以太網(wǎng)的協(xié)議

1、以太網(wǎng)MAC協(xié)議1位/字節(jié)順序的表示方法1.1位序嚴格地講，以太網(wǎng)對于字節(jié)中位的解釋是完全不敏感的。也就是說，以太網(wǎng)并不需要將一個字節(jié)看成是一個具有8個比特的數(shù)字值。但是為了使位序更容易描述以及防止不兼容，以太網(wǎng)和多數(shù)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一樣，傳輸一個字節(jié)的順序是從最低有效位（對應于20的數(shù)字位）到最高有效位（對應于27的數(shù)字位）。另外習慣上在書寫二進制數(shù)字時，最低值位寫在最左面，而最高值位寫在最右面。這種寫法被稱為“小端”形式或正規(guī)形式。一個字節(jié)可以寫成兩個十六進制數(shù)字，第一個數(shù)字(最左邊)是最高位數(shù)字，第二個(最右邊)是最低位數(shù)字。1.2字節(jié)順序如果所有有定義的數(shù)據(jù)值都是1字節(jié)長，則在介紹完位序后

2、就可以停止了。但是很不幸事實并非如此，所以我們必須面對長于單個字節(jié)的域，這些域是以從左到右排列的，以連接符“-”分隔的字節(jié)串表示。每個字節(jié)包含兩個十六進制數(shù)字。多字節(jié)域的各個字節(jié)按第一個到最后一個（即從左到右）的順序發(fā)送，而每個字節(jié)采用小端位序傳送。例如，6字節(jié)域：08-00-60-01-2C-4A將按以下順序（從左向右讀）串行地發(fā)送：0001 0000-0000 0000-0000 0110-1000 0000-0011 0100-0101 00102以太網(wǎng)地址地址是一個指明特定站或一組站的標識。以太網(wǎng)地址是6字節(jié)（48比特）長。圖1說明了以太網(wǎng)地址格式。圖1以太網(wǎng)地址格式在目的地址中，地址

3、的第1位表明該幀將要發(fā)送給單個站點還是一組站點。在源地址中，第1位必須為0。站地址要唯一確定是至關重要的，一個幀的目的地不能是模糊的。地址的唯一性可以是：局限于本網(wǎng)絡內(nèi)。保證地址在某個特定LAN中是唯一的，但不能保證在相互連接的LAN中是唯一的。當使用局部唯一地址時，要求網(wǎng)絡管理員對地址進行分配。全局的。保證地址在所有的LAN中，在任何時間，以及對于所有的技術都是唯一的，這是一個強大的機制，因為：（1）使網(wǎng)絡管理員不必為地址分配而煩惱；（2）使得站點可以在LAN之間移動，而不必重新分配地址；（3）可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)橋/交換機。全局唯一地址以塊為單位進行分配，地址塊由IEEE管理。一個組織從IE

4、EE獲得唯一的地址塊(稱為OUI)，并可用該地址塊創(chuàng)建224個設備。那么保證該地址塊中地址(最后3個字節(jié))的唯一性就是制造商的責任。地址中的第2位指示該地址是全局唯一還是局部唯一。除了個別情況，歷史上以太網(wǎng)一直使用全局唯一地址。3以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式圖2基本的以太網(wǎng)幀格式及傳輸次序圖2顯示了以太網(wǎng)MAC幀各個字段的大小和內(nèi)容以及傳輸次序。該格式中每個字段的字節(jié)次序是先傳輸?shù)淖止?jié)在左，后傳輸?shù)淖止?jié)在右。在每個字節(jié)中的位次序正好相反，低位在左，高位在右。字節(jié)次序和位的次序通常用于FCS之外的所有字段。FCS將作為一個特殊的32位字段(最高位在左)，而不是4個單獨的字節(jié)。3.1前導碼(Preamble)

