以太網幀間隙在工程測量中的應用

祝宗奎，羅正華

(1.上海貝爾股份有限公司 成都分公司，四川 成都 610041;2.成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106)

1 以太網幀間隙概念

在以太網中，數據幀發送方式是一個幀接著一個幀發送的，網絡設備和組件在接收到一個幀之后，需要一段短暫的時間來恢復，并為接收下一個幀做準備.幀間隙是相鄰兩幀之間的時間間隔(Inter Frame Gap，IFG)，按規程要求，以太網數據幀在網絡介質中傳輸時需要遵循一定的機制，例如載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)介質訪問控制機制規定:以太網在傳輸數據幀時，兩幀之間必須等待一定的時間間隔，以提高沖突檢測算法的公平性［1－3］.因此，所有想要發送數據的設備在當前幀傳輸完畢之后，在它們試圖再次發送數據之前都必須等待相同的時間.從應用角度考慮，最小幀間隙是以太網在介質訪問控制層發送方向上的一個指標，在全雙工模式下，其作用是控制發送端的速率，使接收端有充裕的時間來接收和處理中斷.

在以太網線路上，數據總是以比特流的形式傳輸的［4］.在這個比特流中，以太網幀間隙的示意如圖1 所示.

圖1 以太網幀間隙示意圖

需說明的是，幀間隙指的是一段時間，而不是距離，其單位通常為微秒μs 或納秒ns.在以太網中，最小幀間隙一般定義為96 bit，對應12 Byte.例如，在速率為10 Mbps 的以太網段上，對應的時間間隔為9.6 μs;100 Mbps 以太網，對應960 ns;1000 Mbps以太網，對應96 ns.總之，不論應用于何種速率的以太網，兩幀之間最少需要保證96 bit 間隙.

圖2 測試用例1 示意圖

此外，由于以太網是異步工作的，故發送端和接收端各自使用本地時鐘工作，兩端不能做到完全同頻，如果頻率偏差較大，則會導致丟包現象發生［5］.參考圖2 所示測試用例，假設時鐘1 快于時鐘2，那么在設備2 上，接收速度(取決于設備1 的發送時鐘)將快于轉發速度(取決于設備2 的發送時鐘)，一旦接收緩存堆積滿了就將造成丟包.這時，在設備2 上可以通過減小幀間隙來加快其轉發有效數據幀的速度，從而使得轉發速度能夠跟上接收速度.相應的，在設備1 上可以通過增大幀間隙，使發送端的有效速度減小，可以解決因速度過快而產生的丟包問題.

2 以太網幀格式的定義

典型的以太網幀格式的定義如圖3 所示.

圖3 以太網幀格式定義示意圖

幀格式中所包含的字段為:前導碼(Preamble)，包括同步碼(用來使局域網中的所有節點同步)，7 Byte;幀開始符(SFD)，標明下一個為目的MAC 字段，1 Byte;目的MAC 地址(DestMAC)，接收端的MAC 地址，6 Byte;源MAC 地址(SourceMAC)，發送端的MAC 地址，6 Byte;VLAN 標簽(Tag)，支持802.1Q VLAN 協議幀時，需插入額外的VLAN 標簽，4 Byte;類型或長度(TOS)，上層數據包協議的類型，或數據字段的長度，2 Byte;數據(Data)，被封裝的數據包/凈負荷，46 ～1 500 Byte;幀校驗序列(FCS)，錯誤檢驗，4 Byte.

以太網幀是OSI 7 層參考模型中數據鏈路層的封裝，來自網絡層的數據包被加上幀頭和幀尾，構成可由數據鏈路層識別的數據幀.雖然幀頭和幀尾所用的字節數是固定不變的，但根據被封裝數據包大小的不同，以太網幀的長度也隨之變化，變化的范圍是64 ～1 518 Byte.典型的幀長度計算公式為，

當支持802.1Q VLAN 功能時，需要額外增加一個4 Byte 的VLAN 標簽.相應的，幀長度變化的范圍是68 ～1 522 Byte.當支持802.1ad Q-In-Q 功能時，需要額外再增加一個VLAN 標簽，相應的幀長度也會產生變化.

3 幀間隙在工程測量中的應用

在以太網中，幀間隙并不傳送有效的數據或者凈負荷，所以往往被用戶所忽視.但是，在實際工程應用中，尤其在評估以太網帶寬利用率、吞吐量等性能相關測試用例中，幀間隙往往又發揮著不可忽視的作用，特別是在一些工程故障分析中，幀間隙有時候也會成為關鍵因素.

3.1 幀間隙對以太網線速的影響

以太網以最小幀間隙連續發送數據幀情況下的速率稱之為線速，具體如圖4 所示.

圖4 以太網線速示意圖

為便于計算，理論上一般假定所有的數據包長度相同.假定被封裝的數據包長度為Packet－len(不小于46 Byte)，鏈路層速率為MaxTxBitRate(例如100 Mbps 以太網對應的速率為100 000 000 bit/s)，則在線速情況下，以太網幀發送速率FPS(Frame per second)的最大值可按以下式計算，

可以看出，對于一定速率的線路、一定長度的數據包，以太網線速對應的最大幀發送速率FPS(Frame/s)直接受最小幀間隙長度(Byte)的影響.

