基于爭(zhēng)用型以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)研究

楊林海，潘 毅，徐 剛

(1.云南工商學(xué)院機(jī)電信息學(xué)院，651700，昆明;2.貴州工商職業(yè)學(xué)院，551400，貴陽)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)中使用的TCP/IP協(xié)議是基于OSI參考模型的，數(shù)據(jù)傳輸是經(jīng)過傳輸信道的調(diào)制解調(diào)變化，依據(jù)傳輸協(xié)議來進(jìn)行通信的過程。對(duì)傳輸速率影響較大的因素是傳輸介質(zhì)和數(shù)據(jù)幀或包的大小及封裝協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸速率是描述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一，指的是每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制比特?cái)?shù)。

1 網(wǎng)絡(luò)訪問控制方式

介質(zhì)訪問控制方式，也稱信道訪問控制方法，是指控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送、傳輸及接收。常用的以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制方式有TDM、CSMA/CD和Token Ring。

1.1 數(shù)據(jù)鏈路層的2個(gè)子層

為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計(jì)為L(zhǎng)LC子層和MAC子層。LLC子層完全獨(dú)立出來主為高層提供服務(wù)，MAC子層與底層相關(guān)聯(lián)，LLC對(duì)不同協(xié)議都是透明的，與傳輸介質(zhì)無關(guān)。

1.2 以太網(wǎng)提供的服務(wù)

以太網(wǎng)提供的服務(wù)是盡最大努力交付。信宿收到有差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀時(shí)就丟棄，差錯(cuò)糾正由高層決定。高層發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失則請(qǐng)求重傳，以太網(wǎng)并不能判斷這是請(qǐng)求重傳的幀，把此幀作為新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。以太網(wǎng)的連接介質(zhì)類型很多，包括雙絞線、光纖和同軸電纜等。同軸電纜作是總線類型的連接介質(zhì)，光纖主要是用在高速通信主干和匯聚鏈路上，雙絞線主要用于連接接入層。

1.3 以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制方法

爭(zhēng)用型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，信道就會(huì)被占用，同一時(shí)間多節(jié)點(diǎn)發(fā)送就會(huì)相互干擾，使節(jié)點(diǎn)都無法正常發(fā)送數(shù)據(jù)，所以以太網(wǎng)必須采用相應(yīng)的介質(zhì)訪問控制方法來協(xié)調(diào)。

CSMA/CD的特點(diǎn)是所有接點(diǎn)接在總線上，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須要先檢測(cè)總線上是否有信息在傳輸，沒有就發(fā)送數(shù)據(jù)，有信息就必須延遲重發(fā)。載波偵聽多路訪問，實(shí)際總線上并沒有載波。這里的載波所指的是用來判斷有沒有信號(hào)傳輸?shù)膫蓽y(cè)信號(hào)。是以總線的方式使許多節(jié)點(diǎn)連接在一根總線上?！拜d波監(jiān)聽”是指節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測(cè)一下總線上是否有其他數(shù)據(jù)在發(fā)送，如果有則延遲發(fā)送，避免碰撞。“載波”不是指FDM，總線上實(shí)際沒有“載波”。因此，“載波監(jiān)聽”指的是用電子技術(shù)判斷總線上是否有其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的電信號(hào)。

CSMA/CA主要應(yīng)用在無線網(wǎng)絡(luò)中，是在一個(gè)共享信道之上支持多節(jié)點(diǎn)連接，由節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前先進(jìn)行信道的可用性偵測(cè)，若信道空閑，要等待一段時(shí)間間隔再發(fā)送。信宿正確接收數(shù)據(jù)后，要經(jīng)過一段時(shí)間間隔，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)幀，若源節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)幀，就必須重傳，直到正確接收。信道從忙態(tài)轉(zhuǎn)換為空閑時(shí)，各節(jié)點(diǎn)退避一段時(shí)間間隔以減少發(fā)生沖突的概率。IEEE802.11允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約。

2 爭(zhēng)用以太網(wǎng)的“碰撞檢測(cè)”

