MAC帧格式分析与应用

IEEE 802.3 MAC帧格式的分析与应用摘要本文介绍了IEEE802．3标准中规定的两种以太网帧格式，基本帧格式和扩展帧格式。

得出以下结论，IEEE802.3-2005基本帧格式，主要由前导、SDF、DA、SA、Length/Type、DATA、Pad、FCS等8部分组成，还可增添4字节的扩展部分，其总长度为64-1518字节。

扩展帧格式在基本帧格式上增加了“802.1Q TAG”类型和TCI字段，可实现对用户优先级和VLAN加标帧的控制。

关键词 IEEE 802.3 基本帧格式扩展帧格式Abstract This essay introduces two different kinds of Ethernet MAC frame,the basic and Q-tagged. We concluded that,the basic MAC frame of IEEE 802.3-2005,whose length is 64-1518 bytes, are mainly consisted of by 8 parts,including Preabmle, SDF,DA,SA,Length/Type,Data,Pad,FCS, and additional part,sized 4 bytes. While, the Q-tagged frame adds another two parts on the bisas of the basic one, that is ‘802.1Q TAQ’ and ‘TCI’, whose fuction are dividually to control the VLAN Tagged Frame and the user’s priority.Keyword IEEE 802.3 Basic Frame Q-tagged Frame1．前言IEEE 802．3又叫做具有CSMA～CD(载波监听多路访问／冲突检测)的网络。

CSMA/CD是IEEE802．3采用的媒体接入控制技术，或称为介质访问控制技术。

因此，IEEE 802．3是以“以太网”为技术原型，本质特点是采用CSMA／CD的介质访问控制技术。

IEEE 802．3协议标准系列中，数据链路层包括逻辑链路控制(LLC)子层和媒体访问控制(MAC)子层。

其中MAC位于LLC和物理层之间，它使LLC适应于不同的媒体访问技术和物理媒体。

MAC单独作为一个子层，就不会因为媒体访问方法改变而影响较高层次的协议。

MAC由数据拆装和媒体访问管理两个模块组成，完成数据帧的封装、解封、发送和接收功能。

下图描述的就是千兆以太网的实际模型。

图1 千兆以太网的实际模型Ethernet上发送的的数据是按一定格式进行的，并将此数据格式称为帧。

帧是一系列标准化的数据位，是以太网系统的核心部件，以太网站点采用发送信息帧的方式进行通信，帧是网络通信的基本单元，节点间发送任何信息，都要将内容放在帧的有效部分当中，通过一个或多个帧进行传送。

节点之间可靠的帧传输不仅是相互通信的保障，通过帧的传输还可以实现对网络的控制等各种功能。

帧结构的目的是提供一种封装来承载数据。

帧的基本结构是由原始的DEC．Intel．Xerox(DIX)以太网标准定义的，最后由IEEE 802．3X提出官方标准。

下面将对两种MAC帧，包括基本帧结构和扩展帧结构及应用进行具体的分析。

2. 基本帧结构从1998编辑版开始，802.3标准对MAC帧的结构作了重大的变化，增添了扩展帧，基本的帧格式也有了意义重大的变化。

如图2是802.3-2005中基本帧格式。

图2 802.3-2005基本帧格式2.1前导码处于mac帧开始处的字段为前导码字段，由7个字节组成。

其功能是使接收器建立比特同步。

编码形式为多个“1”或“0”交替构成的二进制序列,最后一比特为“0”。

在这种编码形式下，经过曼彻斯特编码后为一周期性方波。

图3 前导码2.2 帧首定界符(sfd)帧首定界符(sfd)是man帧的第2个字段,其编码形式为“10101011”序列，长度刚好为一个字节。

该字段的功能是指示一帧的开始。

2.3 目的地址字段(da)和源点地址(sa)目的地址字段(da)为第3个字段，长度为6个字节。

该字段用来指出帧要发住的工作站。

源点地址(sa)处于终点地址字段之后,其长度也为6个字节。

该字段功能是指示发送该帧的工作站地址。

每个地址字段如图4所示。

图4 地址格式a)每个地址字段都是48比特长度。

尽管IEEE802指定可用16位或者48位比特地址，但IEEE802.3的实现没有使用16位比特地址。

因此16位比特地址特别地被这个标准排除了。

b)第一位(LSB)将用于目的地址字段作为地址类型标志位用于识别目的地址是单地址还是组地址。

如果这位是0，标识单地址；如果是1，标识组地址，组地址则可以是0个，1个，多个或者全部连接在LAN上的网络站。

源地址字段中第一位保留或设置为0。

c)第二位将用于区别局部或全局可管理地址。

对全局可管理(U)地址，这一位设为0。

如果一个地址是局部可管理的，这一位设为1。

注意的是，对广播地址而言，这一位仍然是l。

d)地址中字节位序。

以太网同大多数数据通信系统一样，传输一个字节的顺序是从最低有效位到最高有效。

一般二进制数字最低位写在最左边，而最高位写在最右边，这被称为小端形式或正规形式。

一个字节可以写成两个十六进制数字，第一个数字(最左边)是最高位数字，第二个(最右边)是最低位数字。

例如，6字节域：08.OO.60.01.ZC.4A 将按以下顺序从左向右串行发送：00010000—00000000—00000110一10000000—00110100—010100102.4 长度/类型字段长度/类型字段为第5个字段，其长度为2个字节，长度／类型字段具有两种意义中的一种。

