[原创]以太网原理与最小帧长（傻瓜版）

a_la_lei

熟悉了最小帧长，可以说就明白了为什么基于CSMA/CD协议的以太网有网段长度限制，同时也掌握了以太网的精髓。
在这之前，我们应该先了解一下CSMA/CD协议。

什么是CSMA/CD协议(载波侦听多路访问/冲突检测协议)？一个房间有很多人，如果同时说话，就谁也听不清楚别人说什么，于是大家约定了一个机制：每个人在说话之前先听一下有没有其他人说话(载波侦听)，如果有，自己就先不说话，如果没有，就说话。如果大家同时发现房间里没有人说话，则同时开口，此时就产生冲突(冲突检测)，产生冲突后大家都闭嘴，每个人心里都随机的选一个时间开口说话，这样随机时间时间最短的那个人就可以说话了，而其他人听着。在这一个大房间里，大家在同一个空间(共享同一个介质)里可以彼此说话(多路访问。而不仅是只能和某个人说话)。以太网就是遵循这种方式通信，链接在同一条网线上的多个设备必须在发送数据前先侦听线上有无其他机器在传输，如果没有就发送，如果遇到冲突就等一个随机的时间再发送。
关键的一点是：发送和接受端如何感知冲突？
假设：A、B两地间通过一个传送带链起来，传送带的滚动速度是C(C代表光速)，也就是20.3cm/ns(每纳秒20.3厘米)，A点有个人叫A1，他要把一车苹果分成一小堆一小堆的发送给B点的那个人B1，现则A1需要抉择的是：我在传送苹果给B1的时，如果B1同时也有苹果传给我，这个时候就会产生冲突，而冲突会把传送中的苹果撞碎，破碎的苹果渣会通过传送带反送给我，我很想知道是哪一小堆苹果被撞碎了，如何实现？一个办法就是：在我收到苹果碎片的时候，我仍旧在传着这堆苹果！比如有很多堆苹果，第1堆，第2堆等，当我发送第3堆苹果的过程中，收了苹果碎片，那肯定是第3堆里先发出的苹果出现了碰撞，而不是第2堆或第1堆中的苹果发生碰撞。
为了实现这一点，假如A到B点的距离是2500米(250000厘米)，传送带上的苹果每纳秒20.3厘米，那么一堆苹果中的第一个苹果到达B点的用时就是250000除以20.3=12500纳秒，在加上碎片返回的时间是12500纳秒，等于25000纳秒，这个时间就是一堆苹果必须持续的时间。
体力稍好的人，往传送带上放苹果的时候快，体力不好的就慢。体力稍好的人每秒可以往传送带上放100Mbit个苹果，换算一下，也就是说放一个苹果用10纳秒。体力不好的人每秒钟只能往传送带上放10Mbit个，也就是说放一个苹果用100纳秒。
因为一堆苹果必须持续的时间25000纳秒，那么对于体力不好的人，25000除以100=250个苹果，这个结果就是一堆苹果的数量。所以，理论上一个10Mbit/s的以太网，最小帧长应该是250bit。但为了确保碰撞切实的被检测到，最小帧长被定义为512bit(64字节)。
因为一堆苹果必须持续的时间25000纳秒，对于体力好的人，25000除以10=2500个苹果，这个结果就是一堆苹果的数量。所以，理论上一个100Mbit/s的以太网，最小帧长应该是2500bit。但一个2500bit的帧又太大了，上层来的数据包不可能这么大。所以我们只能缩短A点到B点的距离为250米，一个苹果在传送带上往返的时间也变成了2500纳秒。这时用2500除以10=250个苹果，这个结果就是一堆苹果的数量。所以，理论上一个100Mbit/s的以太网，最小帧长应该是250bit，网络最大有效距离是250米。但为了确保碰撞切实的被检测到，最小帧长被定义为512bit(64字节)。
以下动画演示了发送端A在把数据传输给B时，在将要到达B点的地方出现了碰撞，于是碰撞碎片传回了A，A就知道正在传输的数据出现冲突了。


http://web.nuist.edu.cn/courses/jsjwl/cha4/images/jdcs.swf



由此可见，MAC层发送的速度越快，以太网的最大有效距离就越短。但对于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。

[ 本帖最后由 a_la_lei 于 2008-10-17 00:05 编辑 ]

a_la_lei

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ssffzz1

这个是我刚刚搜到的，学习了。一并帖下来（因为是通过BAIDU搜到的，不知道原文出处了）：

假设公共总线媒体长度为S，帧在媒体上的传播速度为0.7C（光速），网络的传输率为R（bps），
帧长为L（bps），tPHY为某站的物理层时延；
则有：
碰撞槽时间=2S/0.7C+2tPHY
因为Lmin/R=碰撞槽时间
所以：Lmin =（2S/0.7C+2tPHY ）×R
Lmin 称为最小帧长度。
碰撞槽时间在以太网中是一个极为重要的参数，有如下特点：
（1）它是检测一次碰撞所需的最长时间。
（2）要求帧长度有个下限。（即最短帧长）
（3）产生碰撞，就会出现帧碎片。
（4）如发生碰撞，要等待一定的时间。t=rT。（T为碰撞槽时间）
2.下面我们来估计在最坏情况下，检测到冲突所需的时间
（1）A和B是网上相距最远的两个主机，设信号在A和B之间传播时延为τ，假定A在t时
刻开始发送一帧，则这个帧在t+τ时刻到达B，若B在t+τ－ε时刻开始发送一帧，则B在t+τ时就
会检测到冲突，并发出阻塞信号。
（2）阻塞信号将在t+2τ时到达A。所以A必须在t+2τ时仍在发送才可以检测到冲突，所以一帧的
发送时间必须大于2τ。
（3）按照标准，10Mbps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
此规定对于10Mbps以太网规定一帧的最小发送时间必须为51.2μs。
（3）51.2μs也就是512位数据在10Mbps以太网速率下的传播时间，常称为512位时。这个时间定
义为以太网时隙。512位时=64字节，因此以太网帧的最小长度为512位时=64字节。

ssffzz1

传送带的滚动速度是C(C代表光速)，也就是20.3cm/ns(每纳秒20.3厘米)，

C应该是30W。

电子在铜介质（普通铜），中的移动速度是20W/s  ，这个有必要更正。