基于爭用型以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀長研究

楊林海，潘 毅，徐 剛

(1.云南工商學院機電信息學院，651700，昆明;2.貴州工商職業(yè)學院，551400，貴陽)

0 引言

網(wǎng)絡中使用的TCP/IP協(xié)議是基于OSI參考模型的，數(shù)據(jù)傳輸是經(jīng)過傳輸信道的調制解調變化，依據(jù)傳輸協(xié)議來進行通信的過程。對傳輸速率影響較大的因素是傳輸介質和數(shù)據(jù)幀或包的大小及封裝協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸速率是描述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要技術指標之一，指的是每秒傳輸?shù)亩M制比特數(shù)。

1 網(wǎng)絡訪問控制方式

介質訪問控制方式，也稱信道訪問控制方法，是指控制網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送、傳輸及接收。常用的以太網(wǎng)介質訪問控制方式有TDM、CSMA/CD和Token Ring。

1.1 數(shù)據(jù)鏈路層的2個子層

為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應多種局域網(wǎng)標準，IEEE802將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層設計為LLC子層和MAC子層。LLC子層完全獨立出來主為高層提供服務，MAC子層與底層相關聯(lián)，LLC對不同協(xié)議都是透明的，與傳輸介質無關。

1.2 以太網(wǎng)提供的服務

以太網(wǎng)提供的服務是盡最大努力交付。信宿收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時就丟棄，差錯糾正由高層決定。高層發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失則請求重傳，以太網(wǎng)并不能判斷這是請求重傳的幀，把此幀作為新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。以太網(wǎng)的連接介質類型很多，包括雙絞線、光纖和同軸電纜等。同軸電纜作是總線類型的連接介質，光纖主要是用在高速通信主干和匯聚鏈路上，雙絞線主要用于連接接入層。

1.3 以太網(wǎng)介質訪問控制方法

爭用型網(wǎng)絡的特點是只要有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，信道就會被占用，同一時間多節(jié)點發(fā)送就會相互干擾，使節(jié)點都無法正常發(fā)送數(shù)據(jù)，所以以太網(wǎng)必須采用相應的介質訪問控制方法來協(xié)調。

CSMA/CD的特點是所有接點接在總線上，節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須要先檢測總線上是否有信息在傳輸，沒有就發(fā)送數(shù)據(jù)，有信息就必須延遲重發(fā)。載波偵聽多路訪問，實際總線上并沒有載波。這里的載波所指的是用來判斷有沒有信號傳輸?shù)膫蓽y信號。是以總線的方式使許多節(jié)點連接在一根總線上。“載波監(jiān)聽”是指節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他數(shù)據(jù)在發(fā)送，如果有則延遲發(fā)送，避免碰撞。“載波”不是指FDM，總線上實際沒有“載波”。因此，“載波監(jiān)聽”指的是用電子技術判斷總線上是否有其他節(jié)點發(fā)出的電信號。

CSMA/CA主要應用在無線網(wǎng)絡中，是在一個共享信道之上支持多節(jié)點連接，由節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前先進行信道的可用性偵測，若信道空閑，要等待一段時間間隔再發(fā)送。信宿正確接收數(shù)據(jù)后，要經(jīng)過一段時間間隔，向源節(jié)點發(fā)送確認幀，若源節(jié)點在相應時間內沒有收到確認幀，就必須重傳，直到正確接收。信道從忙態(tài)轉換為空閑時，各節(jié)點退避一段時間間隔以減少發(fā)生沖突的概率。IEEE802.11允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點對信道進行預約。

2 爭用以太網(wǎng)的“碰撞檢測”

2.1 “碰撞檢測”方法

“碰撞檢測”就是節(jié)點邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓變化。當總線上多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，由于信號相互疊加，電壓幅值變化將會增大。當信號電壓幅值超過一定的門閥值時，就判斷為總線上至少有2個節(jié)點同時在傳輸信號，表明總線上產(chǎn)生了碰撞。

2.2 以太網(wǎng)中的碰撞與故障

以太網(wǎng)中的碰撞是正常現(xiàn)象。檢測到碰撞表明在以太網(wǎng)上同時有2個或更多的節(jié)點在傳輸信號。電信號由于不能疊加，在發(fā)生碰撞信號就會嚴重的失真無法恢復，結果使節(jié)點所發(fā)送的數(shù)據(jù)都失效，必須進行重傳。以太網(wǎng)上的通信量強度決定了碰撞的可能性大小，沖突大小沒有一個絕對的定量準則，以太網(wǎng)的優(yōu)劣不能由碰撞決定。節(jié)點每沖突一次，所發(fā)的雙邊數(shù)據(jù)都要進行重新傳輸，這樣必然造成信道的浪費，因此，沖突次數(shù)越多，信道的利用率就越低。

