我們知道，對(duì)于IEEE 802網(wǎng)絡(luò)，其媒體訪問(wèn)控制（MAC，Medium Access Control）子層是基于開(kāi)放系統(tǒng)互連/基本參考模型（OSI/RM）的第二層數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）的一個(gè)子層。不同的MAC協(xié)議，確定了IEEE 802網(wǎng)絡(luò)的不同的媒體訪問(wèn)控制方法，從而構(gòu)成成了IEEE 802網(wǎng)絡(luò)家族。其中，由IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了一種CSMA/CD的媒體訪問(wèn)控制方法，即基于CSMA/CD技術(shù)的媒體訪問(wèn)控制子層（MAC）協(xié)議，形成了以太局域網(wǎng)絡(luò)，成為了IEEE 802網(wǎng)絡(luò)家族的重要一員。基于CSMA/CD技術(shù)的MAC子層通過(guò)分組格式、載波檢測(cè)/碰撞檢測(cè)時(shí)序的對(duì)應(yīng)、分組收發(fā)功能等與CSMA/CD方式非常相關(guān)的功能，執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈路中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。下述重點(diǎn)介紹基于CSMA/CD技術(shù)的媒體訪問(wèn)控制（MAC）子層協(xié)議中的MAC幀結(jié)構(gòu)。

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一、MAC幀格式

1、幀格式構(gòu)成

以太局域網(wǎng)的MAC幀結(jié)格式詳見(jiàn)下圖1-1-1，它包括了同步信號(hào)、MAC地址、類型/長(zhǎng)度、MAC數(shù)據(jù)信息和報(bào)尾等部分，圖中也顯示了各部分的長(zhǎng)度（字節(jié)數(shù)）；這些部分共由9個(gè)字段組成（詳見(jiàn)下圖1-1-2，下述將分別介紹）。在以太網(wǎng)中雖然多臺(tái)工作站在傳輸媒體上利用CSMA/CD方式進(jìn)行存取，但為了識(shí)別此時(shí)連續(xù)的兩幀，兩幀必須要存在9.6μs以上的間隔，這稱為幀間隙。

圖 1-1-1：以太局域網(wǎng)的MAC幀格式（橫式）

圖 1-1-2：以太局域網(wǎng)的MAC幀格式（豎式）

2、位（比特）發(fā)送順序

MAC幀由前同步信號(hào)的開(kāi)頭字節(jié)開(kāi)始向媒體（如同軸電纜）上發(fā)送，然后各字節(jié)由最初最低有效位（LSB），到最后最高有效位（MSB）的發(fā)送。也就是說(shuō)，十六進(jìn)制的“D5”變?yōu)槎M(jìn)制的“1101 0101”后，在同軸電纜上需要按照1-0-1-0-1-0-1-1的順序發(fā)送。幀的發(fā)送順序詳見(jiàn)下圖1-2所示。（注意：作為IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)的令牌環(huán)及由ANSI進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的FDDI中，規(guī)定以MSB為開(kāi)始，LSB為最后的順序發(fā)送，這一點(diǎn)需要特別注意。）

圖 1-2：MAC幀的發(fā)送順序

二、前同步信號(hào)部分

8個(gè)字節(jié)的前同步信號(hào)部分如下圖2所示，它包括7個(gè)字節(jié)的前導(dǎo)碼字段和1個(gè)字節(jié)的幀首定界符（SFD）字段。前同步信號(hào)具有兩個(gè)作用，一個(gè)是用于時(shí)鐘恢復(fù)的PLL（鎖相環(huán)，Phase Lock Loop）鎖定，另一個(gè)是用于識(shí)別幀的來(lái)源即源端。以太局域網(wǎng)在媒體（如同軸電纜）上連接著多臺(tái)工作站，在沒(méi)有任何一臺(tái)工作站發(fā)送幀時(shí)，同軸電纜上不存在信號(hào)。一旦有工作站開(kāi)始發(fā)送幀，則同軸電纜上就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)。由于每臺(tái)工作站都是按照自己的時(shí)鐘運(yùn)作的，所以所發(fā)送的曼徹斯特編碼需要與各個(gè)發(fā)送工作站的時(shí)鐘同步。一般地，在以太局域網(wǎng)上的工作站自行判斷電纜上各幀的報(bào)頭中是否包含自己的地址，所以對(duì)于各個(gè)工作站，一旦出現(xiàn)幀，需要提取幀的報(bào)頭。提取報(bào)頭需要在各幀的曼徹斯特編碼上鎖定PLL，所以一出現(xiàn)幀就需要鎖定PLL。鎖定PLL多少需要一些時(shí)間。前同步信號(hào)應(yīng)用于在所接收到的曼徹斯特編碼鎖定PLL，因而PLL必須被設(shè)計(jì)為在傳輸前同步信號(hào)之時(shí)完成鎖定。前同步信號(hào)最后的字節(jié)稱為SFD（幀首定界符），它以“10101011”的模式，表示緊接著的字段為目的端地址，并表示幀的開(kāi)始。

