以太网的特点及技术知识 以太网MAC层的简单介绍

在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址，是被固化在适配器的ROM中，一种用于识别系统的标识符。这种标识符具有唯一性，即每一台计算机的MAC地址是不同的。

在计算机网络中，当主机通过适配器接收到一个MAC帧的时候，会先用硬件检测MAC帧中的目的地址。如果是发往本站的帧则收下，若否则丢失。一般，接收到的MAC帧有以下三种：

• 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。
• 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）。
• 多播帧（一对多），即发送给本局域网上一部分站点的帧。

MAC帧的格式

我们以以太网V2标准的MAC帧做介绍，由上图可知，MAC帧主要由5个字段组成，前两个字段分别为6个字节的目的地址和6个字节的源地址。第三个字段是占2个字节的类型字段，该字段用于表明后面数据字段（来自上层）使用的是什么协议。第四个字段则是数据字段，其长度在46到1500个字节之间。最后一个字段是帧检验序列FCS（使用CRC校验）。

可以看出，在MAC帧中，并不包含帧的长度说明，那么问题来了，接收端是如何知道什么时候可以停止接收数据呢？这里涉及到曼彻斯特编码的概念。

我们知道，在以太网中，发送的数据都是使用二进制的基带数字信号，也就是高低电平表示的。一般，高电平代表“1”，低电平代表“0”。但是，若是使用这种信号就会遇到一个问题，就是当数据中出现一连串“1”或“0”的时候，接收端无法从接收的比特流中提取同步信号。而采用曼彻斯特编码的方式则可以避免这个问题。

我们可以看上图，在曼彻斯特编码中，我们用前一个间隔低电压，后一个间隔高电压来代表码元1，而前一个间隔高电压，后一个间隔低电压代表码元0。采用这种编码方式的优点，就是不管发送端发送什么样的数据，接收端都可以利用这种电压的转换把位同步信号提取出来。但是，从图中可以很明显地看出，这种编码方式也会导致数据传输占用的频带宽度直接增加了一倍。

这里回到我们前面的问题了，接收端是如何知道什么时候可以停止接收数据了？答案就是曼彻斯特编码。采用曼彻斯特编码方式传输的数据，当接收端适配器没有再检测到有电平变换了的时候，就可以判定此时这帧以太网帧传输已完毕。在这个位置往前移四个字节，就能确认数据帧的结束位置。

我们在上面那张介绍MAC帧格式的图中可以看到，MAC帧最终在物理层中传输的时候，前端会多出8个字节的数据。这是因为当一个接收站在刚开始接收数据时，由于适配器的时钟与到达的比特流尚未达成不同，因此MAC帧前若干位无法接收，从而导致数据的丢失。因此，为了防止这种情况导致的数据丢失，从MAC子层向下传到物理层时在帧的前面插入8个字节（由硬件生成）。这8个字节由两个字段构成，第一个字段是7个字节的前同步码（1和0交替码），主要作用是使接收端的适配器在接收MAC帧前能迅速调整其时钟频率，从而可以正常接收数据。第二个字段是帧开始定界符，定义为10101011，它的作用同前同步码一样，最后两个11是为了告诉接收端适配器MAC帧的数据即将到来，做好接收准备。（注：MAC帧的FCS字段检验范围不包括前同步码和帧开始定界符）

在以太网上传送数据时是以帧为单位传送。以太网在传送帧时，帧与帧之间存在一定的间隙。因此，接收端只需要找到帧开始定界符，后续比特流就可以知道属于同一个MAC帧。因此以太网不需要使用帧结束定界符，也不需要使用字节插入来保证透明传输。

通常我们将出现以下几种情况的定位为无效帧：

1. 帧的长度不是整数个字节；
2. 用收到的帧检验序列FCS查出有差错；
3. 收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46~1500字节之间。考虑到MAC帧的首部和尾部的长度共有18字节，可以得出有效的MAC帧长度为64~1518字节之间。

对于检查出来的无效帧直接就丢弃掉，以太网不负责重传丢弃的帧。