淺談傳統(tǒng)以太網(wǎng)中碰撞槽時(shí)間的作用

文/鄭永春　吉軍

摘要：傳統(tǒng)的半雙工以太網(wǎng)中，在共享通信介質(zhì)上，數(shù)據(jù)采用爭(zhēng)用線路來發(fā)送信號(hào)，在爭(zhēng)用過程中會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的碰撞沖突，為了避免和減少?zèng)_突的發(fā)生，碰撞槽時(shí)間參數(shù)起到了關(guān)鍵的作用，本文分別從碰撞的產(chǎn)生和碰撞槽時(shí)間的作用兩個(gè)方面進(jìn)行了論述，以供參考。

【關(guān)鍵詞】以太網(wǎng) CSMA/CD 碰撞槽時(shí)間 

1 引言

在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于通信介質(zhì)的共享，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)需要采用爭(zhēng)用線路的方法來發(fā)送信號(hào)，為了防止在通信介質(zhì)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(cè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。因?yàn)榭偩�結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是多路訪問拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)使用相同的共享介質(zhì)相互通信，也就是說，為了避免各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)時(shí)產(chǎn)生碰撞沖突，要求各個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送前和發(fā)送中都要對(duì)整個(gè)介質(zhì)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，如在某一時(shí)刻，當(dāng)總線上的一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送信號(hào)時(shí)，總線上的其他計(jì)算機(jī)檢測(cè)出了介質(zhì)上的這個(gè)信號(hào)，也就是檢測(cè)到共享介質(zhì)處于忙碌狀態(tài)，這時(shí)其他計(jì)算機(jī)便處于等待狀態(tài)，等到發(fā)送節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)送完畢并檢測(cè)到介質(zhì)空閑時(shí)再發(fā)送信號(hào)，這就是載波偵聽的特點(diǎn)，這個(gè)檢測(cè)也就是沖突檢測(cè)（CD）。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的半雙工以太網(wǎng)中，信號(hào)只能朝一個(gè)方向傳送，因此碰撞槽時(shí)間就起到了確定網(wǎng)絡(luò)距離和設(shè)備數(shù)量的重要參數(shù)作用。

2 碰撞的產(chǎn)生

假設(shè)局域網(wǎng)的兩個(gè)最遠(yuǎn)的端點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn) 2，當(dāng)節(jié)點(diǎn) 1 向節(jié)點(diǎn) 2 發(fā)送信號(hào)時(shí)，發(fā)送一段時(shí)間后，信號(hào)才能到達(dá)節(jié)點(diǎn) 2。假設(shè)當(dāng)節(jié)點(diǎn) 1 向節(jié)點(diǎn) 2 發(fā)送信號(hào)的過程中，此時(shí)節(jié)點(diǎn) 2也向節(jié)點(diǎn) 1 發(fā)送自己的信號(hào)，那么經(jīng)過一段時(shí)間后，節(jié)點(diǎn) 1 和節(jié)點(diǎn) 2 發(fā)送的幀信號(hào)肯定要發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生了沖突，沖突一旦產(chǎn)生，都變成了無用的信號(hào)，數(shù)據(jù)傳送就沒有意義了。為了避免這種碰撞的產(chǎn)生，節(jié)點(diǎn) 1 和節(jié)點(diǎn) 2 要知道最晚經(jīng)過多長(zhǎng)時(shí)間自己發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有發(fā)，生碰撞。

假設(shè)節(jié)點(diǎn) 1 從開始發(fā)送到碰撞時(shí)間為 τ，節(jié)點(diǎn) 2 從發(fā)送信號(hào)到碰撞的時(shí)間為 δ（注：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不是同時(shí)發(fā)送信號(hào)），信號(hào)發(fā)生碰撞后，節(jié)點(diǎn) 1 經(jīng)過 2τ 時(shí)間檢測(cè)到了發(fā)生了有碰撞，于是停止發(fā)送信號(hào)，節(jié)點(diǎn) 2 經(jīng)過 2δ 時(shí)間檢測(cè)到發(fā)生了碰撞，也停止發(fā)送信號(hào)。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別等待一段隨機(jī)選定的時(shí)間（二進(jìn)制指數(shù)退避算法）后，再檢測(cè)共享介質(zhì)是否空閑，然后決定是否發(fā)送信號(hào)。假設(shè)碰撞的時(shí)間為 T，從節(jié)點(diǎn) 1 傳送信號(hào)到節(jié)點(diǎn) 2 的單程時(shí)間為 t，碰撞時(shí)間的范圍就是   0 ≤ T ≤ 2t，也就是 T 最大取值是 2 倍的節(jié)點(diǎn) 1 到節(jié)點(diǎn) 2 信號(hào)的傳播時(shí)間，這個(gè)時(shí)間 T 就叫做碰撞槽時(shí)間。T 的極端最大值是 2t，這個(gè)時(shí)間也被稱為爭(zhēng)用期，又稱為沖突窗口，也就是在這個(gè)爭(zhēng)用期T內(nèi)，如果沒有檢測(cè)到碰撞的發(fā)生， 那么就代表共享介質(zhì)空閑，節(jié)點(diǎn)取得使用權(quán)，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)了，也肯定不會(huì)發(fā)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(hào)傳輸過程中的沖突以及沖突發(fā)生后，采取有效的恢復(fù)措施，同時(shí)設(shè)定合理的局域網(wǎng)絡(luò)距離和連接設(shè)備就顯得尤為重要。

