以太网接入技术MAC层

1、以太网接入技术 MACMAC层层 刘建刘建 牛兆华牛兆华 以太网MAC功能以太网的以太网的MACMAC功能包括功能包括编址、成帧编址、成帧 、帧的传输、帧的传输介质访问控制介质访问控制向上层提供无连接的服务向上层提供无连接的服务MACMAC层主要的功能几乎都由网卡实现的层主要的功能几乎都由网卡实现的以太网的以太网的MACMAC层编址层编址MACMAC地址是地址是LANLAN站点的物理地址（硬件地址、网卡地址）站点的物理地址（硬件地址、网卡地址）在一个在一个LANLAN中地址唯一，只在一个物理网中有效中地址唯一，只在一个物理网中有效是是LANLAN站点间识别的唯一标志站点间识别的唯一标志地址长度

2、：地址长度：4848位位地址表示方法地址表示方法6 6对十六进制数，中间用短线隔开（十六进制分隔法）对十六进制数，中间用短线隔开（十六进制分隔法） 00-60-08-BD-7C-1E 00-60-08-BD-7C-1E地址分类：广播、组播、单播地址地址分类：广播、组播、单播地址单播地址：表示一个站的唯一地址单播地址：表示一个站的唯一地址组播地址：表示一组站的地址组播地址：表示一组站的地址广播地址：广播地址：LANLAN所有站点的地址（所有站点的地址（4848位全位全1 1）共享信道上的共享信道上的MACMAC协议协议以太网第二层数据链路层规范由两个独立的部分组成。以太网第二层数据链路层规范由两

3、个独立的部分组成。逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层(LLC)(LLC)和介质访问控制子层和介质访问控制子层(MAC)(MAC)。LLCLLC和介质无关，它为上层用户提供多个服务访问点。和介质无关，它为上层用户提供多个服务访问点。它作为一个通用的子层，可以在总线以太网、令牌总它作为一个通用的子层，可以在总线以太网、令牌总线网，令牌环形网多种物理网络上实现。线网，令牌环形网多种物理网络上实现。MACMAC层是针对层是针对一种具体的介质的，描述在共享介质环境中如何进行一种具体的介质的，描述在共享介质环境中如何进行站的调度、发送和接收数据。站的调度、发送和接收数据。MACMAC确保信息跨链路的可确保信

4、息跨链路的可靠传输，对数据传输进行同步、识别错误和控制数据靠传输，对数据传输进行同步、识别错误和控制数据的流向。的流向。MACMAC协议的概念协议的概念MACMAC协议：在共享信道上有一个协议来仲裁发送者使用协议：在共享信道上有一个协议来仲裁发送者使用信道的权利，这就是信道的权利，这就是MACMAC（介质访问控制）协议。（介质访问控制）协议。MAC MAC 协议最重要的功能是确定网上的某个站点占有信协议最重要的功能是确定网上的某个站点占有信道，即信道分配问题。道，即信道分配问题。对于共享信道，通常采用的信道访问协议有：对于共享信道，通常采用的信道访问协议有： 无冲突的信道访问协议（轮询、预约、

5、频分、时分等）无冲突的信道访问协议（轮询、预约、频分、时分等） 有冲突的信道访问协议有冲突的信道访问协议 传统的以太网采用总线结构传统的以太网采用总线结构, MAC, MAC采用一种竞争的方采用一种竞争的方 式占用信道（式占用信道（CSMA/CDCSMA/CD）在初期的局域网技术和局域网标准中，在初期的局域网技术和局域网标准中，MACMAC协议都占了协议都占了极其重要的位置。随着高性能局域网的发展，采用共极其重要的位置。随着高性能局域网的发展，采用共享信道的系统结构已经完全不能满足高性能的要求了。享信道的系统结构已经完全不能满足高性能的要求了。局域网交换机的产生促进了独享信道的采用，在独享局域