5、和幀起始定界符（SFD）前導碼包含8個字節(jié)。前7個字節(jié)(56位)的職位0 x55，而最后一個字節(jié)為幀起始定界符，其作用就是提醒接收系統(tǒng)有幀的到來，以及使到來的幀與輸入定時進行同步。在DIX以太網(wǎng)中，前導碼被認為是物理層封裝的一部分，而不是數(shù)據(jù)鏈路層的封裝。3.2地址字段每個MAC幀包含兩個地址字段：目標地址(Destination Address)和源地址(Source Address)。目的地址標識了幀的目的地站點，源地址標識了發(fā)送幀的站。DA可以是單播地址（單個目的地）或組播地址（組目的地），SA通常是單播地址（即，第1位是0）。3.3長度/類型(Length/Type)長度/類型字段具有

6、兩種意義中的一種。如果這個字段的值小于1518，那么這個字段就是長度字段，并定義后面的數(shù)據(jù)字段的長度。但是如果這個字段的值大于1518，它就標識了在以太網(wǎng)上運行的客戶端協(xié)議。3.4數(shù)據(jù)(Data)數(shù)據(jù)字段包含461500字節(jié)。數(shù)據(jù)域封裝了通過以太網(wǎng)傳輸?shù)母邔訁f(xié)議信息。由于CSMA/CD算法的限制，以太網(wǎng)幀必須不能小于某個最小長度。高層協(xié)議要保證這個域至少包含46個字節(jié)。數(shù)據(jù)域長度的上限是任意的，但已經(jīng)被設置為1500字節(jié)。3.5幀校驗序列（FCS）幀校驗序列包含4個字節(jié)。FCS是從DA開始到數(shù)據(jù)域結束這部分的校驗和。校驗和的算法是32位的循環(huán)冗余校驗法（CRC）。關于FCS部分后面將做詳細介紹

7、。4無效的MAC幀格式滿足下面條件至少一個的MAC幀即無效：（1）幀長度和length/type字段中指定的長度不一致。如果length/type中包含的是類型值，則認為幀長度與該字段值一致而不認為是無效幀。（2）不是整數(shù)字節(jié)的長度。（3）對接收到的幀進行CRC校驗，發(fā)現(xiàn)錯誤。無效的MAC幀內(nèi)容將不傳送到LLC層或MAC控制子層。并將出現(xiàn)無效幀這一情況報告給網(wǎng)絡管理。5 CSMA/CD協(xié)議為了通信的簡便，以太網(wǎng)采用了兩種重要的措施：第一，采用無連接的工作方式，在傳輸數(shù)據(jù)之前無需建立連接。第二，對發(fā)送的幀不進行編號，也不要求接收方發(fā)回確認幀。這樣做的理由是不同于其他網(wǎng)絡，局域網(wǎng)信道的質(zhì)量非常好，

8、因為信道質(zhì)量而產(chǎn)生錯誤的概率非常小。這與一般數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議有些區(qū)別，如滑動窗口協(xié)議等。因此以太網(wǎng)提供的是服務是不可靠交付，即盡最大努力的交付。當目的站點收到有錯誤的數(shù)據(jù)幀時，就簡單的丟棄該幀，除此之外什么也不做。上層協(xié)議會發(fā)現(xiàn)并處理，如上層協(xié)議發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)，則過一段時間會把這些數(shù)據(jù)重新交給以太網(wǎng)，但以太網(wǎng)并不認為這是一個重傳的幀，而是當作一個新的幀來處理。在半雙工模式下，一個重要的問題就是如何協(xié)調(diào)總線上的各個站點，因為半雙工模式同一時間只允許一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)，否則各站點之間將會互相干擾。以太網(wǎng)采用的就是被稱為CSMA/CD，即載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測的協(xié)議?！岸嗦吩L問”說明是總線型網(wǎng)絡

9、，許多站點以多點的方式共用一個總線。協(xié)議的實質(zhì)是載波監(jiān)聽和沖突檢測。“載波監(jiān)聽”就是指站點在發(fā)送數(shù)據(jù)前先檢查總線上是否已有數(shù)據(jù)在傳輸，如有則暫緩發(fā)送，避免沖突。實質(zhì)就是在沖突發(fā)生前盡量避免?！皼_突檢測”就是邊發(fā)送邊對媒體上的電壓信號大小進行監(jiān)測。當一個站點監(jiān)測到電壓擺動值超過一定的門限時，就可認為發(fā)生了沖突。沖突檢測具體由物理層完成，數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)物理層的信號來判斷是否有沖突。一旦發(fā)生了沖突，站點就要停止發(fā)送數(shù)據(jù)，然后根據(jù)協(xié)議進行重傳。5.1幀的發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要實現(xiàn)以下兩個功能：1)數(shù)據(jù)的封裝。2)發(fā)送媒體管理。包括信道獲取，沖突處理等。5.1.1數(shù)據(jù)的封裝發(fā)送模塊按照以太網(wǎng)MAC幀格式，

