以太网协议
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2023年3月16日发(作者：文理分班)118
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以太网采用的通信协议
篇一：以太网基础协议802.3介绍
802.3
802.3通常指以太网。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。
dixethernetV2标准与ieee的802.3标准只有很小的差
别，因此可以将802.3局域网简称为“以太网”。
严格说来，“以太网”应当是指符合dixethernetV2标
准的局域网。
早期的ieee802.3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：100baset、100baset4和100basex等。
为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802
委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：
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逻辑链路控制llc(logicallinkcontrol)子层
媒体接入控制mac(mediumaccesscontrol)子层。
与接入到传输媒体有关的内容都放在mac子层，而llc
子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对llc
子层来说都是透明的。
由于tcp/ip体系经常使用的局域网是dixethernetV2
而不是802.3标准中的几种局域网，因此现在802委员会制
定的逻辑链路控制子层llc（即802.2标准）的作用已经不
大了。
很多厂商生产的网卡上就仅装有mac协议而没有llc协
议。
mac子层的数据封装所包括的主要内容有：数据封装分
为发送数据封装和接收数据封装两部分，包括成帧、编制和
差错检测等功能。
数据封装的过程：当llc子层请求发送数据帧时，发送
数据封装部分开始按mac子层的帧格式组帧：
（1）将一个前导码p和一个帧起始定界符sFd附加到
帧头部分；
（2）填上目的地址、源地址、计算出llc数据帧的字
节数并填入长度字段len；
（3）必要时将填充字符pad附加到llc数据帧后；
（4）求出cRc校验码附加到帧校验码序列Fcs中；
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（5）将完成封装后的mac帧递交miac子层的发送介质
访问管理部分以供发送；接收数据解封部分主要用于校验帧
的目的地址字段，以确定本站是否应该接受该帧，如地址符
合，则将其送到llc子层，并进行差错校验。
ieee802.3
ieee802.3: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。早期的
ieee802.3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：100baset、100baset4和100basex等。
ieee802.3i:原始ieee802.3规范的物理更改，它要求
通过双绞线网络介质，使用以太网类型的信令。标准设定信
令速度为10兆比特每秒，使用一个通过双绞线电缆传输的
基带信令图，该双绞线电缆采用星形或延伸的星形拓扑。
ieee802.3u:(100base-t)是100兆比特每秒以太网的标
准。100base-t技术中可采用3类传输介质，即100base-t4、
100base-tx和100base-Fx，它采用4b/5b编码方式。
ieee802.3z:ieee802.3z千兆以太网标准在1998年6月
通过，它规定的三种收发信机包括三种介质：1000base-lx
应用于已安装的单模光纤基础上，1000base-sx应用于已安
装的多模光纤基础上，1000base-cx应用于已安装的在设备
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室内连接的平衡屏蔽铜缆基础上。
ieee802.3帧格式(1983-1996）
在1980年最早的以太网规范与1983年第一个在
ieee802.3标准发布之前的一段时间内，帧格式的改变很小。
