（微电子学与固体电子学专业论文）ieee8023+csmacd+mac核设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 1 1 本课题的来源 1绪论 本课题来源是由北京海尔集成电路设计有限公司资助，由华中科技大学电子科学 与技术系负责进行一个以太网芯片的设计。芯片设计完成之后，由北京海尔集成电路 设计有限公司进行f p g a 调试。 该芯片主要完成i e e e 8 0 2 3 标准( t h ei n s t i s t u t eo f e l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ) 所规定的带冲突检测的载波侦听多点接入c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 的功能，进行半双i ( h a l f d u p l e x ) 通讯，方便快捷的接 入局域网2 】【3 l o i e e e 8 0 2 3 标准是基于以太网的规范，该标准定义了在共享传输介质的局域网中， 如何进行介质接入控制和物理层应具有的特性。以太网介质接入控制m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 技术是带冲突检测的载波侦听多点接入c s m a c d ( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s s 谢血c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 技术。 载波侦听多点接入冲突探测c s m a c d 技术的前身是随机访问或竞争的技术。这 种技术的特点在每个站点的信息传输都没有预先安排的时间，而且是不可预测。因此， 他被称为随机访问，也就是各站点的传输随机排序，每个站点都为占用介质上的时间 而竞争，所以他是竞争技术，a l o h a 是此类技术中最早也是很典型的一种技术 4 1 。 a l o h a 最早是美国夏威夷大学开发的种使用无线电广播技术的分组交换计算 机网，它对任何共享的传输介质都有效。只要一个站点想要传输信息帧，它就把信息 帧传输出去，然后侦听一段时间，如果在信息来回传播的最大延迟时间( 两倍于两个 间隔最大的站点之间传递信息的时间) 再加上一小段固定的时间内收到了确认，则说 明传输成功；否则，传输站点重发信息帧。由于这种a l o h a 做得实在简单，所以效 率低下，在负荷增加时冲突的次数迅速上升，而信道的利用率大概最大只能达到1 8 4 【5 】。因为a l o h a 没有利用无线分组网和局域网的主要特点，即：与帧的传输时间 相比，传播时间是很短的。 华中科技大学硕士学位论文 后来，对a l o h a 的修改，导致了载波侦听多点接入带冲突探测( c s m a c d ) 的 产生。在载波侦听多点接入带冲突探测c s m a c d 机制中，想要传输的站点首先会听 一听介质上是否有其他站点在传输( 载波侦听) 。如果介质忙，则必须等待，直到介 质上没有数据传输；如果介质空闲，则可以传输。假设如果有两个或多个站点同时探 测到介质空闲，而且这两个或多个站点都开始发送，则会发生冲突，这时，首先探测 到冲突的站点会发出一个短小的人为干扰( j a m m i n g ) 信号，用于通知使用的站点都知道 发生了冲突并停止传输，并再次等待介质空闲。在这种工作机制下，c s m a c d 可以 达到较高的吞吐量。在图1 1 中对比了a l o h a 和c s m a c d 两种机制的吞吐量【5 1 。 由图得知在同样的时延下，c s m a c d 可以获得比a l o h a 大得多的吞吐量 6 】【7 【8 【们。 所以，在目前的网络数据通讯中，介质接入控制层的工作机制是c s m a c d 机制。 o 几o d s 图1 1 两种不同协议的归一化时延( d 厂r 0 ) 与吞吐量( s ) 的关系曲线 除了a l o h a 信道接入技术，早先还有一种叫“轮询”的多点接入机制。但是由 于他们( 包括a l o h a 和“轮询”的方法) 吞吐量都没有c s m a c d 好，所以现在 c s m a c d 技术占据了统治1 1o 】【1 。 在开放系统互连基本参考模型o s i r m ( o p c as y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r r e n c e m o d e l ) 中，介质接入控制层m a c 是居于物理层之上的，也就是说，对物理介质是透明 的，不管其使用何种介质，m a c 都是按照其既有的方式工作，如果在给他配上处理 2 加 5 2 ， 华中科技大学硕士学位论文 高层协议的软硬件，那么就可以方便的实现对局域网的访问了【1 2 】。 现在的网络传输，需要传播大量的多媒体数据和其他实时数据，这同时也对网络 接入点使用的网卡提出了较高的速度要求 ”1 。在目前广泛使用的以太网网卡中，主要 是由两个芯片构成，一个是实现i e e e 8 0 2 3c s m m c d 功能的m a c 芯片，亦即采用 载波侦听多点接入带冲突探测的介质接入方法；另一个芯片实现与传输介质相关的物 理层功能。 