一、两条路线的分岔

早期局域网有两条完全不同的技术路线：

第一行的优点是「空闲时零开销」：没人发的时候，线路完全不用管。 第二行的优点是「延迟有上界」：因为「什么时候轮到我」是算得出来的。 结果是争用型赢了，但赢的原因不是「更快」——令牌环在重负载下效率更高。 赢的原因是「简单、便宜、空闲时不用管」。 办公场景恰恰是「大部分时间没人发数据」。

二、CSMA／CD 的三条规矩

名字本身就是三条规矩的缩写：

第一条只能减少碰撞，不能消除： 因为「听」和「发」之间有时间差——两台站可能同时听到空闲、同时开口。 这个时间差就是「传播延迟」，它决定了「碰撞不可避免」。 第三条是「及时止损」：撞上之后立刻停，不再把整帧发完。 如果不做这一步，一次碰撞要浪费一整帧的时间，而不是几十个比特的时间。 撞了之后要「退避」：随机等一段时间再试。 等的时候线路是空着的，这就是效率损失的主要来源。 站越多，撞得越频繁，空等的时间占比越高。

三、为什么它撑不住了

三个原因，一个比一个致命：

第一行是物理决定的：共享介质只有一对线，收发不能同时进行。 这就是「10BASE-T 用两对线但只跑半双工」的原因—— 早期集线器把所有口接到同一个冲突域，仍然只能半双工。 第三行是这一节的核心：不管协议怎么优化，「一根线 10 Mbps」这个总量是不变的。 所以共享介质的终点一定是「换成交换机」——把「一个冲突域」拆成「每个口一个冲突域」。 这件事在下一节讲，它就是「非共享介质」。

四、动手 Demo：共享介质里，人越多越慢——CSMA／CD 实测模拟

仿真规则：每站有帧排队；每个时隙所有有帧的站同时尝试； 只有一站尝试就发成功（占 8 个时隙），两站以上全撞（占 1 个时隙）并随机退避。 跑 2、5、10、20、50 个站，看「利用率」和「人均等待」两列的走向。

import random

def sim(nsta, per, seed=1):
    rnd = random.Random(seed)
    q, bo = [per] * nsta, [0] * nsta
    slot = busy = ok = coll = 0
    while sum(q) > 0 and slot < 400000:
        slot += 1
        if busy > 0:
            busy -= 1
            continue
        want = [i for i in range(nsta) if q[i] > 0 and bo[i] <= 0]
        for i in range(nsta):
            if bo[i] > 0:
                bo[i] -= 1
        if not want:
            continue
        if len(want) == 1:
            q[want[0]] -= 1
            ok += 1
            busy = 8
        else:
            coll += len(want)
            for i in want:
                bo[i] = rnd.randint(0, 2 ** min(6, coll // nsta + 1) - 1)
    return slot, ok, coll

for n in (2, 5, 10, 20, 50):
    slot, ok, coll = sim(n, 200)
    print('%2d 站：%6d 时隙  碰撞 %5d  利用率 %5.1f%%  每帧等 %6.1f 时隙'
          % (n, slot, coll, ok * 8 * 100.0 / slot, slot / 200.0))

实跑输出：

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共享介质里，人越多越慢——CSMA／CD 实测模拟
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**共享介质型网络的规则只有一条：发之前先听，听着有人说话就等。**可这条规则在人多的时候会失效——
两个人同时听、同时开口，就撞了。**下面用一个仿真把「站数 → 人均等待」这笔账算出来。**

仿真规则：每站有帧排队；每个时隙所有有帧的站同时尝试；
只有一站尝试就发成功（占 8 个时隙），两站以上全撞（占 1 个时隙）并随机退避。
  站数     总时隙     碰撞次数     线路利用率     每站每帧等几时隙
  -----------------------------------------------------------------
  2        3886       34           82.3%          19.4
  5        9934       268          80.5%          49.7
  10       20307      1225         78.8%          101.5
  20       41335      5336         77.4%          206.7
  50       112667     48204        71.0%          563.3

**先看第四列，这一列会让人意外**：**站数从 2 涨到 50（25 倍），线路利用率只从八成多掉到七成。**
**CSMA／CD 的总效率其实是相当好的**——
**它比「谁想说就说」的纯随机接入好得多，因为「先听」这个动作省掉了大量无谓的碰撞。**
**真正崩掉的是第五列**：
**2 个站时，每站发一帧只等十几个时隙；50 个站时要等五百多个时隙，涨了近三十倍。**
**站数涨 25 倍、等待涨 30 倍、总吞吐只掉一成多**——
**这三个数放在一起，才是「共享介质」的真相：总量不变，人越多每人越少。**
**所以「共享介质的天花板」不是「总带宽不够」，是「人均带宽不够」**：
**一根 10 Mbps 的线，2 个人用各 5 Mbps，50 个人用各 0.2 Mbps**，
**不管怎么优化协议都改变不了这一点。**
**这也是为什么后来一定要换成交换机——不是协议不聪明，是「分」这件事注定不够。**
**还有一个更隐蔽的代价**：**碰撞检测要求「发的时候还能听见」**，
**所以共享介质只能半双工，而且帧不能太短**——**太短的帧在碰撞信号传回来之前就发完了，检测不到。**
**这就是以太网把最小帧定成 64 字节的真正原因**（下一节还会用到这个数）。

先看「利用率」这一列，结论会让人意外： 站数从 2 涨到 50（25 倍），利用率只从八成多掉到七成。 CSMA／CD 的总效率其实相当好——「先听」这个动作省掉了大量无谓的碰撞。 真正崩掉的是最后一列： 2 个站时每站发一帧只等十几个时隙，50 个站时要等五百多个，涨了近三十倍。 站数涨 25 倍、等待涨 30 倍、总吞吐只掉一成多—— 这三个数放在一起才是共享介质的真相：总量不变，人越多每人越少。 所以「共享介质的天花板」不是「总带宽不够」，是「人均带宽不够」： 一根 10 Mbps 的线，2 个人用各 5 Mbps，50 个人用各 0.2 Mbps， 协议再怎么优化也改变不了这一点。 这就是后来必须换交换机的原因——不是协议不聪明，是「分」这件事注定不够。

30 秒实验

1. 把 per 从 200 加到 1000，看利用率是否上升（重负载下退避的作用更明显）。
2. 把成功率那段 busy = 8 改成 1（对应 64 字节小帧），看利用率怎么变。
3. 想一下：如果把随机退避去掉（撞了就立刻重试），会发生什么？

常见误区

1. 以为「CSMA／CD 效率很低」。 总效率其实能到七八成，低的是「人均带宽」。
2. 以为「先听」能彻底避免碰撞。 听和发之间有时间差，传播延迟决定了碰撞不可避免。
3. 以为「加站只是变慢一点」。 每帧等待时间涨得比站数还快，因为碰撞概率是平方级上升的。

下一节看另一条路：让每个站独占一条通道。

• ☐ （本节完，下一节 3.2.3 非共享介质网络）

相关笔记

• MAC地址
• 非共享介质网络
• 📚 图解TCP／IP · 索引