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浅谈传统以太网中碰撞槽时间的作用

作者:郑永春　吉军时间:2014-09-25 09:28:02 来源:www.ksfbw.com 阅读次数:1339次 ]

浅谈传统以太网中碰撞槽时间的作用

文/郑永春　吉军

摘要：传统的半双工以太网中，在共享通信介质上，数据采用争用线路来发送信号，在争用过程中会产生信号的碰撞冲突，为了避免和减少冲突的发生，碰撞槽时间参数起到了关键的作用，本文分别从碰撞的产生和碰撞槽时间的作用两个方面进行了论述，以供参考。

【关键词】以太网 CSMA/CD 碰撞槽时间

1 引言

在传统以太网的总线型网络拓扑结构中，由于通信介质的共享，网络设备节点需要采用争用线路的方法来发送信号，为了防止在通信介质上造成冲突，因而采用了 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）载波侦听多路访问 / 冲突检测技术来实现信号的传输。因为总线结构的特点是多路访问拓扑结构，每个计算机节点使用相同的共享介质相互通信，也就是说，为了避免各个节点发送信号时产生碰撞冲突，要求各个节点在发送前和发送中都要对整个介质进行信号检测，如在某一时刻，当总线上的一台计算机发送信号时，总线上的其他计算机检测出了介质上的这个信号，也就是检测到共享介质处于忙碌状态，这时其他计算机便处于等待状态，等到发送节点信号发送完毕并检测到介质空闲时再发送信号，这就是载波侦听的特点，这个检测也就是冲突检测（CD）。因为在传统的半双工以太网中，信号只能朝一个方向传送，因此碰撞槽时间就起到了确定网络距离和设备数量的重要参数作用。

2 碰撞的产生

假设局域网的两个最远的端点为节点1和节点 2，当节点 1 向节点 2 发送信号时，发送一段时间后，信号才能到达节点 2。假设当节点 1 向节点 2 发送信号的过程中，此时节点 2也向节点 1 发送自己的信号，那么经过一段时间后，节点 1 和节点 2 发送的帧信号肯定要发生碰撞，从而产生了冲突，冲突一旦产生，都变成了无用的信号，数据传送就没有意义了。为了避免这种碰撞的产生，节点 1 和节点 2 要知道最晚经过多长时间自己发送的数据没有发，生碰撞。

假设节点 1 从开始发送到碰撞时间为 τ，节点 2 从发送信号到碰撞的时间为 δ（注：两个节点不是同时发送信号），信号发生碰撞后，节点 1 经过 2τ 时间检测到了发生了有碰撞，于是停止发送信号，节点 2 经过 2δ 时间检测到发生了碰撞，也停止发送信号。两个节点分别等待一段随机选定的时间（二进制指数退避算法）后，再检测共享介质是否空闲，然后决定是否发送信号。假设碰撞的时间为 T，从节点 1 传送信号到节点 2 的单程时间为 t，碰撞时间的范围就是 0 ≤ T ≤ 2t，也就是 T 最大取值是 2 倍的节点 1 到节点 2 信号的传播时间，这个时间 T 就叫做碰撞槽时间。T 的极端最大值是 2t，这个时间也被称为争用期，又称为冲突窗口，也就是在这个争用期T内，如果没有检测到碰撞的发生，那么就代表共享介质空闲，节点取得使用权，就可以发送数据了，也肯定不会发生碰撞。

3 碰撞的作用

由于碰撞冲突的存在，所以为了减少信号传输过程中的冲突以及冲突发生后，采取有效的恢复措施，同时设定合理的局域网络距离和连接设备就显得尤为重要。

3.1 确定以太网最小帧的长度

在 CSMA/CD 中，协议规定了帧的最小传输时间至少为一个碰撞槽时间，以太网规定，对于 10Mb/S 和 100Mb/s 以太网的碰撞槽时间为 512 个比特时间或 64 个二进制字节，1000Mb/s 以太网的碰撞槽时间为 4096 个比特时间或 512 个二进制字节。因为假设某个节点发送了一个非常短的帧，在发送完毕后发送节点才检测到发生了碰撞，这种情况显然会影响以后信号的发送，没办法保证在接下来信号的传送过程中不会发生冲突，为了避免这种情况发生，因此以太网规定了最短帧长为512比特，即 64 个字节，这 64 个字节帧的组成由“目的MAC”占6个字节，“源MAC”占6个字节，“Type”占 2 个字节，“CRC”占 4 个字节，再加上实际载荷的最小数据长度 46 个字节组成。如果要发送的数据非常少，要加入一些填充字节，使帧长不少于 64 字节。对于 10Mb/S以太网，发送 512 比特的时间需要 51.2μs，也就是争用期的时间是51.2μs，如果在争用期内，发送了 64 个字节没有发生碰撞，那么共享介质就被此节点有效占用，其他节点检测到有信号发生，也就不发送信号了，也就是说后续发送的数据就一定不会发生冲突。任何长度小于64 个字节的帧都被看作是由于冲突产生的碎片或者无效帧而被丢弃。

3.2 以太网中网段最大传输范围

CDMA/CD 协议中规定，信号在以太网上传播 1km 大约需要 5μs，以太网最大的端到端传输距离必须小于争用期的一半（即 25.6μs），则理论上 S=(1km /5μs) *25.6μs=5.12km，也就是说以太网的最大端到端长度S约为5km，这足以满足现在以太网的传输范围，同时按照标准，10Mb/s 以太网采用中继器时，连接最大长度为 2500 米，最多经过 4 个中继器，因此，以太网都能在争用期 51.2μs 内检测到可能发生碰撞。如果共享以太网网络扩展得太大，就会使碰撞槽时间变长，容易导致发生延迟冲突，所以说碰撞槽时间确定了最大网段的大小限制。