MAC幀格式分析與應(yīng)用.docx

IEEE802.3 MAC幀格式的分析與應(yīng)用IEEE 802.3 MAC幀格式的分析與應(yīng)用摘要 本文介紹了IEEE8023標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的兩種以太網(wǎng)幀格式，基本幀格式和擴(kuò)展幀格式。得出以下結(jié)論，IEEE802.3-2005基本幀格式，主要由前導(dǎo)、SDF、DA、SA、Length/Type、DATA、Pad、FCS等8部分組成，還可增添4字節(jié)的擴(kuò)展部分，其總長度為64-1518字節(jié)。擴(kuò)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(shí)現(xiàn)對用戶優(yōu)先級和VLAN加標(biāo)幀的控制。關(guān)鍵詞 IEEE 802.3 基本幀格式 擴(kuò)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(jiān)聽多路訪問沖突檢測)的網(wǎng)絡(luò)。CSMA/CD是IEEE8023采用的媒體接入控制技術(shù)，或稱為介質(zhì)訪問控制技術(shù)。因此，IEEE 8023是以“以太網(wǎng)”為技術(shù)原型，本質(zhì)特點(diǎn)是采用CSMACD的介質(zhì)訪問控制技術(shù)。IEEE 8023協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)系列中，數(shù)據(jù)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(yīng)于不同的媒體訪問技術(shù)和物理媒體。MAC單獨(dú)作為一個(gè)子層，就不會因?yàn)槊襟w訪問方法改變而影響較高層次的協(xié)議。MAC由數(shù)據(jù)拆裝和媒體訪問管理兩個(gè)模塊組成，完成數(shù)據(jù)幀的封裝、解封、發(fā)送和接收功能。下圖描述的就是千兆以太網(wǎng)的實(shí)際模型。 圖1 千兆以太網(wǎng)的實(shí)際模型Ethernet上發(fā)送的的數(shù)據(jù)是按一定格式進(jìn)行的，并將此數(shù)據(jù)格式稱為幀。幀是一系列標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)位，是以太網(wǎng)系統(tǒng)的核心部件，以太網(wǎng)站點(diǎn)采用發(fā)送信息幀的方式進(jìn)行通信，幀是網(wǎng)絡(luò)通信的基本單元，節(jié)點(diǎn)間發(fā)送任何信息，都要將內(nèi)容放在幀的有效部分當(dāng)中，通過一個(gè)或多個(gè)幀進(jìn)行傳送。節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的控制等各種功能。幀結(jié)構(gòu)的目的是提供一種封裝來承載數(shù)據(jù)。幀的基本結(jié)構(gòu)是由原始的DECIntelXerox(DIX)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義的，最后由IEEE 8023X提出官方標(biāo)準(zhǔn)。下面將對兩種MAC幀，包括基本幀結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展幀結(jié)構(gòu)及應(yīng)用進(jìn)行具體的分析。2. 基本幀結(jié)構(gòu)從1998編輯版開始，802.3標(biāo)準(zhǔn)對MAC幀的結(jié)構(gòu)作了重大的變化，增添了擴(kuò)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(dǎo)碼處于mac幀開始處的字段為前導(dǎo)碼字段，由7個(gè)字節(jié)組成。其功能是使接收器建立比特同步。編碼形式為多個(gè)“1”或“0”交替構(gòu)成的二進(jìn)制序列,最后一比特為“0”。在這種編碼形式下，經(jīng)過曼徹斯特編碼后為一周期性方波。 圖3 前導(dǎo)碼2.2 幀首定界符(sfd)幀首定界符(sfd)是man幀的第2個(gè)字段,其編碼形式為“10101011”序列，長度剛好為一個(gè)字節(jié)。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(diǎn)地址(sa)目的地址字段(da)為第3個(gè)字段，長度為6個(gè)字節(jié)。