在传统以太网中,为什么要有最小帧长度(64 bytes)和最大帧长度(1500 bytes)的限制?

遇到的问题:以太网的数据帧封装如下图所示,包含在IP数据报中的数据部分最长应该是( )字节?

A.1434

B.1460

C.1480

D.1500

答案:C

原因

以太网(IEEE 802.3)帧格式:

1、前导码(前同步码):7字节0x55,一串1、0间隔,用于信号同步

2、帧开始定界符: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。

IP数据包长度问题总结

TCP/IP协议,涉及到四层:链路层、网络层、传输层、应用层。

其中以太网的数据帧在链路层

IP包在网络层

TCP或UDP包在传输层

TCP或UDP中的数据(Data)在应用层

它们的关系是数据帧{IP包{TCP或者UDP包{Data}}}

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在应用程序中我们用到的Data的长度最大是多少,直接取决于底层限制。

我们从下到上分析一下:

1.在链路层,由以太网的物理特性决定了数据帧的长度为(46+18)—(1500 + 18),其中的18是数据帧的头和尾,也就是说数据帧的内容最大为1500(不包括帧头和帧尾),即MTU(Maximum Transmission Unit)为1500;

2.在网络层,因为IP包的首部要占用20字节,所以这的MTU为1500-20 = 1480;

3.在传输层,对于UDP包的首部要占8字节,所以这的MTU为1480 - 8 = 1472;

所以,在应用层,您的Data最大长度为1472字节。(当我们UDP包中的数据多于1472时,发送方的IP层需要分片fragmentation进行传输,而在接收方IP层则需要进行数据报重组,由于UDP是不可靠的传输协议,如果分片丢失导致重组失败,将导致UDP数据包被丢弃。)

从上面的分析来看,普通的局域网环境下,UDP的数据最大是1472字节最好,避免分片重组。

但是在网络编程中,Internet中的路由器可能设置成不同的值(小于默认值),Internet上的标准MTU值为576,所以Internet的UDP编程时的数据长度最好在576 - 20 -8 = 548字节以内。

Mac OS点击系统偏好设置——网络——高级——硬件可以查看本机的MTU设置。

IP数据包的最大长度是64K字节(2^16 -1),因为在IP包头中用2个字节描述报文长度,2个字节所能表示的最大数字就是2^16-1 = 65536 -1 = 65535.

由于IP协议提供为上层协议分割和重组报文的功能,因此传输层协议的数据包长度原则上来说没有限制。实际上限制还是有的,因为IP包的标识字段终究不可能无限长,按照IPv4,上限是2^32=4G字节。依照这种机制,TCP包头中就没有“包长度”字段,而完全依靠IP层去处理分帧。这就是为什么TCP常常被称作一种“流协议”的原因,开发者在使用TCP服务的时候,不必关心数据包的大小,只需要将SOCKET看作一条数据流的入口,往里面放数据就是了,TCP协议本身会进行拥塞/流量控制。

UDP则和TCP不同,UDP包头内有总长度字段,同样为2个字节,因此UDP数据包的总长度被限制为(2^16-1),这样恰好可以放进一个IP包内,使得UDP/IP协议栈的实现非常简单高效。65535再减去UDP头本身所占据的8个字节,UDP服务中的最大有效负载长度仅为65527.这个值也就是调用getsockopt()时指定SO_MAC_MSG_SIZE所得到的返回值,任何使用SOCK_DGRAM属性的socket,一次send的数据都不能超过这个值,否则必然得到一个错误。

那么,IP包提交给下层协议时将会得到怎样的处理呢?取决于数据链路层协议,一般得到数据链路层协议都会负责将IP包分割成更小的帧,然后在目的端重组它,在EtherNet上,数据链路帧的大小如开篇所述。而如果是IP over ATM,则IP包将被切分成一个一个的ATM Cell,大小为53字节。



 

posted @ 2019-01-28 17:25  Faded露露  阅读(6898)  评论(0编辑  收藏  举报