IEEE802.3 MAC幀格式的分析與應用IEEE 802.3 MAC幀格式的分析與應用摘要 本文介紹了IEEE8023標準中規定的兩種以太網幀格式，基本幀格式和擴展幀格式。得出以下結論，IEEE802.3-2005基本幀格式，主要由前導、SDF、DA、SA、Length/Type、DATA、Pad、FCS等8部分組成，還可增添4字節的擴展部分，其總長度為64-1518字節。擴展幀格式在基本幀格式上增加了“802.1Q TAG”類型和TCI字段，可實現對用戶優先級和VLAN加標幀的控制。關鍵詞 IEEE 802.3 基本幀格式 擴展幀格式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 users priority.Keyword IEEE 802.3 Basic Frame Q-tagged Frame1前言IEEE 8023又叫做具有CSMACD(載波監聽多路訪問沖突檢測)的網絡。CSMA/CD是IEEE8023采用的媒體接入控制技術，或稱為介質訪問控制技術。因此，IEEE 8023是以“以太網”為技術原型，本質特點是采用CSMACD的介質訪問控制技術。IEEE 8023協議標準系列中，數據鏈路層包括邏輯鏈路控制(LLC)子層和媒體訪問控制(MAC)子層。其中MAC位于LLC和物理層之間，它使LLC適應于不同的媒體訪問技術和物理媒體。MAC單獨作為一個子層，就不會因為媒體訪問方法改變而影響較高層次的協議。MAC由數據拆裝和媒體訪問管理兩個模塊組成，完成數據幀的封裝、解封、發送和接收功能。下圖描述的就是千兆以太網的實際模型。 圖1 千兆以太網的實際模型Ethernet上發送的的數據是按一定格式進行的，并將此數據格式稱為幀。幀是一系列標準化的數據位，是以太網系統的核心部件，以太網站點采用發送信息幀的方式進行通信，幀是網絡通信的基本單元，節點間發送任何信息，都要將內容放在幀的有效部分當中，通過一個或多個幀進行傳送。節點之間可靠的幀傳輸不僅是相互通信的保障，通過幀的傳輸還可以實現對網絡的控制等各種功能。幀結構的目的是提供一種封裝來承載數據。幀的基本結構是由原始的DECIntelXerox(DIX)以太網標準定義的，最后由IEEE 8023X提出官方標準。下面將對兩種MAC幀，包括基本幀結構和擴展幀結構及應用進行具體的分析。2. 基本幀結構從1998編輯版開始，802.3標準對MAC幀的結構作了重大的變化，增添了擴展幀，基本的幀格式也有了意義重大的變化。如圖2是802.3-2005中基本幀格式。圖2 802.3-2005基本幀格式2.1前導碼處于mac幀開始處的字段為前導碼字段，由7個字節組成。其功能是使接收器建立比特同步。編碼形式為多個“1”或“0”交替構成的二進制序列,最后一比特為“0”。在這種編碼形式下，經過曼徹斯特編碼后為一周期性方波。 圖3 前導碼2.2 幀首定界符(sfd)幀首定界符(sfd)是man幀的第2個字段,其編碼形式為“10101011”序列，長度剛好為一個字節。該字段的功能是指示一幀的開始。2.3 目的地址字段(da)和源點地址(sa)目的地址字段(da)為第3個字段，長度為6個字節。該字段用來指出幀要發住的工作站。源點地址(sa)處于終點地址字段之后,其長度也為6個字節。該字段功能是指示發送該幀的工作站地址。每個地址字段如圖4所示。 圖4 地址格式a)每個地址字段都是48比特長度。盡管IEEE802指定可用16位或者48位比特地址，但IEEE802.3的實現沒有使用16位比特地址。因此16位比特地址特別地被這個標準排除了。b)第一位(LSB)將用于目的地址字段作為地址類型標志位用于識別目的地址是單地址還是組地址。如果這位是0，標識單地址；如果是1，標識組地址，組地址則可以是0個，1個，多個或者全部連接在LAN上的網絡站。源地址字段中第一位保留或設置為0。c)第二位將用于區別局部或全局可管理地址。對全局可管理(U)地址，這一位設為0。如果一個地址是局部可管理的，這一位設為1。注意的是，對廣播地址而言，這一位仍然是l。d)地址中字節位序。以太網同大多數數據通信系統一樣，傳輸一個字節的順序是從最低有效位到最高有效。一般二進制數字最低位寫在最左邊，而最高位寫在最右邊，這被稱為小端形式或正規形式。一個字節可以寫成兩個十六進制數字，第一個數字(最左邊)是最高位數字，第二個(最右邊)是最低位數字。例如，6字節域：08.OO.60.01.ZC.4A 將按以下順序從左向右串行發送：000100000000000000000110一1000000000110100010100102.4 長度/類型字段長度/類型字段為第5個字段，其長度為2個字節，長度類型字段具有兩種意義中的一種。