10、將待發(fā)送的數(shù)據(jù)與目的地址，源地址，類型/長度字段進行組合，并根據(jù)數(shù)據(jù)長度添加適當?shù)奶畛渥侄我赃_到802.3標準規(guī)定的最小幀長度，然后計算CRC校驗作為FCS字段添加在幀尾，形成一個完整的MAC幀。在發(fā)送時，模塊首先自動生成并發(fā)送前同步碼和幀開始定界符，然后開始發(fā)送組裝好的MAC幀。等待機制(Defference)當一個待發(fā)送幀準備就緒時，按照工作模式的不同，發(fā)送模塊采用2種規(guī)則。半雙工模式：在半雙工模式下，為了避免其他主機競爭媒體而產(chǎn)生的沖突，MAC通過監(jiān)聽載波信號來得知是否有其他站點在發(fā)送信息。該信號由物理層信號提供。如信道忙，MAC會暫緩發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，直到信號變?yōu)榭臻e時，才開始發(fā)送。通常

11、當信道變?yōu)榭臻e后，MAC并不立刻發(fā)送數(shù)據(jù)，而是繼續(xù)等待一個幀間間隔，目的是給物理層以及其他站點的MAC處理上一個幀的時間。當一切準備就緒后，MAC就把幀交給物理層以二進制數(shù)據(jù)流的形式發(fā)送出去。全雙工模式：而在全雙工模式下，情況則大不相同。由于站點之間的連接為點到點，且可以同時進行發(fā)送和接收，所以就不存在沖突，也就不需要載波監(jiān)聽。待發(fā)送的幀只要等待一個幀間間隔就可以立刻發(fā)送，不需要考慮是否正在接收數(shù)據(jù)。5.1.3沖突監(jiān)測和處理：在半雙工模式下，假如有多個站點企圖同時發(fā)送數(shù)據(jù)，盡管每個發(fā)送站都有等待機制，然而還是很有可能會相互干擾。當2個站發(fā)送的信號疊加時，沖突就發(fā)生了。只有在半雙工的模式下，才有

12、可能會發(fā)生沖突。沖突說明當前有多個站企圖使用共享信道。在全雙工模式下，兩個站點之間有著點到點的獨享信道，不存在沖突。盡管物理層仍然會提供沖突信號，然而在全雙工模式下，這個信號被忽略了。當某個站點開始發(fā)送數(shù)據(jù)時，僅在發(fā)送開始的一段時間內(nèi)可能遭遇到?jīng)_突，這個時間段被稱為沖突窗口(collision window)。這是由于信號在媒體上傳播也需要時間，沖突窗口就是發(fā)送站點的信號傳遍沖突域所需的時間。這是一個很重要的參數(shù)，以太網(wǎng)取傳輸512bit數(shù)據(jù)所用時間為爭用期的長度。需要指出，以太網(wǎng)的端到端時延實際上是小于爭用期的一半的，爭用期被規(guī)定為傳輸512bit所用時間，不僅是考慮了以太網(wǎng)的端到端時延，而

13、且還包括其它的許多因素，如可能存在的轉發(fā)器所增加的時延，以及強化沖突的干擾信號的持續(xù)時間等。一般以太網(wǎng)的沖突多為發(fā)生在沖突窗口內(nèi)。一旦沖突發(fā)生，物理層會監(jiān)測到干擾信號，于是沖突監(jiān)測信號被置1。在半雙工模式下，發(fā)送模塊的接入管理模塊響應這一信號，沖突處理機制開始執(zhí)行。首先，該模塊會發(fā)送一系列被稱為沖突強化的信息，確保其他的站點也能得知沖突的發(fā)生，強化沖突過后，發(fā)送端終止當前發(fā)送，并等待一個隨機的時間重新嘗試發(fā)送。重新發(fā)送同樣也有可能遭遇到?jīng)_突，最終的結果有兩個，一是發(fā)送成功，二是達到了重傳的數(shù)量上限，發(fā)送失敗。在全雙工模式下，發(fā)送站點忽略物理層的沖突信號，站點隨時可以發(fā)送幀而不會有沖突發(fā)生，所以