本课题的就是设计一个实现c s m a c d 功能的m a c 核。 1 2 设计c s m a c dm a c 核的意义 目前在以太网中使用的各个品牌的网卡，几乎都采用了c s m a c d m a c 核技术， 也就是都有实现c s m a c dm a c 功能的芯片或电路1 4 】。在家庭局域网中，比如一台 使用同轴电缆的模拟电视机，如图1 2 ，如果给他配上用于接收具有i e e e 8 0 2 _ 3 帧格 式( 数字信号) 的m a c 芯片和物理层，然后再用解码芯片解释图像和声音数据，最 后经数模转换把信号传输给电视机，这样电视机就可以播放来自i n t e r n e t 的视频图像 了。 图1 2 用m a c 芯片获取网络声像数据供模拟电视机使用的示意图 通过这种方式，可以很容易的实现在小区内进行数字视频的广播，而不需要改变 现有的网络设施【1 5 j 。对于其他直接进行数字处理的设备，可以通过使用m a c 核与网 络连接，比如打印机，传统的打印机只能与某台计算机相连，在局域网上其他计算机 要打印文档的时候，这台计算机相当于一个中转站的功能，负责从局域网上其他计算 机接收要打印的数据，再把他们交给打印机打印。这样的缺点是显而易见的，即增加 了与打印机相连的那台计算机的负荷，又使打印的数据没有保密性可言。但如果打印 3 华中科技大学硕士学位论文 高层协议的软硬件，那么就可以方便的实现对局域网的访问了【1 2 】。 现在的网络传输，需要传播大量的多媒体数据和其他实时数据，这同时也对网络 接入点使用的网卡提出了较高的速度要求 ”1 。在目前广泛使用的以太网网卡中，主要 是由两个芯片构成，一个是实现i e e e 8 0 2 3c s m m c d 功能的m a c 芯片，亦即采用 载波侦听多点接入带冲突探测的介质接入方法；另一个芯片实现与传输介质相关的物 理层功能。 本课题的就是设计一个实现c s m a c d 功能的m a c 核。 1 2 设计c s m a c dm a c 核的意义 目前在以太网中使用的各个品牌的网卡，几乎都采用了c s m a c d m a c 核技术， 也就是都有实现c s m a c dm a c 功能的芯片或电路1 4 】。在家庭局域网中，比如一台 使用同轴电缆的模拟电视机，如图1 2 ，如果给他配上用于接收具有i e e e 8 0 2 _ 3 帧格 式( 数字信号) 的m a c 芯片和物理层，然后再用解码芯片解释图像和声音数据，最 后经数模转换把信号传输给电视机，这样电视机就可以播放来自i n t e r n e t 的视频图像 了。 图1 2 用m a c 芯片获取网络声像数据供模拟电视机使用的示意图 通过这种方式，可以很容易的实现在小区内进行数字视频的广播，而不需要改变 现有的网络设施【1 5 j 。对于其他直接进行数字处理的设备，可以通过使用m a c 核与网 络连接，比如打印机，传统的打印机只能与某台计算机相连，在局域网上其他计算机 要打印文档的时候，这台计算机相当于一个中转站的功能，负责从局域网上其他计算 机接收要打印的数据，再把他们交给打印机打印。这样的缺点是显而易见的，即增加 了与打印机相连的那台计算机的负荷，又使打印的数据没有保密性可言。但如果打印 3 华中科技大学项士学位论文 机通过使用带有c s m a c d 功能的网卡与局域网相连，则打印机可以直接打印来自局 域网内计算机的数据。 。 也就是说，在这样一种共享传输介质的局域网内，可以根据传输介质的实际类型， 利用实现c s m a c d 功能的m a c 核，方便的设计出一种访问局域网的芯片，真正实 现s o c ( s y s t e m o n a c h i p ) ，极大的降低成本。 华中科技大学电子系与北京海尔集成电路设计有限公司之所以合作，设计此 c s m a c d m a c 核的目的就在于配合北京海尔集成电路设计有限公司的数字电视机 顶盒，接入到局域网，从此可以开发出许多的基于数字电视平台的许多其他服务，从 而可以实现由数字电视而派生的其他许多增值服务【1 6 】 1 7 】【1 8 】。 1 3c s m a j c d m a c 核的发展现状和趋势 介质接入机制m a c 从原来的a l o h a 到现在的c s m a c d ，到现在的全双工f f u l l d u p l e x ) 。从原来的1 m b p s ，到现在的1 0 m b p s ，到1 0 0 m b p s ，到最新的吉比特的快速 局域网，都体现了人们日益增长的对网络传输速度的要求，和实时传输的要求1 9 l 。 伴随着微电子技术的发展，现代设计理论和方法的进步，生产工艺的进步，采用 c s m a c d 介质接入机制在信道的传输帧的速度已经可以达到千兆。但是，c s m a c d 的介质接入机制是基于一种共用传输介质的介质接入方法，无论其怎么样的发展，这 种对介质的争用最终将导致网络效率到达一个极限【2 0 j 。但是由于其不需要过分复杂的 硬件设备，并且1 0 0 0 m b p s 速度已经能够满足众多的需求，未来的c s m a c d 使用范 围将无所不在，甚至可能会出现在任何接入局域网的设备上。 