該字段用來指出幀要發(fā)住的工作站。源點(diǎn)地址(sa)處于終點(diǎn)地址字段之后,其長度也為6個(gè)字節(jié)。該字段功能是指示發(fā)送該幀的工作站地址。每個(gè)地址字段如圖4所示。 圖4 地址格式a)每個(gè)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I(xiàn)EEE802.3的實(shí)現(xiàn)沒有使用16位比特地址。因此16位比特地址特別地被這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)排除了。b)第一位(LSB)將用于目的地址字段作為地址類型標(biāo)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(biāo)識單地址；如果是1，標(biāo)識組地址，組地址則可以是0個(gè)，1個(gè)，多個(gè)或者全部連接在LAN上的網(wǎng)絡(luò)站。源地址字段中第一位保留或設(shè)置為0。c)第二位將用于區(qū)別局部或全局可管理地址。對全局可管理(U)地址，這一位設(shè)為0。如果一個(gè)地址是局部可管理的，這一位設(shè)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(jié)位序。以太網(wǎng)同大多數(shù)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一樣，傳輸一個(gè)字節(jié)的順序是從最低有效位到最高有效。一般二進(jìn)制數(shù)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(guī)形式。一個(gè)字節(jié)可以寫成兩個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字，第一個(gè)數(shù)字(最左邊)是最高位數(shù)字，第二個(gè)(最右邊)是最低位數(shù)字。例如，6字節(jié)域：08.OO.60.01.ZC.4A 將按以下順序從左向右串行發(fā)送：000100000000000000000110一1000000000110100010100102.4 長度/類型字段長度/類型字段為第5個(gè)字段，其長度為2個(gè)字節(jié)，長度類型字段具有兩種意義中的一種。如果這個(gè)字段的值小于1518，那么這個(gè)字段就是長度字段，并定義后面的數(shù)據(jù)字段的長度。但是如果這個(gè)字段的值大于1518，它就定義使用因特網(wǎng)服務(wù)的上層協(xié)議。長度域：0800H 表示數(shù)據(jù)為IP包，0806H 表示數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包的長度。2.5 MAC客戶數(shù)據(jù)字段MAC客戶數(shù)據(jù)字段是幀要載攜的用戶數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)有46-1500字節(jié)長，由llc子層提供或接收。如下圖5如示。圖5 MAC客戶數(shù)據(jù)格式其中，DSAP(1字節(jié))表示目的服務(wù)訪問點(diǎn)，指出MAC幀的數(shù)據(jù)應(yīng)上交給哪一個(gè)協(xié)議，SSAP(1字節(jié))表示源服務(wù)訪問點(diǎn)，指出該MAC幀是從哪一個(gè)協(xié)議發(fā)送過來的，另外還有1或2字節(jié)的控制字段。此三部分構(gòu)成LLC幀的首部三個(gè)字段。2.6 填充(pad)字段填充(pad)字段緊接的MAC客戶數(shù)據(jù)字段之后，包含一個(gè)n字節(jié)序列，它們可以是任意值，允許所有數(shù)據(jù)對傳輸?shù)膸峭该鞯摹．?dāng)MAC客戶數(shù)據(jù)字段的長度小于46字節(jié)時(shí)，則應(yīng)加以填充(內(nèi)容不限)，這樣，整個(gè)MAC幀(包含14字節(jié)首都和四字節(jié)尾部)的最小長度是64字節(jié)或512bit。數(shù)據(jù)字段的長度不能超過標(biāo)準(zhǔn)指定的最大值1500字節(jié)。2.7 幀檢驗(yàn)序列(fcs)幀檢驗(yàn)序列(fcs)處于幀的最后，其長度為32比特，用于檢驗(yàn)幀在傳輸過程中有無差錯(cuò)。FCS是在傳輸之前，在DA、SA、長度類型和數(shù)據(jù)+填充字段上生成的。將傳輸?shù)腇CS值與新的FCS值比較，而新值是在接收該幀時(shí)計(jì)算得到的。