2.1 “碰撞檢測(cè)”方法

“碰撞檢測(cè)”就是節(jié)點(diǎn)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測(cè)信道上的信號(hào)電壓變化。當(dāng)總線上多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由于信號(hào)相互疊加，電壓幅值變化將會(huì)增大。當(dāng)信號(hào)電壓幅值超過一定的門閥值時(shí)，就判斷為總線上至少有2個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在傳輸信號(hào)，表明總線上產(chǎn)生了碰撞。

2.2 以太網(wǎng)中的碰撞與故障

以太網(wǎng)中的碰撞是正常現(xiàn)象。檢測(cè)到碰撞表明在以太網(wǎng)上同時(shí)有2個(gè)或更多的節(jié)點(diǎn)在傳輸信號(hào)。電信號(hào)由于不能疊加，在發(fā)生碰撞信號(hào)就會(huì)嚴(yán)重的失真無法恢復(fù)，結(jié)果使節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)都失效，必須進(jìn)行重傳。以太網(wǎng)上的通信量強(qiáng)度決定了碰撞的可能性大小，沖突大小沒有一個(gè)絕對(duì)的定量準(zhǔn)則，以太網(wǎng)的優(yōu)劣不能由碰撞決定。節(jié)點(diǎn)每沖突一次，所發(fā)的雙邊數(shù)據(jù)都要進(jìn)行重新傳輸，這樣必然造成信道的浪費(fèi)，因此，沖突次數(shù)越多，信道的利用率就越低。

2.3 信號(hào)傳輸延遲會(huì)增加碰撞

偵聽到總線是空閑時(shí)，也有可能總線并非真正是空閑的。信源發(fā)出的信號(hào)，要在信道上傳輸一定的時(shí)間后才能到達(dá)信宿。如果另一節(jié)點(diǎn)在前一節(jié)點(diǎn)信息到達(dá)信宿之前發(fā)送自己的幀，則總線上有2個(gè)幀存在，必然要發(fā)生碰撞，碰撞的結(jié)果是2個(gè)幀都失效[1]。爭(zhēng)用型以太網(wǎng)只能進(jìn)行半雙工通信。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一定時(shí)間內(nèi)，由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆菍?shí)時(shí)性，存在著遭遇碰撞的可能性。碰撞使整個(gè)以太網(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。

2.4 以太網(wǎng)的爭(zhēng)用期

爭(zhēng)用期是指以太網(wǎng)端到端往返時(shí)間2τ，又稱Collision Window。在以太網(wǎng)中，把端到端的傳輸單程時(shí)延用τ表示。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的節(jié)點(diǎn)，在發(fā)出數(shù)據(jù)幀后最長(zhǎng)經(jīng)過2 τ就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞，經(jīng)過相應(yīng)時(shí)間還沒有檢測(cè)到碰撞，才能肯定此次發(fā)送沒有發(fā)生沖突[2]。

2.5 退避算法

CSMA技術(shù)也稱為L(zhǎng)BT(Listen Before Talk)，指的就是節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先進(jìn)行信道的偵測(cè)，偵測(cè)到信道上有數(shù)據(jù)就不發(fā)送，沒有數(shù)據(jù)發(fā)送再進(jìn)行傳送?；谶@種機(jī)制的算法稱為退避算法。常用的退避算法有3種:非堅(jiān)持、1-堅(jiān)持、P-堅(jiān)持。

2.5.1"非堅(jiān)持"算法"非堅(jiān)持"就是在信道處于忙的狀態(tài)時(shí)，本節(jié)點(diǎn)不堅(jiān)持繼續(xù)發(fā)送，而是在一個(gè)隨機(jī)延遲后繼續(xù)偵聽，發(fā)現(xiàn)介信道空閑時(shí)才發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.5.2"1-堅(jiān)持"算法 當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)，它的數(shù)據(jù)傳輸成功率為1。發(fā)現(xiàn)信道忙后，隨機(jī)等待一個(gè)延遲，繼續(xù)偵聽;此算法中，在發(fā)現(xiàn)信道忙時(shí)，不等待一個(gè)延遲，而是繼續(xù)偵聽，一旦發(fā)現(xiàn)空閑即立即發(fā)送，在數(shù)據(jù)傳送過程中發(fā)生沖突時(shí)放棄當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳送，等待一個(gè)延遲后再繼續(xù)偵聽。

