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淺談傳統以太網中碰撞槽時間的作用

作者:鄭永春　吉軍時間:2014-09-25 09:28:02 來源:www.vortexsignal.com 閱讀次數:1367次 ]

淺談傳統以太網中碰撞槽時間的作用

文/鄭永春　吉軍

摘要：傳統的半雙工以太網中，在共享通信介質上，數據采用爭用線路來發送信號，在爭用過程中會產生信號的碰撞沖突，為了避免和減少沖突的發生，碰撞槽時間參數起到了關鍵的作用，本文分別從碰撞的產生和碰撞槽時間的作用兩個方面進行了論述，以供參考。

【關鍵詞】以太網 CSMA/CD 碰撞槽時間

1 引言

在傳統以太網的總線型網絡拓撲結構中，由于通信介質的共享，網絡設備節點需要采用爭用線路的方法來發送信號，為了防止在通信介質上造成沖突，因而采用了 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）載波偵聽多路訪問 / 沖突檢測技術來實現信號的傳輸。因為總線結構的特點是多路訪問拓撲結構，每個計算機節點使用相同的共享介質相互通信，也就是說，為了避免各個節點發送信號時產生碰撞沖突，要求各個節點在發送前和發送中都要對整個介質進行信號檢測，如在某一時刻，當總線上的一臺計算機發送信號時，總線上的其他計算機檢測出了介質上的這個信號，也就是檢測到共享介質處于忙碌狀態，這時其他計算機便處于等待狀態，等到發送節點信號發送完畢并檢測到介質空閑時再發送信號，這就是載波偵聽的特點，這個檢測也就是沖突檢測（CD）。因為在傳統的半雙工以太網中，信號只能朝一個方向傳送，因此碰撞槽時間就起到了確定網絡距離和設備數量的重要參數作用。

2 碰撞的產生

假設局域網的兩個最遠的端點為節點1和節點 2，當節點 1 向節點 2 發送信號時，發送一段時間后，信號才能到達節點 2。假設當節點 1 向節點 2 發送信號的過程中，此時節點 2也向節點 1 發送自己的信號，那么經過一段時間后，節點 1 和節點 2 發送的幀信號肯定要發生碰撞，從而產生了沖突，沖突一旦產生，都變成了無用的信號，數據傳送就沒有意義了。為了避免這種碰撞的產生，節點 1 和節點 2 要知道最晚經過多長時間自己發送的數據沒有發，生碰撞。

假設節點 1 從開始發送到碰撞時間為 τ，節點 2 從發送信號到碰撞的時間為 δ（注：兩個節點不是同時發送信號），信號發生碰撞后，節點 1 經過 2τ 時間檢測到了發生了有碰撞，于是停止發送信號，節點 2 經過 2δ 時間檢測到發生了碰撞，也停止發送信號。兩個節點分別等待一段隨機選定的時間（二進制指數退避算法）后，再檢測共享介質是否空閑，然后決定是否發送信號。假設碰撞的時間為 T，從節點 1 傳送信號到節點 2 的單程時間為 t，碰撞時間的范圍就是 0 ≤ T ≤ 2t，也就是 T 最大取值是 2 倍的節點 1 到節點 2 信號的傳播時間，這個時間 T 就叫做碰撞槽時間。T 的極端最大值是 2t，這個時間也被稱為爭用期，又稱為沖突窗口，也就是在這個爭用期T內，如果沒有檢測到碰撞的發生，那么就代表共享介質空閑，節點取得使用權，就可以發送數據了，也肯定不會發生碰撞。

3 碰撞的作用

由于碰撞沖突的存在，所以為了減少信號傳輸過程中的沖突以及沖突發生后，采取有效的恢復措施，同時設定合理的局域網絡距離和連接設備就顯得尤為重要。

3.1 確定以太網最小幀的長度

在 CSMA/CD 中，協議規定了幀的最小傳輸時間至少為一個碰撞槽時間，以太網規定，對于 10Mb/S 和 100Mb/s 以太網的碰撞槽時間為 512 個比特時間或 64 個二進制字節，1000Mb/s 以太網的碰撞槽時間為 4096 個比特時間或 512 個二進制字節。因為假設某個節點發送了一個非常短的幀，在發送完畢后發送節點才檢測到發生了碰撞，這種情況顯然會影響以后信號的發送，沒辦法保證在接下來信號的傳送過程中不會發生沖突，為了避免這種情況發生，因此以太網規定了最短幀長為512比特，即 64 個字節，這 64 個字節幀的組成由“目的MAC”占6個字節，“源MAC”占6個字節，“Type”占 2 個字節，“CRC”占 4 個字節，再加上實際載荷的最小數據長度 46 個字節組成。如果要發送的數據非常少，要加入一些填充字節，使幀長不少于 64 字節。對于 10Mb/S以太網，發送 512 比特的時間需要 51.2μs，也就是爭用期的時間是51.2μs，如果在爭用期內，發送了 64 個字節沒有發生碰撞，那么共享介質就被此節點有效占用，其他節點檢測到有信號發生，也就不發送信號了，也就是說后續發送的數據就一定不會發生沖突。任何長度小于64 個字節的幀都被看作是由于沖突產生的碎片或者無效幀而被丟棄。

3.2 以太網中網段最大傳輸范圍

CDMA/CD 協議中規定，信號在以太網上傳播 1km 大約需要 5μs，以太網最大的端到端傳輸距離必須小于爭用期的一半（即 25.6μs），則理論上 S=(1km /5μs) *25.6μs=5.12km，也就是說以太網的最大端到端長度S約為5km，這足以滿足現在以太網的傳輸范圍，同時按照標準，10Mb/s 以太網采用中繼器時，連接最大長度為 2500 米，最多經過 4 個中繼器，因此，以太網都能在爭用期 51.2μs 內檢測到可能發生碰撞。如果共享以太網網絡擴展得太大，就會使碰撞槽時間變長，容易導致發生延遲沖突，所以說碰撞槽時間確定了最大網段的大小限制。