這提供對DA、SA、長度類型、數(shù)據(jù)+填充及幀校驗(yàn)序列(FCS)字段的差錯(cuò)檢測。目前，采用使用CRC-32計(jì)算產(chǎn)生。生成多項(xiàng)式: 2.8 無效的MAC幀格式802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定凡出現(xiàn)下列情況之的即為無效的MAC幀：(1)MAC客戶數(shù)據(jù)字段的長度與長度字段的值不致；(2)幀的長度不是整數(shù)個(gè)字節(jié)；(3)當(dāng)收到的幀檢驗(yàn)序列FCS查出有差錯(cuò)。(4)收到的幀的MAC客戶數(shù)據(jù)字段的長度不在461500字節(jié)之間。對于檢查出的無效MAC幀就簡單地丟棄，以太網(wǎng)不負(fù)責(zé)重傳丟失的幀。為什么長度不夠的幀就是無效幀呢？這是因?yàn)?，CSMA/CD協(xié)議的一個(gè)要點(diǎn)就是當(dāng)發(fā)送站正在發(fā)送時(shí)，若檢測到碰撞則立即中止發(fā)送，然后推后一段時(shí)間后再發(fā)送。如果所發(fā)送的幀太短，還沒有來得及檢測到碰撞就已經(jīng)發(fā)送完了那么就無法進(jìn)行碰撞檢測因而就會使CSMA/CD協(xié)議變得沒有意義。因此，所發(fā)送的幀的最短長度應(yīng)當(dāng)要保證在發(fā)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(shí)間就是以太網(wǎng)的兩倍端到端往返時(shí)延。在802.3標(biāo)準(zhǔn)中，這段時(shí)間取為51.2us， 對于10M Bit/s速率的以太網(wǎng)，這段時(shí)間可以發(fā)送512bit。這樣就得出了MAC幀的最短長度為512bit，或64字節(jié)。在接收端，凡長度不夠64字節(jié)的幀就都認(rèn)為是應(yīng)當(dāng)棄的無效幀。MAC子層的標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了幀間最小間隙為9.6us，相當(dāng)于96bit的發(fā)送時(shí)間。這就是說，一個(gè)站在檢沒到總線開始空閑后，還要等待9.6us才能發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站接收緩存來路及清理做好接收下一幀的準(zhǔn)備3.擴(kuò)展幀結(jié)構(gòu) 802.3中的擴(kuò)展幀最早出現(xiàn)在IEEE 802.3ac-1998（VLAN的加標(biāo)的幀擴(kuò)展）中。802.3ac根據(jù)8021.1Q-1998標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于VLAN加標(biāo)幀的擴(kuò)展對以太幀作了相應(yīng)的擴(kuò)展。圖6是802.3-2005版中的擴(kuò)展幀格式 圖6 IEEE802.3-2005擴(kuò)展幀格式擴(kuò)展幀最為重要的更動(dòng)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(gòu)造方法繼續(xù)擴(kuò)展MAC幀的概念。TCI字段包含3 個(gè)子字段:1) 用戶優(yōu)先級：長度為3 位，可以表示8個(gè)優(yōu)先級，瓢幀中封裝的MAC客戶數(shù)據(jù)的優(yōu)先級。優(yōu)先級“000”最低，“111”最高。2) CFI“規(guī)范格式指示器，長度為1位，指示MAC地址信息是否是“規(guī)范格式”。3) VID：VLAN標(biāo)識（VLAN Identifier），長度為12位，取值為04095，通常稱為“VLAN號”，是VLAN的基本標(biāo)識符。其余各部分的結(jié)構(gòu)與功能都和基本幀結(jié)構(gòu)相同，不再贅述。4.結(jié)論 以太網(wǎng)的幀的演進(jìn)最主要的兩個(gè)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(shù)據(jù)，為802.3的MAC子層增加了多重服務(wù)訪問點(diǎn)，使多種高層可以直接訪問MAC子層與層次性的幀格式擴(kuò)展類型，最重要的是使得IP協(xié)議可以很方便地直接訪問802.3規(guī)范的MAC層。二是使用MAC幀層次性擴(kuò)展技術(shù)，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(kuò)展，從而可以構(gòu)造出一系列各種等級的幀擴(kuò)展