802.3协议基础-

1、IEEE 802.3Alan Qiu IEEE802系列协议v802.1-高层及其交互工作。提供高层标准的框架，包括端到端协议、网络互连、网络管理、路由选择、桥接和性能测量。v802.2-连接链路控制LLC，提供OSI数据链路层的高子层功能，提供LAN 、MAC子层与高层协议间的一致接口。 v802.3-以太网规范，定义CSMA/CD标准的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范。v802.4-令牌总线网。定义令牌传递总线的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范。v 8025-令牌环形网。它定义了令牌传递环形网的MAC子层和物理层的规范。v802.6-城域网MAN，定义城域网（MAN）的媒体访问

2、控制（MAC）子层和物理层规范(DQDB分布队列双总线)。 v8027-宽带技术。v8028-光纤技术。v8029-综合话音数据局域网。v80210-可互操作的局域网的安全。v80211-无线局域网。v802，12-新型高速局域网（100 Mbs）。现在IEEE的标准80218026已成为ISO的国际标准ISO8802-18802-6。以太网vEthernet(以太网）是一种传输速率为10Mbps的常用局域网（LAN）标准。在以太网中，所有计算机被连接一条同轴电缆上，采用具有冲突检测的载波感应多处访问（CSMA/CD）方法，采用竞争机制和总线拓朴结构。以太网具有的一般特征概述如下： v共享媒体

3、：所有网络设备依次使用同一通信媒体。 v广播域：需要传输的帧被发送到所有节点，但只有寻址到的节点才会接收到帧。 vCSMA/CD：以太网中利用载波监听多路访问/冲突检测方法（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）以防止 更多节点同时发送数据。v MAC 地址：媒体访问控制层的所有 Ethernet 网络接口卡（NIC）都采用48位网络地址。这种地址全球唯一。 以太网的技术发展情况以太网的四个基本要素v帧（frame）： 一系列的标准化的数据位，用来在系统中传输数据；v介质访问控制协议（MAC）：由一套内嵌于各个以太网接口的规则组成，

4、允许多个计算机公平的访问信道；v信号部件（signaling component）：一些标准化的电子设备，用来在以太网信道中发送和接收信号；v物理介质（physical medium）：电缆和其他传输信号的部件组成。IEEE802.3协议v一种网络协议。描述物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法，在多种物理媒体上以多种速率采用CSMA/CD访问方式，对于快速以太网该标准说明的实现方法有所扩展。v早期的IEEE 802.3描述的物理媒体类型包括：10Base2、10Base5、10BaseF、10BaseT和10Broad36等；快速以太网的物理媒体类型包括：100 BaseT、100Base

5、T4、100BaseX等。MACvMAC概述：Media Access Control介质访问控制v该协议位于OSI七层协议中数据链路层，数据链路层分为上层LLC（逻辑链路控制），和下层的MAC（媒体访问控制），MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC（逻辑链路控制）层。vMAC层功能：a 发送时将数据组装成带有地址和差错检测字段的帧b 接收时拆

6、卸帧，完成地址识别和差错检测 c 管理链路上的通信vLLC层的功能： 提供一个或多个SAP服务访问点（2相邻层间的逻辑接口）主要是提供的是与网络层的接口。两种MAC帧结构v基本帧结构（a basic MAC frame format）v带前缀帧（ an extension of (a) for Tagged MAC frame ）7字节1字节6字节6字节2字节46-1500字节4字节0-448PSFDDASAL/TMAC Client DATA PADFCS E基本MAC帧结构Elements of MAC framevPpreamble 前导码，由7个1,0交替的字节构成，主要功能是接受方在

7、接受重要数据前提取时钟，建立同步。vSFDStart Frame Delimiter 帧首定界符，紧跟同步信号之后，比特模式为： “10101011” ,当连续出现两个11时，表明帧的开始。vDADestination Address 目标地址，用12个16进制数表示，2个一组。vSASource Address 源地址，用12个16进制数表示，2个一组。源地址不能是组地址和广播地址vL/T length/type 2个字节，表示的意义取决于其数值。 如果字段中的值小于或等于最大帧尺寸1518（十进制）则做为长度字段使用，表示数据字段中数据的长度。如果字段中的值大于或等于1536，则被做为类型