6、网交换机的产生促进了独享信道的采用，在独享信道上，信道上，MACMAC协议其实是不必要的，不起作用的。协议其实是不必要的，不起作用的。CSMACSMA协议基础协议基础-ALOHA-ALOHA协议协议来由：来由：20 20 世纪世纪70 70 年代夏威夷大学希望将分散在年代夏威夷大学希望将分散在 7 7 个个岛上的计算机互连起来通信，开始取名岛上的计算机互连起来通信，开始取名 ALOHA ALOHA 系统的系统的研究。研究。通信特点：通信特点：各岛上的计算机通过中心与其他岛上的计算机通信各岛上的计算机通过中心与其他岛上的计算机通信共享无线信道传输共享无线信道传输, ,传输帧长度相等传输帧长度相等

7、随时发送，单帧停等，收到正确应答才发送下一帧随时发送，单帧停等，收到正确应答才发送下一帧, ,否否则重发则重发站点随时发送，冲突可能发生在数据帧传送的任何时站点随时发送，冲突可能发生在数据帧传送的任何时刻刻CSMACSMA协议基础协议基础时隙时隙ALOHAALOHA协议协议(ST ALOHA)(ST ALOHA)对对ALOHAALOHA随时发送进行改进随时发送进行改进全网时间同步全网时间同步, ,将时间按等长的时间片分割将时间按等长的时间片分割所有站点只能在时隙起始点发送所有站点只能在时隙起始点发送, ,冲突只可能始于数据帧发冲突只可能始于数据帧发送的起始位置送的起始位置, ,帧要么完全重叠帧

8、要么完全重叠, ,要么完全冲突要么完全冲突. .ALOHAALOHA和和ST ALOHAST ALOHA存在的问题存在的问题 两者之发送前都不侦听信道两者之发送前都不侦听信道, ,因此冲突严重因此冲突严重,ALOHA,ALOHA最高最高有效吞吐率为有效吞吐率为18%,ST ALOHA18%,ST ALOHA的为的为37%37%CSMACSMA协议协议CSMACSMA：Carrier Sense Multiple AccessCarrier Sense Multiple Access载波侦听多路载波侦听多路访问访问CSMACSMA的基本思想：的基本思想：对对ALOHA ALOHA 协议发送前不监

9、听信道进行改进协议发送前不监听信道进行改进所有站点在发送前监听信道，信道闲发送，信道忙等所有站点在发送前监听信道，信道闲发送，信道忙等待待CSMACSMA协议的发展协议的发展CSMACSMA协议的潜在问题协议的潜在问题 虽然发送前侦听信道，降低了冲突的可能性，虽然发送前侦听信道，降低了冲突的可能性，但一旦冲突发生，发送仍继续，直到一帧发送但一旦冲突发生，发送仍继续，直到一帧发送完为止，信道资源浪费，利用率低。完为止，信道资源浪费，利用率低。对对CSMA CSMA 的发展主要是提高信道利用率、尽可的发展主要是提高信道利用率、尽可能避免冲突、发现冲突和快速分解冲突。能避免冲突、发现冲突和快速分解冲

10、突。由由CSMA CSMA 发展的典型协议发展的典型协议以太网以太网MACMAC协议协议CSMA/CDCSMA/CD无线局域网无线局域网MACMAC协议协议CSMA/CACSMA/CACSMACSMA协议协议CSMACSMA机制的三种策略机制的三种策略所有站点在发送前侦听信道所有站点在发送前侦听信道, ,若信道闲则立即发送若信道闲则立即发送, ,若信道若信道忙忙, ,则继续一直侦听信道直到闲则继续一直侦听信道直到闲, ,此时是否发送有三种策略此时是否发送有三种策略: :1 1坚持坚持: :立即发送（适合负载较轻的场合）立即发送（适合负载较轻的场合）0 0坚持坚持: :不发送不发送, ,后退一个

11、随机的时间后退一个随机的时间, ,回到初始状态再试回到初始状态再试（适合负载较重的场合）（适合负载较重的场合）P P坚持坚持: :发送概率为发送概率为P,P,不发送的概率为不发送的概率为1-p1-p，若没有发送，则，若没有发送，则后退一个随机时间，回到初始状态再试（后退一个随机时间，回到初始状态再试（P P坚持在两者之间，坚持在两者之间，可调节可调节P P值，适应不同的负载）值，适应不同的负载）CSMACSMA协议协议CSMACSMA机制的冲突问题机制的冲突问题虽然所有站点在发送前都侦听信道虽然所有站点在发送前都侦听信道, ,各站点发送时都认各站点发送时都认为信道闲为信道闲, ,但由于传播需要

