802.3协议基础

MAC子层工作的模式

半双工模式：基于CSMA/CD的介质访问方法。两个或更多的站点共享一个传输 介质，一个站点会等到其它站点没有传输时，以连续比特流的形式发送信息。 如果发生冲突，站点会继续传输一段时间来确保冲突到达整个系统(发送jam 信号），然后回退随机时间准备重传。

全双工模式：在点对点介质段的一对设备间进行同步通信，点对点介质段提 供了独立的发送和接收数据的路径。全双工模式不需要传输介质访问管理单 元避免冲突但必须满足以下条件： 1.物理介质支持无干扰的同时传送与接收。 2.两站点以点对点的全双工方式连接。 3.两站点都支持并被配臵为全双工操作方式


无争用接收
在接收站点，到达的帧首先被物理层检测。同时打开receiveDataVaild信号， 信号通过介质时被翻译成二进制数。将帧交给上层的MAC子层，丢弃前同 步信号和SFD，并检验帧的DA和CRC
CSMA/CD


Ethernet使用具有冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD） 方法。 它是一种介质访问机制。准备发送数据的设备在发送之前首 先检查传输通道上是否有载波。如果在一个特定的时间内没 有监测到载波，网络设备可以开始发送。如果两个设备同时 开始发送，会发生冲突，两台发送数据的设备都会监测到冲 突的发生。冲突导致在随机时间之后的重新发送。以太网和 IEEE 802.3都采用CSMA/CD访问控制方式。 CSMA/CD工作方式：先听后发、边发边听、冲突停止、延迟 重发。
7字节
1字节
6字节
6字节
2字节
46-1500字节 DATA PAD
4字节
0-448
P
SFD
DA
SA
L/T
FCS E
Data and PAD 数据和填充字段， 46－1500字节，当此字段的数据小于46字 节时候，会用PAD字段进行补充， PAD=MAX[0, 最小帧长－8×(n个字节的数据＋2个地址字段DA和SA共12个字 节＋2个字节的L/T＋4个字节的FCS) FCS——frame check sequence,帧检验序列4个字节，CRC(cyclic redundancy check)循环冗余检验码。发送方计算机出的CRC值放在FCS中，接收方计算一 个CRC值进行比较，相同则正确 E——Extension扩展字段，仅仅用于千兆网中，为了扩大最小帧传送相关的载 波事件的时间，载波通过附加非数据信号来进行扩展，扩展的最大长度为 Extension=slot time-minFrameSize 比如在1000Mbp/s时： Extension＝4096 bits－512 bits＝3584 bits(448字节）

P
SFD
DA
SA
L/T
MAC Client DATA PAD
FCS
E
FCS作用范围
地址的补充

地址为6个字节＝48bit，前2位最重要（第一字节的最低2位）有着特殊含义 1 1 46bit I/G=0 individual 单目地址 I/G=1 group 多目地址 U/L=0 globally administered全局管理 U/L=1 local administered 本地管理 I/G U/L 示例

以太网的技术发展情况
以太网的四个基本要素


ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

帧（frame）： 一系列的标准化的数据位，用来在系统中传 输数据； 介质访问控制协议（MAC）：由一套内嵌于各个以太网接口 的规则组成，允许多个计算机公平的访问信道； 信号部件（signaling component）：一些标准化的电子设 备，用来在以太网信道中发送和接收信号； 物理介质（physical medium）：电缆和其他传输信号的部 件组成。
以太网
Ethernet(以太网）是一种传输速率为10Mbps的常用局域 网（LAN）标准。在以太网中，所有计算机被连接一条同 轴电缆上，采用具有冲突检测的载波感应多处访问 （CSMA/CD）方法，采用竞争机制和总线拓朴结构。以太 网具有的一般特征概述如下： 共享媒体：所有网络设备依次使用同一通信媒体。 广播域：需要传输的帧被发送到所有节点，但只有寻址到 的节点才会接收到帧。 CSMA/CD：以太网中利用载波监听多路访问/冲突检测方 法（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection） 以防止 更多节点同时发送数据。 MAC 地址：媒体访问控制层的所有 Ethernet 网络接口卡 （NIC）都采用48位网络地址。这种地址全球唯一。
OX 01 75 8A 73 0C 01 组播地址 最高（左）第一字节的二进制表示为： 0000 0001 第一位（最右位）=1 组播 第二位=0 全局管理
此地址的二进制表示为 0000 0001 0111 0101 1000 1010 0111 0011 0000 1100 0000 0001 传输顺序为：以太网上传送8位（字节）信息的顺序是从最左端的8位，到最右端 的8位，但在8位内部（Bit）的传送顺序是先低位，后高位。 1000 0000 1010 1110 0101 0001 1100 1110 0011 0000 1000 0000
IEEE802.3协议


一种网络协议。描述物理层和数据链路层的MAC子层的实现 方法，在多种物理媒体上以多种速率采用CSMA/CD访问方 式，对于快速以太网该标准说明的实现方法有所扩展。 早期的IEEE 802.3描述的物理媒体类型包括：10Base2、 10Base5、10BaseF、10BaseT和10Broad36等；快速以太 网的物理媒体类型包括：100 BaseT、100BaseT4、 100BaseX等。






802.6--城域网MAN，定义城域网（MAN）的媒体访问控制 （MAC）子层和物理层规范(DQDB分布队列双总线)。 802．7--宽带技术。 802．8--光纤技术。 802．9--综合话音数据局域网。 802．10--可互操作的局域网的安全。 802．11--无线局域网。 802，12--新型高速局域网（100 Mb／s）。 现在IEEE的标准802．1～802．6已成为ISO的国际标准 ISO8802-1～8802-6。