2.5.3"P-堅(jiān)持"算法P是指節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，P小于1，此算法不是在一發(fā)現(xiàn)介質(zhì)空閑時(shí)就發(fā)送數(shù)據(jù)，而是以一個(gè)概率來決定當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否立即發(fā)送數(shù)據(jù)。達(dá)到盡量避免與其他節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突的目的。

3 以太網(wǎng)的幀長(zhǎng)

3.1 以太網(wǎng)的最小幀長(zhǎng)

CSMA/CD一旦發(fā)生沖突，必須讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能檢測(cè)到。以太網(wǎng)通過規(guī)定了最小發(fā)送間隙和最小幀長(zhǎng)來盡量避免沖突。如果兩節(jié)點(diǎn)之間的距離很遠(yuǎn)而幀很小，接收方在幀到達(dá)目的地之前又開始發(fā)送，這樣，接收方的幀已經(jīng)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)還在信道中傳輸，還沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)中。接收節(jié)點(diǎn)由于還沒有收到信息，誤認(rèn)為信道是空閑的，有可能向外傳輸數(shù)據(jù)，這樣就會(huì)造成新的信道沖突。在發(fā)送節(jié)來說，誤認(rèn)為是發(fā)送成功了。信號(hào)傳輸是有時(shí)延的，因此檢測(cè)沖突也需要一定的時(shí)間，這決定了以太網(wǎng)必須有最小幀長(zhǎng)的限制。

按照標(biāo)準(zhǔn)，10 Mbps以太網(wǎng)采用5-4-3-2-1原則，電纜最大的通信長(zhǎng)度為2 500 m，因此由以下公式可以計(jì)算出以太網(wǎng)一幀的最小發(fā)送時(shí)間為51.2 μs(電信號(hào)在以太網(wǎng)中的傳輸速度為(1.9～2.4)×108m/s)。

由公式(1)可得幀傳輸時(shí)間T的范圍為(52.63－41.67 μs)，取 51.2 μs，并定義為以太網(wǎng)時(shí)隙，或沖突時(shí)槽。

由公式(2)，根據(jù)以太網(wǎng)時(shí)隙計(jì)算出傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為512位(位時(shí))，這就是以太網(wǎng)最小幀為64字節(jié)的原因。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中，有了最小幀長(zhǎng)的限制，網(wǎng)絡(luò)中就不存在小于64字節(jié)的數(shù)據(jù)包了，如果有就會(huì)看作"碎片"，即數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)傳輸中受損[2]。這也是現(xiàn)在交換機(jī)3種轉(zhuǎn)發(fā)方式中“碎片隔離式”定義為64字節(jié)的原因。

最小幀長(zhǎng)保證了幀在發(fā)送完畢之前，能夠偵測(cè)到可能最晚來到的沖突信號(hào)。為了"沖突偵測(cè)"機(jī)制成功，幀必須持續(xù)發(fā)送2τ時(shí)間(發(fā)送2τ時(shí)間上一數(shù)據(jù)幀還沒有發(fā)送完)。τ的大小是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義，當(dāng)τ確定后，最短數(shù)據(jù)幀也被確定，反過來一個(gè)沖突域最大范圍也被確定。

快速以太網(wǎng)的速率是以太網(wǎng)的10倍，在快速以太網(wǎng)中，規(guī)定幀的最小發(fā)送時(shí)間為5.12 μs，是傳統(tǒng)以太網(wǎng)的1/10，時(shí)隙也是512位時(shí)，只是每幀的發(fā)送時(shí)間縮短了。

千兆以太網(wǎng)改變了每幀的發(fā)送時(shí)間和時(shí)隙值，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)有相同的幀長(zhǎng)度、幀格式和數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了 10 Mbps、100 Mbps、10 000 Mbps及10 G以太網(wǎng)的完全兼容。1 000 Mbps以太網(wǎng)的時(shí)隙增至 512 字節(jié)，即 4 096 位時(shí)，4.096 μs。