圖2：前同步信號(hào)

實(shí)際上前同步信號(hào)不是MAC的功能，而是物理層的功能，物理層的稱為PLS（Physical Layer Signaling，物理層信令子層）的功能將進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)。PLS在由MAC層添加地址字段之后的以太網(wǎng)幀中添加前同步信號(hào)，傳輸?shù)酵S電纜上。而且PLS從所接收到的信號(hào)流的前同步信號(hào)部分提取時(shí)鐘，將地址字段以后的幀送往MAC。

三、MAC地址部分

MAC地址用來(lái)標(biāo)識(shí)源MAC實(shí)體和目的MAC實(shí)體，即欲通信的兩個(gè)工作站。因此，MAC地址包括目的端地址與源端地址兩個(gè)字段，分別由6個(gè)字節(jié)（即48位）構(gòu)成，具體詳見(jiàn)下圖3。源端地址中添加了發(fā)送幀的工作站的地址，目的端地址中添加了幀所要到達(dá)的工作站的地址。地址位組的第1個(gè)比特為單/組（I/G）比特，緊接著的第2比特為全局/本地（U/L）比特，這兩個(gè)比特的含義詳見(jiàn)下表3-1所描述。

圖 3：MAC地址示意圖

表 3-1：I/G比特與U/L比特的含義

如圖3所示，全局管理地址是由3字節(jié)的制造商標(biāo)識(shí)及3字節(jié)的設(shè)備標(biāo)識(shí)構(gòu)成。制造安裝了以太網(wǎng)接口的計(jì)算機(jī)、路由器以及測(cè)試儀等的制造商向IEEE申請(qǐng)得到制造商地址，然后在接著的下3個(gè)字節(jié)中給每臺(tái)設(shè)備分配不同的地址，安裝到設(shè)備中。表3-2是IEEE已分配給制造商的制造商標(biāo)識(shí)中的示例，表3-3是全局管理的全局地址示例。

表 3-2：部分制造商標(biāo)識(shí)示例

表 3-3：全局地址示例

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以太局域網(wǎng)的系統(tǒng)擁有全世界惟一地址，這就意味著當(dāng)購(gòu)買了某一臺(tái)安裝了以太網(wǎng)的設(shè)備時(shí)，即使將該設(shè)備攜帶到世界的任一地方，其地址也沒(méi)有必要更改。該地址充分考慮到了在目前的使用中的廣泛的可分配性，該地址除了I/G、U/L比特以外還有46比特，以全世界的人口進(jìn)行分配，每個(gè)人可以使用一萬(wàn)個(gè)地址。

前已經(jīng)說(shuō)明，在以太局域網(wǎng)的情況下，向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)順序是從LSB開(kāi)始傳輸，地址字段也理所當(dāng)然遵從該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)順序。而在令牌環(huán)及FDDI的情況下，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)順序則首先從MSB開(kāi)始發(fā)送，但對(duì)于地址字段，則是從LSB開(kāi)始發(fā)送的，這一點(diǎn)需要特別注意。換一種說(shuō)法，就是所有的IEEE 802/FDDI的局域網(wǎng)，都是從I/G比特開(kāi)始傳輸?shù)摹?/span>

四、類型/長(zhǎng)度字段

這兩個(gè)八位位組（2字節(jié)）字段采用兩個(gè)含義之一，依賴于其數(shù)字值。對(duì)于數(shù)字評(píng)價(jià)，第1個(gè)八位位組是該字段的最高有效八位位組（MSB）。兩個(gè)字段的解釋詳見(jiàn)下表4-0，關(guān)鍵是該字段的長(zhǎng)度解釋和類型解釋是互斥的。

表 4-0：長(zhǎng)度解釋和類型解釋

1、類型字段

對(duì)于類型子段早期是指由施樂(lè)、DEC及英特爾三家公司所制定的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中的類型（Ethertypes），該類型字段只存在于最初的以太局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，它表示以太網(wǎng)的上層協(xié)議，具體示例如下表4-1所示，類型字段的分配是由IEEE注冊(cè)機(jī)構(gòu)管理的。各個(gè)工作站的分組處理軟件見(jiàn)到該字段信息，將會(huì)把分組傳遞給必要的協(xié)議軟件進(jìn)行處理。現(xiàn)在幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)都利用TCP/IP，其類型使用“0800”編碼。