4 华中科技大学项士学位论文 机通过使用带有c s m a c d 功能的网卡与局域网相连，则打印机可以直接打印来自局 域网内计算机的数据。 。 也就是说，在这样一种共享传输介质的局域网内，可以根据传输介质的实际类型， 利用实现c s m a c d 功能的m a c 核，方便的设计出一种访问局域网的芯片，真正实 现s o c ( s y s t e m o n a c h i p ) ，极大的降低成本。 华中科技大学电子系与北京海尔集成电路设计有限公司之所以合作，设计此 c s m a c d m a c 核的目的就在于配合北京海尔集成电路设计有限公司的数字电视机 顶盒，接入到局域网，从此可以开发出许多的基于数字电视平台的许多其他服务，从 而可以实现由数字电视而派生的其他许多增值服务【1 6 】 1 7 】【1 8 】。 1 3c s m a j c d m a c 核的发展现状和趋势 介质接入机制m a c 从原来的a l o h a 到现在的c s m a c d ，到现在的全双工f f u l l d u p l e x ) 。从原来的1 m b p s ，到现在的1 0 m b p s ，到1 0 0 m b p s ，到最新的吉比特的快速 局域网，都体现了人们日益增长的对网络传输速度的要求，和实时传输的要求1 9 l 。 伴随着微电子技术的发展，现代设计理论和方法的进步，生产工艺的进步，采用 c s m a c d 介质接入机制在信道的传输帧的速度已经可以达到千兆。但是，c s m a c d 的介质接入机制是基于一种共用传输介质的介质接入方法，无论其怎么样的发展，这 种对介质的争用最终将导致网络效率到达一个极限【2 0 j 。但是由于其不需要过分复杂的 硬件设备，并且1 0 0 0 m b p s 速度已经能够满足众多的需求，未来的c s m a c d 使用范 围将无所不在，甚至可能会出现在任何接入局域网的设备上。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 网络协议中的m a c 层 2 1 网络协议中的各协议层简介 由计算机互联而构成的网络中，要做到有条不紊的交换数据，就要遵守一些 事先约定好的规则，或称为协议。对于计算机网络协议体系，其结构采用的是层 次式的，体现了“分而治之”的思想。国际标准化组织i s o 提出了一个试图使各 种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模 型o s i r m ( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n r e f e r e n c em o d e l ) ，简称为o s i l 6 】。 在o s i 她计算机网络的分层协议中，协议体系结构被分为7 个层次，介质接 入控制层m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 位于数据链路层中，及其相关层如图2 1 所 示。 osi a p p l i c a t i o n p r e s e n t a t i o n t r a n s p o r t n e t w o r k d a t al i n k p h y s i c a l h i g h e rl a y e r il l c i砒c l p l s 注：硪曲e rl a y e r ：网络协议中的更高层： l l c ：逻辑链路控制l o g i c l i n kc o n t r o l ； p l s ：物理信令p h y s i c a ls i g n a l i n g ； 图2 1o s i 模型的协议层次结构 华中科技大学硕士学位论文 2 网络协议中的m a c 层 2 1 网络协议中的各协议层简介 由计算机互联而构成的网络中，要做到有条不紊的交换数据，就要遵守一些 事先约定好的规则，或称为协议。对于计算机网络协议体系，其结构采用的是层 次式的，体现了“分而治之”的思想。国际标准化组织i s o 提出了一个试图使各 种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模 型o s i r m ( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n r e f e r e n c em o d e l ) ，简称为o s i l 6 】。 在o s i 她计算机网络的分层协议中，协议体系结构被分为7 个层次，介质接 入控制层m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 位于数据链路层中，及其相关层如图2 1 所 示。 osi a p p l i c a t i o n p r e s e n t a t i o n t r a n s p o r t n e t w o r k d a t al i n k p h y s i c a l h i g h e rl a y e r il l c i砒c l p l s 注：硪曲e rl a y e r ：网络协议中的更高层： l l c ：逻辑链路控制l o g i c l i n kc o n t r o l ； p l s ：物理信令p h y s i c a ls i g n a l i n g ； 图2 1o s i 模型的协议层次结构 华中科技大学硕士学位论文 应用层：可以作为应用程序获得该模型提供的所有服务的接口，使用户可以访问 o s i 环境并且提供分布式信息服务，包括文件传输，资源共享和数据库访问。 