12、时间但由于传播需要时间, ,冲突依然存在冲突依然存在CSMA/CDCSMA/CD协议协议CSMA/CDCSMA/CD：Carrier Sense Multiple Access with Carrier Sense Multiple Access with Collusion DetectCollusion Detect带冲突检测的载波侦听多路访问带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CDCSMA/CD协议的基本思想协议的基本思想在在CSMACSMA的基础上，赋予各站检测冲突的能力的基础上，赋予各站检测冲突的能力站点发送前侦听信道，发送后检测信道是否有冲突发生站点发送前侦听信道，发送后检测信道

13、是否有冲突发生若冲突发生，则发送一个短的冲突加强信号后停止数据帧若冲突发生，则发送一个短的冲突加强信号后停止数据帧的发送，然后按照二进制指数退避的发送，然后按照二进制指数退避结果是冲突时不必等一帧发完，信道得到及时释放，利用结果是冲突时不必等一帧发完，信道得到及时释放，利用率提高率提高全双工以太网与MAC协议随着交换式以太网和全双工以太网的普及，以太网开随着交换式以太网和全双工以太网的普及，以太网开始不用共享信道了，始不用共享信道了，CSMA/CDCSMA/CD协议也已经退出核心位置。协议也已经退出核心位置。以太网交换机的大量引入将共享式网络改变成交换网以太网交换机的大量引入将共享式网络改变成

14、交换网络，极大地提高了以太网的系统性能，极大地促进了络，极大地提高了以太网的系统性能，极大地促进了以太网的推广应用。交换机之间的链路是独享信道，以太网的推广应用。交换机之间的链路是独享信道，是点到点链路并采取全双工传输方式。在新近发展的是点到点链路并采取全双工传输方式。在新近发展的802.3802.3标准中，全双工传输的地位越来越突出。千兆位标准中，全双工传输的地位越来越突出。千兆位以太网已经不生产使用共享信道的设备，万兆位以太以太网已经不生产使用共享信道的设备，万兆位以太网和以太网接入网的标准中明确指出只支持全双工的网和以太网接入网的标准中明确指出只支持全双工的传输设备。传输设备。以太帧格式

15、DADA：目的地址，接收方地址，可以是单播：目的地址，接收方地址，可以是单播or or 组播组播oror广广播地址播地址SASA：源地址，发送方地址，只能是单播：源地址，发送方地址，只能是单播Len/typeLen/type：长度：长度/ /类型类型LenLen：由：由LLC LLC 帧封装高层数据帧封装高层数据以太帧格式以太帧格式type:type:直接由直接由MACMAC帧封装高层数据，且不同的值帧封装高层数据，且不同的值代表不同的数据类型代表不同的数据类型. .如如08000800表示表示IPIP数据：指以太网封装的高层数据数据：指以太网封装的高层数据, ,如如IPIPFCSFCS：帧检

16、验字段，根据：帧检验字段，根据CRC-32CRC-32多项式生成。多项式生成。帧的最大改进是由于增加了帧的最大改进是由于增加了typetype字段的含义，字段的含义，802.3802.3帧帧可以封装多种协议的数据，改变了可以封装多种协议的数据，改变了19851985版中只能封装版中只能封装802.2/LLC802.2/LLC协议的重大缺陷，大大提高了协议的重大缺陷，大大提高了802.3802.3协议的协议的运行效率，开始建立了运行效率，开始建立了IEEE 802.3IEEE 802.3在以太网标准中的在以太网标准中的唯一地位。唯一地位。应用中的栈应用中的栈当使用当使用IEEE 802.3-1985 IEEE 802.3-1985 标准时，由于标准时，由于MACMAC帧只帧只能封装能封装LLC PDULLC PDU（协议数据单元），所以（协议数据单元），所以MACMAC协协议只能为议只能为IEEE 802.2 IEEE 802.2 标准的标准的LLCLLC协议提供服务。协议提供服务。LLCLLC协议不能直接为协议不能直接为IPIP协议提供服务，所以还需协议提供服务，所以还需要要SNAPSNAP（子网访问协议）协议提供转接服务。（子网访问协议）协议提供转接服务。而使用而使