14、不需要強化沖突和重傳機制。5.1.4退避算法以及重傳以太網(wǎng)使用截斷二進制指數(shù)回退算法來解決沖突后的重發(fā)問題。截斷二進制指數(shù)回退算法很簡單，就是讓發(fā)生沖突的站點在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，不是立刻重發(fā)，而是推遲一個隨機的時間。這樣就使得重發(fā)時再次發(fā)生沖突的概率減小。具體的算法是：(1)確定單位回退時間，通常是取沖突窗口的值，即傳輸512bit數(shù)據(jù)所需時間，稱為時槽。(2)定義參數(shù)k，它等于重傳次數(shù)，但不超過10，因此k=min(n,10)。(3)取r滿足0r2 k。重傳的時延就是r倍的時槽。(4)當重傳達到16次仍不能成功時(這表明同時打算發(fā)送數(shù)據(jù)的站點過多，導致連續(xù)發(fā)生沖突)，則丟棄該幀，并向上層協(xié)議報

15、告。使用以上的回退算法可使重傳需要推遲的平均時間隨重傳次數(shù)增加而增加，這也被稱為動態(tài)退避，有利于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。5.2幀的接收在接收端，站監(jiān)視信道以獲得幀到達的指示。當發(fā)現(xiàn)信道變成非空閑狀態(tài)時，站開始從信道接收比特，并查找標志MAC幀起始的前導碼（preamble）和幀起始定界符（SDF）。站連續(xù)接收比特直到收到底層信道發(fā)出的幀結束指示。如果收到的幀長度比一個時隙的長度小，接收方的MAC將丟棄掉該幀。這是因為根據(jù)定義，有效幀的長度總是比時槽長（它等于往返信道傳播延時）。因此這樣的幀段肯定是沖突的產(chǎn)物。接收方根據(jù)此原理即可檢測并丟棄沖突段，而不需要物理信道的沖突檢測指示或無效CRC校驗指示。如果

16、收到的幀滿足最小長度要求，則接著進行CRC校驗。如果收到幀的CRC值不正確，就丟棄掉該幀。假設一個長度有效的幀具有有效的CRC值，接收方將檢查目的地址以查看其是否是如下三者之一：(1)單播地址，幀的目的地址與接收站點的MAC地址相同(2)組播地址，上層協(xié)議定義一些特殊的地址作為多播地址，幀中的目的地址包含組播地址。(3)廣播地址，目的地址為全1的地址。如果這些地址表明幀確實是以該站為目的地，MAC將把幀傳遞到其客戶方，并返回到開頭，重新等待新到達的幀。6以太網(wǎng)流量控制6.1以太網(wǎng)流量控制需求以太網(wǎng)(實際上包括所有其他LAN技術)本質(zhì)上是無連接的。這樣就沒有虛電路的概念，幀傳輸?shù)目煽啃砸矝]有什么

17、保證。幀無錯傳輸?shù)母怕适呛芨叩?，但是無法保證絕對正確。在數(shù)據(jù)位出錯、接收器的緩沖區(qū)不能滿足或其他異常情況下，以太網(wǎng)接收器會簡單地丟棄幀，而不給出任何提示。因此以太網(wǎng)接口的成本可以很低。無連接的系統(tǒng)比較容易實現(xiàn)，而在數(shù)據(jù)鏈路層中包括錯誤恢復和流量控制機制的系統(tǒng)，實現(xiàn)起來要復雜得多。LAN上數(shù)據(jù)位出錯的可能性非常小。這個數(shù)字對于數(shù)據(jù)鏈路層已經(jīng)低到可以忽略不計的地步，并且可以滿足高層協(xié)議或應用的可靠數(shù)據(jù)傳輸需要。然而，幀緩沖不可使用產(chǎn)生的丟幀與位出錯而丟幀結果是一樣的。這兩種情況下，幀都無法傳送到接收方，數(shù)據(jù)鏈路層也不會收到出錯指示。緩沖擁塞造成丟幀的可能性要遠遠大于位出錯，特別是在高數(shù)據(jù)率下或網(wǎng)絡