表示层：负责管理数据编码的方式，给具有不同数据表示法( 句法) 的应用进程 提供独立性，涉及数据的传输，格式和语法，将传输数据转换成可显示的格式以适应 接收设备的要求。例如a s c i i 和e b c d i c 之间的翻译。 会话层：提供应用间通信的控制结构：建立，保持和中断应用间的连接( 会话) 。 传输层：提供端节点间可靠的，透明的数据传送；提供端对端的差错恢复和流控 制。流行的传输层协议包括传输控制协议( t c p ) ，用户数据报协议( u d p ) ，和n o v e l l 公司的顺序分组交换( s p x ) 协议。 网络层：使高层独立于用来连接系统的数据传输和交换技术：负责建立，保持和 中断网络的连接，其中包括寻址，选路，交换，排序和流量控制过程，这一层有多种 协议：包括i t ux 2 5 分组交换协议和r r ux 7 5 网关协议，还有目前流行的i p 网际协 议和n o v e l l 公司的网际分组交换协议i p x 。 数据链路层：提供基于物理链路上的可靠数据传送，指示设备访问物理介质的方 法：还定义了数据格式，发送带有必要的同步，错误控制和流控制信息的数据块：这 一层包括逻辑链路控制l l c 层( 负责生成和解释控制数据流向和差错恢复操作的命 令) 和介质接入控制m a c 层( 负责接入物理介质) 。 物理层：关心的是在物理链路非结构化位流的传输：涉及如信号电平幅度和位持 续时间等参数；涉及建立，保持和结束物理链路的机械，电子和过程特性。 另外，还有一种广泛使用的网络协议体系，即，t c p i p 协议族。它与o s i 模型 的对应关系如图2 2 。 t c p i p 协议体系实际上有4 个层次，最上面的是应用层，这层中有许多著名的协 议，如远程登录协议t e l n e t ，文件传输协议f t p ，简单邮件传送协议s m t p 等。往 下是运输层，她使用两种协议，一种是面向连接的传输控制协议t c p ( t r a n s f e rc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) ，另一种是无连接的用户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 。运输层 下面是无连接的网际层( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) , 与网际协议配合使用的还有三个协议： i n t e r n e t 控制报文协议i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) ，地址解析协议 6 华中科技大学硕士学位论文 a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np m t o c 0 1 ) 和逆地址解析协议r a r p ( r e v e r s e a d d r e s sr e s o l u t i o n p r o t o c 0 1 ) 。 在t c p f l _ p 协议体系中，在网络接口层定义了m a c 的工作机制。 s o 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 i 2 2 m a c 层的简介 t c p i p 应用层( 各种应用 层协议如 r e l n e t ，f t p ，s m t p ) 运输层t c p ，u d p 网际层i p 网络接口层 图2 2i s o 与t c p i p 协议 在由n e e e 8 0 2 委员会起草的协议中，数据链路层进一步划分成：逻辑链路控制 l o g i cl h l kc o n 仃o l ( l l c ) 和介质接入控制m e d i a a c c e s sc o n 仃o l ( m a c ) 。逻辑链路 控制l l c 层在m a c 层上面，逻辑链路控制l l c 是i e e e 8 0 2 协议参考模型的晟高层， 它在i e e e 8 0 2 与美国标准化协会( a n s i ) 指定的所有介质接入控* j j ( m a c ) 标准的定 义之上使用。这一层的主要目的就在于提供一种在最终用户之间交换数据的方法，而 这些用户是通过m a c 控制链路或局域网( l a n ) 集合由m a c 层的桥相互联接起来的。 逻辑链路控制l l c 有三种不同的服务方式： 1 无确认无连接式服务( 它能简单的允许收发逻辑链路控制l l c 协议数据单元 ( p r o t o c o ld a t a u n i t ) ，无需任何形式的确认来保证传递，也无需流量控制和错误控制 机制。这种服务支持单点，组播，及广播的编址) 。 