ieee802.3帧格式（作为标准从1983-1996年间存在）。帧格
式几乎与dix以太网帧相同。
ieee802.3帧中的所有域与dix以太网帧格式都是完全
相同的。历史上，网络设计者和用户一般都正确地
把类型域和长度域使用上的差别作为这两种帧格式的
主要差别。dix以太网不使用llc，使用类行域支持向上
复用协议。ieee802.3需要llc实现向上复用，因为它
用长度域取代了类型域。实际上，这两种格式可以并存。这
个2字节的域表示数字值范围是0到2的16次方-1（65535）。
长度域的
最大值是1500，因为这是数据域的最大有效长度。因此，
1501-65535的值都可以来标识类型域，而不会干扰
该域对数据长度的表示。我们只要简单地保证类型域的
所以值都包含在这个不会相互干扰的区间之内就可以
了。实际上，这个域的1536-65535（从0x0600-0xFFFF）
之间的全部值都已被保留为类型域的值，而0-1500
的所有值则被保留为长度域的赋值。
在这种方式下，使用ieee802.3格式（带llc）的以太
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网客户之间可以通信，而使用dix以太网格式（带
类型域）的客户之间也可以在同一个lan相互通信。当
然，这两类用户之间不能通信，除非有设备驱动软件
或高层协议能够理解这两种格式。许多高层协议到现在
还在使用dix以太网格式。这种格式是tcp/ip、ipx
（netware）、decnetphase4和lat（dec的
localareatranspont，局部传输）使用得最普遍的格式。
ieee802.3/llc大都在appletalkphase2、netbios和一
些ipx（netware）的实现中普通应用。
ieee802.3帧格式（1997）
在1995-1996年间，ieee802.3x任务组为支持全双工操
作对已有标准作了补充。其中一部分工作就是开
发了流量控制算法。
帧格式方面的最大变化是：mac控制协议使用dix以太
网风格的类型域来唯一区分mac控制帧与其他协议
的帧。这是ieee802委员会第一次使用这种帧格式。只
要该任务组把mac控制协议对类型域的使用合法化，他
们就能把任何ieee802.3帧对类型域的使用合法化。
ieee802.3x在1997年成为ieee通过的协议。这使原来“
以太网使用类型域而ieee802.3使用长度域”的差别消
失。ieee802.3经过ieee802.3x标准的补充，支持这个
域作为类型域和长度域两种解释。两者都是“ieee802.3
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格式”，类型域和长度域的不同解释正如本节前部所
述。作为类型域用法标准化的一部分，ieee承担了为类
型域设定惟一值的则任（xerox从1980年已开始对类型域赋
值）。千兆以太网使用了这种混合的帧格式。以太网帧
该帧包含6个域：前导码（preamble）包含8个字节
（octet）；目的地址（da）包含6个字节；源地址（sa）包
含6个字节；类型域包含2个字节；数据域包含46-1500字
节；帧效验序列（Fcs）包含4个字节。
篇二：以太网mac协议
以太网mac协议
1位/字节顺序的表示方法
1.1位序
严格地讲，以太网对于字节中位的解释是完全不敏感的。
也就是说，以太网并不需要将一个字节看成是一个具有8个
比特的数字值。但是为了使位序更容易描述以及防止不兼容，
以太网和多数数据通信系统一样，传输一个字节的顺序是从
最低有效位（对应于20的数字位）到最高有效位（对应于
27的数字位）。另外习惯上在书写二进制数字时，最低值位
写在最左面，而最高值位写在最右面。这种写法被称为“小
端”形式或正规形式。一个字节可以写成两个十六进制数字，
第一个数字(最左边)是最高位数字，第二个(最右边)是最低
位数字。
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1.2字节顺序
如果所有有定义的数据值都是1字节长，则在介绍完位
序后就可以停止了。但是很不幸事实并非如此，所以我们必
须面对长于单个字节的域，这些域是以从左到右排列的，以
连接符“-”分隔的字节串表示。每个字节包含两个十六进
制数字。
多字节域的各个字节按第一个到最后一个（即从左到右）
的顺序发送，而每个字节采用小端位序传送。例如，6字节
域：
08-00-60-01-2c-4a
将按以下顺序（从左向右读）串行地发送：
0001-0000-00110100-010100