18、互連設備(如交換機)中。最初的以太網(wǎng)沒有提供任何流量控制機制，即保證發(fā)送者的發(fā)送速度不會比接收者可接收的速度更快的機制。當網(wǎng)絡由通信端站組成時，這樣的機制通?？捎筛邔訁f(xié)議提供。隨著透明網(wǎng)橋(交換機)的出現(xiàn)，發(fā)送者可能不知道幀的直接接收者是誰。也就是說，交換機不需要接入站的信息和參與，就可以代表它們接收和轉發(fā)幀。如果沒有能提供流量控制的協(xié)議，就可能由于交換機緩沖區(qū)擁塞而丟失過多的幀。6.1.1半雙工網(wǎng)絡的后退壓力當交換機端口連接到共享式LAN半雙工網(wǎng)絡)時上，那么就可能通過改變MAC算法的行為，搶在將要到來的數(shù)據(jù)之前采取某種動作，來阻止發(fā)送者發(fā)送它們的數(shù)據(jù)。這就稱為背壓(backpressure

19、)。在CSMA/CD LAN中，有兩種方法可用來防止交換機的輸入緩沖區(qū)溢出：1)強行與將要到達的幀發(fā)生沖突。表面上看，這是一個合理的策略，沖突將使發(fā)送站重新傳送該幀。這確實能像設想的那樣防止緩沖區(qū)溢出，但不幸的是，存在一些不利影響：發(fā)送站可能阻塞太多，導致系統(tǒng)實際吞吐量要比可用吞吐量低(即，在信道上有不必要的空閑時間)。這是因為沖突使站產(chǎn)生指數(shù)級增長的后退時間。在這段較長的時間里，交換機也同時把緩沖的數(shù)據(jù)轉移到輸出端口上，因此交換機的輸入緩沖區(qū)很可能已經(jīng)可用了。即使隊列被清空了信道也將一直空閑，直到后退計時器超時。若交換機輸入緩沖區(qū)持續(xù)擁塞，站中的待發(fā)幀可能要經(jīng)歷連續(xù)16次的沖突與重發(fā)。如果1

20、6次發(fā)送都不成功，則按照MAC算法，站將丟棄該幀，并把該幀作為錯誤向站管理程序報告。對于高層協(xié)議而言，這與交換機丟失幀是一樣的。這種情況和前面討論的情況有一樣的超時過長與性能降低問題，只不過是發(fā)生在持續(xù)擁塞的條件下。管理計數(shù)器與統(tǒng)計資料除了表明有“過多的沖突錯誤”之外，還將顯示很高的沖突次數(shù)。網(wǎng)絡管理人員會認為該網(wǎng)絡出現(xiàn)了某些嚴重的錯誤。“正常的”以太網(wǎng)不會有極高的沖突率或過多的沖突錯誤。后一種情況特別表明了網(wǎng)絡系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，需要重新進行配置。2)使信道看起來處于忙狀態(tài)。這種方法使用“拖延”策略而不是以太網(wǎng)MAC的沖突后退策略。只要站發(fā)現(xiàn)信道忙(載波偵聽判斷)，它將延遲傳輸。然而，它不增加后

21、退延遲時間，而且該幀保留在隊首，并且不管拖延的時間有多長，該幀都不會被丟棄。這種方法比強迫沖突法要優(yōu)越。讓共享式LAN接入站的載波偵聽作出“信道忙”判斷是比較容易的；只要把構造好的數(shù)據(jù)比特串放在連接交換機和站的以太網(wǎng)上就可以了。最簡單的方法是，在交換機遭遇擁塞而想要阻塞供應負載時，生成一段前導碼，把它放到需要的輸入端口上。這段前導碼的結尾絕對不能是幀起始定界符，這保證接收站不會把它解釋為一個真正的幀。上述方法可以在任何必要的時候使用。這將完全消除強迫沖突并且沒有嚴重的不利影響。唯一的問題是如果這段前導碼的發(fā)送時間超過20ms，標準的10Mb/s收發(fā)器會作出“過長發(fā)送控制”(jabber con

