独特的千兆以太网帧格式

说到以太网帧格式，可以说是耳熟能详了。如果要问千兆以太网帧格式有什么特殊的地方，恐怕大多数人会感到好奇。事实是，千兆以太网的帧格式确实不太一样。

常规的以太网帧格式是这样的：

目的MAC

源MAC

帧类型

数据和Padding

FCS

千兆以太网工作在半双工模式的情况下，如果帧长小于512字节，数据帧的FCS域后面会用“CarrierExtension”域补齐512字节。不过，CarrierExtension域并不参与FCS的计算。

千兆以太网为什么需要CarrierExtension域呢？这要从CSMA/CD的冲突检测机制和以太网提速的原理说起。

在回答上面的问题之前，先看一下冲突检测的过程。假设主机A和主机B是链路上相距最远的两台主机。主机A发送的信号传播到B处时，主机B刚好开始发送信号，主机A和主机B发送的信号就会发生冲突，主机B马上就能感知到冲突。但是，当冲突信号传播到主机A时，主机A才能检测到冲突。从主机A开始发送信号到冲突信号传播到主机A这段时间，要小于512比特时间，否则最小的数据帧（64字节）发送完成之前就检测不到冲突了。冲突检测机制限制了以太网的最大传播距离。

传输速率为10M的经典以太网中，链路上的主机需要在512比特时间内检测到潜在的冲突，这段时间称为“collisionwindow”。在百兆以太网中，collisionwindow依然是512比特时间，因为传输速率提升为原来的10倍，collisionwindow的绝对时间缩短为原来的十分之一。要在十分之一的时间内检测到潜在的冲突，百兆以太网将最大的传输距离缩短到经典以太网的十分之一。百兆以太网诞生时，以太网组网方式已经转为使用Hub，虽然百兆以太网的传输距离大大缩短，依然可以满足实际的组网需求。当传输速率提升到1000M时，512比特时间就不够用了，为了满足冲突检测的需要，传输距离将大大缩短，短到几乎没有什么实用价值。

千兆以太网为了增加最大传输距离，collisionwindow被提升到4096比特时间，也就是说在4096比特时间内检测到冲突就可以了。但是，这样又有了新的问题。因为以太网最小帧长是64字节，发送最短的数据帧只需要512比特时间。数据帧发送结束之后，可能在远端发生冲突，冲突信号传到发送端时，数据帧已经发送完成，发送端也就感知不到冲突了。最终的解决办法就是，当数据帧长度小于512字节（即4096比特）时，在FCS域后面添加CarrierExtension域。主机发送完短数据帧之后，继续发送CarrierExtension信号，冲突信号传回来时，发送端就能感知到了。

现在，来考虑另一个问题。如果发送的数据帧都是64字节的短报文，那么链路的利用率就很低，因为CarrierExtension域将占用大量的带宽。千兆以太网标准中，引入了framebursting机制来改善这个问题。当连续发送小于512字节的报文时，不是长时间发送CarrierExtension信号，而是只发送帧间隔时间的carrierextension然后继续发送下一个数据帧，这样就提高了链路的利用率。

Carrierextension和framebursting仅用于千兆以太网的半双工模式；全双工模式不需要使用CSMA/CD机制，也就不需要这两个特性。

参考资料：

1）IEEEStd802.3-2012

2）<<BobMetcalfe:EthernetatForty>>,CharlesSeverance

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