MAC層的速度越快，以太網(wǎng)的最大有效距離就越短。對(duì)于1 000 Mbps的以太網(wǎng)，MAC層如果保留CSMA/CD協(xié)議，必須面臨碰撞偵測(cè)問題，這就要再一次減小網(wǎng)絡(luò)的最大有效傳輸距離到25 m。如果不縮短網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，就必須增加幀的長(zhǎng)度，就像10 Mbps和100 Mbps以太網(wǎng)那樣，讓一個(gè)幀傳輸時(shí)間持續(xù)2τ以上。但有時(shí)高層數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)不夠，就需要用數(shù)據(jù)填充來達(dá)到幀長(zhǎng)的要求。

以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)捕獲信道的時(shí)間是512位時(shí)(64字節(jié))?？偩€在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，如果發(fā)送的前64字節(jié)沒有發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，以后發(fā)送的數(shù)據(jù)都將不會(huì)發(fā)生。以太網(wǎng)幀中，幀頭長(zhǎng)為固定的18字節(jié)，幀中的數(shù)據(jù)最少為46個(gè)字節(jié)，這樣的目的是保證數(shù)據(jù)的最小長(zhǎng)度符合要求，如果長(zhǎng)度太小，可以通過填充的方式來實(shí)現(xiàn)，如圖1。

圖1 以太網(wǎng)幀的主要字段

3.2 以太網(wǎng)的最大幀長(zhǎng)

MTU是指通信協(xié)議上所能通過的最大數(shù)據(jù)包大小，通常與通信接口有關(guān)。

網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信是把數(shù)據(jù)分為適合于網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)亩喽危@些數(shù)據(jù)足夠小，以保證最大數(shù)據(jù)也能通過網(wǎng)絡(luò)中的最小轉(zhuǎn)發(fā)鏈路。分片過程發(fā)生在OSI模型的第3層和第4層，第4層是OSI模型中最重要的一層，主要根據(jù)窗口控制傳輸，而不是MTU。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過QOS的試同進(jìn)對(duì)發(fā)送方和接收方進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送快慢。在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，如果發(fā)現(xiàn)太大的數(shù)據(jù)，將對(duì)較大的數(shù)據(jù)包進(jìn)行強(qiáng)制分組。在以太網(wǎng)中，最大的協(xié)議數(shù)據(jù)單元為1 500字節(jié)，當(dāng)然，這個(gè)數(shù)據(jù)不包數(shù)據(jù)的幀頭部分。在分組過程中，每個(gè)分片都有一個(gè)序號(hào)，目的是接到方接收到數(shù)據(jù)后，可以進(jìn)行正確重組。網(wǎng)絡(luò)中的最大傳輸單元是保證所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸過程中，能通過所有的鏈路節(jié)點(diǎn)[3]。

由于信道是所有節(jié)點(diǎn)共享的，數(shù)據(jù)幀太長(zhǎng)，在數(shù)據(jù)的發(fā)送過程中每幀就會(huì)占用較長(zhǎng)的時(shí)間，就會(huì)出現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)等待時(shí)間太長(zhǎng);數(shù)據(jù)到達(dá)接收點(diǎn)后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的重組緩沖大小是有限的，有的發(fā)送數(shù)據(jù)可能比接收端的緩沖區(qū)大小超出很多，造成緩沖溢出[4]。為了不讓節(jié)點(diǎn)占有的時(shí)間太長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)中制定了1 500字節(jié)這個(gè)規(guī)則，這樣可以保證信道占有的公平性。

在802.3 ac里，在原來以太網(wǎng)幀的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，加入了對(duì)Vlan的支持，增加了4字節(jié)的幀長(zhǎng)，幀長(zhǎng)就有了1 522字節(jié)這個(gè)長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)如下圖2。

圖2 802.3ac以太網(wǎng)幀的主要字段

4 以太網(wǎng)的信道利用率

4.1 信道

信道是指信號(hào)的傳輸通道，是信號(hào)傳輸?shù)妮d體。信息是抽象的，傳輸?shù)氖切畔⒌奈锢肀憩F(xiàn)形式。信道都有信源和信宿，在理論上，信道往往被分成編碼、介質(zhì)和譯碼，人們可以變更編碼器、譯碼器以獲得最佳的通信效果，而信道就指比較固定的介質(zhì)部分。