22、trol)的判斷(使它們的傳輸功能失效)。而在100Mb/s和1000Mb/s系統(tǒng)中，就完全不會出現(xiàn)這樣的問題。6.1.2全雙工網(wǎng)絡中的顯式流量控制在全雙工以太網(wǎng)中，無論是偽載波偵聽，還是強迫沖突算法都不能工作。全雙工以太網(wǎng)接口不檢測沖突，并且忽略可延遲傳送的載波偵聽。全雙工網(wǎng)絡需要顯式的流量控制機制，使交換機能夠阻塞處于擁塞狀態(tài)的站。為了實現(xiàn)這個目標，開發(fā)了為全雙工以太網(wǎng)流量控制的標準算法(IEEE802.3x)。6.2 MAC控制。p576.2.1 MAC控制層的結構MAC控制是數(shù)據(jù)鏈路層的一個子層。它是介于傳統(tǒng)以太網(wǎng)MAC層和MAC客戶之間的可選功能?？蛻艨梢允蔷W(wǎng)絡層協(xié)議(如IP)或數(shù)據(jù)

23、鏈路層內(nèi)部實現(xiàn)轉發(fā)功能的網(wǎng)橋(交換機)。如果MAC的客戶不知道或不關心MAC控制提供的功能，則這個子層就“消失”了；就像這個MAC控制子層不存在一樣，正常的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流會經(jīng)過MAC與MAC控制子層的客戶交互。對MAC控制敏感的客戶(如需要防止緩沖區(qū)溢出的交換機)，可以利用這個子層來控制底層以太網(wǎng)MAC的操作。特別是，它可以請求全雙工鏈路另一端的MAC停止進一步傳送數(shù)據(jù)，因而防止將要發(fā)生的溢出。MAC控制的層次結構如下圖所示：圖MAC控制在OSI參考模型中的位置一旦對MAC控制敏感的上層發(fā)出了控制請求，則MAC控制層會產(chǎn)生控制幀。這些控制幀將被送往發(fā)送模塊發(fā)送；同樣，接收模塊接收到其他站點發(fā)

24、送的控制幀并把它們交給MAC控制子層中的相應模塊處理。因此在以太網(wǎng)上普遍的MAC客戶數(shù)據(jù)幀中將會夾雜一些MAC控制幀。在MAC控制出現(xiàn)以前，在以太網(wǎng)上傳送的每一個幀都是由上層協(xié)議提供，交由數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送和接收，然而MAC控制幀與它們不同的是，控制幀的產(chǎn)生和處理都是在數(shù)據(jù)鏈路層內(nèi)完成的。在接收到控制請求后，MAC控制層將控制幀插入到發(fā)送隊列中發(fā)送，當接收到控制幀時，控制幀在MAC控制層內(nèi)被解封，控制幀本身不交往上層協(xié)議處理。6.2.2 MAC控制幀格式MAC控制幀是正規(guī)、合法的MAC幀，擁有正常的MAC幀的所有字段，并且采用同樣的算法發(fā)送。除了長度/類型字段外，MAC控制幀在結構上與數(shù)據(jù)幀完全

25、一樣。MAC控制幀的長度都恰好是以太網(wǎng)幀的最小長度64字節(jié)，不包括前導碼和幀起始定界符。MAC控制幀的格式如下圖：圖MAC控制幀格式MAC控制幀區(qū)別于普通數(shù)據(jù)幀之處在于其長度/類型字段的值為0 x8808，該值是專門為控制幀保留的。在MAC控制幀的數(shù)據(jù)字段中，前2個字節(jié)代表MAC控制操作碼，用于表示接收到該控制幀的站點需要做何種操作，目前只定義了一種操作代碼，即隨后討論的全雙工中的暫停操作(PAUSE)，它的代碼為0 x0001。操作代碼后面的域是該操作所需的參數(shù)。如果該參數(shù)不足44字節(jié)的長度，那么剩下的空間將用0來填充。6.3 PAUSE功能PAUSE功能用來在全雙工以太網(wǎng)鏈路上實現(xiàn)流量控制

