淺談傳統(tǒng)以太網(wǎng)中碰撞槽時間的作用

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)采用爭用線路來發(fā)送信號，在爭用過程中會產(chǎn)生信號的碰撞沖突，為了避免和減少沖突的發(fā)生，碰撞槽時間參數(shù)起到了關鍵的作用，本文分別從碰撞的產(chǎn)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(wǎng) CSMA/CD 碰撞槽時間

1 引言

在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的總線型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中，由于通信介質(zhì)的共享，網(wǎng)絡設備節(jié)點需要采用爭用線路的方法來發(fā)送信號，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/沖突檢測技術來實現(xiàn)信號的傳輸。因為總線結(jié)構(gòu)的特點是多路訪問拓撲結(jié)構(gòu)，每個計算機節(jié)點使用相同的共享介質(zhì)相互通信，也就是說，為了避免各個節(jié)點發(fā)送信號時產(chǎn)生碰撞沖突，要求各個節(jié)點在發(fā)送前和發(fā)送中都要對整個介質(zhì)進行信號檢測，如在某一時刻，當總線上的一臺計算機發(fā)送信號時，總線上的其他計算機檢測出了介質(zhì)上的這個信號，也就是檢測到共享介質(zhì)處于忙碌狀態(tài)，這時其他計算機便處于等待狀態(tài)，等到發(fā)送節(jié)點信號發(fā)送完畢并檢測到介質(zhì)空閑時再發(fā)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(tǒng)的半雙工以太網(wǎng)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(wǎng)絡距離和設備數(shù)量的重要參數(shù)作用。

2 碰撞的產(chǎn)生

假設局域網(wǎng)的兩個最遠的端點為節(jié)點1和節(jié)點2，當節(jié)點1向節(jié)點2發(fā)送信號時，發(fā)送一段時間后，信號才能到達節(jié)點2。假設當節(jié)點1向節(jié)點2發(fā)送信號的過程中，此時節(jié)點2也向節(jié)點1發(fā)送自己的信號，那么經(jīng)過一段時間后，節(jié)點1和節(jié)點2發(fā)送的幀信號肯定要發(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，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1和節(jié)點2要知道最晚經(jīng)過多長時間自己發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有發(fā)生碰撞。

假設節(jié)點1從開始發(fā)送到碰撞時間為τ，節(jié)點2從發(fā)送信號到碰撞的時間為δ（注：兩個節(jié)點不是同時發(fā)送信號），信號發(fā)生碰撞后，節(jié)點1經(jīng)過2τ時間檢測到了發(fā)生了有碰撞，于是停止發(fā)送信號，節(jié)點2經(jīng)過2δ時間檢測到發(fā)生了碰撞，也停止發(fā)送信號。兩個節(jié)點分別等待一段隨機選定的時間（二進制指數(shù)退避算法）后，再檢測共享介質(zhì)是否空閑，然后決定是否發(fā)送信號。假設碰撞的時間為T，從節(jié)點1傳送信號到節(jié)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(jié)點1到節(jié)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(nèi)，如果沒有檢測到碰撞的發(fā)生，那么就代表共享介質(zhì)空閑，節(jié)點取得使用權(quán)，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)了，也肯定不會發(fā)生碰撞。

3 碰撞的作用

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

3.1 確定以太網(wǎng)最小幀的長度

在CSMA/CD中，協(xié)議規(guī)定了幀的最小傳輸時間至少為一個碰撞槽時間，以太網(wǎng)規(guī)定，對于10Mb/S和100Mb/s以太網(wǎng)的碰撞槽時間為512個比特時間或64個二進制字節(jié)，1000Mb/s以太網(wǎng)的碰撞槽時間為4096個比特時間或512個二進制字節(jié)。因為假設某個節(jié)點發(fā)送了一個非常短的幀，在發(fā)送完畢后發(fā)送節(jié)點才檢測到發(fā)生了碰撞，這種情況顯然會影響以后信號的發(fā)送，沒辦法保證在接下來信號的傳送過程中不會發(fā)生沖突，為了避免這種情況發(fā)生，因此以太網(wǎng)規(guī)定了最短幀長為512比特，即64個字節(jié)，這64個字節(jié)幀的組成由“目的MAC”占6個字節(jié)，“源MAC”占6個字節(jié)，“Type”占2個字節(jié)，“CRC”占4個字節(jié)，再加上實際載荷的最小數(shù)據(jù)長度46個字節(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)，使幀長不少于64字節(jié)。對于10Mb/S以太網(wǎng)，發(fā)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(nèi)，發(fā)送了64個字節(jié)沒有發(fā)生碰撞，那么共享介質(zhì)就被此節(jié)點有效占用，其他節(jié)點檢測到有信號發(fā)生，也就不發(fā)送信號了，也就是說后續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)就一定不會發(fā)生沖突。任何長度小于64個字節(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)的最大端到端長度S約為5km，這足以滿足現(xiàn)在以太網(wǎng)的傳輸范圍，同時按照標準，10Mb/s以太網(wǎng)采用中繼器時，連接最大長度為2500米，最多經(jīng)過4個中繼器 ，因此，以太網(wǎng)都能在爭用期51.2μs內(nèi)檢測到可能發(fā)生碰撞。如果共享以太網(wǎng)網(wǎng)絡擴展得太大，就會使碰撞槽時間變長，容易導致發(fā)生延遲沖突，所以說碰撞槽時間確定了最大網(wǎng)段的大小限制。

4 結(jié)論

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

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作者簡介

鄭永春（1972-），男 ，碩士學位。現(xiàn)供職于長春工程學院。主要研究方向為軟件工程。

吉軍（1963-），男，大學本科學歷。現(xiàn)供職于長春工程學院。主要研究方向為計算機應用。

作者單位

長春工程學院計算機技術與工程學院 吉林省長春市 130012endprint