7 华中科技大学硕士学位论文 a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np m t o c 0 1 ) 和逆地址解析协议r a r p ( r e v e r s e a d d r e s sr e s o l u t i o n p r o t o c 0 1 ) 。 在t c p f l _ p 协议体系中，在网络接口层定义了m a c 的工作机制。 s o 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 i 2 2 m a c 层的简介 t c p i p 应用层( 各种应用 层协议如 r e l n e t ，f t p ，s m t p ) 运输层t c p ，u d p 网际层i p 网络接口层 图2 2i s o 与t c p i p 协议 在由n e e e 8 0 2 委员会起草的协议中，数据链路层进一步划分成：逻辑链路控制 l o g i cl h l kc o n 仃o l ( l l c ) 和介质接入控制m e d i a a c c e s sc o n 仃o l ( m a c ) 。逻辑链路 控制l l c 层在m a c 层上面，逻辑链路控制l l c 是i e e e 8 0 2 协议参考模型的晟高层， 它在i e e e 8 0 2 与美国标准化协会( a n s i ) 指定的所有介质接入控* j j ( m a c ) 标准的定 义之上使用。这一层的主要目的就在于提供一种在最终用户之间交换数据的方法，而 这些用户是通过m a c 控制链路或局域网( l a n ) 集合由m a c 层的桥相互联接起来的。 逻辑链路控制l l c 有三种不同的服务方式： 1 无确认无连接式服务( 它能简单的允许收发逻辑链路控制l l c 协议数据单元 ( p r o t o c o ld a t a u n i t ) ，无需任何形式的确认来保证传递，也无需流量控制和错误控制 机制。这种服务支持单点，组播，及广播的编址) 。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 连接式服务( 它为用户提供了请求逻辑连接的一种方式并能通知用户逻辑连接 的建立以及终止，同时它还提供了流量控制，排序和错误纠复，此服务只支持单点寻 址) 。 3 有确认无连接式服务( 一种用户可以发出数据单元并收到数据已被传送到确认 而无需建立连接的机制) 。 在i e e e 8 0 2 3 协议中，介质接入控制层m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 的介质接 入控制机制，采用c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 来 获得传输介质的使用权。主要功能是，它和逻辑链路控制层l l c 起可实现o s i 模 型中数据链路层的功能，即无差错的传送以帧为单位的数据。数据链路层中所有与接 入各种传输介质有关的问题都放在m a c 层，所有与介质接入无关的部分都集中在逻 辑链路控制l l c 子层。具体的讲，i e e e 8 0 2 3 标准要求在m a c 子层中要完成两种与 数据链路控制规程有关的功能，这两种功能是： ( 1 ) 数据封装( 传送与接收) ( a ) 装帧与拆帧( 帧的分界与定界，帧同步) ： ( b ) m a c 寻址( 源地址与目的地址操作) ； ( c ) 错误检测( 检测物理介质传输错误) ； ( 2 ) 介质接入控制 ( a ) 介质的分配( 避免冲突) ； ( b ) 介质争用的解除( 冲突处理) ； 物理层不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输介质，它是指，使在各 种计算机的传输介质上传输数据的比特流的方法。物理层的作用是要屏蔽掉具体设备 的差异，使其上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只需考 虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络的传输介质是什么。 这样，与m a c 层紧密关联的是逻辑链路控制l l c 层和物理信令层p l s ( p h y s i c a l s i g n a l i n g ) ，所以m a c 层的任务就是发送时把来自逻辑链路控制l l c 层的数据封装成 m a c 层的帧格式，再提交给p l s 层发送出去；接收时把来自物理信令层p l s ( p h y s i c a l s i g n a l i n g ) 层的m a c 帧进行拆帧，剩下逻辑链路控制l l c 层数据格式提交给l l c 层。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 3m a c 层协议与相邻协议之间的接口 在m a c 层除了要完成自己的功能外，还必须以规定的格式和内容与相邻的逻辑 链路层和物理层交换数据。与上( 逻辑链路控制l l c 层) 下( 物理信令层p h y ) 层接口的 数据传输必须完成如下所述功能： 1 与逻辑链路控制层之间要完成发送和接收帧，并同时提供发送帧或接收帧的 状态信息，以便高层协议进行纠错。 