2.3 信號傳輸延遲會增加碰撞

偵聽到總線是空閑時，也有可能總線并非真正是空閑的。信源發(fā)出的信號，要在信道上傳輸一定的時間后才能到達信宿。如果另一節(jié)點在前一節(jié)點信息到達信宿之前發(fā)送自己的幀，則總線上有2個幀存在，必然要發(fā)生碰撞，碰撞的結果是2個幀都失效[1]。爭用型以太網(wǎng)只能進行半雙工通信。每個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一定時間內，由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆菍崟r性，存在著遭遇碰撞的可能性。碰撞使整個以太網(wǎng)的平均通信量遠小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。

2.4 以太網(wǎng)的爭用期

爭用期是指以太網(wǎng)端到端往返時間2τ，又稱Collision Window。在以太網(wǎng)中，把端到端的傳輸單程時延用τ表示。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的節(jié)點，在發(fā)出數(shù)據(jù)幀后最長經(jīng)過2 τ就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞，經(jīng)過相應時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定此次發(fā)送沒有發(fā)生沖突[2]。

2.5 退避算法

CSMA技術也稱為LBT(Listen Before Talk)，指的就是節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先進行信道的偵測，偵測到信道上有數(shù)據(jù)就不發(fā)送，沒有數(shù)據(jù)發(fā)送再進行傳送。基于這種機制的算法稱為退避算法。常用的退避算法有3種:非堅持、1-堅持、P-堅持。

2.5.1"非堅持"算法"非堅持"就是在信道處于忙的狀態(tài)時，本節(jié)點不堅持繼續(xù)發(fā)送，而是在一個隨機延遲后繼續(xù)偵聽，發(fā)現(xiàn)介信道空閑時才發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.5.2"1-堅持"算法 當節(jié)點發(fā)現(xiàn)信道空閑時，它的數(shù)據(jù)傳輸成功率為1。發(fā)現(xiàn)信道忙后，隨機等待一個延遲，繼續(xù)偵聽;此算法中，在發(fā)現(xiàn)信道忙時，不等待一個延遲，而是繼續(xù)偵聽，一旦發(fā)現(xiàn)空閑即立即發(fā)送，在數(shù)據(jù)傳送過程中發(fā)生沖突時放棄當前的數(shù)據(jù)傳送，等待一個延遲后再繼續(xù)偵聽。

2.5.3"P-堅持"算法P是指節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，P小于1，此算法不是在一發(fā)現(xiàn)介質空閑時就發(fā)送數(shù)據(jù)，而是以一個概率來決定當前節(jié)點是否立即發(fā)送數(shù)據(jù)。達到盡量避免與其他節(jié)點發(fā)生沖突的目的。

3 以太網(wǎng)的幀長

3.1 以太網(wǎng)的最小幀長

CSMA/CD一旦發(fā)生沖突，必須讓每個節(jié)點都能檢測到。以太網(wǎng)通過規(guī)定了最小發(fā)送間隙和最小幀長來盡量避免沖突。如果兩節(jié)點之間的距離很遠而幀很小，接收方在幀到達目的地之前又開始發(fā)送，這樣，接收方的幀已經(jīng)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)還在信道中傳輸，還沒有到達目的節(jié)點中。接收節(jié)點由于還沒有收到信息，誤認為信道是空閑的，有可能向外傳輸數(shù)據(jù)，這樣就會造成新的信道沖突。在發(fā)送節(jié)來說，誤認為是發(fā)送成功了。信號傳輸是有時延的，因此檢測沖突也需要一定的時間，這決定了以太網(wǎng)必須有最小幀長的限制。

按照標準，10 Mbps以太網(wǎng)采用5-4-3-2-1原則，電纜最大的通信長度為2 500 m，因此由以下公式可以計算出以太網(wǎng)一幀的最小發(fā)送時間為51.2 μs(電信號在以太網(wǎng)中的傳輸速度為(1.9～2.4)×108m/s)。

