精解IEEE802_3MAC帧的最短帧长度

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　科技资讯　ＳＣＩＥＮＣＥ　＆　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ

２００７ ＮＯ．０９

ＳＣＩＥＮＣＥ　＆　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ

Ｉ　Ｔ　技　术

１．　引言

ＩＥＥＥ　８０２．３标准协议规定了ＣＳＭＡ／ＣＤ媒体访问控制方法。采用ＩＥＥＥ８０２．３标准协议的最典型网络是以太网（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）①。对于１０Ｍｂｐｓ以太网，ＩＥＥＥ　８０２．３　ＭＡＣ帧最短长度为６４个字节。那么为什么会有这样的限制？为什么是６４字节？这还得从ＭＡＣ帧格式和ＣＳＭＡ／ＣＤ的工作原理说起。

２．　ＩＥＥＥ　８０２．３　ＭＡＣ帧格式如下

在此，和最短帧长度（从信宿地址字段到帧检验序列字段的长度）限制有关的是如下两个字段：

２．１ＬＬＣ数据字段：ＭＡＣ帧的第６个字段，长度为０－１５００字节。是帧要载携的用户数据，该数据由ＬＬＣ子层提供或接收。

２．２填充字段：ＭＡＣ帧的第７个字段，长度不定。用来对ＬＬＣ数据进行填加，以保证最短帧长度，适应后面所述的冲突检测的需要。

３．　ＩＥＥＥ８０２．３网络②的媒体访问控制方法为ＣＳＭＡ／ＣＤ。ＩＥＥＥ８０２．３网络②的媒体访问控制方法为ＣＳＭＡ／ＣＤ。其工作原理可归纳为下述４步：

３．１先听后发：一个站在发送数据前，首先侦听共享信道是否空闲（有无载波），如果信道空闲，则可进行发送。否则继续对信道进行侦听或退避一段时间再尝试。

３．２边发边听：为避免数据发送期间产生冲突，在开始发送数据后还要继续侦听信道状态。

边发边听原因有二：其一，由于信道有一定长度，一个站发送数据，另一个站检测到载波会有一段时间延迟。所以即使检测到信道空闲，可能并非真正空闲，如果此时发送数据将导致冲突。其二，两个或两个以上站同时发现信道空闲也有相当的概率。各站会同时发送数据而导致冲突。

３．３冲突停止：发送过程中检测到冲突，则停止正常发送，转而发送一短暂的干扰信号，强化冲突信号，使局域网上所有站都能知道出现了冲突，避免其它没有检测到冲突的站发送数据引起进一步的冲突。

３．４随机延迟后重发：发送了干扰信号后，退避一段随机时间，重新尝试发送。

４．　规定最短帧的原因

４．１规定最短帧的原因，一方面是根据ＩＥＥＥ　８０２．３　ＭＡＣ帧格式，ＬＬＣ数据字段为０字节数据是合法的，这一点产生了麻烦，例如１０Ｂａｓｅ５网络，当收发器检测到冲突时，就将当前帧的其余部分丢弃，这样的残余帧会一直出现在电缆上。为了便于区别有效帧和残余帧，８０２．３规定有效帧中从信宿地址到校验和字段的最短长度为６４字节。如果帧的数据部分少于４６字节，使用填充字段以达到最短帧的要求。③

４．２要求满足最短帧长的另一个原因，也是更重要的一个原因是为防止一个站发送短帧时，在第一个比特尚未到电缆的最远端就已完成发送，可能造成冲突发生时却检测不到的现象。或者说在因冲突产生的噪音帧到达之前，该站已完成了发送，它会

错误地认为帧已成功地发送。

５．　最短帧长度的推算

５．１ＣＳＭＡ／ＣＤ的代价是用于检测冲突所花费的时间。从一个站开始发送数据到另一个站开始接收数据，或载波信号从一端传播到另一端所需的时间，称为信号传播时延。即：信号传播时延（ｕｓ）＝两站点的距离（ｍ）／信号传播速度（ｍ／ｕｓ）

对于基带总线，最坏的情况，检测一个冲突的时间等于任意两站之间最大传播时延的两倍。

从而有：检测一个冲突的时间　≥　２＊任意两站的传播时延数据帧从一个站开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间和，或一个接收站开始接收数据帧，到该帧接收完毕所需的时间称为数据传输时延。即：数据传输时延（ｓ）＝　数据帧长度（ｂｉｔ）／数据传输速率（ｂｉｔ／ｓ）

若不考虑中继器引入的延迟，数据帧从一个站开始发送到该数据帧被另一个站全部接收所需的总时间等于数据传输时延与信号传播时延之和。

由上述分析可知，为确保发送数据站在传输时能检测到可能存在的冲突，数据帧的传输时延至少要两倍于传播时延。换句话说，要求帧的长度不短于某个值，否则在检测出冲突之前传输已经结束，但实际上帧已被冲突所破坏。由此引出了ＣＳＭＡ／ＣＤ总线网络中最短帧长的计算关系公式：

