以太网协议模型的演进分析

王瑾瑶

（电子科技大学通信与信息工程学院，四川 成都 611731）

1 IEEE 802概述

IEEE 是电气电子工程师协会(Institude of Electri⁃cal and Electronics Engineers），是美国电气电子领域最具权威的技术组织(也是世界上最大的专业技术协会），其下属的IEEE802 局域网/城域网标准化委员会的任务是发展局域网和城域网标准，主要是制定相应OSI参考模型的物理层与数据链路层的标准[1]，见图1。自1980 年2 月起，IEEE802 委员会成立了多个常设性的工作组和研究组，其中一些已不活动，例如802.2逻辑链路控制工作组，其中一些仍在积极活动，例如802.3以太网工作组、802.11无线局域网工作组等。

图1 802参考模型及其与O S I模型的比较

2 IEEE 802.3-1985版

IEEE802.3 推出的以太网标准主要是1985 版和2002 版。1985 版提出：以太网系统由三个基本单元（物理介质、介质访问控制规则和以太帧）组成。在所有IEEE802协议中，ISO数据链路层分为两个子层：介质访问控制(MAC)子层和逻辑链路控制(LLC)子层。

2.1 逻辑链路控制(LLC)子层与介质访问控制(M A C)子层

2.1.1 逻辑链路控制子层

逻辑链路控制子层是802 参考模型中的最高层，提供的服务与OSI参考模型中数据链路层提供的服务相当。LLC 的SAP 命名为“数据链路访问点”；LLC 可以提供多种服务满足高层协议的不同需求。LLC提供的服务是：无连接模式无确认服务、连接模式服务和无连接模式有确认服务。为了提供上述服务，LLC 相应地定义了协议运行的3 种类型，并为服务访问点之间的数据通信定义了3 种运行类型（3 种规程类型）：1）不需要建立数据链路连接就可在对等LLC 之间进行PDU 的交换，LLC 不会对PDU 进行确认，也不会进行流量控制和差错恢复。2）在对等LLC 之间进行PDU交换之前，必须先建立数据链路连接，然后才能通过该连接传送承载用户信息的PDU，并对每一个PDU进行确认。3）不需建立数据链路连接就可在对等LLC 之间进行PDU交换。PDU可能承载用户信息，也可能没有承载用户信息。对于所有传送的PDU，不管有没有承载信息，都要由宿LLC返回带状态信息的PDU进行确认。IEEE802.2 对LLC 子层规定了三个界面的服务规范：（1）网络层/LLC子层界面服务规范，用于描述从网络层看，LLC子层和其下各层提供的服务；（2）LLC/LLC 子层界面服务规范，描述提供给LLC 子层的管理服务；（3）LLC/MAC子层管理功能的界面服务规范，用于描述LLC 子层对MAC 子层所要求的服务。综上可见，LLC子层在1985版协议中的重要地位。故特有一个工作组IEEE802.2专门负责逻辑链路控制工作。

2.1.2 介质访问控制子层

局域网发展初期，局域网技术都是共享物理介质传输能力的技术。多个站点同时访问共享介质必须有一个访问控制的机制，使多站点访问有序有效。介质访问控制协议就是专门执行这一机制的协议。MAC子层是LLC 子层的相邻下层，为LLC 子层提供服务。MAC子层最基本的功能是控制物理传输介质的访问、透明转移LLC PDU 和形成MAC 帧[2]。在早期的802.3标准中，MAC 子层不支持多访问点，并且没有进一步的划分。

2.2 M A C 帧格式

1985版的帧格式源于以太网的早期标准（DIX EthernetⅡ），其帧结构基本一致，但对两个字段做了改动：将“类型”字段改定义为“长度”字段；对“LLC数据”字段含义进行变动，见图2。

图2 1985版MAC 帧格式

图3 MAC 层参考模型

3 IEEE 802.3-2002版

3.1 介质访问控制（M A C）子层

随着以太网技术中出现了需要实施实时控制的流控机制，原有MAC 子层上新增一个MAC 控制子层，形成了两层结构的MAC 子层：基本的MAC 子层和可选的MAC控制子层。MAC控制子层位于MAC子层之上，见图3。

MAC 子层有两个基本职能：1）数据封装，包括传输之前的帧组合和接收中、接收后的帧解析/差错检测。2）介质访问控制(帧传输初始化和传输失败恢复)。MAC 控制子层实时控制MAC 子层的运行且MAC 控制子层具有一个较为特别的特性是透明传送。

3.2 M A C 帧格式

从1998 编辑版开始，802.3 标准开始对MAC 帧结构进行了重大改变。关键性的变动有两点：基本帧格式的变化、扩展帧结构的增加。单一含义的“长度”字段重新定义为双含义的“长度/类型”字段，使以太帧中的数据段可以承载多种类型的MAC客户数据。VLAN加标扩展帧的出现使802.3 标准中产生了多种帧格式。802.3as 标准中，将以太网MAC 帧的帧格式分为三类：基本帧、Q加标帧和套封帧。这三类帧具有统一的帧格式，只是由于三类帧承载MAC客户数据的最大长度不同而导致最大帧长不相同，802.3 以太网帧结构，见图4。

图4 2002版MAC 帧格式

图5 IEEE 802标准族成员关系图

4 相关问题的分析讨论

4.1 LLC 协议重要性变化的原因分析

早期的IEEE 802协议中，LLC 协议位居中心地位。在802 参考模型中，LLC 实体是唯一可以直接向高层协议提供服务的实体，MAC层必须通过LLC层才能向高层协议提供服务，因此，LLC 是MAC 通向高层的唯一联系。见图5，在标准族中，LLC协议可为多个高层协议提供服务，而各个MAC协议只能向惟一的LLC提供服务[3]。

随着局域网技术的日新月异，网络层几乎成为IP的天下，而IP 只需要最简单的服务：无连接模式无确认型服务。此时，原本以简便为目的的LLC 协议中3种服务的处理成为了一种不必要的负担，而趋于成熟的单一的MAC 层规范已经完全没有必要再使用LLC来消除物理网络的差异。原本可以面对多种多样的MAC技术，并为多种网络层协议提供统一服务的LLC协议，成为以太网的一大弊端。在以太网帧格式方面，值得注意的是，IP 技术与以太网技术之间具有“良好的匹配性”。IP分组与以太帧都是变长的数据单元，IP协议使用的服务和以太网技术提供的服务都是无连接模式无确认型的。由此看出，在IP与以太网之间插入LLC 子层是完全没有必要的，插入LLC 子层反而会增加传输和处理开销。通过上述分析，LLC 不再是局域网体系结构的中心。通过在MAC层定义多重SAP点，并对常用的网络层协议预分配地址，802 网络就可在无需LLC协议下正常运行。

4.2 M A C 帧格式变化的原因分析

1985 版帧格式中的“数据”字段只能是“LLC 数据”，随着LLC子层作用的淡化，此字段的必定会改为MAC 客户数据。以太网MAC 帧的格式出现Q 加标帧则是由于虚拟局域网（VLAN）的出现而出现。由此可见，MAC 帧格式的变化，是随着以太网技术的发展和LLC子层作用的改变而变化的。

[1] 雷维礼，马立香，彭美娥.局域网与城域网[M].北京：人民邮电出版社,2008:54－57，93.

[2] 杨文东.IEEE 802 局域网和城域网标准体系结构[J].电信工程技术与标准化,2002(4)：60-62.

[3] 王廷尧,马克城. 以太网知识讲座[J]. 天津通信技术,2002(1)：54-62.