由公式(1)可得幀傳輸時間T的范圍為(52.63－41.67 μs)，取 51.2 μs，并定義為以太網(wǎng)時隙，或沖突時槽。

由公式(2)，根據(jù)以太網(wǎng)時隙計算出傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為512位(位時)，這就是以太網(wǎng)最小幀為64字節(jié)的原因。在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸中，有了最小幀長的限制，網(wǎng)絡中就不存在小于64字節(jié)的數(shù)據(jù)包了，如果有就會看作"碎片"，即數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡傳輸中受損[2]。這也是現(xiàn)在交換機3種轉發(fā)方式中“碎片隔離式”定義為64字節(jié)的原因。

最小幀長保證了幀在發(fā)送完畢之前，能夠偵測到可能最晚來到的沖突信號。為了"沖突偵測"機制成功，幀必須持續(xù)發(fā)送2τ時間(發(fā)送2τ時間上一數(shù)據(jù)幀還沒有發(fā)送完)。τ的大小是由網(wǎng)絡協(xié)議標準定義，當τ確定后，最短數(shù)據(jù)幀也被確定，反過來一個沖突域最大范圍也被確定。

快速以太網(wǎng)的速率是以太網(wǎng)的10倍，在快速以太網(wǎng)中，規(guī)定幀的最小發(fā)送時間為5.12 μs，是傳統(tǒng)以太網(wǎng)的1/10，時隙也是512位時，只是每幀的發(fā)送時間縮短了。

千兆以太網(wǎng)改變了每幀的發(fā)送時間和時隙值，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)有相同的幀長度、幀格式和數(shù)據(jù)傳輸機制，實現(xiàn)了 10 Mbps、100 Mbps、10 000 Mbps及10 G以太網(wǎng)的完全兼容。1 000 Mbps以太網(wǎng)的時隙增至 512 字節(jié)，即 4 096 位時，4.096 μs。

MAC層的速度越快，以太網(wǎng)的最大有效距離就越短。對于1 000 Mbps的以太網(wǎng)，MAC層如果保留CSMA/CD協(xié)議，必須面臨碰撞偵測問題，這就要再一次減小網(wǎng)絡的最大有效傳輸距離到25 m。如果不縮短網(wǎng)絡的傳輸距離，就必須增加幀的長度，就像10 Mbps和100 Mbps以太網(wǎng)那樣，讓一個幀傳輸時間持續(xù)2τ以上。但有時高層數(shù)據(jù)幀長不夠，就需要用數(shù)據(jù)填充來達到幀長的要求。

以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點捕獲信道的時間是512位時(64字節(jié))。總線在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，如果發(fā)送的前64字節(jié)沒有發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，以后發(fā)送的數(shù)據(jù)都將不會發(fā)生。以太網(wǎng)幀中，幀頭長為固定的18字節(jié)，幀中的數(shù)據(jù)最少為46個字節(jié)，這樣的目的是保證數(shù)據(jù)的最小長度符合要求，如果長度太小，可以通過填充的方式來實現(xiàn)，如圖1。

圖1 以太網(wǎng)幀的主要字段

3.2 以太網(wǎng)的最大幀長

MTU是指通信協(xié)議上所能通過的最大數(shù)據(jù)包大小，通常與通信接口有關。

網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)通信是把數(shù)據(jù)分為適合于網(wǎng)絡中傳輸?shù)亩喽危@些數(shù)據(jù)足夠小，以保證最大數(shù)據(jù)也能通過網(wǎng)絡中的最小轉發(fā)鏈路。分片過程發(fā)生在OSI模型的第3層和第4層，第4層是OSI模型中最重要的一層，主要根據(jù)窗口控制傳輸，而不是MTU。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過QOS的試同進對發(fā)送方和接收方進行數(shù)據(jù)的發(fā)送快慢。在網(wǎng)絡傳輸過程中，如果發(fā)現(xiàn)太大的數(shù)據(jù)，將對較大的數(shù)據(jù)包進行強制分組。在以太網(wǎng)中，最大的協(xié)議數(shù)據(jù)單元為1 500字節(jié)，當然，這個數(shù)據(jù)不包數(shù)據(jù)的幀頭部分。在分組過程中，每個分片都有一個序號，目的是接到方接收到數(shù)據(jù)后，可以進行正確重組。網(wǎng)絡中的最大傳輸單元是保證所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡鏈路傳輸過程中，能通過所有的鏈路節(jié)點[3]。

