以太網(wǎng)協(xié)議模型的演進(jìn)分析

王瑾瑤

（電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，四川 成都 611731）

1 IEEE 802概述

IEEE 是電氣電子工程師協(xié)會(huì)(Institude of Electri?cal and Electronics Engineers），是美國(guó)電氣電子領(lǐng)域最具權(quán)威的技術(shù)組織(也是世界上最大的專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)），其下屬的IEEE802 局域網(wǎng)/城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的任務(wù)是發(fā)展局域網(wǎng)和城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要是制定相應(yīng)OSI參考模型的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)[1]，見圖1。自1980 年2 月起，IEEE802 委員會(huì)成立了多個(gè)常設(shè)性的工作組和研究組，其中一些已不活動(dòng)，例如802.2邏輯鏈路控制工作組，其中一些仍在積極活動(dòng)，例如802.3以太網(wǎng)工作組、802.11無線局域網(wǎng)工作組等。

圖1 802參考模型及其與O S I模型的比較

2 IEEE 802.3-1985版

IEEE802.3 推出的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要是1985 版和2002 版。1985 版提出：以太網(wǎng)系統(tǒng)由三個(gè)基本單元（物理介質(zhì)、介質(zhì)訪問控制規(guī)則和以太幀）組成。在所有IEEE802協(xié)議中，ISO數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個(gè)子層：介質(zhì)訪問控制(MAC)子層和邏輯鏈路控制(LLC)子層。

2.1 邏輯鏈路控制(LLC)子層與介質(zhì)訪問控制(M A C)子層

2.1.1 邏輯鏈路控制子層

邏輯鏈路控制子層是802 參考模型中的最高層，提供的服務(wù)與OSI參考模型中數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)相當(dāng)。LLC 的SAP 命名為“數(shù)據(jù)鏈路訪問點(diǎn)”；LLC 可以提供多種服務(wù)滿足高層協(xié)議的不同需求。LLC提供的服務(wù)是：無連接模式無確認(rèn)服務(wù)、連接模式服務(wù)和無連接模式有確認(rèn)服務(wù)。為了提供上述服務(wù)，LLC 相應(yīng)地定義了協(xié)議運(yùn)行的3 種類型，并為服務(wù)訪問點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信定義了3 種運(yùn)行類型（3 種規(guī)程類型）：1）不需要建立數(shù)據(jù)鏈路連接就可在對(duì)等LLC 之間進(jìn)行PDU 的交換，LLC 不會(huì)對(duì)PDU 進(jìn)行確認(rèn)，也不會(huì)進(jìn)行流量控制和差錯(cuò)恢復(fù)。2）在對(duì)等LLC 之間進(jìn)行PDU交換之前，必須先建立數(shù)據(jù)鏈路連接，然后才能通過該連接傳送承載用戶信息的PDU，并對(duì)每一個(gè)PDU進(jìn)行確認(rèn)。3）不需建立數(shù)據(jù)鏈路連接就可在對(duì)等LLC 之間進(jìn)行PDU交換。PDU可能承載用戶信息，也可能沒有承載用戶信息。對(duì)于所有傳送的PDU，不管有沒有承載信息，都要由宿LLC返回帶狀態(tài)信息的PDU進(jìn)行確認(rèn)。IEEE802.2 對(duì)LLC 子層規(guī)定了三個(gè)界面的服務(wù)規(guī)范：（1）網(wǎng)絡(luò)層/LLC子層界面服務(wù)規(guī)范，用于描述從網(wǎng)絡(luò)層看，LLC子層和其下各層提供的服務(wù)；（2）LLC/LLC 子層界面服務(wù)規(guī)范，描述提供給LLC 子層的管理服務(wù)；（3）LLC/MAC子層管理功能的界面服務(wù)規(guī)范，用于描述LLC 子層對(duì)MAC 子層所要求的服務(wù)。綜上可見，LLC子層在1985版協(xié)議中的重要地位。故特有一個(gè)工作組IEEE802.2專門負(fù)責(zé)邏輯鏈路控制工作。

2.1.2 介質(zhì)訪問控制子層

局域網(wǎng)發(fā)展初期，局域網(wǎng)技術(shù)都是共享物理介質(zhì)傳輸能力的技術(shù)。多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)訪問共享介質(zhì)必須有一個(gè)訪問控制的機(jī)制，使多站點(diǎn)訪問有序有效。介質(zhì)訪問控制協(xié)議就是專門執(zhí)行這一機(jī)制的協(xié)議。MAC子層是LLC 子層的相鄰下層，為L(zhǎng)LC 子層提供服務(wù)。MAC子層最基本的功能是控制物理傳輸介質(zhì)的訪問、透明轉(zhuǎn)移LLC PDU 和形成MAC 幀[2]。在早期的802.3標(biāo)準(zhǔn)中，MAC 子層不支持多訪問點(diǎn)，并且沒有進(jìn)一步的劃分。

2.2 M A C 幀格式

1985版的幀格式源于以太網(wǎng)的早期標(biāo)準(zhǔn)（DIX EthernetⅡ），其幀結(jié)構(gòu)基本一致，但對(duì)兩個(gè)字段做了改動(dòng)：將“類型”字段改定義為“長(zhǎng)度”字段；對(duì)“LLC數(shù)據(jù)”字段含義進(jìn)行變動(dòng)，見圖2。