2 与物理信令层之间要有发送帧信号( 包括载波侦听和发送初始化) ，冲突解 决信号( 冲突探测) 。 息： m a cc l i e n t m a c f 队“，i 明h 0 坤一。d _ t i 阻甜、”覃瞰y p 。喇 图2 3m a c 层接口 协议规定的接口的具体说明如图2 _ 3 。与逻辑链路控制层的接口主要要传送四个消 1 数据发送请求 m a _ d a t a r e q u e s t ( d e s t i n a t i o n _ a d d r e s s ，s o u r c ba d d r e s s ，m _ s d u ，s e r v i c e _ c l a s s ) ； 9 华中科技大学硕士学位论文 在m a c 的客户层( 高层协议或逻辑链路控制层l l c ) 要发送帧时，产生这样一 个请求消息( 包括要发送帧的目的地址，源地址，服务数据，服务级别) 给m a c 层， m a c 层接收到这样一个消息后要开始安排发送帧。 2 ，数据接收标志 m a d a t a i n d i c a t i o n ( d e s t i n a t i o n _ a d d r e s s ，s o u r c ea d d r e s s ，m _ s d u ，r e c e p t i o n s t a t u s ) ； 在m a c 子层从物理层接收到一个帧的时候，会给m a c 的客户层( 高层协议或逻 辑链路控制层l l c ) 发送这样一个消息( 包括接收到的帧的目的地址，源地址，服务 数据，接收到的状态) 。 3 介质接入控制请求( 可选功能) m a _ c o n t r o l r e q u e s t ( d e s t i n a t i o n _ a d d r e s s ，o p c o d e ，r e q u e s t _ o p r a n d _ l i s t ) ； 如果m a c 的客户层( 高层协议或逻辑链路控制层l l c ) 要求其他站点的m a c 立即发送帧，或者延迟，或者丢弃，或者修改帧，则可以通过介质接入控制请求来完 成。 4 介质接入控制标志( 可选功能) m a _ c o n t r o l i i l d i c a t i o n ( o p c o d e ，i n d i c a t i o n o p r a n d _ l i s t ) ； m a c 控制层通过介质接入控制标志向它的客户层( 高层协议或逻辑链路控制层 l l c ) 报告由介质接入控制请求返回的m a c 状态。 2 4c s m a ，c dm a c 层的帧结构 c s m m c dm a c 帧结构如图2 4 。 帧分为8 个段： p r e a m b l e ( 前同步码) 为固定的7 b y t e s ，它有固定的比特形式：1 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 0 。在发送端，p r e a m b l e 可以使物理介 质稳定和同步；用于接收端的同步。另外，当某个站处于发送p r e a m b l e 的时候，探测 到了冲突信号，仍然要把余下的属于p r e a m b l e 的b i t s 发送完成，然后才开始处理冲突。 另外，在发送端，这个p r e a m b l e 数据的生成是在m a c 层完成，然后提交给物理层编 华中科技大学硕士学位论文 在m a c 的客户层( 高层协议或逻辑链路控制层l l c ) 要发送帧时，产生这样一 个请求消息( 包括要发送帧的目的地址，源地址，服务数据，服务级别) 给m a c 层， m a c 层接收到这样一个消息后要开始安排发送帧。 2 ，数据接收标志 m a d a t a i n d i c a t i o n ( d e s t i n a t i o n _ a d d r e s s ，s o u r c ea d d r e s s ，m _ s d u ，r e c e p t i o n s t a t u s ) ； 在m a c 子层从物理层接收到一个帧的时候，会给m a c 的客户层( 高层协议或逻 辑链路控制层l l c ) 发送这样一个消息( 包括接收到的帧的目的地址，源地址，服务 数据，接收到的状态) 。 3 介质接入控制请求( 可选功能) m a _ c o n t r o l r e q u e s t ( d e s t i n a t i o n _ a d d r e s s ，o p c o d e ，r e q u e s t _ o p r a n d _ l i s t ) ； 如果m a c 的客户层( 高层协议或逻辑链路控制层l l c ) 要求其他站点的m a c 立即发送帧，或者延迟，或者丢弃，或者修改帧，则可以通过介质接入控制请求来完 成。 4 介质接入控制标志( 可选功能) m a _ c o n t r o l i i l d i c a t i o n ( o p c o d e ，i n d i c a t i o n o p r a n d _ l i s t ) ； m a c 控制层通过介质接入控制标志向它的客户层( 高层协议或逻辑链路控制层 l l c ) 报告由介质接入控制请求返回的m a c 状态。 