以太網協議模型的演進分析

王瑾瑤

（電子科技大學通信與信息工程學院，四川 成都 611731）

1 IEEE 802概述

IEEE 是電氣電子工程師協會(Institude of Electri?cal and Electronics Engineers），是美國電氣電子領域最具權威的技術組織(也是世界上最大的專業技術協會），其下屬的IEEE802 局域網/城域網標準化委員會的任務是發展局域網和城域網標準，主要是制定相應OSI參考模型的物理層與數據鏈路層的標準[1]，見圖1。自1980 年2 月起，IEEE802 委員會成立了多個常設性的工作組和研究組，其中一些已不活動，例如802.2邏輯鏈路控制工作組，其中一些仍在積極活動，例如802.3以太網工作組、802.11無線局域網工作組等。

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 推出的以太網標準主要是1985 版和2002 版。1985 版提出：以太網系統由三個基本單元（物理介質、介質訪問控制規則和以太幀）組成。在所有IEEE802協議中，ISO數據鏈路層分為兩個子層：介質訪問控制(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，提供的服務與OSI參考模型中數據鏈路層提供的服務相當。LLC 的SAP 命名為“數據鏈路訪問點”；LLC 可以提供多種服務滿足高層協議的不同需求。LLC提供的服務是：無連接模式無確認服務、連接模式服務和無連接模式有確認服務。為了提供上述服務，LLC 相應地定義了協議運行的3 種類型，并為服務訪問點之間的數據通信定義了3 種運行類型（3 種規程類型）：1）不需要建立數據鏈路連接就可在對等LLC 之間進行PDU 的交換，LLC 不會對PDU 進行確認，也不會進行流量控制和差錯恢復。2）在對等LLC 之間進行PDU交換之前，必須先建立數據鏈路連接，然后才能通過該連接傳送承載用戶信息的PDU，并對每一個PDU進行確認。3）不需建立數據鏈路連接就可在對等LLC 之間進行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返回帶狀態信息的PDU進行確認。IEEE802.2 對LLC 子層規定了三個界面的服務規范：（1）網絡層/LLC子層界面服務規范，用于描述從網絡層看，LLC子層和其下各層提供的服務；（2）LLC/LLC 子層界面服務規范，描述提供給LLC 子層的管理服務；（3）LLC/MAC子層管理功能的界面服務規范，用于描述LLC 子層對MAC 子層所要求的服務。綜上可見，LLC子層在1985版協議中的重要地位。故特有一個工作組IEEE802.2專門負責邏輯鏈路控制工作。

2.1.2 介質訪問控制子層

局域網發展初期，局域網技術都是共享物理介質傳輸能力的技術。多個站點同時訪問共享介質必須有一個訪問控制的機制，使多站點訪問有序有效。介質訪問控制協議就是專門執行這一機制的協議。MAC子層是LLC 子層的相鄰下層，為LLC 子層提供服務。MAC子層最基本的功能是控制物理傳輸介質的訪問、透明轉移LLC PDU 和形成MAC 幀[2]。在早期的802.3標準中，MAC 子層不支持多訪問點，并且沒有進一步的劃分。

2.2 M A C 幀格式

1985版的幀格式源于以太網的早期標準（DIX EthernetⅡ），其幀結構基本一致，但對兩個字段做了改動：將“類型”字段改定義為“長度”字段；對“LLC數據”字段含義進行變動，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 介質訪問控制（M A C）子層

隨著以太網技術中出現了需要實施實時控制的流控機制，原有MAC 子層上新增一個MAC 控制子層，形成了兩層結構的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 子層有兩個基本職能：1）數據封裝，包括傳輸之前的幀組合和接收中、接收后的幀解析/差錯檢測。2）介質訪問控制(幀傳輸初始化和傳輸失敗恢復)。MAC 控制子層實時控制MAC 子層的運行且MAC 控制子層具有一個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 標準開始對MAC 幀結構進行了重大改變。關鍵性的變動有兩點：基本幀格式的變化、擴展幀結構的增加。單一含義的“長度”字段重新定義為雙含義的“長度/類型”字段，使以太幀中的數據段可以承載多種類型的MAC客戶數據。VLAN加標擴展幀的出現使802.3 標準中產生了多種幀格式。802.3as 標準中，將以太網MAC 幀的幀格式分為三類：基本幀、Q加標幀和套封幀。這三類幀具有統一的幀格式，只是由于三類幀承載MAC客戶數據的最大長度不同而導致最大幀長不相同，802.3 以太網幀結構，見圖4。

圖4 2002版MAC 幀格式

圖5 IEEE 802標準族成員關系圖

4 相關問題的分析討論

4.1 LLC 協議重要性變化的原因分析

早期的IEEE 802協議中，LLC 協議位居中心地位。在802 參考模型中，LLC 實體是唯一可以直接向高層協議提供服務的實體，MAC層必須通過LLC層才能向高層協議提供服務，因此，LLC 是MAC 通向高層的唯一聯系。見圖5，在標準族中，LLC協議可為多個高層協議提供服務，而各個MAC協議只能向惟一的LLC提供服務[3]。

隨著局域網技術的日新月異，網絡層幾乎成為IP的天下，而IP 只需要最簡單的服務：無連接模式無確認型服務。此時，原本以簡便為目的的LLC 協議中3種服務的處理成為了一種不必要的負擔，而趨于成熟的單一的MAC 層規范已經完全沒有必要再使用LLC來消除物理網絡的差異。原本可以面對多種多樣的MAC技術，并為多種網絡層協議提供統一服務的LLC協議，成為以太網的一大弊端。在以太網幀格式方面，值得注意的是，IP 技術與以太網技術之間具有“良好的匹配性”。IP分組與以太幀都是變長的數據單元，IP協議使用的服務和以太網技術提供的服務都是無連接模式無確認型的。由此看出，在IP與以太網之間插入LLC 子層是完全沒有必要的，插入LLC 子層反而會增加傳輸和處理開銷。通過上述分析，LLC 不再是局域網體系結構的中心。通過在MAC層定義多重SAP點，并對常用的網絡層協議預分配地址，802 網絡就可在無需LLC協議下正常運行。

4.2 M A C 幀格式變化的原因分析

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

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

[2] 楊文東.IEEE 802 局域網和城域網標準體系結構[J].電信工程技術與標準化,2002(4)：60-62.

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