最短数据桢长度（ｂｉｔ）／数据传输速率（Ｍｂ／ｓ）＝２＊任意两站间的最大距离（ｍ）／信号传播速度（ｍ／ｕｓ）

由于单向传输的原因，对于宽带总线而言，冲突检测时间等于任意两个站之间最大传播时延的４倍。所以，对于宽带总线，要求数据桢的传输时延至少４倍于传播时延。

５．２以ＩＥＥＥ８０２．３定义的１０ＢＡＳＥ５网络为例，来分析帧实际传输时间的估算。计算时注意单位要统一。

帧实际传输时间估算：帧从结点到媒体的时间　＋　媒体上传输的时间　＋　转发器的处理时间１０ＢＡＳＥ５的基本特征是：数据传输速率为

１０Ｍｂｐｓ、粗同轴电缆、单段缆线最长５００米、最多允许５段、信号在粗缆上的传播速度是光速的７７％、发送每比特时间为１００ｎｓ。

ａ、信号发送到结点的时间约２０比特；

ｂ、从信号到媒体的时间（规定最长为５０ｍ）约２．５比特；ｃ、结点ＭＡＵ转发时间约２０比特；

ｄ、２５００ｍ（５００ｍ＊５段）传输所需时间约１２５比特；ｅ、４个转发器转发处理时间约８０比特（２０比特／转发器）；帧实际传输时间还应包括检测冲突所需的时间，因此，发送站从发送信号到检测出冲突的总时间为上述各时间值之和的２倍，即：（２０＋２．５＋２０＋１２５＋８０）＊２＝５１２（比特时间）。即为保证发送站在完成发送任务之前可以发现冲突，帧的最短长度规定为５１２位（６４字节），或填充字段的最大长度为４６字节。

５．３随着网络速度的提高，相应地必须增大最短帧长度或是缩小电缆最大长度。对１００Ｍｂｐｓ的２５００ｍ的局域网，最短帧

精解ＩＥＥＥ　８０２．３　ＭＡＣ帧的最短帧长度

王柱

（辽宁工程技术大学技术与经济学院信管系 廖宁阜新　１２３０００）

摘 要：ＣＳＭＡ／ＣＤ：带有冲突检测的载波侦听多路访问。关键词：ＩＥＥＥ 电气和电子工程师协会 ＭＡＣ 介质访问控制中图分类号：ＴＰ３９３．１ 文献标识码：Ａ

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２００７ ＮＯ．０９

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Ｉ　Ｔ　技　术

以上介绍了本系统要实现的基本功能。下面，将对系统的整体解决方案向读者做一介绍。

３、系统方案介绍

本系统设计遵循目前较流行的数据库技术以及网络技术规范，以Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００　Ｓｅｒｖｅｒ作为系统运行环境，ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋　６．０为开发工具，以数据库作为系统设计与运行的核心，以网络作为系统数据传输的保障，并且，充分利用了图形制作、处理技术；Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术；网络编程技术；以及ＯＤＢＣ、ＡＳＰ等技术来解决传统智能楼宇监控系统存在的缺陷。

系统采用基于ＳＱＬ　Ｓｅｒｖｅｒ数据库的智能楼宇监控系统集成方式，它是一种更加先进的解决方案。其核心思想是：以数据库管理系统作为整个系统的设计核心，数据库管理系统不仅作为数据库服务器提供中央监控系统同现场控制网之间的数据传输通道，同时，它还是远程数据浏览的唯一数据来源。下层现场控制网通过智能网关将现场数据传递到数据库管理系统中。中央监控系统则将数据库中的数据通过组态好的监控界面实时显示出来。

本系统设计共包括三个部分，即图形界面系统设计，数据库系统设计，数据接口层设计。下面就各个部分的功能和实施方案做一简单介绍。

３．１图形界面系统：这一部分主要提供给用户一个组态生成特定监控界面的操作平台，在此平台上，用户可根据监控系统的实际情况，利用系统提供的各种工具定制监控界面，并进行图形属性的设置以及数据流的设计。此部分包括监控背景图生成／插入、监控点组态、报警组态／显示、趋势图组态、监控界面存储等几个模块，采用ＶＣ＋＋语言编程实现。在这部分中，运用了一些图形处理技术，包括透明位图的显示、图形的无闪烁拖放技术等；对于监控点数据的管理采用了结构体和链表机制；另外，为了进一步减少内存消耗，提高系统存储效率，采用结构化的存储方式保存监控界面。

３．２数据库系统设计：系统中对数据库的设计主要包括实时数据库的设计、历史数据库的设计、数据库接口的设计等几个方面。其中，历史数据库主要负责存储系统中固定不变的数据信息，实时数据库主要负责存储中央监控系统同现场控制网之间传递的实时数据，而数据库接口则主要负责数据导出、数据库与现场控制网间的数据传递等功能，它作为实时数据库系统的一部分进行设计。

在本系统的设计中，主要利用了数据库作为数据传输通道的功能，而这一功能是通过实时数据库来实现的，因此文章将就实时数据库的设计进行详尽介绍，而历史数据库则不作为本次研究的重点。系统中实时数据库的设计主要包括数据库编辑器的设计、实时数据浏览器的设计、以及数据库接口的设计等。它们均采用ＳＱＬ　Ｓｅｒｖｅｒ作为后台的支持数据库。