2 4c s m a ，c dm a c 层的帧结构 c s m m c dm a c 帧结构如图2 4 。 帧分为8 个段： p r e a m b l e ( 前同步码) 为固定的7 b y t e s ，它有固定的比特形式：1 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 0 。在发送端，p r e a m b l e 可以使物理介 质稳定和同步；用于接收端的同步。另外，当某个站处于发送p r e a m b l e 的时候，探测 到了冲突信号，仍然要把余下的属于p r e a m b l e 的b i t s 发送完成，然后才开始处理冲突。 另外，在发送端，这个p r e a m b l e 数据的生成是在m a c 层完成，然后提交给物理层编 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 码发送；在接收端，这个数据在物理层收到后，并不送给m a c 层，物理层仅仅是使 c r s 置位。 。 p r e a m b l e s f d d e s t i n a t i o n a d d r e s s a d d r e s s l e n g t h l l cd a t a f c s 百i 瓦商。 图2 4 帧结构图 s f d ( s t a r t f r a m e d e l i m i t e r ) 为固定的l b y t e ，它有自己的固定形式：1 0 t 0 1 0 1 1 。 这个字节标志m a c 帧的开始，接收端物理层在接收到这个字节数据后，通知m a c 开始接收，对后面的数据开始进行拆帧。在发送端，这个字节的数据由m a c 层生成， 提交给物理层编码发送；在接收端，物理层收到并解码后，并不提交给m a c 层，仅 仅是通知m a c 层开始接收后续的比特。 d e s t i n a t i o n a d d r e s s 和s o u r c e a d d m s s 都是固定的2 或6 b y t e s ，每个m a c 帧应包含 两个地址字段，按顺序是目的地址字段和源地址字段。目的地址字段应指定帧所要到 达的目的地址。源地址字段应说明帧是从哪一个站发出的。地址段的表示如下： a ) 每一地址段应包含1 6 或4 8 位，而在任何给定的时间，源地址与目标地址范围 对一特定本地局域网的所有工作站应是一致的。 b ) 支持1 6 位或4 8 位长的源地址与目的地址可留给制造商决定，不需要同时支持 两种长度，此处定义为4 8 位。 等恐 | 三一 7 1 6 6 2 华中科技大学硕士学位论文 c ) 目的地址段的第一位( l s b ) 作为地址类型指定位定义目的地址为单个或群体 地址。在源地址段，第一位预置为0 。若该位为0 ，说明地址段包含单个地址，若为1 ， 说明地址段包含群体地址，定义了0 个，一个，多个或与局域网连接的全部工作站。 d ) 对于4 8 位地址，第二位应用来区分本地与全局管理地址，对全局管理地址， 该位设为0 ，如果地址设为本地，该位应为l ，若为广播地址，该位亦为1 。； l e n g t h t y p ef i e l d 为固定的2 b y t e s 。当其数值小于或等于最大有效帧长度，这两 个字节用于记载l l c d a t a 的长度：如果其数值大于或等于1 5 3 6 ( d e c i m a l ) ，那么它是 类型说i 碉( t y p ei n t e r p r e t a t i o n ) ，表示m a c 客户协议。 l l cd a t a 由l l c 层给出，长度不定： p a d ，填充，用于当要发送的帧小于最小帧长时，用p a d 来填充，其长度等于帧最 小长度减去此帧长度： f c s ( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) 为固定的4 b y t e s ，用于接收端对接收到的数据进行校 验，f c s 的生成是采用的循环冗余校验码( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 。它的生成需要 依赖s o u r c ea d d r e s s ，d e s t i n a t i o na d d r e s s ，l e n g t h ，l l cd a t a ，p a d 。其生成多项式为： g ( x ) = x 3 2 + x 2 6 + x 2 3 + x 2 2 + x 1 6 + x 1 2 + x n + x 1 0 + x $ + x t - f x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 ： 帧的最大长度为1 5 1 8b y t e s ；最小长度为6 4b y t e s 。 帧的八个字段：前同步，帧起始分界符，帧的源地址与目的地址，长度字段( 说 明其后包含所要传输的l l c 数据的长度) ，若有需要将有一段填充符，帧检测序列字 段( 包含循环冗余检验值，旨在接收帧中监测错误) 。