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2以太网地址
地址是一个指明特定站或一组站的标识。以太网地址是
6字节（48比特）长。图1说明了以太网地址格式。
图1以太网地址格式
在目的地址中，地址的第1位表明该帧将要发送给单个
站点还是一组站点。在源地址中，第1位必须为0。
站地址要唯一确定是至关重要的，一个帧的目的地不能
是模糊的。地址的唯
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一性可以是：
●局限于本网络内。保证地址在某个特定lan中是唯一
的，但不能保证
在相互连接的lan中是唯一的。当使用局部唯一地址时，
要求网络管理员对地址进行分配。
●全局的。保证地址在所有的lan中，在任何时间，以
及对于所有的技
术都是唯一的，这是一个强大的机制，因为：
（1）使网络管理员不必为地址分配而烦恼；
（2）使得站点可以在lan之间移动，而不必重新分配
地址；
（3）可以实现数据链路网桥/交换机。
全局唯一地址以块为单位进行分配，地址块由ieee管
理。一个组织从ieee获得唯一的地址块(称为oui)，并可用
该地址块创建224个设备。那么保证该地址块中地址(最后3
个字节)的唯一性就是制造商的责任。
地址中的第2位指示该地址是全局唯一还是局部唯一。
除了个别情况，历史上以太网一直使用全局唯一地址。
3以太网数据帧格式
图2基本的以太网帧格式及传输次序
图2显示了以太网mac帧各个字段的大小和内容以及传
输次序。
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该格式中每个字段的字节次序是先传输的字节在左，后
传输的字节在右。在每个字节中的位次序正好相反，低位在
左，高位在右。字节次序和位的次序通常用于Fcs之外的所
有字段。Fcs将作为一个特殊的32位字段(最高位在左)，而
不是4个单独的字节。
3.1前导码(preamble)和帧起始定界符（sFd）
前导码包含8个字节。前7个字节(56位)的职位0x55，
而最后一个字节为帧起始定界符，其值为0xd5。结果前导码
将成为一个由62个1和0间隔（10101010---）的串行比特
流，最后2位是连续的1，表示数据链路层帧的开始。其作
用就是提醒接收系统有帧的到来，以及使到来的帧与输入定
时进行同步。在dix以太网中，前导码被认为是物理层封装
的一部分，而不是数据链路层的封装。
3.2地址字段
每个mac帧包含两个地址字段：目标地址
(destinationaddress)和源地址(sourceaddress)。目的地
址标识了帧的目的地站点，源地址标识了发送帧的站。da可
以是单播地址（单个目的地）或组播地址（组目的地），sa
通常是单播地
址（即，第1位是0）。
3.3长度/类型(length/type)
长度/类型字段具有两种意义中的一种。如果这个字段
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的值小于1518，那么这个字段就是长度字段，并定义后面的
数据字段的长度。但是如果这个字段的值大于1518，它就标
识了在以太网上运行的客户端协议。
3.4数据(data)
数据字段包含46～1500字节。数据域封装了通过以太
网传输的高层协议信息。由于csma/cd算法的限制，以太网
帧必须不能小于某个最小长度。高层协议要保证这个域至少
包含46个字节。数据域长度的上限是任意的，但已经被设
置为1500字节。
3.5帧校验序列（Fcs）
帧校验序列包含4个字节。Fcs是从da开始到数据域结
束这部分的校验和。校验和的算法是32位的循环冗余校验
法（cRc）。关
于Fcs部分后面将做详细介绍。
4无效的mac帧格式
满足下面条件至少一个的mac帧即无效：
（1）帧长度和length/type字段中指定的长度不一致。
如果length/type中包含的是类型值，则认为帧长度与该字
段值一致而不认为是无效帧。
（2）不是整数字节的长度。
（3）对接收到的帧进行cRc校验，发现错误。
无效的mac帧内容将不传送到llc层或mac控制子层。
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并将出现无效帧这一情况报告给网络管理。
5csma/cd协议
为了通信的简便，以太网采用了两种重要的措施：
第一，采用无连接的工作方式，在传输数据之前无需建
立连接。
第二，对发送的帧不进行编号，也不要求接收方发回确
认帧。这样做的理由是不同于其他网络，局域网信道的质量
