以太网帧间隙在工程测量中的应用

祝宗奎，罗正华

(1.上海贝尔股份有限公司 成都分公司，四川 成都 610041;2.成都大学 电子信息工程学院，四川 成都 610106)

1 以太网帧间隙概念

在以太网中，数据帧发送方式是一个帧接着一个帧发送的，网络设备和组件在接收到一个帧之后，需要一段短暂的时间来恢复，并为接收下一个帧做准备.帧间隙是相邻两帧之间的时间间隔(Inter Frame Gap，IFG)，按规程要求，以太网数据帧在网络介质中传输时需要遵循一定的机制，例如载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)介质访问控制机制规定:以太网在传输数据帧时，两帧之间必须等待一定的时间间隔，以提高冲突检测算法的公平性［1－3］.因此，所有想要发送数据的设备在当前帧传输完毕之后，在它们试图再次发送数据之前都必须等待相同的时间.从应用角度考虑，最小帧间隙是以太网在介质访问控制层发送方向上的一个指标，在全双工模式下，其作用是控制发送端的速率，使接收端有充裕的时间来接收和处理中断.

在以太网线路上，数据总是以比特流的形式传输的［4］.在这个比特流中，以太网帧间隙的示意如图1 所示.

图1 以太网帧间隙示意图

需说明的是，帧间隙指的是一段时间，而不是距离，其单位通常为微秒μs 或纳秒ns.在以太网中，最小帧间隙一般定义为96 bit，对应12 Byte.例如，在速率为10 Mbps 的以太网段上，对应的时间间隔为9.6 μs;100 Mbps 以太网，对应960 ns;1000 Mbps以太网，对应96 ns.总之，不论应用于何种速率的以太网，两帧之间最少需要保证96 bit 间隙.

图2 测试用例1 示意图

此外，由于以太网是异步工作的，故发送端和接收端各自使用本地时钟工作，两端不能做到完全同频，如果频率偏差较大，则会导致丢包现象发生［5］.参考图2 所示测试用例，假设时钟1 快于时钟2，那么在设备2 上，接收速度(取决于设备1 的发送时钟)将快于转发速度(取决于设备2 的发送时钟)，一旦接收缓存堆积满了就将造成丢包.这时，在设备2 上可以通过减小帧间隙来加快其转发有效数据帧的速度，从而使得转发速度能够跟上接收速度.相应的，在设备1 上可以通过增大帧间隙，使发送端的有效速度减小，可以解决因速度过快而产生的丢包问题.

2 以太网帧格式的定义

典型的以太网帧格式的定义如图3 所示.

图3 以太网帧格式定义示意图

帧格式中所包含的字段为:前导码(Preamble)，包括同步码(用来使局域网中的所有节点同步)，7 Byte;帧开始符(SFD)，标明下一个为目的MAC 字段，1 Byte;目的MAC 地址(DestMAC)，接收端的MAC 地址，6 Byte;源MAC 地址(SourceMAC)，发送端的MAC 地址，6 Byte;VLAN 标签(Tag)，支持802.1Q VLAN 协议帧时，需插入额外的VLAN 标签，4 Byte;类型或长度(TOS)，上层数据包协议的类型，或数据字段的长度，2 Byte;数据(Data)，被封装的数据包/净负荷，46 ～1 500 Byte;帧校验序列(FCS)，错误检验，4 Byte.

以太网帧是OSI 7 层参考模型中数据链路层的封装，来自网络层的数据包被加上帧头和帧尾，构成可由数据链路层识别的数据帧.虽然帧头和帧尾所用的字节数是固定不变的，但根据被封装数据包大小的不同，以太网帧的长度也随之变化，变化的范围是64 ～1 518 Byte.典型的帧长度计算公式为，

当支持802.1Q VLAN 功能时，需要额外增加一个4 Byte 的VLAN 标签.相应的，帧长度变化的范围是68 ～1 522 Byte.当支持802.1ad Q-In-Q 功能时，需要额外再增加一个VLAN 标签，相应的帧长度也会产生变化.

3 帧间隙在工程测量中的应用

在以太网中，帧间隙并不传送有效的数据或者净负荷，所以往往被用户所忽视.但是，在实际工程应用中，尤其在评估以太网带宽利用率、吞吐量等性能相关测试用例中，帧间隙往往又发挥着不可忽视的作用，特别是在一些工程故障分析中，帧间隙有时候也会成为关键因素.

3.1 帧间隙对以太网线速的影响

以太网以最小帧间隙连续发送数据帧情况下的速率称之为线速，具体如图4 所示.

图4 以太网线速示意图

为便于计算，理论上一般假定所有的数据包长度相同.假定被封装的数据包长度为Packet－len(不小于46 Byte)，链路层速率为MaxTxBitRate(例如100 Mbps 以太网对应的速率为100 000 000 bit/s)，则在线速情况下，以太网帧发送速率FPS(Frame per second)的最大值可按以下式计算，

可以看出，对于一定速率的线路、一定长度的数据包，以太网线速对应的最大帧发送速率FPS(Frame/s)直接受最小帧间隙长度(Byte)的影响.