表4-1：協(xié)議類型示例及編碼（十六進(jìn)制）

2、長(zhǎng)度字段

事實(shí)上，在IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中，利用長(zhǎng)度字段代替了類型字段。2字節(jié)長(zhǎng)度字段中添加了數(shù)據(jù)字段的字節(jié)數(shù)。當(dāng)利用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的幀時(shí)，MAC層的上層必須安裝LLC（Logical Link Control，邏輯鏈路控制，由IEEE 802.2規(guī)范）子層，在這種情況下，前述的類型字段部分被安裝在LLC上。

五、數(shù)據(jù)字段與PAD字段

1、數(shù)據(jù)字段

數(shù)據(jù)字段即工作站所要傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)的內(nèi)容，其字段最小為46字節(jié)，最大為1500字節(jié)。數(shù)據(jù)字段最小46字節(jié)是為碰撞檢測(cè)所確定的。數(shù)據(jù)字段的最小值的確定是為了滿足實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)功能；其最大值是由最大幀長(zhǎng)度和特定實(shí)現(xiàn)的地址長(zhǎng)度參數(shù)來(lái)確定的。其最大值也與傳輸通道的差錯(cuò)特性有關(guān)。在以太網(wǎng)中對(duì)每一幀進(jìn)行校驗(yàn)，然后丟棄分組含錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的幀，所以即使包含1比特的錯(cuò)誤，整個(gè)幀也會(huì)被丟棄。一般地，在比特出錯(cuò)率較高的線路上，需要縮短幀的長(zhǎng)度。在以太網(wǎng)中規(guī)定同軸電纜的比特出錯(cuò)率要低于10^-8。由于1500字節(jié)為12 000比特，所以當(dāng)比特出錯(cuò)率為10^-8時(shí)，大約每10 000幀中可能會(huì)有一幀被丟棄。

2、PAD字段

PAD字段是數(shù)據(jù)字段的填充字段。為了正確的 CSMA/CD協(xié)議操作而要求一個(gè)最小幀長(zhǎng)度，如果必要，數(shù)字段可通過(guò)添加額外的并以八位位組為單位的位（即填充）來(lái)擴(kuò)充，這種擴(kuò)充是添加在該數(shù)據(jù)字段之后，但在經(jīng)計(jì)算并添加的 FCS之前。如果有填充，其長(zhǎng)度由 MAC客戶供給的數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度、最小幀長(zhǎng)度以及特定現(xiàn)實(shí)的地址長(zhǎng)度參數(shù)來(lái)確定。

六、報(bào)尾部分

1、幀校驗(yàn)序列（FCS）字段

4字節(jié)的幀校驗(yàn)序列（FCS）字段，在以太網(wǎng)中也利用CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）作為校驗(yàn)功能，它使用32比特的CRC，其生成多項(xiàng)式由下式生成：

G（x）= x ³²+ x ²⁶+x ²³+x ²²+x ¹⁶+x ¹²+x ¹¹+x ^l0+x ⁸+ x ⁷+ x ⁵+ x ⁴+ x ² + x + 1

該值是作為源地址、目的地址、長(zhǎng)度、LLC數(shù)據(jù)和填充（即除了前導(dǎo)碼、SFD、FCS和擴(kuò)充之外的所有字段）的內(nèi)容的函數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算而得到的。由于是32次的生成多項(xiàng)式，所以可以校驗(yàn)到32比特所有的錯(cuò)誤，而且不能校驗(yàn)出33比特的碎發(fā)性錯(cuò)誤的概率為2^-31，34比特以上的碎發(fā)性錯(cuò)誤不能校驗(yàn)的概率為2^-32。

2、擴(kuò)展字段

擴(kuò)展字段緊跟在 FCS字段后面，并且由擴(kuò)展位序列組成,，可迅速地區(qū)分開(kāi)擴(kuò)充位和數(shù)據(jù)位。該字段的長(zhǎng)度在0至（slot Time-min Frame Size）位的范圍內(nèi)，包括0位和（slot Time-min Frame Size）位。Slot Time-min Frame Size在802.3標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定。擴(kuò)展字段的內(nèi)容不包括在 FCS計(jì)算內(nèi)。

欲進(jìn)一步了解802.3標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15629.3中MAC幀結(jié)構(gòu)規(guī)定的請(qǐng)接入。