【计算机网络 | 第十篇】以太网的 MAC 层

3.3 使用广播信道的数据链路层

说明：本章内容涵盖局域网的数据链路层、CSMA/CD 协议、使用集线器的星形拓扑以及以太网的信道利用率等内容。鉴于篇幅与博客总结侧重点，本小节博客只整理了最后的以太网的 MAC 层。

以太网的 MAC 层

1. MAC 层的硬件地址

在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC 地址。

MAC 地址的定义

IEEE 802 标准中所说的“地址”，严格来讲是每一个站的“名字”或标识符。

另外，如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器（网卡），那么该主机或路由器就拥有多个“地址”。更准确地说，这种 48 位的“地址”应当是某个接口的标识符。

48 位 MAC 地址的结构

IEEE 802 标准规定 MAC 地址字段采用 6 字节（48 位）格式。IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节（即高位 24 位），称为组织唯一标识符。

地址字段的后三个字节（即低位 24 位）由厂家自行指派，称为扩展唯一标识符。厂家必须保证生产出的适配器没有重复地址。

一个地址块可以生成2 24 2^{24}224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，其通用名称是EUI-48。生产适配器时，6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的 ROM 中，因此 MAC 地址也被称为硬件地址或物理地址。

地址位的特殊含义

1. I/G 位 (Individual/Group)：

   • IEEE 规定地址字段第一字节的最低位为 I/G 位。
   • 当 I/G 位 = 0 时：地址字段表示一个单站地址（单播）。
   • 当 I/G 位 = 1 时：表示组地址，用来进行多播（组播）。

2. G/L 位 (Global/Local)：

   • IEEE 把地址字段第一字节的最低第 2 位规定为 G/L 位。
   • 当 G/L 位 = 0 时：是全球管理（保证在全球没有相同的地址），厂商向 IEEE 购买的 OUI 都属于全球管理。
   • 当 G/L 位 = 1 时：是本地管理，这时用户可任意分配网络上的地址。

2. 适配器对 MAC 地址的检查

适配器从网络上每收到一个 MAC 帧，首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址。

• 如果是发往本站的帧，则收下，然后再进行其他处理。
• 否则，将此帧丢弃，不再进行其他处理。

“发往本站的帧”包括以下三种：

1. 单播帧：一对一，即收到的帧的 MAC 地址与本站的硬件地址相同。
2. 广播帧：一对全体，即发送给本局域网上所有站点的帧（全 1 地址）。
3. 多播帧：一对多，即发送给本局域网上有一部分站点的帧。

混杂方式：
以混杂方式工作的以太网适配器，只要“听到”有帧在以太网上传输，无论目的地址是否是自己，都会接收下来。这通常用于网络监听和分析。

3. MAC 帧的格式

常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准：

1. DIX Ethernet V2 标准（最常用）。
2. IEEE 的 802.3 标准。

以太网 V2 的 MAC 帧格式

以太网 V2 帧主要由五个字段组成：

1. 目的地址：6 字节。
2. 源地址：6 字节。
3. 类型：2 字节。
   • 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。
   • 例如：0x0800表示 IP 数据报。
4. 数据：46 ~ 1500 字节。
   • 数据字段的正式名称是MAC 客户数据字段。
   • MTU：最大传送单元，即数据字段的最大长度为 1500 字节。
   • 最小长度：数据字段的最小长度为 46 字节。如果数据少于 46 字节，必须加入填充字段以保证 MAC 帧长不小于 64 字节。
5. FCS：4 字节，即帧检验序列。

物理层的前同步码

在帧的前面，物理层会插入 8 字节的内容，但这不属于 MAC 帧的一部分：

• 前同步码：7 字节，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。
• 帧开始定界符：1 字节，表示后面的信息就是 MAC 帧。

MAC 示例：

各网卡MAC地址：

• eth0: 00:15:5d:62:ba:4d (物理网卡)
• br-d7cfc11ea37e: 3a:24:31:af:ae:b1 (网桥)
• br-e15858d2c99c: 6e:f3:cb:40:9d:53 (网桥)
• br-f2072db21258:3a:0d:df:d7:12:43 (网桥)
• docker0: 02:46:a8:42:55:19 (Docker默认网桥)
• veth62eb915: 2a:a4:c0:d2:76:cf (虚拟以太网设备)

4. 无效的 MAC 帧

对于检查出的无效 MAC 帧，以太网的处理方式是简单地丢弃，不负责重传。

无效 MAC 帧的判定标准：

1. 数据字段的长度与长度字段的值不一致。
2. 帧的长度不是整数个字节。
3. 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错。
4. 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
5. 有效的 MAC 帧长度范围为64 ~ 1518 字节。