4.2 信道容量和信道帶寬

數(shù)據(jù)傳輸過程中，每條信道都有一個(gè)最大的傳輸能力，這就是所有的信道容量，信道的大小與信源無關(guān)。在網(wǎng)絡(luò)中，信道傳送的信號(hào)主要分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，如果模擬信號(hào)的容量，用信道帶寬來描述，單位為HZ，模擬信號(hào)其實(shí)指的是一個(gè)頻率范圍。如果數(shù)字信號(hào)的容量，指的是單位時(shí)間內(nèi)最大能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，用bps描述。兩者之間可以通過香農(nóng)定理來進(jìn)行相互的轉(zhuǎn)換。

4.3 幀長(zhǎng)對(duì)信道沖突影響

爭(zhēng)用型網(wǎng)絡(luò)中，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，沖突的可能性越大，可根據(jù)數(shù)學(xué)的角度來計(jì)算具體的沖突過程。如果爭(zhēng)用線路上共有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀的概率都是p，網(wǎng)絡(luò)中爭(zhēng)用期長(zhǎng)度為2τ，檢測(cè)到碰撞后不發(fā)送干擾信號(hào)，延遲一定時(shí)間后重新爭(zhēng)用信道。

如果幀長(zhǎng)為L(zhǎng)(bit)，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為C(bps)，幀的發(fā)送時(shí)間為T0(s)=L/C。數(shù)據(jù)幀在發(fā)送過程中，也許要經(jīng)過很多次的沖突才能最終到達(dá)目的地，沖突的次數(shù)越多，用的時(shí)間越長(zhǎng)，信道占有的時(shí)間就越長(zhǎng)。一個(gè)幀的發(fā)送時(shí)間可以用圖3表示。

圖3 發(fā)送一幀所需的平均時(shí)間

由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的概率為P，因此不發(fā)送的概率為1-P，節(jié)點(diǎn)正常發(fā)送成功的條件是其他節(jié)點(diǎn)都不發(fā)送。節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功的概率用A表示:A=[本節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)][其他所有節(jié)點(diǎn)不發(fā)送數(shù)據(jù)]，表示為式(3)

節(jié)點(diǎn)發(fā)送失敗的概率為1-A。如果節(jié)點(diǎn)發(fā)送失敗了K次，而K+1次成功的可能性為Sn，令以下式(4)為①:

在上面公式的基礎(chǔ)上變形公式，取式(5)為②:

由式①、式②的結(jié)果為式(6)

整理后可以得到結(jié)果式(7)為

當(dāng)n→∞時(shí):(1－A)n=0，n(1－A)n+1=0，得出以下結(jié)果見式(8):

根據(jù)以上結(jié)論可以得出，成功發(fā)送幀需要占用信道的時(shí)間為實(shí)際數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間T0和一個(gè)單程端到端時(shí)延τ。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送完最后一幀時(shí)，信號(hào)還要在以太網(wǎng)上傳播，如果這時(shí)有其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)產(chǎn)生碰撞。任何數(shù)據(jù)幀在發(fā)送過程中，發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)幀，都要多延時(shí)一個(gè)τ時(shí)才能讓出信道，這樣做的目的是保證數(shù)據(jù)能正常到達(dá)信宿而不沖突?？梢杂靡粋€(gè)參數(shù)a值來表示幀占有時(shí)間和新增延時(shí)之間的關(guān)系，表示為式(9):

當(dāng)a→0時(shí)，表示只要一發(fā)生碰撞，就立即可以檢測(cè)出來，并停止發(fā)送，因而信道資源浪費(fèi)較少。在上式中，最終結(jié)果的大小表明數(shù)據(jù)信道的利用率，值越大，說明新增延時(shí)τ之和實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸占有時(shí)間的比例越大，信道空的時(shí)間更多，沒有得到更好的利用[5]。在實(shí)際傳輸過程中，希望是這個(gè)值越小越好。在理想化的情況下，假設(shè)各節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)都不會(huì)產(chǎn)生碰撞，并且理想地利用網(wǎng)絡(luò)的傳輸資源，即一旦空閑就有相應(yīng)節(jié)點(diǎn)立即發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣，信道所有時(shí)間都在傳輸數(shù)據(jù)，沒有新增延遲。在所有過程中，只有最終的一次延遲，可以表示為以下式(10)

