE -> Packet type(16bits)
=> 指出此訊框應被送到哪個higher level protocol
* Data(up to 1500 bytes)
-> 綠色部分 - LLC-Frame(Up to 1500 bytes) + PAD(Padding when LLC-Frame < 46 bytes)
=> 最少要有 46 bytes，才能夠偵測傳輸是否發生碰撞
* FCS(Frame Check Sequence): CRC (32bit)
---

* **Min *64* bytes 用來確定封包傳送是否碰撞**
* **Max *1518* bytes 用來避免佔用大量頻寬**

### Ethernet Addresses
* Each host on an Ethernet has a **unique Ethernet Address**
* address 屬於adaptor而不是 host
* 被燒錄在adaptor的ROM中
* 以冒號隔開的六個數字所組成的序列
* 每一個透過Ethernet傳輸的資訊，會被所有連接此Ethernet的主機接收 - broadcast
* summarize:
=> Ethernet adaptor收到網路線上所有的frames and accepts
* **unicast address**
* **broadcast address** -> 所有位元均為 1
* **multicast address** -> 第一個位元為 1 但不全為1

## Ethernet MAC protocol
* any signal placed on the Ethernet 會廣播到整個網路上
* Terminators：會將訊號吸收, 以避免訊號反彈回網段上

### CSMA (Carrier Sense Multiple Access)
* CSMA(傳輸前先聽)：
* If channel sensed idle：傳輸整個frame
* If channel sensed busy：延後傳輸時間

### CSMA collisions
* collisions can still occur：
1. propagation delay(傳輸延遲)：
=> 代表兩點可能不會聽到相互正在傳輸資料
* t0 -> B開始傳送(黃色部分)
* t1 -> D開始傳送(紅色部分)
* t1 傳輸訊號時，因t0未抵達C，故認為此時為idle，但實際上會發生collision
* collision：會浪費整個傳輸時間

### CSMA/CD (Collision Detection)
* CSMA/CD:
1. collisions detected within short time
2. 碰撞發生立即中斷傳輸，降低頻道的浪費
* Collision detection: 測量訊號的強度，比較傳送的訊號與接收的訊號
* Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD)
1. Carrier sense：代表所有的node可以分辨link的狀態是idle或busy
2. Collision detection：代表一個node在傳輸時會持續偵測是否其傳輸與其他node的傳輸訊號發生碰撞
* **1-persistent protocol**：每當link狀態由busy變至idle時，adaptor傳送frame的機率為 1 (100%)
* **p-persistent**:每當link狀態由busy變至idle時,adaptor傳送frame的機率為 p (0 <= p <= 1)
* 因為此協議沒有centralized control所以有可能發生同一時間有兩個(或多個)adaptors同時傳送
* 同時偵測到link為idle
* 同時等到link由busy變至idle
* 當以上狀況發生時，會發生collision
* 當adaptor偵測到frame和別人發生collision時，首先會傳送一段 32-位元 的**jamming sequence**（擾亂訊號）並且停止傳送frame
* 因此，在發生collision時, transmitter送出的訊框最少為 96 bits
=> 64-bit preamble + 32-bit jamming sequence
* jamming sequence：避免誤判
* 有 96 bit的frame(此種訊框稱為 **runt frame**) 的情形之一是**兩個hosts距離非常近**

Collision Window
---
* The worst case scenario 發生在兩個主機分別**在Ethernet的兩端**
* 為了確認frame在傳送時沒有和其他frame發生collision，transmitter可能需要傳送長度達 **512 bits** (64 bytes)的frame
=> 14 bytes of header + 46 bytes of data + 4 bytes of CRC
* Collision Window = round-trip delay (來回延遲)(2a)
---
* 假設 A 開始傳送frame的時間點 **t**
* **a** 代表 one link latency
1. A 所傳送frame的第一個位元到達 B 的時間為 **t + a**
2. 在A的frame到達 B 前，B 已開始傳送frame
3. A 和 B發生collision，B 偵測到
4. B 會送32-bit jamming sequence
5. A 不會偵測到collision，直到收到 B 的frame，此時間點為 t + 2a
=> 所以A 必須持續傳送 2a 的時間，才能確認所有可能發生的collision
---
* 訊號往返最遠兩端的 round trip delay被設定為 51.2µs
* 10 Mbps乙太網路, 此時間可以傳送 512 位元的資料
=> 10 Mbps x 51.2 µs = 512 bits(64 bytes)
* ***Collision Window (Slot time)***:IEEE 802.3 將一個Collision Window的時間定為 ***51.2μs***

Exponential Backoff Algorithm
---
* Exponential Backoff：
* 等一段時間後再來重新嘗試傳送
* **失敗後**，就會**加倍等待的時間**後再來重新嘗試傳送
1. first delays -> 不是 0 就是 51.2µs
2. second delays -> 0,51.2µs, 102.4µs, 或 153.6µs (隨機選一個)
* 此為 k * 51.2 for **k = 0, 1, 2, 3**
3. third collision之後 => k * 51.2 for k =0 ~ 2^3 – 1(隨機選一個)
4. 此演算法隨機在 0 到 2^n – 1 之間選擇一個 k 值，然後等候 k * 51.2 µs
* 連續collisions次數最多為16
* 2^n (n≦10)

CSMA/CD Collision Handling
---
* Collision Signal is generated by **Physical layer**
* **Jam signal (強制衝撞)**：確認所有參與衝撞的工作站能確實偵測碰撞
-> 長度為 32 bits的訊號
* Collision backoff and retransmission method：
-> **Truncated Binary Exponential Backoff Algorithm, BEBA**
* 連續collisions衝撞的次數，最多16次
* 2^n (n<=10)
* r : Random delay time (unit: slot time), 0 <= r < 2^n
* Slot time = 51.2 µs
* BEBA的缺點 -> Last-in-First-out effect

Ethernet Performance
---
* 在lightly loaded下運作較佳
* 在heavy load清況下，因容易collision，所以會有太多的網路頻寬資源浪費

## 802.3 Ethernet Standards
### Link & Physical Layers
* Many different Ethernet standards
* 均用CSMA/CD和相同的frame format
* 不同網速: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10Gbps,100Gbps
* different physical layer media：fiber(光纖), cable(同軸電纜)
---

Full-duplex transmission in Switch topology (point-to-point)
* No collisions
* Excellent performance (wired speed)