相应地，线速情况下数据包的最大吞吐量Throughput(Frame/s)为，

Throughput=FPS×Packet－len

3.2 帧间隙对以太网性能测试的影响

在基于SDH 的多业务传送平台(MSTP)设备中，以太网数据报文需要先映射到合适的SDH 帧结构中，才能在SDH 网络中传输.所谓的EOS(Ethernet Over SDH)技术，就是直接将本地网络设备传输的以太网帧先按照某种封装协议(GFP，LAPS，PPP/HDLC)封装，再映射到SDH 的帧结构中，然后通过SDH 传输线路实现点对点的传输.

在MSTP 设备中，以太网帧发送速率FPS 的计算主要受以下条件约束:

1)当本地接入的以太网线路带宽不受限时，瓶颈在SDH 通道侧.

例如，千兆以太网业务接入3 ×VC3(3 ×48 384 000 bps 近似于155 Mbps)通道，这时，以太网线速1 000 Mbps 大于SDH 通道带宽，瓶颈在SDH 通道侧.以太网帧在进入VC3 容器之前，要进行GFP 封装，会去掉前导码帧、开始符及帧间隙，并增加GFP 相关开销，此时FPS 可按下式计算，

ITU-T G.7041(V0.4)标准规定了GFP 封装的格式，包括:帧头(Core Header)、净荷头(Payload Header)、用户净荷信息(Client Payload Information)和净荷帧校验序列FCS.

由于不同通讯设备制造商对GFP 协议的实现不尽相同;因此在本测试用例使用的设备中，GFP 封装开销(GFP Overhead)长度为8 Byte，净荷帧校验序列(FCS)长度为4 Byte.那么，当数据包长度为64 Byte 时，

汇总该数据包各长度的吞吐量理论计算如表1所示.

表1 吞吐量理论计算表

经由数据测试仪表，采用RFC2544 测试用例序列，对应吞吐量测试报告如表2 所示.可以看到，实测结果数值与理论计算值基本吻合.

表2 吞吐量测试报告表

仍以数据包长64 Byte 为例，从表2 可以看到，对应的实测吞吐量为122.137 Mbps.这个数值在4组数据中偏小，也大大低于通道带宽3 ×VC3(155 Mbps).这是因为表2 中吞吐量的数值是按下式计算的，

计算中并没有考虑以太网帧间隙IFG(12)、前导码(7)和帧开始符(1)的因素，当把这3 个因素包含到算式中时，

这个数值就是表2 中带宽利用率的来源:16.031%的带宽利用率，对应带宽160.310 Mbps，其在测试结果的4 组数据中反而是最大的.

这个结果说明:在本测试用例中，当帧长为64 Byte 时，线路带宽利用率高.由于帧间隙并不传送有效的净荷，比重较大的帧间隙占用了过多的带宽，对净荷而言，吞吐量效率反而是最低的.由此可见，越小的帧由于前导码和帧间隙的原因，其传输效率就越低.

另外需要注意的是，当帧长为64 Byte 时，16.031%的带宽利用率，对应带宽160.310 Mbps，超出了SDH 侧接入通道带宽3 ×VC3(155 Mbps).这个差别正好体现了以太网与SDH 处理以太网帧时的差别:以太网需要为每个帧插入前导码、帧开始符和帧间隙，共20 Byte 开销;SDH 则会去掉帧头、帧间隙，并增加GFP 相关的开销，共12 Byte.在通道允许通过的发帧速率FPS 相同的情况下，正是这两部分开销的差异，导致了带宽计算值的差异.

2)当SDH 通道侧带宽不受限时，瓶颈在以太网线路侧.

例如，百兆以太网业务接入3 × VC3(155 Mbps)通道，而以太网线速100 Mbps 小于SDH 通道带宽，瓶颈在以太网线路侧.这时，需要按照以太网的特性来计算帧发送速率FPS，

显然，在上述计算过程中，显式地考虑了帧间隙因素的影响.由于SDH 通道带宽大于以太网线路速率，以太网侧设备可以按线速发送数据帧，而不会产生丢包，吞吐量可以达到100%.

4 结 语

帧间隙是以太网技术中一个较为简单的概念，因其长度并不参与以太网帧长度的计算，往往为人们所忽视.事实上，以太网的帧间隙在工程测量中能发挥较大的作用，可以对工程实践活动产生积极的影响.

［1］IEEE Computer Society.IEEE 802.3，Carrier sense multiple access with collision detection(CSMA/CD)access method and physical layer specifications［S］.New York，USA:the LAN/MAN Standards Committee，2005.

［2］Charles E.Practical networking with ethernet［M］.Boston，MA，USA:International Thomson Computer Press，1997.

［3］Thomas A M.IP fundamentals:what everyone needs to know about addressing ＆ routing［M］.Englewood Cliff，NJ，USA:Prentice-Hall，1999.

［4］IEEE Computer Society.IEEE 802.1Q，Virtual bridged local area network［S］.New York，USA:the LAN/MAN Standards Committee，2003.

［5］Bradner S，McQuaid J.Benchmarking methodology for network interconnect devices［EB/OL］.http://tools.ietf.org/html/rfc2544.［1999－03－01］.