由以上公式得出結(jié)論，參數(shù)a遠(yuǎn)小于1才能得到盡可能高的極限信道利用率。反之，參數(shù)a遠(yuǎn)大于1，則極限信道利用率就遠(yuǎn)小于1，而此時(shí)實(shí)際的信道利用率就更小了。

5 距離對(duì)幀長(zhǎng)的影響

5.1 數(shù)據(jù)幀在電纜中的傳輸

電信號(hào)的傳播速度是指電場(chǎng)的傳播速度，不是電子的移動(dòng)速度。電子的移動(dòng)速度實(shí)際是很慢的，而電場(chǎng)的傳播速度非?？?，在真空中，傳播速度接近于光速。如果用電信號(hào)和光信號(hào)來比較，一般都會(huì)說光信號(hào)快，原因是它們承載或者說攜帶的數(shù)據(jù)量不同。

不管用什么樣的編碼方式，電信號(hào)最終都有用高低電壓(有時(shí)也用正負(fù)電壓)來表示，信號(hào)的傳輸速度也就是這個(gè)高低電壓(或正負(fù)電壓)的變化速度。這個(gè)變化有極限限制的。光纖中傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，是靠光的閃爍來表示，相對(duì)而言，光纖的閃爍信號(hào)比電信號(hào)的變化要容易得多，也就是所有的帶寬速度不同。

電信號(hào)傳輸有衰減，從最初的C，傳輸?shù)阶詈罂赡芩p到0.77 C(一般按0.7 C計(jì)算)，光信號(hào)衰減相對(duì)較小，衰減會(huì)影響傳送的數(shù)據(jù)量[6]。

5.2 距離變化對(duì)幀長(zhǎng)的影響

在CSMA/CD協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，傳輸介質(zhì)如果是電纜，傳輸速率為V(單位bps)。如果2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離改變?chǔ)，則該網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度也必須做相應(yīng)的改變才能保證網(wǎng)絡(luò)的正常傳輸。

傳輸速率R(單位bps)，速度為V=C×0.7，幀長(zhǎng)度為L(zhǎng)以內(nèi)，距離為S，則數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸時(shí)間T=L/V，由于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸要求傳輸時(shí)間必須大于2τ，才能正常進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，可以得到以下式(11)

如果2個(gè)正常傳輸節(jié)點(diǎn)之間的距離發(fā)生變化了ΔS，相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度改變?yōu)棣，則根據(jù)以上公式得到式(12)

其中，增加的時(shí)間為ΔT，數(shù)據(jù)幀最終的變化為式(13)

5.3 幀對(duì)吞吐量的影響

吞吐量是指節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)成功傳送的數(shù)據(jù)量。2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的延時(shí)是數(shù)據(jù)包從信源發(fā)出，到接收節(jié)點(diǎn)接收完所有數(shù)據(jù)為止。對(duì)延時(shí)的影響一般有2個(gè)方面:一方面是長(zhǎng)距離傳輸?shù)木嚯x傳輸延遲，另一方面是設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)延遲，實(shí)際情況主要要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際環(huán)境來分析。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評(píng)估時(shí)，由于傳輸距離小，距離傳輸延遲遠(yuǎn)小于設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)延遲，則網(wǎng)絡(luò)中的端到端延遲t主要指的是設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)延遲。如果發(fā)送窗口大小為L(zhǎng)字節(jié)，則網(wǎng)絡(luò)理論上網(wǎng)絡(luò)吞吐量R可得出公式(14)[7]

6 結(jié)論

在以太網(wǎng)性能分析中，把單程端到端傳播時(shí)延記為τ。如果節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀很小且2個(gè)沖突節(jié)點(diǎn)相距很遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突的可能性會(huì)變大，使網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際利用率降低。以太網(wǎng)的信道是所有節(jié)點(diǎn)共享的，如果數(shù)據(jù)幀太大會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)等待時(shí)間太長(zhǎng)或接收端緩沖溢出。以太網(wǎng)最小和最大幀長(zhǎng)、爭(zhēng)用期及傳輸延遲對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有較大的影響，傳輸距離改變相應(yīng)的傳輸幀長(zhǎng)也將隨之改變，正確的分析和設(shè)計(jì)幀長(zhǎng)將有利于進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。

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