３．３数据接口层设计：数据接口层主要负责将现场控制网发送的设备运行数据和报警信息等通过预定义的格式传递到实时数据库中，实现现场数据与中央监控系统中数据的同步变化，同时还能够将中央监控系统发出的控制命令及时发送到现场控制网中。这部分功能的实现主要是使用Ｗｉｎ－ｄｏｗｓ　Ｓｏｃｋｅｔｓ技术来完成的。

在这里，有必要介绍一下系统中数据的传递方式，它是系

统设计的关键。现场设备的实时数据通过现场控制器传送到智能网关中，智能网关将这些数据通过高速以太网传递到数据库服务器中，中央监控系统的所有数据都来源于数据库服务器，这是数据的上行通道；中央监控系统发送控制命令时，并不直接将它们发送给智能网关，而是先将这些控制命令发送到数据库服务器中，由数据库服务器再将它们传递到现场控制网中，这是数据的下行通道。

从以上过程可以看出，数据的传递是以数据库服务器为核心的，数据库服务器相当于系统的一个中转站，所有数据都存储在其中，并通过它实现上位机与下位机的通讯。

４、可视对讲系统硬件总体设计思想系统包括主机和若干分机，主机位于楼宇值班室内，分机分布于各个用户室内，采用现场总线ＣＡＮ通信，ＣＡＮ网络为分布式网络结构。对讲采用全双工模拟信号工作，工作方式分为：可视对讲、监听、群呼。当有来访人员时，通过值班室的呼叫可以和需要访问的用户室可视通话；用户机之间可以任意通话；用户遇到有紧急情况需要援助时，可按室内机的＂呼叫＂键呼叫值班室，管理主机在振铃的同时显示呼叫者的房间号码，摘机后即可与之通话；反之，值班室管理中心也可呼叫楼宇内的任意用户，在紧急情况下管理中心可以广播的形式同时呼叫各用户。设计方案如图２所示。

可视对讲可以实现以下功能：来访客人和朋友的通行紧急事件和公告的通知紧急呼救情况的传递

邻居间的联系和提供服务的要求等参考文献

　［１］马国华．监控组态软件及其应用．清华大学出版社．２００１：１～８　１０１～１０５

　［２］李博轩．Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋６．０数据库开发指南．清华大学出版社．２０００：１９～２０，８～１２

　［３］任泰明．基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的ＷｉｎＳｏｃｋ网络程序方法．兰

州石化职业技术学院学报．２００２，２（１）：２８～３０

［４］惠建新，叶桦，孙长银，朱宇红．基于Ｂ／Ｓ的楼宇管理系统集成技术．三峡大学学报．２００１，２３（５）：４１３～４１５

长度应该提高到６４０字节，或最短帧长度仍为６４字节且电缆最大长度缩小为２５０ｍ．。当网络速度进一步提高到１Ｇｂｐｓ，这些限制会造成很大的不便。④

参考文献：

①Ｅｔｈｅｒｎｅｔ和ＩＥＥＥ８０２．３虽然有很多规定不同，但术语Ｅｔｈｅｒｎｅｔ通常认为与８０２．３是兼容的。许多人把Ｅｔｈｅｒｎｅｔ作为ＣＳＭＡ／ＣＤ的总称，这是不准确的。这一名词只表示了实现ＩＥＥＥ８０２．３的某个特定产品。

②这里主要指逻辑总线型的Ｅｔｈｅｒｎｅｔ网络，包括：１０Ｂａｓｅ２、１０Ｂａｓｅ５、１０ＢａｓｅＴ，均为基带、曼彻斯特编码的广播式网络。

③Ａｎｄｒｅｗ　Ｓ．Ｔａｎｅｎｂａｕｍ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｉｒｄ

Ｅｄｉｔｉｏｎ．Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌｌ　Ｉｎｃ．，２００１［Ｐ２８１］

④１００Ｍｂｐｓ和１Ｇｂｐｓ以太网发送每比特时间分别为１０ｎｓ和１ｎｓ。

［１］　Ａｎｄｒｅｗ　Ｓ．Ｔａｎｅｎｂａｕｍ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＴｈｉｒｄＥｄｉｔｉｏｎ．Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌｌ　Ｉｎｃ．，２００１

［２］　Ｊａｍｅｓ　Ｆ．Ｋｕｒｏｓｅ　ａｎｄ　ｋｅｉｔｈ　Ｗ．Ｒｏｓｓ．　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｎｅｔ－ｗｏｒｋｉｎｇ　Ａ　Ｔｏｐ－Ｄｏｗｎ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　Ｆｅａｔｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ．Ｈｉｇｈｅｒ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｅｓｓ．，２００３

［３］　骆耀祖编著．计算机网络实用教程．北京：机械工业出版社，２００５．１

［４］　吴国新编著．东南大学计算机系网络教研室、远程教育学院技术部课件．东南大学出版社．２００４

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