除了l l c 数据和p a d 段外的其 他字段都是固定的。l l c 和p a d 这两个字段可以是由c s m a c d 媒体链路机制所规 定的最大与最小值问的任意整数个字节。最大与最小帧长限制是指帧中目标地址至帧 检测序列。每帧的字节由顶至底传输，每字节的位由左至右传输。 对于无效的m a c 帧，8 0 2 3 是这样定义的： 1 ) 帧的长度与长度字段不一致： 2 ) 帧的长度不是整数个字节； 3 ) 接收到的帧( 包含f c s 段本身) 按接收算法生成的f r c 值与收到的不一致。 对于无效的m a c 帧就不交给l l c 子层。但是可以将出现无效的m a c 帧的情况 华中科技大学硕士学位论文 通知网络管理。 2 5 关于m a c 层目的地址的获得 局域网中，在两台计算机进行通讯前，彼此都不知道对方的m a c 地址，目的地 址获得过程是通过a r p ( 地址解析协议) 来完成：a 机要与b 机通讯，首先从地址映 射表根据i p 来查找m a c 地址，如果地址映射表中没有，就是a 机并不知道b 机的 m a c 地址，但是a 知道b 的i p 地址，于是a 先发送一个广播帧，这个帧的l l c 数 据用于表明此帧是个查询( 与b 的i p 地址相符的站点的) m a c 地址的广播帧，局 域网中的所有站点接收此帧，识别到这是一个查询m a c 地址的帧，于是与自己的i p 地址对比；如果不符，则不作任何反应，如果相符，则向a 站点发送应答帧，在l l c 段数据中告诉a 这是一个回答m a c 地址的应答帧来自站点b ；a 站点收到后，把 这个应答帧的源地址送入地址映射表，在下次与b 通讯时，由这个地址映射表来根据 i p 查找到b 的m a c 地址。 2 6 协议中c s m a ，c dm a c 的功能模块 m a c 芯片需要完成i e e e s 0 2 3 协议所所规定的功能，更具体来讲，大致需要如 图2 5 功能模块。 实际上，发送帧和接收帧是两个不相干的工作。在发送帧的时候，首先需要把数 据封装成帧，根据需要决定是否填p a d ，发送时最后附上生成的3 2 b i t s 的c r c 帧校验 序列f c s ( f r a m e c h e c k s e q u e n c e ) 。发送连接管理部分，要根据侦听冲突的情况，决定 开始发送还是开始退避。另外，还要有进行发送j a m 的模块，和进行退避时的生成退 避时间算法的模块。 在接收的时候，先把数据拆包，并判断帧是否发送给本站，决定是否需要去p a d ， 送c r c 生成校验c r c 码，根据以上条件决定是否接收帧。 华中科技大学硕士学位论文 通知网络管理。 2 5 关于m a c 层目的地址的获得 局域网中，在两台计算机进行通讯前，彼此都不知道对方的m a c 地址，目的地 址获得过程是通过a r p ( 地址解析协议) 来完成：a 机要与b 机通讯，首先从地址映 射表根据i p 来查找m a c 地址，如果地址映射表中没有，就是a 机并不知道b 机的 m a c 地址，但是a 知道b 的i p 地址，于是a 先发送一个广播帧，这个帧的l l c 数 据用于表明此帧是个查询( 与b 的i p 地址相符的站点的) m a c 地址的广播帧，局 域网中的所有站点接收此帧，识别到这是一个查询m a c 地址的帧，于是与自己的i p 地址对比；如果不符，则不作任何反应，如果相符，则向a 站点发送应答帧，在l l c 段数据中告诉a 这是一个回答m a c 地址的应答帧来自站点b ；a 站点收到后，把 这个应答帧的源地址送入地址映射表，在下次与b 通讯时，由这个地址映射表来根据 i p 查找到b 的m a c 地址。 2 6 协议中c s m a ，c dm a c 的功能模块 m a c 芯片需要完成i e e e s 0 2 3 协议所所规定的功能，更具体来讲，大致需要如 图2 5 功能模块。 实际上，发送帧和接收帧是两个不相干的工作。在发送帧的时候，首先需要把数 据封装成帧，根据需要决定是否填p a d ，发送时最后附上生成的3 2 b i t s 的c r c 帧校验 序列f c s ( f r a m e c h e c k s e q u e n c e ) 。发送连接管理部分，要根据侦听冲突的情况，决定 开始发送还是开始退避。另外，还要有进行发送j a m 的模块，和进行退避时的生成退 避时间算法的模块。 在接收的时候，先把数据拆包，并判断帧是否发送给本站，决定是否需要去p a d ， 送c r c 生成校验c r c 码，根据以上条件决定是否接收帧。 华中科技大学硕士学位论文 通知网络管理。 2 5 关于m a c 层目的地址的获得 局域网中，在两台计算机进行通讯前，彼此都不知道对方的m a c 地址，目的地 址获得过程是通过a r p ( 地址解析协议) 来完成：a 机要与b 机通讯，首先从地址映 射表根据i p 来查找m a c 地址，如果地址映射表中没有，就是a 机并不知道b 机的 m a c 地址，但是a 知道b 的i p 地址，于是a 先发送一个广播帧，这个帧的l l c 数 据用于表明此帧是个查询( 与b 的i p 地址相符的站点的) m a c 地址的广播帧，局 域网中的所有站点接收此帧，识别到这是一个查询m