如果这个字段的值小于1518，那么这个字段就是长度字段，并定义后面的数据字段的长度。

但是如果这个字段的值大于1518，它就定义使用因特网服务的上层协议。

长度域：0800H 表示数据为IP包，0806H 表示数据为ARP包，814CH是SNMP包,8137H为IPX/SPX包，（小于0600H的值是用于IEEE802的，表示数据包的长度。

2.5 MAC客户数据字段MAC客户数据字段是帧要载携的用户数据，该数据有46-1500字节长，由llc子层提供或接收。

如下图5如示。

图5 MAC客户数据格式其中，DSAP(1字节)表示目的服务访问点，指出MAC帧的数据应上交给哪一个协议，SSAP(1字节)表示源服务访问点，指出该MAC帧是从哪一个协议发送过来的，另外还有1或2字节的控制字段。

此三部分构成LLC帧的首部三个字段。

2.6 填充(pad)字段填充(pad)字段紧接的MAC客户数据字段之后，包含一个n字节序列，它们可以是任意值，允许所有数据对传输的帧是透明的。

当MAC客户数据字段的长度小于46字节时，则应加以填充(内容不限)，这样，整个MAC帧(包含14字节首都和四字节尾部)的最小长度是64字节或512bit。

数据字段的长度不能超过标准指定的最大值1500字节。

2.7 帧检验序列(fcs)帧检验序列(fcs)处于帧的最后，其长度为32比特，用于检验帧在传输过程中有无差错。

FCS是在传输之前，在DA、SA、长度／类型和数据+填充字段上生成的。

将传输的FCS值与新的FCS 值比较，而新值是在接收该帧时计算得到的。

这提供对DA 、SA 、长度／类型、数据+填充及帧校验序列(FCS)字段的差错检测。

目前，采用使用CRC-32计算产生。

生成多项式: 3226232216121187542()1G x xx x x x x x x x x x x x =+++++++++++++ 2.8 无效的MAC 帧格式802.3标准规定凡出现下列情况之—的即为无效的MAC 帧：(1)MAC 客户数据字段的长度与长度字段的值不—致；(2)帧的长度不是整数个字节；(3)当收到的帧检验序列FCS 查出有差错。

(4)收到的帧的MAC 客户数据字段的长度不在46～1500字节之间。

对于检查出的无效MAC 帧就简单地丢弃，以太网不负责重传丢失的帧。

为什么长度不够的帧就是无效帧呢？这是因为，CSMA/CD 协议的一个要点就是当发送站正在发送时，若检测到碰撞则立即中止发送，然后推后一段时间后再发送。

如果所发送的帧太短，还没有来得及检测到碰撞就已经发送完了．那么就无法进行碰撞检测．因而就会使CSMA/CD 协议变得没有意义。

因此，所发送的帧的最短长度应当要保证在发送完毕之前，必须能够检测到可能最晚来到的碰撞信号。

这段时间就是以太网的两倍端到端往返时延。

在802.3标准中，这段时间取为51.2us ， 对于10M Bit/s 速率的以太网，这段时间可以发送512bit 。

这样就得出了MAC 帧的最短长度为512bit ，或64字节。

在接收端，凡长度不够64字节的帧就都认为是应当弃的无效帧。

MAC 子层的标准还规定了帧间最小间隙为9.6us ，相当于96bit 的发送时间。

这就是说，一个站在检没到总线开始空闲后，还要等待9.6us 才能发送数据，这样做是为了使刚刚收到数据帧的站接收缓存来路及清理做好接收下一帧的准备3.扩展帧结构802.3中的扩展帧最早出现在IEEE 802.3ac-1998（VLAN 的加标的帧扩展）中。

802.3ac 根据8021.1Q-1998标准中关于VLAN 加标帧的扩展对以太帧作了相应的扩展。

图6是802.3-2005版中的扩展帧格式图6 IEEE802.3-2005扩展帧格式扩展帧最为重要的更动是在以太类型字段中新增加了一种“820.1Q TAG ”类型，并可以引伸出作用层次性的构造方法继续扩展MAC 帧的概念。

TCI 字段包含3 个子字段:1) 用户优先级：长度为3 位，可以表示8个优先级，瓢帧中封装的MAC 客户数据的优先级。

优先级“000”最低，“111”最高。

2)CFI“规范格式指示器，长度为1位，指示MAC地址信息是否是“规范格式”。

3)VID：VLAN标识（VLAN Identifier），长度为12位，取值为0~4095，通常称为“VLAN号”，是VLAN的基本标识符。

其余各部分的结构与功能都和基本帧结构相同，不再赘述。

4.结论以太网的帧的演进最主要的两个变化是：一是重用了以太类型字段，允许在帧中封闭各种类型的高层数据，为802.3的MAC子层增加了多重服务访问点，使多种高层可以直接访问MAC 子层与层次性的帧格式扩展类型，最重要的是使得IP协议可以很方便地直接访问802.3规范的MAC层。