如果這個字段的值小于1518，那么這個字段就是長度字段，并定義后面的數據字段的長度。但是如果這個字段的值大于1518，它就定義使用因特網服務的上層協議。長度域：0800H 表示數據為IP包，0806H 表示數據為ARP包，814CH是SNMP包,8137H為IPX/SPX包，（小于0600H的值是用于IEEE802的，表示數據包的長度。2.5 MAC客戶數據字段MAC客戶數據字段是幀要載攜的用戶數據，該數據有46-1500字節長，由llc子層提供或接收。如下圖5如示。圖5 MAC客戶數據格式其中，DSAP(1字節)表示目的服務訪問點，指出MAC幀的數據應上交給哪一個協議，SSAP(1字節)表示源服務訪問點，指出該MAC幀是從哪一個協議發送過來的，另外還有1或2字節的控制字段。此三部分構成LLC幀的首部三個字段。2.6 填充(pad)字段填充(pad)字段緊接的MAC客戶數據字段之后，包含一個n字節序列，它們可以是任意值，允許所有數據對傳輸的幀是透明的。當MAC客戶數據字段的長度小于46字節時，則應加以填充(內容不限)，這樣，整個MAC幀(包含14字節首都和四字節尾部)的最小長度是64字節或512bit。數據字段的長度不能超過標準指定的最大值1500字節。2.7 幀檢驗序列(fcs)幀檢驗序列(fcs)處于幀的最后，其長度為32比特，用于檢驗幀在傳輸過程中有無差錯。FCS是在傳輸之前，在DA、SA、長度類型和數據+填充字段上生成的。將傳輸的FCS值與新的FCS值比較，而新值是在接收該幀時計算得到的。這提供對DA、SA、長度類型、數據+填充及幀校驗序列(FCS)字段的差錯檢測。目前，采用使用CRC-32計算產生。生成多項式: 2.8 無效的MAC幀格式802.3標準規定凡出現下列情況之的即為無效的MAC幀：(1)MAC客戶數據字段的長度與長度字段的值不致；(2)幀的長度不是整數個字節；(3)當收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯。(4)收到的幀的MAC客戶數據字段的長度不在461500字節之間。對于檢查出的無效MAC幀就簡單地丟棄，以太網不負責重傳丟失的幀。為什么長度不夠的幀就是無效幀呢？這是因為，CSMA/CD協議的一個要點就是當發送站正在發送時，若檢測到碰撞則立即中止發送，然后推后一段時間后再發送。如果所發送的幀太短，還沒有來得及檢測到碰撞就已經發送完了那么就無法進行碰撞檢測因而就會使CSMA/CD協議變得沒有意義。因此，所發送的幀的最短長度應當要保證在發送完畢之前，必須能夠檢測到可能最晚來到的碰撞信號。這段時間就是以太網的兩倍端到端往返時延。在802.3標準中，這段時間取為51.2us， 對于10M Bit/s速率的以太網，這段時間可以發送512bit。這樣就得出了MAC幀的最短長度為512bit，或64字節。在接收端，凡長度不夠64字節的幀就都認為是應當棄的無效幀。MAC子層的標準還規定了幀間最小間隙為9.6us，相當于96bit的發送時間。這就是說，一個站在檢沒到總線開始空閑后，還要等待9.6us才能發送數據，這樣做是為了使剛剛收到數據幀的站接收緩存來路及清理做好接收下一幀的準備3.擴展幀結構 802.3中的擴展幀最早出現在IEEE 802.3ac-1998（VLAN的加標的幀擴展）中。802.3ac根據8021.1Q-1998標準中關于VLAN加標幀的擴展對以太幀作了相應的擴展。圖6是802.3-2005版中的擴展幀格式 圖6 IEEE802.3-2005擴展幀格式擴展幀最為重要的更動是在以太類型字段中新增加了一種“820.1Q TAG”類型，并可以引伸出作用層次性的構造方法繼續擴展MAC幀的概念。TCI字段包含3 個子字段:1) 用戶優先級：長度為3 位，可以表示8個優先級，瓢幀中封裝的MAC客戶數據的優先級。優先級“000”最低，“111”最高。2) CFI“規范格式指示器，長度為1位，指示MAC地址信息是否是“規范格式”。3) VID：VLAN標識（VLAN Identifier），長度為12位，取值為04095，通常稱為“VLAN號”，是VLAN的基本標識符。其余各部分的結構與功能都和基本幀結構相同，不再贅述。4.結論 以太網的幀的演進最主要的兩個變化是：一是重用了以太類型字段，允許在幀中封閉各種類型的高層數據，為802.3的MAC子層增加了多重服務訪問點，使多種高層可以直接訪問MAC子層與層次性的幀格式擴展類型，最重要的是使得IP協議可以很方便地直接訪問802.3規范的MAC層。二是使用MAC幀層次性擴展技術，其意義在于，除了可以用于VLAN之外，還可以使用相同的方法按照層次性的觀念將MAC幀逐次擴展，從而可以構造出一系列各種等級的幀擴展