7字节
1字节
6字节
6字节
2字节
46-1500字节
4字节
0-448
P
SFD
DA
SA
L/T
MAC Client DATA PAD
FCS E
基本MAC帧结构
Elements of MAC frame


P——preamble 前导码，由7个1,0交替的字节构成，主要功能是接受方在接受重要数据前提 取时钟，建立同步。 SFD——Start Frame Delimiter 帧首定界符，紧跟同步信号之后，比特模式为： “10101011” ,当连续出现两个11时，表明帧的开始。 DA——Destination Address 目标地址，用12个16进制数表示，2个一组。 SA——Source Address 源地址，用12个16进制数表示，2个一组。源地址不能是组地址和 广播地址 L/T ——length/type 2个字节，表示的意义取决于其数值。 如果字段中的值小于或等于最大 帧尺寸1518（十进制）则做为长度字段使用，表示数据字段中数据的长度。如果字段中的 值大于或等于1536，则被做为类型字段，标识数据字段所携带的数据协议类型。
MAC层功能： a 发送时将数据组装成带有地址和差错检测字段的帧 b 接收时拆卸帧，完成地址识别和差错检测 c 管理链路上的通信 LLC层的功能： 提供一个或多个SAP服务访问点（2相邻层间的逻辑接口） 主要是提供的是与网络层的接口。

两种MAC帧结构

基本帧结构（a basic MAC frame format） 带前缀帧（ an extension of (a) for Tagged MAC frame ）
1 CFI
12bit VLAN ID
USER PRIORITY:用户优先级(0-7);当Tagged帧具有相同优先级时，他们平分式的 传输；如果不同优先级的帧，则先传送优先级高的帧，再传送优先级低的帧。 CFI:Canonical Format Indicator =0表示规范格式，用于以太网，＝1表示非规范格 式 Vid:12 bit的VID总共可以表示4094个不同的VLAN（ “全0”和“全1”的情况有特殊的 规定)
MAC

MAC概述：Media Access Control介质访问控制 该协议位于OSI七层协议中数据链路层，数据链路层分为上 层LLC（逻辑链路控制），和下层的MAC（媒体访问控制）， MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的 时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以 发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息 以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议 首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误， 则去掉控制信息发送至LLC（逻辑链路控制）层。
IEEE 802.3
Alan Qiu
IEEE802系列协议





802.1--高层及其交互工作。提供高层标准的框架，包括端到 端协议、网络互连、网络管理、路由选择、桥接和性能测量。 802.2--连接链路控制LLC，提供OSI数据链路层的高子层功 能，提供LAN 、MAC子层与高层协议间的一致接口。 802.3--以太网规范，定义CSMA/CD标准的媒体访问控制 （MAC）子层和物理层规范。 802.4--令牌总线网。定义令牌传递总线的媒体访问控制 （MAC）子层和物理层规范。 802．5--令牌环形网。它定义了令牌传递环形网的MAC子 层和物理层的规范。
Invalid MAC Frame

判断无效帧的依据： 1：如果帧为长度，帧中数据字段长度值和长度字段值不 相等 2：接收到的帧不是整数的倍数 3: 接收方计算出的CRC值和帧字段中FCS中CRC值不相等 4：MAC帧中数据字段值不在46-1500之间 无效的MAC帧将不能通过LLC和MAC控制子层，并可能 告知上层网络管理实体。
带标记的帧结构

a 4个字节的QTag Prefix 被插入导 SA和 L/T之间 b QTag Prefix 由2个部分组成 . ⅰ2个字节的802.1q Tag Type 类型说明=0X8100 . ⅱ2个字节的 Tag Control Information
带标记的帧结构
7 1 6 6 2 2 2 42-1500 4 0-448
FCS算法举例

例：已知：待发送数据：M=11010010110 生成多项式：P(x)=x4+x2+1 ∴ P=10101 Q= 24M =110100101100000 用Q除以P得出余数R：0111，即: CRC=0111 在接收数据时，接收方根据帧中字段计算出CRC的值，然后 和帧字段中的FCS值进行比较，如果相等，则证明传输正确。
FCS算法举例
具体算法： （1)G(x)=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4 +X2+X+1

（2）nbit的帧被考虑为度为n-1的多项式M(x)的系数（DA的首 为Xn-1项，Data的末位对应X0项）。
（3）用X32乘M(x)再用G(x)除（模2运算），生成度<= 31的余 式R(x)。 （4）CRC臵入FCS字段，传输顺序为X31，X30，……，X0。
P
S F D
D A
S A
LENGTH/TYPE =802.1Q Tag Type
TAG CONTROL INFORMATION
MAC CLIEN T L/T
DATA PAD
FCS
E
0 1
1 0
2 0
3 0
4 0
5 6 7 0 0 1
0 0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
3 USER PRIORITY




MAC子层的两个主要功能： 一、数据封装（ 传输和接收） 二、介质访问管理 介质分配（冲突避免） 组帧（帧边界界定，帧同步） 争用解决（冲突处理） 寻址（处理源地址和目的地 址） 帧发送和接收流程 错误检测（检测物理介质传 输错误）


无争用传输
当MAC客户请求帧传输时，CSMA/CD MAC子层的传输数据封装组件 构造帧，然后提交帧至传输介质访问管理组件来传输。在半双工模式下，通 过侦听载波信号来避免冲突。全双工模式下，不需要传输介质访问管理来避 免争用。