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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-1E00-60-08-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协议协议以以太太网网第第二二层层数数据据链链路路层层规规范范由由两两个个独独立立的的部部分
3、分组组成成。逻逻辑辑链链路路控控制制子子层层(LLC)(LLC)和和介介质质访访问问控控制制子子层层(MAC)(MAC)。LLCLLC和和介介质质无无关关，它它为为上上层层用用户户提提供供多多个个服服务务访访问问点点。它它作作为为一一个个通通用用的的子子层层，可可以以在在总总线线以以太太网网、令令牌牌总总线线网网，令令牌牌环环形形网网多多种种物物理理网网络络上上实实现现。MACMAC层层是是针针对对一一种种具具体体的的介介质质的的，描描述述在在共共享享介介质质环环境境中中如如何何进进行行站站的的调调度度、发发送送和和接接收收数数据据。MACMAC确确保保信信息息跨跨链链路路的的可可靠靠传传输，
4、对数据传输进行同步、识别错误和控制数据的流向。输，对数据传输进行同步、识别错误和控制数据的流向。MACMAC协议的概念协议的概念MACMAC协协议议：在在共共享享信信道道上上有有一一个个协协议议来来仲仲裁裁发发送送者者使使用用信道的权利，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 协协议议最最重重要要的的功功能能是是确确定定网网上上的的某某个个站站点点占占有有信信道道，即信道分配问题。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、频分、时分等）无冲突的信道访问
5、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 传传 统统 的的 以以 太太 网网 采采 用用 总总 线线 结结 构构,MACMAC采采 用用 一一 种种 竞竞 争争 的的 方方 式占用信道（式占用信道（CSMA/CDCSMA/CD）在在初初期期的的局局域域网网技技术术和和局局域域网网标标准准中中，MACMAC协协议议都都占占了了极极其其重重要要的的位位置置。随随着着高高性性能能局局域域网网的的发发展展，采采用用共共享享信信道道的的系系统统结结构构已已经经完完全全不不能能满满足足高高性性能能的的要要求求了了。局局域域网网交交换换机机的的产产生生促促进进了了独独享享信信
6、道道的的采采用用，在在独独享享信信道道上，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协议协议来来由由：20 20 世世纪纪70 70 年年代代夏夏威威夷夷大大学学希希望望将将分分散散在在 7 7 个个岛岛上上的的计计算算机机互互连连起起来来通通信信，开开始始取取名名 ALOHA ALOHA 系系统统的的研究。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随随时时发发送送，单
7、单帧帧停停等等，收收到到正正确确应应答答才才发发送送下下一一帧帧,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刻站点随时发送，冲突可能发生在数据帧传送的任何时刻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所有有站站点点只只能能在在时时隙隙起起始始点点发发送送,冲冲突突只只可可能能始始于于数数据据帧帧发发送的起始位置送的起始位置,帧要么完全重叠帧要么完全重叠,要么完全冲突要么完全冲突.