3.1 確定以太網(wǎng)最小幀的長(zhǎng)度

在 CSMA/CD 中，協(xié)議規(guī)定了幀的最小傳輸時(shí)間至少為一個(gè)碰撞槽時(shí)間，以太網(wǎng)規(guī)定，對(duì)于 10Mb/S 和 100Mb/s 以太網(wǎng)的碰撞槽時(shí)間為 512 個(gè)比特時(shí)間或 64 個(gè)二進(jìn)制字節(jié)，1000Mb/s 以太網(wǎng)的碰撞槽時(shí)間為 4096 個(gè)比特時(shí)間或 512 個(gè)二進(jìn)制字節(jié)。因?yàn)榧僭O(shè)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送了一個(gè)非常短的幀，在發(fā)送完畢后發(fā)送節(jié)點(diǎn)才檢測(cè)到發(fā)生了碰撞，這種情況顯然會(huì)影響以后信號(hào)的發(fā)送，沒辦法保證在接下來信號(hào)的傳送過程中不會(huì)發(fā)生沖突，為了避免這種情況發(fā)生， 因此以太網(wǎng)規(guī)定了最短幀長(zhǎng)為512比特，即 64 個(gè)字節(jié)，這 64 個(gè)字節(jié)幀的組成由“目的MAC”占6個(gè)字節(jié)，“源MAC”占6個(gè)字節(jié)，“Type”占 2 個(gè)字節(jié)，“CRC”占 4 個(gè)字節(jié)，再加上實(shí)際載荷的最小數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 46 個(gè)字節(jié)組成。如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)非常少，要加入一些填充字節(jié)，使幀長(zhǎng)不少于 64 字節(jié)。對(duì)于 10Mb/S以太網(wǎng)，發(fā)送 512 比特的時(shí)間需要 51.2μs，也就是爭(zhēng)用期的時(shí)間是51.2μs， 如果在爭(zhēng)用期內(nèi)，發(fā)送了 64 個(gè)字節(jié)沒有發(fā)生碰撞，那么共享介質(zhì)就被此節(jié)點(diǎn)有效占用，其他節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到有信號(hào)發(fā)生，也就不發(fā)送信號(hào)了，也就是說后續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)就一定不會(huì)發(fā)生沖突。任何長(zhǎng)度小于64 個(gè)字節(jié)的幀都被看作是由于沖突產(chǎn)生的碎片或者無效幀而被丟棄。   

3.2 以太網(wǎng)中網(wǎng)段最大傳輸范圍

CDMA/CD 協(xié) 議 中 規(guī) 定， 信 號(hào) 在 以太網(wǎng)上傳播 1km 大約需要 5μs，以太網(wǎng)最大的端到端傳輸距離必須小于爭(zhēng)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(wǎng)的最大端到端長(zhǎng)度S約為5km，這足以滿足現(xiàn)在以太網(wǎng)的傳輸范圍，同時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)，10Mb/s 以太網(wǎng)采用中繼器時(shí)，連接最大長(zhǎng)度為 2500 米，最多經(jīng)過 4 個(gè)中繼器 ，因此，以太網(wǎng)都能在爭(zhēng)用期 51.2μs 內(nèi)檢測(cè)到可能發(fā)生碰撞。如果共享以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展得太大，就會(huì)使碰撞槽時(shí)間變長(zhǎng)，容易導(dǎo)致發(fā)生延遲沖突，所以說碰撞槽時(shí)間確定了最大網(wǎng)段的大小限制。

4 結(jié)論

總之，在實(shí)際應(yīng)用中，碰撞槽的時(shí)間還要考慮信號(hào)在集線器等物理層產(chǎn)生的延遲時(shí)間，幀在媒體上的傳播速度等因素，通過計(jì)算機(jī)碰撞槽時(shí)間定義了網(wǎng)絡(luò)電纜的最大長(zhǎng)度和共享介質(zhì)以太網(wǎng)網(wǎng)段所能使用的集線器個(gè)數(shù)，所以說碰撞槽時(shí)間在以太網(wǎng)中是一個(gè)極為重要的參數(shù)。

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作者簡(jiǎn)介 

鄭永春（1972-），男 ，碩士學(xué)位�，F(xiàn)供職于長(zhǎng)春工程學(xué)院。主要研究方向?yàn)檐浖�工程�?/font>