在传统以太网中,为什么要有最小帧长度和最大帧长度的限制

Posted 2020-08-16 赏月斋

在传统以太网中,为什么要有最小帧长度和最大帧长度的限制?

 

以太网(IEEE 802.3)帧格式：

1、前导码：7字节0x55,一串1、0间隔，用于信号同步

2、帧起始定界符：1字节0xD5(10101011)，表示一帧开始

3、DA(目的MAC)：6字节

4、SA(源MAC)：6字节

5、类型/长度：2字节，0～1500保留为长度域值，1536～65535保留为类型域值(0x0600～0xFFFF)

6、数据：46～1500字节

7、帧校验序列(FCS)：4字节，使用CRC计算从目的MAC到数据域这部分内容而得到的校验和。 以CSMA/CD作为MAC算法的一类LAN称为以太网。CSMA/CD冲突避免的方法：先听后发、边听边发、随机延迟后重发。一旦发生冲突，必须让每台主机都能检测到。关于最小发送间隙和最小帧长的规定也是为了避免冲突。

 

考虑如下的情况，主机发送的帧很小，而两台冲突主机相距很远。在主机A发送的帧传输到B的前一刻，B开始发送帧。这样，当A的帧到达B时，B检测到冲突，于是发送冲突信号。假如在B的冲突信号传输到A之前，A的帧已经发送完毕，那么A将检测不到冲突而误认为已发送成功。由于信号传播是有时延的，因此检测冲突也需要一定的时间。这也是为什么必须有个最小帧长的限制。

按照标准，10Mbps以太网采用中继器时，连接的最大长度是2500米，最多经过4个中继器，因此规定对10Mbps以太网一帧的最小发送时间为51.2微秒。这段时间所能传输的数据为512位，因此也称该时间为512位时。这个时间定义为以太网时隙，或冲突时槽。512位＝64字节，这就是以太网帧最小64字节的原因。

512位时是主机捕获信道的时间。如果某主机发送一个帧的64字节仍无冲突，以后也就不会再发生冲突了，称此主机捕获了信道。

由于信道是所有主机共享的，如果数据帧太长就会出现有的主机长时间不能发送数据，而且有的发送数据可能超出接收端的缓冲区大小，造成缓冲溢出。为避免单一主机占用信道时间过长，规定了以太网帧的最大帧长为1500。

100Mbps以太网的时隙仍为512位时，以太网规定一帧的最小发送时间必须为5.12μs。 1000Mbps以太网的时隙增至512字节，即4096位时，4.096μs。

 

对于1000Mb/s的吉比特以太网，MAC层有两种选择，要么保留CSMA/CD，要么不用它。若保留CSMA/CD协议，必须面临碰撞检测问题，这就要再一次减小网络的最大有效传输距离到25米。当然您可以不缩短网络的距离，而是增加一个帧的程度，就如我们开始分析100Mb/s以太网那样，让一个帧持续足够长的时间。但因为上层来的数据没有这么多，所以就需要在MAC层进行一些无用数据的填充来满足这个要求。

最后，我们推导出以下比例关系：

最小帧长/传输速率 正比于 网络最大传输距离/光速

一个网络的最大传输距离也称为冲突域，传输一个最小帧所用的时间(最小帧长/传输速率)正比于1位信息穿越冲突域的时间。

 

以太网的最大帧长有1518,1522,1536。那么这几个值是怎么来的呢？

下面是最初802.3定义的以太网帧结构：

Preamble (7-bytes) －－前导位

Start Frame Delimiter (1-byte) －－定界符

Dest. MAC Address (6-bytes) －－目的地址

Source MAC Address (6-bytes) －－源地址

Length / Type (2-bytes) －－长度或帧类型

MAC Client Data －－数据，n最大为1500，即MTU

(0-n bytes) Pad －－填充字段，p最大为46

(0-p bytes) Frame Check Sequence (4-bytes) －－帧校验码

其实Ethernet V2为实际的标准了。所以我们最常见到的是，源地址后是类型而非长度。

在1998年提出的802.3ac里，加入了对vlan的支持。也就是在有vlan的情况下在源地址后多加入4个字节，所以就有了1522这个帧长度了。

Preamble (7-bytes) －－前导位

Start Frame Delimiter (1-byte) －－定界符

Dest. MAC Address (6-bytes) －－目的地址

Source MAC Address (6-bytes) －－源地址

Length/Type = 802.1Q Tag Type (2-byte) －－表明是VLAN，这个为8100

Tag Control Information (2-bytes) －－3-bits User Priority Field；1-bit Canonical Format Indicator (CFI)；12-bits VLAN Identifier (VID)

Length / Type (2-bytes) －－长度或帧类型

MAC Client Data －－数据，n最大为1500，即MTU

(0-n bytes) Pad －－填充字段，p最大为46

(0-p bytes) Frame Check Sequence (4-bytes) －－帧校验码

最后要提的就是1536这个长度了。我们知道802.3中规定，如果Length / Type的值大于0×600则表示是类型，而这个值就是1536。

1998年提出的802.3z中的应用。802.3中提出了一个Extension字段放在了最末尾。它主要作用是在短封包(如64)传输时，由于1000M速度的加快，导致传输时间的减少，破坏了原有冲突检测的机制，缩短了有效传输矩离，所以要增加一些字节，使长度达到512。当然，这个只用在半双工时了。

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其实在802.3中没有规定要扩展的值的大小的，所以最大可以扩展到1536。

还有一个就是802.1ad。也就是所谓的“Q-in-Q”，就是多重的vlan了，主要为网络运营商用来管理的，实现用户的vlan和运营商的vlan相隔离。这个也会加大现有封包的长度，会增加4个字节。 以太网最大帧长 最小帧长 - Sacrifice - BabyUnion

还有一个Jumbo frame。这东西不是802.3的标准，而一些厂商提出来的，为了提高1000M时的传输效率。由于是非标的，所以各家支持的大小也不尽相同。一般来说，现在一般可以支持到9k。 在802.3z中还提出一个Frame Bursting。这个东西可以提高短包的传输效率。在1000M以太网下，limit”。帧和帧之间以extension bits来填充gap，以表示线路处于占用状态。burst mode唯一特殊的是，第一个帧要加一个”extension field”。

新的改变可以参见802.3as-2006。

使用burst mode，一端可以连续发包，直到达到了65,536 bit times (8192 byte times)的”burst