非常好，因为信道质量而产生错误的概率非常小。这与一般
数据链路层协议有些区别，如滑动窗口协议等。
因此以太网提供的是服务是不可靠交付，即尽最大努力
的交付。当目的站点收到有错误的数据帧时，就简单的丢弃
该帧，除此之外什么也不做。上层协议会发现并处理，如上
层协议发现丢失了一些数据，则过一段时间会把这些数据重
新交给以太网，但以太网并不认为这是一个重传的帧，而是
当作一个新的帧来处理。在半双工模式下，一个重要的问题
就是如何协调总线上的各个站点，因为半双工模式同一时间
只允许一个站点发送数据，否则各站点之间将会互相干扰。
以太网采用的就是被称为csma/cd，即载波监听多路访问/
冲突检测的协议。
“多路访问”说明是总线型网络，许多站点以多点的方
式共用一个总线。协议的实质是载波监听和冲突检测。
“载波监听”就是指站点在发送数据前先检查总线上是
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否已有数据在传输，如有则暂缓发送，避免冲突。实质就是
在冲突发生前尽量避免。
“冲突检测”就是边发送边对媒体上的电压信号大小进
行监测。当一个站点监测到电压摆动值超过一定的门限时，
就可认为发生了冲突。冲突检测具体由物理层完成，数据链
路层根据物理层的信号来判断是否有冲突。一旦发生了冲突，
站点就要停止发送数据，然后根据协议进行重传。
5.1帧的发送
数据发送模块主要实现以下两个功能：
1)数据的封装。
2)发送媒体管理。包括信道获取，冲突处理等。
5.1.1数据的封装
发送模块按照以太网mac帧格式，将待发送的数据与目
的地址，源地址，类型/长度字段进行组合，并根据数据长
度添加适当的填充字段以达到802.3标准规定的最小帧长度，
然后计算cRc校验作为Fcs字段添加在帧尾，形成一个完整
的mac帧。在发送时，模块首先自动生成并发送前同步码和
帧开始定界符，然后开始发送组装好的mac帧。
5.1.2发送媒体管理
等待机制(defference)
当一个待发送帧准备就绪时，按照工作模式的不同，发
送模块采用2种规则。半双工模式：
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在半双工模式下，为了避免其他主机竞争媒体而产生的
冲突，mac通过监听载波信号来得知是否有其他站点在发送
信息。该信号由物理层信号提供。如信道忙，mac会暂缓发
送自己的数据，直到信号变为空闲时，才开始发送。通常当
信道变为空闲后，mac并不立刻发送数据，而是继续等待一
个帧间间隔，目的是给物理层以及其他站点的mac处理上一
个帧的时间。当一切准备就绪后，mac就把帧交给物理层以
二进制数据流的形式发送出去。
全双工模式：
而在全双工模式下，情况则大不相同。由于站点之间的
连接为点到点，且可以同时进行发送和接收，所以就不存在
冲突，也就不需要载波监听。待发送的帧只要等待一个帧间
间隔就可以立刻发送，不需要考虑是否正在接收数据。
5.1.3冲突监测和处理：
在半双工模式下，假如有多个站点企图同时发送数据，
尽管每个发送站都有等待机制，然而还是很有可能会相互干
扰。当2个站发送的信号叠加时，冲突就
发生了。只有在半双工的模式下，才有可能会发生冲突。
冲突说明当前有多个站企图使用共享信道。在全双工模式下，
两个站点之间有着点到点的独享信道，不存在冲突。尽管物
理层仍然会提供冲突信号，然而在全双工模式下，这个信号
被忽略了。
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当某个站点开始发送数据时，仅在发送开始的一段时间
内可能遭遇到冲突，这个时间段被称为冲突窗口
(collisionwindow)。这是由于信号在媒体上传播也需要时
间，冲突窗口就是发送站点的信号传遍冲突域所需的时间。
这是一个很重要的参数，以太网取传输512bit数据所用时
间为争用期的长度。需要指出，以太网的端到端时延实际上
是小于争用期的一半的，争用期被规定为传输512bit所用
时间，不仅是考虑了以太网的端到端时延，而且还包括其它
的许多因素，如可能存在的转发器所增加的时延，以及强化
冲突的干扰信号的持续时间等。一般以太网的冲突多为发生
在冲突窗口内。
一旦冲突发生，物理层会监测到干扰信号，于是冲突监
测信号被置1。在半双工模式下，发送模块的接入管理模块
响应这一信号，冲突处理机制开始执行。首先，该模块会发
送一系列被称为冲突强化的信息，确保其他的站点也能得知
冲突的发生，强化冲突过后，发送端终止当前发送，并等待
一个随机的时间重新尝试发送。重新发送同样也有可能遭遇