圖2 1985版MAC 幀格式

圖3 MAC 層參考模型

3 IEEE 802.3-2002版

3.1 介質(zhì)訪問控制（M A C）子層

隨著以太網(wǎng)技術(shù)中出現(xiàn)了需要實(shí)施實(shí)時(shí)控制的流控機(jī)制，原有MAC 子層上新增一個(gè)MAC 控制子層，形成了兩層結(jié)構(gòu)的MAC 子層：基本的MAC 子層和可選的MAC控制子層。MAC控制子層位于MAC子層之上，見圖3。

MAC 子層有兩個(gè)基本職能：1）數(shù)據(jù)封裝，包括傳輸之前的幀組合和接收中、接收后的幀解析/差錯(cuò)檢測(cè)。2）介質(zhì)訪問控制(幀傳輸初始化和傳輸失敗恢復(fù))。MAC 控制子層實(shí)時(shí)控制MAC 子層的運(yùn)行且MAC 控制子層具有一個(gè)較為特別的特性是透明傳送。

3.2 M A C 幀格式

從1998 編輯版開始，802.3 標(biāo)準(zhǔn)開始對(duì)MAC 幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重大改變。關(guān)鍵性的變動(dòng)有兩點(diǎn)：基本幀格式的變化、擴(kuò)展幀結(jié)構(gòu)的增加。單一含義的“長(zhǎng)度”字段重新定義為雙含義的“長(zhǎng)度/類型”字段，使以太幀中的數(shù)據(jù)段可以承載多種類型的MAC客戶數(shù)據(jù)。VLAN加標(biāo)擴(kuò)展幀的出現(xiàn)使802.3 標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)生了多種幀格式。802.3as 標(biāo)準(zhǔn)中，將以太網(wǎng)MAC 幀的幀格式分為三類：基本幀、Q加標(biāo)幀和套封幀。這三類幀具有統(tǒng)一的幀格式，只是由于三類幀承載MAC客戶數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度不同而導(dǎo)致最大幀長(zhǎng)不相同，802.3 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 2002版MAC 幀格式

圖5 IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)族成員關(guān)系圖

4 相關(guān)問題的分析討論

4.1 LLC 協(xié)議重要性變化的原因分析

早期的IEEE 802協(xié)議中，LLC 協(xié)議位居中心地位。在802 參考模型中，LLC 實(shí)體是唯一可以直接向高層協(xié)議提供服務(wù)的實(shí)體，MAC層必須通過LLC層才能向高層協(xié)議提供服務(wù)，因此，LLC 是MAC 通向高層的唯一聯(lián)系。見圖5，在標(biāo)準(zhǔn)族中，LLC協(xié)議可為多個(gè)高層協(xié)議提供服務(wù)，而各個(gè)MAC協(xié)議只能向惟一的LLC提供服務(wù)[3]。

隨著局域網(wǎng)技術(shù)的日新月異，網(wǎng)絡(luò)層幾乎成為IP的天下，而IP 只需要最簡(jiǎn)單的服務(wù)：無連接模式無確認(rèn)型服務(wù)。此時(shí)，原本以簡(jiǎn)便為目的的LLC 協(xié)議中3種服務(wù)的處理成為了一種不必要的負(fù)擔(dān)，而趨于成熟的單一的MAC 層規(guī)范已經(jīng)完全沒有必要再使用LLC來消除物理網(wǎng)絡(luò)的差異。原本可以面對(duì)多種多樣的MAC技術(shù)，并為多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議提供統(tǒng)一服務(wù)的LLC協(xié)議，成為以太網(wǎng)的一大弊端。在以太網(wǎng)幀格式方面，值得注意的是，IP 技術(shù)與以太網(wǎng)技術(shù)之間具有“良好的匹配性”。IP分組與以太幀都是變長(zhǎng)的數(shù)據(jù)單元，IP協(xié)議使用的服務(wù)和以太網(wǎng)技術(shù)提供的服務(wù)都是無連接模式無確認(rèn)型的。由此看出，在IP與以太網(wǎng)之間插入LLC 子層是完全沒有必要的，插入LLC 子層反而會(huì)增加傳輸和處理開銷。通過上述分析，LLC 不再是局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的中心。通過在MAC層定義多重SAP點(diǎn)，并對(duì)常用的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議預(yù)分配地址，802 網(wǎng)絡(luò)就可在無需LLC協(xié)議下正常運(yùn)行。

4.2 M A C 幀格式變化的原因分析

1985 版幀格式中的“數(shù)據(jù)”字段只能是“LLC 數(shù)據(jù)”，隨著LLC子層作用的淡化，此字段的必定會(huì)改為MAC 客戶數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)MAC 幀的格式出現(xiàn)Q 加標(biāo)幀則是由于虛擬局域網(wǎng)（VLAN）的出現(xiàn)而出現(xiàn)。由此可見，MAC 幀格式的變化，是隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和LLC子層作用的改變而變化的。

[1] 雷維禮，馬立香，彭美娥.局域網(wǎng)與城域網(wǎng)[M].北京：人民郵電出版社,2008:54－57，93.

[2] 楊文東.IEEE 802 局域網(wǎng)和城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2002(4)：60-62.

[3] 王廷堯,馬克城. 以太網(wǎng)知識(shí)講座[J]. 天津通信技術(shù),2002(1)：54-62.