图说以太网协议：编码、介质访问控制方法和CSMA/CD机制

以太网编码（Ethernet Coding）在以太网通信中扮演着至关重要的角色，主要用于确保数据能够可靠地通过物理介质进行传输，并在接收端能够被准确解码。以太网采用不同的编码技术，根据标准和传输速率的不同，编码方法也有所不同。以下是一些常见的以太网编码技术：

• ​10BASE-T以太网​：采用 Manchester 编码，每个比特在时钟周期的中间都有一个过渡：逻辑 0 表示为高到低的过渡，逻辑 1 表示为低到高的过渡

• ​100BASE-TX以太网​：采用 4B/5B 编码，将 4 位数据编码为 5 位码字，确保每个码字中有足够的过渡，5 位码字进一步通过 MLT-3（多电平传输，3 电平）进行传输

• ​1000BASE-T以太网​：采用 4D-PAM5 编码，使用 4 对双绞线，每对线上采用 5 电平的脉冲幅度调制（PAM5），同时在四对双绞线上进行传输，每对线传输 2 位数据，从而每符号传输 8 位数据

2.确定性 MAC 与不确定性 MAC

在媒体访问控制（MAC）子层中，介质访问控制方法可以分为确定性（Deterministic）和非确定性（Non-deterministic）两大类。这两种方法主要在数据传输的时序和调度上有所不同：

• 确定性 ​MAC​​​ 方法​：它保证了数据传输的时序是确定的，即每个设备在特定的时间段内有机会访问网络。这种方法适用于需要严格时间控制的应用场景，如工业控制系统和实时通信系统。我们可以使用令牌环或时间分割多路访问实现确定性 MAC
• 非确定性 ​MAC​​​ 方法​：它不保证数据传输的时序，设备争用网络访问权，可能导致不确定的传输延迟。适用于一般的数据通信场景，如以太网和无线局域网。我们可以使用 CSMA/CD 或 CSMA/CA 方法避免设备通信产生冲突

3.CSMA/CD 载波监听与碰撞检测机制

这里，我们以以太网集线器的数据收发为例讲解 CSMA/CD 载波监听与碰撞检测机制。在 20 世纪 90 年代，通常使用以太网集线器 Hub 来连接多台计算机进行通信（多个节点连接到同一条网络总线上，总线型网络），当数据从一个端口传输到集线器时，集线器会将信号从所有端口广播出去，直到目的地设备接收到信号。而当它收到多个数据时（假设没有 CSMA/CD 载波监听与碰撞检测机制），则会导致网络冲突：

H1 和 H2 都在发送以太网数据帧，集线器在连接到 H3 的端口上重复这些帧，此时两个帧发生碰撞并且两帧都会丢失

为了解决这个问题，我们必须使用半双工的传输模式：半双工意味着我们不能同时发送和接收，当一台计算机正在传输时，其他计算机都必须等待；当没有设备传输时，则设备可以开启传输。但是，若两台计算机确定“线路空闲”并开始传输时，仍然会发生通信冲突。

为了解决这个问题，研究人员使用了 CSMA/CD 机制，CSMA/CD 协议主要内容如下：

1. ​载波​监听(​Carrier​ Sense)
   1. 在发送数据之前,网卡会先检测网线上是否有其他设备正在发送数据(检测载波)
   2. 如果检测到有其他设备正在发送,则会推迟自己的数据发送,以避免冲突
2. 多点接入(Multiple Access)
   1. 以太网允许多个设备共享同一条网线进行数据传输
   2. 每个设备都可以独立地发送数据,不需要经过中央调度
3. 碰撞检测(Collision Detection)
   1. 如果两个设备同时开始发送数据,就会发生碰撞
   2. 检测到碰撞后,设备会立即停止发送,并在随机时间后重试发送

简单来说，CSMA/CD 的工作原理是：在共享的以太网中，设备在发送数据前先侦听信道是否空闲，如果空闲则发送数据，同时设置定时器以防冲突；如果信道忙，则等待一段随机时间后重试；若多次尝试仍冲突，则放弃发送并报告错误。

现代以太网网络中,集线器已经被交换机所取代。交换机通过独立的端口连接设备,可以实现全双工通信,避免碰撞，具体来说，它们可以读取以太网帧并将其仅转发到需要它的设备。当端口上有两个转发的帧时，它可以对第二个帧进行排队，以防止冲突。