8、字段，标识数据字段所携带的数据协议类型。7字节1字节6字节6字节2字节46-1500字节4字节0-448PSFDDASAL/TDATA PADFCS EvData and PAD 数据和填充字段， 461500字节，当此字段的数据小于46字 节时候，会用PAD字段进行补充， PAD=MAX0, 最小帧长8(n个字节的数据2个地址字段DA和SA共12个字节2个字节的L/T4个字节的FCS)vFCSframe check sequence,帧检验序列4个字节，CRC(cyclic redundancy check)循环冗余检验码。发送方计算机出的CRC值放在FCS中，接收方计算一个CRC值进行比较

9、，相同则正确 vEExtension扩展字段，仅仅用于千兆网中，为了扩大最小帧传送相关的载波事件的时间，载波通过附加非数据信号来进行扩展，扩展的最大长度为 Extension=slot time-minFrameSize 比如在1000Mbp/s时： Extension4096 bits512 bits3584 bits(448字节）PSFDDASAL/TMAC Client DATA PADFCSEFCS作用范围地址的补充v地址为6个字节48bit，前2位最重要（第一字节的最低2位）有着特殊含义 I/G=0 individual 单目地址 I/G=1 group 多目地址 U/L=0 glo

10、bally administered全局管理 U/L=1 local administered 本地管理 示例 OX 01 75 8A 73 0C 01 组播地址 最高（左）第一字节的二进制表示为： 0000 0001 第一位（最右位）=1 组播 第二位=0 全局管理 此地址的二进制表示为 0000 0001 0111 0101 1000 1010 0111 0011 0000 1100 0000 0001传输顺序为：以太网上传送8位（字节）信息的顺序是从最左端的8位，到最右端的8位，但在8位内部（Bit）的传送顺序是先低位，后高位。 1000 0000 1010 1110 0101 0001

11、 1100 1110 0011 0000 1000 00001146bitI/GU/LFCS算法举例v具体算法：（1)G(x)=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4 +X2+X+1（2）nbit的帧被考虑为度为n-1的多项式M(x)的系数（DA的首为Xn-1项，Data的末位对应X0项）。（3）用X32乘M(x)再用G(x)除（模2运算），生成度collision（冲突产生） -jam （发送一个阻塞） -backoff （回退算法） -retransmission（重发）以太网间隙时间（slot time）v以太网间隙时间被定义为两个要素的组

12、合：物理循环传播时间和冲突强制所需的最大时间。v物理循环时间：信号从最大规范系统的一端到达另一端，并返回来所花的时间；v冲突强制所需的最大时间：检测到冲突并发出冲突强制阻塞序列所需要的时间。v将上述两个要素相加，再加入几个作为插入因子的附加位，最后得到一个512位时间的间隙时间。二进制回退算法产生冲突后，站点在重新传送前等待的基本延迟时间被设为512位以太网间隙时间的整数倍可供选择的整数范围是由回退算法的规则产生： 0r2k k=min(0,10)r是从一系列整数中随机选定的一个整数. R 值的变化范围可以在到的k次幂之间； k为尝试重发的次数或数字10中的较小值. 则冲突回退时间为：t=r间

13、隙时间(51.2us)冲突数其它站点的估计数目随机数范围回退时间范围1101051.2 us23030153.6 us37070358.4us4150150768 us53103101.59 ms66306303.23 ms7127012706.50 ms82550255013.1 ms95110511026.2 ms10102301023052.4 ms16太大N/A丢弃帧CSMA/CD发送流程发送 （1） 若媒体空闲，则进行发送，否则进行步骤（2） （2） 若媒体忙，则继续侦听，一旦发现媒体空闲，就进行发送 （3） 在帧的发送过程中检测到冲突，则停止发送帧（形成的不完整的帧，称为帧碎片），