由于信道是所有節(jié)點共享的，數(shù)據(jù)幀太長，在數(shù)據(jù)的發(fā)送過程中每幀就會占用較長的時間，就會出現(xiàn)有的節(jié)點等待時間太長;數(shù)據(jù)到達接收點后，目標節(jié)點的重組緩沖大小是有限的，有的發(fā)送數(shù)據(jù)可能比接收端的緩沖區(qū)大小超出很多，造成緩沖溢出[4]。為了不讓節(jié)點占有的時間太長，網(wǎng)絡中制定了1 500字節(jié)這個規(guī)則，這樣可以保證信道占有的公平性。

在802.3 ac里，在原來以太網(wǎng)幀的基礎結構上，加入了對Vlan的支持，增加了4字節(jié)的幀長，幀長就有了1 522字節(jié)這個長度，結構如下圖2。

圖2 802.3ac以太網(wǎng)幀的主要字段

4 以太網(wǎng)的信道利用率

4.1 信道

信道是指信號的傳輸通道，是信號傳輸?shù)妮d體。信息是抽象的，傳輸?shù)氖切畔⒌奈锢肀憩F(xiàn)形式。信道都有信源和信宿，在理論上，信道往往被分成編碼、介質和譯碼，人們可以變更編碼器、譯碼器以獲得最佳的通信效果，而信道就指比較固定的介質部分。

4.2 信道容量和信道帶寬

數(shù)據(jù)傳輸過程中，每條信道都有一個最大的傳輸能力，這就是所有的信道容量，信道的大小與信源無關。在網(wǎng)絡中，信道傳送的信號主要分為模擬信號和數(shù)字信號，如果模擬信號的容量，用信道帶寬來描述，單位為HZ，模擬信號其實指的是一個頻率范圍。如果數(shù)字信號的容量，指的是單位時間內最大能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，用bps描述。兩者之間可以通過香農(nóng)定理來進行相互的轉換。

4.3 幀長對信道沖突影響

爭用型網(wǎng)絡中，隨著網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量的增加，沖突的可能性越大，可根據(jù)數(shù)學的角度來計算具體的沖突過程。如果爭用線路上共有N個節(jié)點，每個節(jié)點發(fā)送幀的概率都是p，網(wǎng)絡中爭用期長度為2τ，檢測到碰撞后不發(fā)送干擾信號，延遲一定時間后重新爭用信道。

如果幀長為L(bit)，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為C(bps)，幀的發(fā)送時間為T0(s)=L/C。數(shù)據(jù)幀在發(fā)送過程中，也許要經(jīng)過很多次的沖突才能最終到達目的地，沖突的次數(shù)越多，用的時間越長，信道占有的時間就越長。一個幀的發(fā)送時間可以用圖3表示。

圖3 發(fā)送一幀所需的平均時間

由于每個節(jié)點發(fā)送的概率為P，因此不發(fā)送的概率為1-P，節(jié)點正常發(fā)送成功的條件是其他節(jié)點都不發(fā)送。節(jié)點發(fā)送成功的概率用A表示:A=[本節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)][其他所有節(jié)點不發(fā)送數(shù)據(jù)]，表示為式(3)

節(jié)點發(fā)送失敗的概率為1-A。如果節(jié)點發(fā)送失敗了K次，而K+1次成功的可能性為Sn，令以下式(4)為①:

在上面公式的基礎上變形公式，取式(5)為②:

由式①、式②的結果為式(6)

整理后可以得到結果式(7)為

當n→∞時:(1－A)n=0，n(1－A)n+1=0，得出以下結果見式(8):

根據(jù)以上結論可以得出，成功發(fā)送幀需要占用信道的時間為實際數(shù)據(jù)發(fā)送時間T0和一個單程端到端時延τ。當一個節(jié)點發(fā)送完最后一幀時，信號還要在以太網(wǎng)上傳播，如果這時有其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生碰撞。任何數(shù)據(jù)幀在發(fā)送過程中，發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀，都要多延時一個τ時才能讓出信道，這樣做的目的是保證數(shù)據(jù)能正常到達信宿而不沖突。可以用一個參數(shù)a值來表示幀占有時間和新增延時之間的關系，表示為式(9):

