第四章 以太网数据链路层

肆 以太网数据链路层

P 目标：

了解数据链路层结构。

熟悉各以太网帧格式，CSMA/CD （载波监听多路访问/冲突检测）机制，

熟悉PAUSE 帧格式，和流量控制原理

了解半双工模式下以太网端口的工作方式。

根据IEEE 的定义，以太网的数据链路层又分为2个子层：逻辑链路控制子层（LLC ）和媒体访问控制子层（MAC ）。

划分2个子层的原因是：数据链路层实际是与物理层直接相关的，针对不同的物理层需要有与之相配合的数据链路层，例如针对以太网、令牌环需要不同的数据链路层，而这是不符合分层原则的；于是通过划分LLC 和MAC 2个子层，尽量提高链路层的独立性，方便技术实现。

其中MAC 子层与物理层直接相关，以太网的MAC 层和物理层都是在802.3 中定义的，LLC 子层则可以完全独立，在802.2中定义，可适用于以太网、令牌环、WLAN 等各种标准。

ͼ1 以太网数据链路层

MAC 子层处理CSMA/CD 算法、数据出错校验、成帧等；LLC 子层定义了一些字段使上次协议能共享数据链路层。 在实际使用中，LLC 子层并非必需的。

1 以太网的帧格式

有两种主要的以太网帧类型：由RFC894定义的传统以太网（EthernetII ）和802.3定义的以太网； 最常使用的封装格式是RFC 894定义的格式。

下图显示了两种不同形式的封装格式。图中每个方框下面的数字是它们的字节长度。

EthernetII （RFC894）帧结构如下，该帧包含了5个域（前导码在此不作描应用层

传输层

网络层

链路层

物理层逻辑链路控制（LLC ）子层MAC 子层

述），它们分别是：目的MAC地址、源MAC地址、类型、净荷（PAD）、FCS、

 EthernetII（RFC894）帧结构

1）目的MAC地址（ D A ）

包含6个字节。 D A标识了帧的目的地站点。 D A可以是单播地址（单个目的地）或组播地址（组目的地）。

2）源MAC地址（ S A ）

包含6个字节。S A标识了发送帧的站。 S A通常是单播地址（即，第1位是0 ）。

3）类型域包含 2个字节。

类型域标识了在以太网上运行的客户端协议。使用类型域，单个以太网可以向上复用（upward multiplex）不同的高层协议（ I P，I P X，A p p l e Ta l k，等等）。以太网控制器一般不去解释这个，但是使用它来确定所连接计算机上的目的进程。本来类型域的值由X e r o x公司定义，但在1 9 9 7年改由I E E E负责。例如08-00 表示 IP、81-37表示 NetWare。

5）数据域

包含 4 6 ~ 1 5 0 0字节。数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息。由于C S M A / C D算法的限制，以太网帧必须不能小于某个最小长度（46字节）。高层协议要保证这个域至少包含4 6字节。如果实际数据不足 4 6个字节，则高层协议必须填充到46字节，填充数为PAD。数据域长度的上限是任意的，但已经被设置为 1 5 0 0字节（1 5 0 0字节最大长度的真正原因是 1 9 7 9年（ 1 0 M b / s以太网正在设计之中）的内存成本以及低成本的 L A N控制器的缓冲区要求）。

6）帧效验序列（ F C S ）

包含4个字节。F C S是从D A开始到数据域结束这部分的校验和。校验和的算法是3 2位的循环冗余校验法（ C R C ）。生成多项式是：

G （ x ） = x3 1+ x2 6+ x2 3+ x2 2+ x1 6+ x1 2+ x11+ x1 0+ x8+ x7+ x5+ x4+ x2+ x1+ 1

F C S域的传送方法是：第 1位是x3 1项的系数，而最后 1位是x0项的系数。因此C R C的各个位传输了：x3 1，x3 0，. . .，x1，X0。

802.3 以太网帧（RFC1042）的结构与Ethernet II 的非常类似，如下图所

示。

ͼ1 802.3 以太网帧（RFC1042）结构

和RFC894相比，类型域被长度域取代。这 2 个字节在8 0 2 . 3 中被用来指示数据域中有效数据的字节数。

这两种格式也可以并存：如果该字段的值小于等于1500，则该帧为802.3帧，该字段表示帧长；如果大于1500，则该帧为EthernetII帧，该字段表示协议类型。

不同于EthernetII，802.3的以太网帧没有协议类型的定义，不能自动识别上层协议，必须通过对LLC头的定义来识别。

根据LLC的定义不同，802.3以太网帧又可以分为2种类型：802.2（SNAP）和802.2（SAP）。

在802.2 （SAP）中，引入了SAP（服务访问点）的概念，SAP可完成协议类型识别的功能，例如0Xe0表示NetWare ：

从802.2（SAP）的帧结构中我们可以看出，用于表示协议类型的SAP只有1个字节，因此许多常用的协议在802.2（SAP）中没有定义。因此IEEE在802.2（SAP）的基础上定义了802.2（SNAP），在SNAP帧中，SAP始终为AA，而CTRL始终为03。通过OUI ID和类型域进行协议类型的识别，可以支持足够多的协议类型，例如0X080007809B表示AppleTalk。

实际上网络上的以太网应用大多数都采用EthernetII ，很多网络设备甚至不能识别802.3封装的以太网帧。从EthernetII帧结构中我们可以看出，其中仅仅包括一个MAC子层，而没有LLC子层。所以我们说LLC子层并非必需的。

1以太网的MAC地址

以太网通过MAC地址唯一标识一个网元，MAC地址是一个是 6字节（ 4 8比特）长。在LAN上，MAC地址被装在以太网帧种发送（上一节以太网帧格式中有介绍），一