到冲突，最终的结果有两个，一是发送成功，二是达到了重
传的数量上限，发送失败。
在全双工模式下，发送站点忽略物理层的冲突信号，站
点随时可以发送帧而不会有冲突发生，所以不需要强化冲突
和重传机制。
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5.1.4退避算法以及重传
以太网使用截断二进制指数回退算法来解决冲突后的
重发问题。截断二进制指数回退算法很简单，就是让发生冲
突的站点在停止发送数据后，不是立刻重发，而是推迟一个
随机的时间。这样就使得重发时再次发生冲突的概率减小。
具体的算法是：
(1)确定单位回退时间，通常是取冲突窗口的值，即传
输512bit数据所需时间，称为时槽。
(2)定义参数k，它等于重传次数，但不超过10，因此
k=min(n,10)。
(3)取r满足0≤r(4)当重传达到16次仍不能成功
时(这表明同时打算发送数据的站点过多，导致连续发生冲
突)，则丢弃该帧，并向上层协议报告。
使用以上的回退算法可使重传需要推迟的平均时间随
重传次数增加而增加，这也被称为动态退避，有利于整个系
统的稳定。
5.2帧的接收
在接收端，站监视信道以获得帧到达的指示。当发现信
道变成非空闲状态时，
篇三：计算机网络第三章作业
计算机网络作业3
3-05如果在数据链路层不进行帧定界，会发生什么问题？
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答：无法区分分组与分组；
无法确定分组的控制域和数据域；
无法将差错更正的范围限定在确切的局部。
3-06ppp协议的主要特点是什么？为什么ppp不使用帧
的编号？ppp适用于什么情况？为什么ppp协议不能使数据
链路层实现可靠传输？
答：ppp协议主要特点：简单，提供不可靠的数据报服
务，检错，无纠错，不使用序号和确认机制，地址字段a只
置为0xFF。地址字段实际上并不起作用。控制字段c通常置
为0x03。
ppp是面向字节的
当ppp用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成
比特填充（和hdlc的做法一样），当ppp用在异步传输时，
就使用一种特殊的字符填充法。ppp适用于线路质量不太差
的情况下、ppp没有编码和确认机制
3-27假定一个以太网上的通信量中的80%是在本局域网
上进行的，而其余的20%的通信量是在本局域网和因特网之
间进行的。另一个以太网的情况则反过来。这两个以太网一
个使用以太网集线器，而另一个使用以太网交换机。你认为
以太网交换机应当用在哪一个网络？
答：以太网交换机应该用在局域网和因特网之间的通信
量为80%的那个以太网。因为集线器为物理层设备，模拟了
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总线这一共享媒介共争用，成为局域网通信容量的瓶颈。交
换机则为链路层设备，可实现透明交换。而局域网通过路由
器与因特网相连，所以当本局域网和因特网之间的通信量占
主要成份时，形成集中面向路由器的数据流，使用集线器冲
突较大，采用交换机能得到改善。当本局域网内通信量占主
要成份时，采用交换机改善对外流量不明显
3-2910mb/s以太网升级到100mb/s、1gb/s和10gb/s时，
都需要解决哪些技术问题？为什么以太网能够在发展的过
程中淘汰掉自己的竞争对手，并使自己的应用范围从局域网
一直扩展到城域网和广域网？
答：技术问题：
使参数a保持为较小的数值，可通过减小最大电缆长度
或增大帧的最小长度，在100mb/s的以太网中采用的方法是
保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆的度减小到
100m，帧间时间间隔从原来9.6微秒改为现在的0.96微秒。
吉比特以太网仍保持一个网段的最大长度为100m，但采用了
“载波延伸”的方法，使最短帧长仍为64字节（这样可以
保持兼容性）、同时将争用时间增大为512字节。并使用“分
组突发”减小开销。
10吉比特以太网的帧格式与10mb/s，100mb/s和1gb/s
以太网的帧格式完全相同
吉比特以太网还保留标准规定的以太网最小和最大帧
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长，这就使用户在将其已有的以太网进行升级时，仍能和较
低速率的以太网很方便地通信。
由于数据率很高，吉比特以太网不再使用铜线而只使用
光纤作为传输媒体，它使用长距离（超过km）的光收发器与
单模光纤接口，以便能够工作在广域网。