當a→0時，表示只要一發(fā)生碰撞，就立即可以檢測出來，并停止發(fā)送，因而信道資源浪費較少。在上式中，最終結果的大小表明數(shù)據(jù)信道的利用率，值越大，說明新增延時τ之和實際數(shù)據(jù)傳輸占有時間的比例越大，信道空的時間更多，沒有得到更好的利用[5]。在實際傳輸過程中，希望是這個值越小越好。在理想化的情況下，假設各節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)都不會產(chǎn)生碰撞，并且理想地利用網(wǎng)絡的傳輸資源，即一旦空閑就有相應節(jié)點立即發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣，信道所有時間都在傳輸數(shù)據(jù)，沒有新增延遲。在所有過程中，只有最終的一次延遲，可以表示為以下式(10)

由以上公式得出結論，參數(shù)a遠小于1才能得到盡可能高的極限信道利用率。反之，參數(shù)a遠大于1，則極限信道利用率就遠小于1，而此時實際的信道利用率就更小了。

5 距離對幀長的影響

5.1 數(shù)據(jù)幀在電纜中的傳輸

電信號的傳播速度是指電場的傳播速度，不是電子的移動速度。電子的移動速度實際是很慢的，而電場的傳播速度非常快，在真空中，傳播速度接近于光速。如果用電信號和光信號來比較，一般都會說光信號快，原因是它們承載或者說攜帶的數(shù)據(jù)量不同。

不管用什么樣的編碼方式，電信號最終都有用高低電壓(有時也用正負電壓)來表示，信號的傳輸速度也就是這個高低電壓(或正負電壓)的變化速度。這個變化有極限限制的。光纖中傳輸?shù)氖枪庑盘枺强抗獾拈W爍來表示，相對而言，光纖的閃爍信號比電信號的變化要容易得多，也就是所有的帶寬速度不同。

電信號傳輸有衰減，從最初的C，傳輸?shù)阶詈罂赡芩p到0.77 C(一般按0.7 C計算)，光信號衰減相對較小，衰減會影響傳送的數(shù)據(jù)量[6]。

5.2 距離變化對幀長的影響

在CSMA/CD協(xié)議的網(wǎng)絡中，傳輸介質如果是電纜，傳輸速率為V(單位bps)。如果2個節(jié)點之間的距離改變ΔS，則該網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)幀長度也必須做相應的改變才能保證網(wǎng)絡的正常傳輸。

傳輸速率R(單位bps)，速度為V=C×0.7，幀長度為L以內，距離為S，則數(shù)據(jù)的實際傳輸時間T=L/V，由于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸要求傳輸時間必須大于2τ，才能正常進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，可以得到以下式(11)

如果2個正常傳輸節(jié)點之間的距離發(fā)生變化了ΔS，相應的數(shù)據(jù)幀長度改變?yōu)棣，則根據(jù)以上公式得到式(12)

其中，增加的時間為ΔT，數(shù)據(jù)幀最終的變化為式(13)

5.3 幀對吞吐量的影響

吞吐量是指節(jié)點單位時間內成功傳送的數(shù)據(jù)量。2個節(jié)點之間的延時是數(shù)據(jù)包從信源發(fā)出，到接收節(jié)點接收完所有數(shù)據(jù)為止。對延時的影響一般有2個方面:一方面是長距離傳輸?shù)木嚯x傳輸延遲，另一方面是設備轉發(fā)延遲，實際情況主要要根據(jù)網(wǎng)絡中的實際環(huán)境來分析。

對網(wǎng)絡性能進行評估時，由于傳輸距離小，距離傳輸延遲遠小于設備轉發(fā)延遲，則網(wǎng)絡中的端到端延遲t主要指的是設備轉發(fā)延遲。如果發(fā)送窗口大小為L字節(jié)，則網(wǎng)絡理論上網(wǎng)絡吞吐量R可得出公式(14)[7]

6 結論

在以太網(wǎng)性能分析中，把單程端到端傳播時延記為τ。如果節(jié)點發(fā)送的幀很小且2個沖突節(jié)點相距很遠，數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突的可能性會變大，使網(wǎng)絡的實際利用率降低。以太網(wǎng)的信道是所有節(jié)點共享的，如果數(shù)據(jù)幀太大會出現(xiàn)節(jié)點等待時間太長或接收端緩沖溢出。以太網(wǎng)最小和最大幀長、爭用期及傳輸延遲對數(shù)據(jù)傳輸有較大的影響，傳輸距離改變相應的傳輸幀長也將隨之改變，正確的分析和設計幀長將有利于進一步提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。

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