8、ALOHAALOHA和和ST ALOHAST ALOHA存在的问题存在的问题 两两者者之之发发送送前前都都不不侦侦听听信信道道,因因此此冲冲突突严严重重,ALOHA,ALOHA最最高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 Carrier Sense Sense Multiple Multiple AccessAccess载载波波侦侦听听多多路路访问访问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
9、发送前监听信道，信道闲发送，信道忙等待所有站点在发送前监听信道，信道闲发送，信道忙等待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 虽虽然然发发送送前前侦侦听听信信道道，降降低低了了冲冲突突的的可可能能性性，但但一一旦旦冲冲突突发发生生，发发送送仍仍继继续续，直直到到一一帧帧发发送送完为止，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 的的发发展展主主要要是是提提高高信信道道利利用用率率、尽尽可可能能避免冲突、发现冲突和快速分解冲突。避免冲突、发现冲突和快速分解冲突。由由CSMA CSMA 发展的典型协议发展的典型协议以太网
10、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所有有站站点点在在发发送送前前侦侦听听信信道道,若若信信道道闲闲则则立立即即发发送送,若若信信道道忙忙,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坚坚持持:不不发发送送,后后退退一一个个随随机机的的时时间间,回回到到初初始始状状态态再再试试（适合负载较重的场合）（适合负载
11、较重的场合）P P坚坚持持:发发送送概概率率为为P,P,不不发发送送的的概概率率为为1-p1-p，若若没没有有发发送送，则则后后退退一一个个随随机机时时间间，回回到到初初始始状状态态再再试试（P P坚坚持持在在两两者者之之间间，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虽然然所所有有站站点点在在发发送送前前都都侦侦听听信信道道,各各站站点点发发送送时时都都认认为信道闲为信道闲,但由于传播需要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：Car
12、rier Carrier Sense Sense Multiple Multiple Access Access with 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，发送后检测信道是否有冲突发生若若冲冲突突发发生生，则则发发送送一一个个短短的的冲冲突突加加强强信信号号后后停停止止数数据据帧帧的发送，然后
13、按照二进制指数退避的发送，然后按照二进制指数退避结结果果是是冲冲突突时时不不必必等等一一帧帧发发完完，信信道道得得到到及及时时释释放放，利利用用率提高率提高全双工以太网与MAC协议随随着着交交换换式式以以太太网网和和全全双双工工以以太太网网的的普普及及，以以太太网网开开始始不用共享信道了，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。以以太太网网交交换换机机的的大大量量引引入入将将共共享享式式网网络络改改变变成成交交换换网网络络，极极大大地地提提高高了了以以太太网网的的系系统统性性能能，极极大大地地促促进进了了以以太太网网的的推推广广应应用用。交交
14、换换机机之之间间的的链链路路是是独独享享信信道道，是是点点到到点点链链路路并并采采取取全全双双工工传传输输方方式式。在在新新近近发发展展的的802.3802.3标标准准中中，全全双双工工传传输输的的地地位位越越来来越越突突出出。千千兆兆位位以以太太网网已已经经不不生生产产使使用用共共享享信信道道的的设设备备，万万兆兆位位以以太太网网和和以以太太网网接接入网的标准中明确指出只支持全双工的传输设备。入网的标准中明确指出只支持全双工的传输设备。以太帧格式DADA：目目的的地地址址，接接收收方方地地址址，可可以以是是单单播播or or 组组播播oror广广播地址播地址SASA：源地址，发送方地址，只能
15、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:直直接接由由MACMAC帧帧封封装装高高层层数数据据，且且不不同同的的值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。帧帧的的最最大大改改进进是是由由于于增增加加了了typetype字字段段的的含含义义，80
16、2.3802.3帧帧可可以以封封装装多多种种协协议议的的数数据据，改改变变了了19851985版版中中只只能能封封装装802.2/LLC802.2/LLC协协议议的的重重大大缺缺陷陷，大大大大提提高高了了802.3802.3协协议议的的运运行行效效率率，开开始始建建立立了了IEEE IEEE 802.3802.3在在以以太太网网标标准准中中的的唯唯一一地位。地位。应用中的栈应用中的栈当当使使用用IEEE IEEE 802.3-1985 802.3-1985 标标准准时时，由由于于MACMAC帧帧只只能能封封装装LLC LLC PDUPDU（协协议议数数据据单单元元），所所以以MACMAC协协议
17、议只只能能为为IEEE IEEE 802.2 802.2 标标准准的的LLCLLC协协议议提提供供服服务务。LLCLLC协协议议不不能能直直接接为为IPIP协协议议提提供供服服务务，所所以以还还需需要要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。而而使使用用IEEE IEEE 802.3-2002 802.3-2002 标标准准时时，由由于于MACMAC已已经经可可以以增增加加封封装装IPIP分分组组，所所以以协协议议可可以以大大大大简简化化协协议议栈栈。协协议议栈栈的的简简化化是是的的运运行行代代码码更更为为简简洁洁，不不但但可可以以提提高高协协议议代代码码的可靠性，而且可以大大提高协议运行的效率。的可靠性，而且可以大大提高协议运行的效率。现现在在，以以IPoEIPoE模模式式工工作作的的协协议议栈栈都都使使用用如如图图3-53-5右右侧侧的的简洁模式。简洁模式。