半双工模式：高速网络下的超级加速模式，载波延伸和分组突发！🚀

Pasted image 20250815165228.png

1. 使用场景：什么情况下要使用载波延伸？

当千兆以太网（1000Mb/s Ethernet）工作在半双工（Half-duplex）方式下，并且需要使用CSMA/CD协议来协调通信时。

场景解读：

2. 使用原因：为什么要使用载波延伸？

  1. 高速率：速率已高达1000Mb/s。

  2. 实用网络长度：希望最大网段长度仍保持在实用的100米。

  3. 兼容性：希望最小帧长仍保持为64字节，以兼容10BASE-T和100BASE-T。

根本矛盾：

在1000Mb/s的高速下，发送一个64字节的帧所需时间极短（仅0.512μs）。如果网段长度还是100米，那么当帧的发送方在0.512μs时发送完毕后，冲突信号可能还在从远端回来的路上。这将导致冲突无法被检测，CSMA/CD协议失效。

解决方案（即使用载波延伸的原因）：

为了同时满足上述三个条件，唯一的办法就是人为地延长短帧的“发送时间”。图中指出，载波延伸通过**“将争用期增大为512字节的发送时间”**来解决这个问题。

简单来说，原因就是：在不改变最小帧长和不牺牲网络物理长度的前提下，为了让高速运行的CSMA/CD协议能够继续生效，必须使用载波延伸来人为地延长最短发送时间，以保证冲突可以被可靠地检测。

3. 实现细节：载波延伸具体是如何工作的？

核心规则：只要发送的MAC帧的长度不足512字节时，就在MAC帧尾部填充一些特殊字符，使MAC帧的长度增大到512字节。

以一个最短帧（64字节）为例：

  1. 站点A有一个64字节的帧要发送。

  2. 它检测到信道空闲，开始发送。首先发送8字节的前导码和帧开始定界符。

  3. 接着发送64字节的MAC帧（包括目的地址、源地址、类型、数据、FCS）。

  4. 在FCS发送完毕后，由于64字节 < 512字节，载波延伸机制启动。

  5. 站点A并不停止发送，而是继续发送512 - 64 = 448字节长度的、无实际意义的特殊扩展符号。

  6. 发送完这448字节的扩展符号后，本次发送才算结束。

效果：从物理信道的角度看，这次发送行为总共占用了信道512字节的传输时间。这就满足了新的、被扩大了的争用期要求。接收方在正确接收到64字节的MAC帧和FCS后，会自动识别并丢弃后面的扩展符号。

如图中第一个帧结构图所示：

[前导码 | ... | 数据 | FCS] + [载波延伸 (448字节)]

----最短帧长64字节----

-----------总占用长度512字节------------

4. 优化：分组突发 (Packet Bursting)

优化的起因（问题）：

如图中解释，载波延伸虽然解决了问题，但带来了严重的效率问题。如果原本发送的是大量的64字节长的短帧，则每一个短帧都会被填充448字节的特殊字符，这样会造成很大的开销。 信道利用率会暴跌至12.5% (64/512)。

优化的方案（分组突发）：

为了缓解这种低效率，千兆以太网引入了分组突发功能。

核心规则：当有很多短帧要连续发送时，只将第一个短帧用载波延伸的方法进行填充，而其后面的一系列短帧不用填充就可一个接一个地发送。

工作流程（如图中最下方的示意图）：

  1. 第一个帧：站点A发送第一个64字节的短帧，并使用载波延伸，将其在信道上的占用长度“填充”到512字节。这次发送成功地为站点A抢占了信道。

  2. 后续帧：只要A还有数据要发（且未达到突发上限，如图中提到的1500字节），它就可以在仅隔一个最小帧间间隙后，立即开始发送第二个64字节的短帧。

  3. 这个第二个帧不再需要载波延伸，它在信道上只占用它本身的64字节长度。

  4. 如果还有第三个、第四个帧，同样如此，一个接一个地发送。

  5. 这就形成了一个由多个帧组成的“突发”，直到达到最大突发长度或发送完毕。

优化的效果：

通过这种方式，一次载波延伸（448字节）的巨大开销被分摊到了后续多个帧上。例如，如果一个突发发送了10个64字节的帧，总数据量为640字节，而总开销只有第一个帧的448字节，整体效率得到了显著提升。