14、并发送jam信号 （4） 发送完jam信号后，等待一段随机时间，做以下几个步骤，再重新尝试发送 进行步骤（1） a 冲突次数n加1递增。（n初始为0） b 判断n是否达到16（十进制） C 若n16，则计算一个随机数R，r=Random 0,2k) K=Min(n , 10),相当于n 10时，K=10 ; n10时，K=n d 获得延迟时间Tr Slot timeCSMA/CD发送流程v 表示Yv 表示N媒体忙冲突？发送完毕N 16发送JAM开始发帧冲突次数过多（差错处理）延迟随机时间T帧准备好冲突次数N+1发送成功CSMA/CD 接收流程接收 （1） 网络上的站点，若不处于发送帧的状态，则

15、会处于接收帧的状态，并且接收在媒体上传输的帧（包括帧碎片） （2） 完成接收后，判断是否为帧碎片，是则丢弃，否则进（3） （3） 地址识别，确认收到帧的DA与本站的MAC地址是否一致，若不一致，则丢弃 （4） 判断FCS，若无效，则证明有传输错误存在（多位，漏位，CRC差错），若有效，进行（5） （5） 根据数据字段的长度确认是长度还是类型 （6） 当接收成功，若类型和长度正确，就解开帧，递交给高层协议CSMA/CD 接收流程v 表示Yv 表示N正确接收长度错按类型处理CRC错开始接收帧长度正确？帧碎片CRC正确DA符合接收完毕是长度？最小帧长v保证所有站在最大冲突时间内都能检测到冲突-即规定

16、发送站至少要保持多长的发送时间v传播最大延迟 aS/0.7C我们以10M以太网为计算基准（最早的以太网，使用粗同轴电缆，电缆段最大长度为500m，最多使用4个中继器），计算最大冲突检测时间 线路最长2500m， D=10Mbps a=S/0.7c=12.5微妙 基带 T2a=25微秒 最小帧长TD=250bit 宽带 T4a=50微秒 最小帧长TD=500bit64字节 载波扩展v千千兆网通过一种载波扩展的机制来延长一个帧信号在系统上的活动时间，帧信号或载波通过附加非数据信号（称为E）来进行延长，64字节的最小尺寸帧代着448字节（3584个扩展位）在千兆网信道上传送，产生一个长度为512字节

17、的载波信号，任何小于4096位的帧都将被扩展成能提供4096位时间（但不能超过）的载波帧组发v在帧组发中，如果要传输一系列帧，并且想一直保持对传输媒体的控制，就可以用组发操作来实现，在第一帧加上E扩展位，以后发送的帧不用加扩展位。帧组发的具体步骤为： a 当一站点要发送多个短帧时，试图发第一帧（可能加了E） b 当第一帧成功后，则站点可以继续发送后续帧，直到长度达到burst limit为止 c 站点在帧传输期间保持”活动状态“避免其他站点为了尝试获得信道而产生冲突 d 在帧间隙时间发非数据的符号 e 帧组发中只有第一帧才会发生冲突，以后的成组帧的发送过程中不会产生冲突帧的传输模式v帧的传输包

18、括数据的封装和介质访问管理两个部分：v发送数据的封装 1）接收MAC客户提供的数据及接口控制信息(例如LLC帧) ； 2）通过向LLC帧添加Pre、SFD、DA、SA、PAD(如果需要)，以及FCS字段，创建MAC帧； v发送媒介访问管理单元 1）确认总线空闲后开始发送,忙碌则继续监听； 2）半双工下，发送过程中若侦听到冲突则暂停发送，人为干扰，稍后重发； 3）如果需要，添加扩展字段(Extention)； 4）发送一帧成功后，在帧间间隙延迟帧发送； 5）输出比特流至物理层准备发送帧的传输模式v接收媒介访问管理单元 1）由物理层接收比特流； 2）错误检测(CRC，是否整数倍字节) ； 3）帧长度； 4）移除P,SFD和FCS字段； 5）移除扩充字段(半双工下速率大于100Mbps)；v接收数据解封 1）把数据提交给MAC客户子层(LLC子层) ，不管是广播帧还是目的地为本站的帧； 2）检查无用帧，丢弃那些目