26、。PAUSE操作是用MAC控制體系結構及幀格式實現(xiàn)的。目前該操作只工作于單個的全雙工鏈路。也就是說，他不能用于共享式（半雙工）LAN，也不能用于需要跨越交換機的鏈路?？捎盟鼇砜刂葡铝性O備之間的數(shù)據(jù)幀流：（1）一對端站（簡單的兩站網(wǎng)絡）。（2）一個交換機和一個端站。（3）交換機到交換機鏈路。在交換機或站中增加PAUSE功能，是為了當瞬時過載導致緩沖區(qū)溢出時防止不必要的幀丟棄。假設一個設備設計用來處理網(wǎng)絡上恒穩(wěn)狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸，并允許隨時間變化有一定數(shù)量的過載。PAUSE功能可使這樣的設備在負載增長暫時超過其設計水平時，不會發(fā)生丟幀現(xiàn)象。該設備通過向全雙工鏈路的另一端發(fā)送PAUSE幀，來防止自己的內(nèi)

27、部緩沖區(qū)溢出。另一端設備在接收到PAUSE幀后，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀。這將使第一個設備有時間來減少自己的緩沖擁塞它可以處理掉緩沖隊列中發(fā)給自己的幀（站操作），或者把幀轉發(fā)到其他的端口（交換機操作）。6.3.1 PAUSE操作概述PAUSE操作實現(xiàn)了一種簡單的“停-起”形式的流量控制。如果某個設備（站或交換機）想阻止幀到來，它可以發(fā)送一個帶有參數(shù)的PAUSE幀，該參數(shù)指明了全雙工中的另一方在開始繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)前需要等待的時間。當另一個站接收到PAUSE幀后，將在指定的時間內(nèi)停止發(fā)送數(shù)據(jù)。當這個時間超時后，該站將從暫停的位置繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。PAUSE幀能禁止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，但它不影響MAC控制幀的發(fā)送（例如

28、，從另一個方向到來的PAUSE幀）。已發(fā)送了PAUSE指令的站，可以再發(fā)送一個時間參數(shù)為0的PAUSE幀取消剩余的暫停時間。即新收到的PAUSE幀將覆蓋掉當前執(zhí)行的PAUSE操作。類似地，該站也可以在前一個PAUSE時間還未結束時，發(fā)出另一個包含非零時間參數(shù)的幀延長暫停時間。因為PAUSE操作使用標準的以太網(wǎng)MAC，所以不能保證接收者一定能收到幀。PAUSE幀也可能出問題，而使接收者可能不知道曾發(fā)出了這樣的幀。在設計PAUSE傳輸策略時必須考慮這樣的問題。6.3.2 PAUSE幀的語義由于目前控制幀的內(nèi)同只有暫停一種，MAC控制幀也被稱為PAUSE幀，其包含的前導碼、幀起始定界符和FCS字段的

29、格式和含義與普通MAC數(shù)據(jù)幀一樣，其余字段的格式雖然和數(shù)據(jù)幀沒有區(qū)別，但是內(nèi)容卻有一些區(qū)別：（1）目的地址目的地址就是PAUSE幀所要發(fā)往站點的地址。它總是包含一個為PAUSE幀保留的唯一的組播地址01-80-C2-00-00-01。既然PAUSE功能只用于全雙工的鏈路上，而全雙工鏈路的一個前提就是一個鏈路上只有2個站點，那么PAUSE幀的目的地無疑就是鏈路另一端的站點，下面將解釋為什么PAUSE幀的目的地址需要指定，并且還是一個組播地址：如果因為配置錯誤，PAUSE幀被不經(jīng)意地發(fā)送到共享式LAN上，使用特定的組播地址可以保證接收并解釋這些幀的是那些真正懂得PAUSE協(xié)議的站(即，地址是專門為