相應地，線速情況下數據包的最大吞吐量Throughput(Frame/s)為，

Throughput=FPS×Packet－len

3.2 幀間隙對以太網性能測試的影響

在基于SDH 的多業務傳送平臺(MSTP)設備中，以太網數據報文需要先映射到合適的SDH 幀結構中，才能在SDH 網絡中傳輸.所謂的EOS(Ethernet Over SDH)技術，就是直接將本地網絡設備傳輸的以太網幀先按照某種封裝協議(GFP，LAPS，PPP/HDLC)封裝，再映射到SDH 的幀結構中，然后通過SDH 傳輸線路實現點對點的傳輸.

在MSTP 設備中，以太網幀發送速率FPS 的計算主要受以下條件約束:

1)當本地接入的以太網線路帶寬不受限時，瓶頸在SDH 通道側.

例如，千兆以太網業務接入3 ×VC3(3 ×48 384 000 bps 近似于155 Mbps)通道，這時，以太網線速1 000 Mbps 大于SDH 通道帶寬，瓶頸在SDH 通道側.以太網幀在進入VC3 容器之前，要進行GFP 封裝，會去掉前導碼幀、開始符及幀間隙，并增加GFP 相關開銷，此時FPS 可按下式計算，

ITU-T G.7041(V0.4)標準規定了GFP 封裝的格式，包括:幀頭(Core Header)、凈荷頭(Payload Header)、用戶凈荷信息(Client Payload Information)和凈荷幀校驗序列FCS.

由于不同通訊設備制造商對GFP 協議的實現不盡相同;因此在本測試用例使用的設備中，GFP 封裝開銷(GFP Overhead)長度為8 Byte，凈荷幀校驗序列(FCS)長度為4 Byte.那么，當數據包長度為64 Byte 時，

匯總該數據包各長度的吞吐量理論計算如表1所示.

表1 吞吐量理論計算表

經由數據測試儀表，采用RFC2544 測試用例序列，對應吞吐量測試報告如表2 所示.可以看到，實測結果數值與理論計算值基本吻合.

表2 吞吐量測試報告表

仍以數據包長64 Byte 為例，從表2 可以看到，對應的實測吞吐量為122.137 Mbps.這個數值在4組數據中偏小，也大大低于通道帶寬3 ×VC3(155 Mbps).這是因為表2 中吞吐量的數值是按下式計算的，

計算中并沒有考慮以太網幀間隙IFG(12)、前導碼(7)和幀開始符(1)的因素，當把這3 個因素包含到算式中時，

這個數值就是表2 中帶寬利用率的來源:16.031%的帶寬利用率，對應帶寬160.310 Mbps，其在測試結果的4 組數據中反而是最大的.

這個結果說明:在本測試用例中，當幀長為64 Byte 時，線路帶寬利用率高.由于幀間隙并不傳送有效的凈荷，比重較大的幀間隙占用了過多的帶寬，對凈荷而言，吞吐量效率反而是最低的.由此可見，越小的幀由于前導碼和幀間隙的原因，其傳輸效率就越低.

另外需要注意的是，當幀長為64 Byte 時，16.031%的帶寬利用率，對應帶寬160.310 Mbps，超出了SDH 側接入通道帶寬3 ×VC3(155 Mbps).這個差別正好體現了以太網與SDH 處理以太網幀時的差別:以太網需要為每個幀插入前導碼、幀開始符和幀間隙，共20 Byte 開銷;SDH 則會去掉幀頭、幀間隙，并增加GFP 相關的開銷，共12 Byte.在通道允許通過的發幀速率FPS 相同的情況下，正是這兩部分開銷的差異，導致了帶寬計算值的差異.

2)當SDH 通道側帶寬不受限時，瓶頸在以太網線路側.

例如，百兆以太網業務接入3 × VC3(155 Mbps)通道，而以太網線速100 Mbps 小于SDH 通道帶寬，瓶頸在以太網線路側.這時，需要按照以太網的特性來計算幀發送速率FPS，

顯然，在上述計算過程中，顯式地考慮了幀間隙因素的影響.由于SDH 通道帶寬大于以太網線路速率，以太網側設備可以按線速發送數據幀，而不會產生丟包，吞吐量可以達到100%.

4 結 語

幀間隙是以太網技術中一個較為簡單的概念，因其長度并不參與以太網幀長度的計算，往往為人們所忽視.事實上，以太網的幀間隙在工程測量中能發揮較大的作用，可以對工程實踐活動產生積極的影響.

［1］IEEE Computer Society.IEEE 802.3，Carrier sense multiple access with collision detection(CSMA/CD)access method and physical layer specifications［S］.New York，USA:the LAN/MAN Standards Committee，2005.

［2］Charles E.Practical networking with ethernet［M］.Boston，MA，USA:International Thomson Computer Press，1997.

［3］Thomas A M.IP fundamentals:what everyone needs to know about addressing ＆ routing［M］.Englewood Cliff，NJ，USA:Prentice-Hall，1999.

［4］IEEE Computer Society.IEEE 802.1Q，Virtual bridged local area network［S］.New York，USA:the LAN/MAN Standards Committee，2003.

［5］Bradner S，McQuaid J.Benchmarking methodology for network interconnect devices［EB/OL］.http://tools.ietf.org/html/rfc2544.［1999－03－01］.