30、這個目的而保留的)。使用組播地址，就可以使PAUSE幀的發(fā)送者不必知道鏈路另一端的唯一地址。雖然高層協(xié)議很可能知道這個地址，但數(shù)據(jù)鏈路層沒有必要知道。這個精心挑選的組播地址是特殊保留地址組中的一個，所有標準的網(wǎng)橋和交換機都會阻塞(吸收)這組地址。交換機不會把發(fā)往這些地址的幀轉發(fā)到其他的端口，這使得PAUSE幀只在與其相關單全雙工鏈路上使用。(2)源地址源地址字段包含發(fā)出PAUSE幀站點的MAC地址。盡管控制幀只能有鏈路上的一個站點發(fā)出，設定源地址貌似沒有必要，但是在幀中包含一個源地址還是有以下的用途：可與其他所有類型以太網(wǎng)幀保持一致(即所有以太網(wǎng)幀的源地址都包含了發(fā)送站的唯一地址)可正確地更新

31、監(jiān)控設備上的管理記數(shù)器，這些設備可能一直跟蹤記錄每個站產(chǎn)生的幀。如果由于錯誤配置，PAUSE幀被不小心地發(fā)送到共享式LAN上，可以容易地確定發(fā)送者。(3)類型域類型域包含了所有MAC控制幀使用的保留值：0 x8808。(4)數(shù)據(jù)域(包含MAC控制操作碼和操作參數(shù))PAUSE幀的控制操作碼是0 x0001。PAUSE幀只帶有一個操作參數(shù)，被稱為暫停時間(Pause-time)。該參數(shù)是2字節(jié)長的無符號整型值，表示發(fā)送方請求接收方停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間長度。暫停時間以512bit時間為單位計算，即接收方需要實際暫停的時間為Pause-time乘以用當前數(shù)據(jù)率傳輸512比特的時間。使用與傳輸速率相關的

32、暫停時間而不是使用實際時間，有以下2個原因：（1）當以這種方式設定PAUSE操作時，可以認為是讓發(fā)送者暫停發(fā)送與速率無關的若干比特，而不是暫停一段指定的時間。由于使用PAUSE功能的初衷是實現(xiàn)內(nèi)存容量有限的交換機，當網(wǎng)絡接口只剩下一定比特量的緩沖時，它發(fā)送一個PAUSE幀，并以剩下的比特量作為該幀的Pause-time參數(shù)，而不考慮使用什么樣的速率。這可以簡化某些設計。（2）在半雙工以太網(wǎng)中，沖突后退計數(shù)器的時間度量以時隙為增量。除1000Mb/s以外，所有數(shù)據(jù)速率的時隙都是傳輸512比特的時間。因為PAUSE功能只能用于全雙工鏈路，這個計數(shù)器(如果實現(xiàn)了的話)不再用于后退定時，因此可用它來做

33、PAUSE定時，不需改變。6.4流量控制的策略為全雙工鏈路流量控制提供的PAUSE機制只是一個工具。協(xié)議規(guī)范中定義了在發(fā)送和接收PAUSE幀時發(fā)生了什么動作，但沒有說明設備何時應該進行流量控制以及何時恢復流量。下面將討論實際實現(xiàn)的這些流量控制策略(flow control policy)問題。流量控制的典型實現(xiàn)是在交換機中防止緩沖區(qū)溢出。它使交換機在不降低吞吐量的情況下，能夠容納平均水平的流量，同時還可防止短暫過載造成的丟幀，所有這些都不需要巨大的緩沖內(nèi)存。這樣的交換機，工作情況良好，成本并不昂貴，并可以適應各種流量變化。（1）緩沖區(qū)閥值一般的交換機為每個端口(輸入隊列)配置了一定數(shù)量的輸入緩沖區(qū)。在交換機輸出端口或交換結構接收某個幀之前，該幀一直保留在這個隊列中。如圖3.7所示。圖輸入緩沖根據(jù)流量模式和提供給交換機的總負載，幀在這個隊列中經(jīng)歷了一段延時，等待上載。在此期間，同一個端口上接收了更多的幀，從而使隊列飽和。合理的流量控制策略應該在緩沖區(qū)達到預先定義的“高水位”(high water mark)時，發(fā)送一個帶有非零Pau