2.7 以太网的 MAC 层

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前言

在计算机网络中，MAC 层（介质访问控制层）用于定义设备在局域网上的唯一标识符，并规范帧的格式和传输规则。本文将详细介绍 MAC 层硬件地址的定义、分类及特点和常见的 MAC 帧格式及其各字段的含义。

1 MAC 层的硬件地址

1.1 硬件地址概述

硬件地址（MAC 地址）又称为物理地址，用于标识局域网上的每台计算机。

IEEE 802 标准规定了局域网中设备使用的全球唯一的 48 位地址（即 MAC 地址），每台设备的适配器上都固化了一个这样的地址。
在适配器的 ROM（只读存储器）中，保存了 MAC 地址的二进制编码，使其在网络中具有唯一性。

注意：如果主机或路由器上安装有多个网络适配器，那么该设备会有多个 MAC 地址。更准确地说，MAC 地址是某个网络接口的唯一标识符。

1.2 MAC 地址的分配

IEEE 的注册管理机构（RA）负责向厂家分配 MAC 地址的前 3 个字节（高 24 位），称为 组织唯一标识符（OUI, Organizationally Unique Identifier）。

厂商在生产适配器时，根据分配的 OUI 自行指定后 3 个字节（低 24 位），称为 扩展标识符（extended identifier）。该分配方式确保每个适配器的 MAC 地址唯一，不会与其他设备冲突。

1.3 MAC 地址的分类

根据 IEEE 802 标准，MAC 地址可分为单站地址、组地址和广播地址，分别用于不同的通信模式：

• 单站地址：I/G（Individual/Group）位为 0，用于一对一的通信。
• 组地址：I/G 位为 1，用于多播通信，即将数据发送给一组指定的主机。
• 广播地址：所有 48 位都为 1（即全 1），用于一对全体的通信，仅能作为目的地址使用。

1.4 全球管理与本地管理

IEEE 还规定了 MAC 地址的 G/L（Global/Local）位：

• 全球管理地址：G/L 位为 0，表示厂商向 IEEE 购买的 OUI，属于全球管理。
• 本地管理地址：G/L 位为 1，表示用户可以自行在网络中分配的地址，属于本地管理。

1.5 适配器的过滤功能

以太网适配器具有帧过滤功能。每当接收到一个 MAC 帧时，适配器会先检查帧的 MAC 地址。
如果该帧的目标地址匹配适配器的 MAC 地址（或是广播、多播地址），适配器才会接收并处理该帧，否则将丢弃。

发往本站的帧 包括以下三种类型：

• 单播（Unicast）帧：发送到指定目标的帧 （一对一）。
• 广播（Broadcast）帧：发送给所有网络设备的帧 （一对全体）。
• 多播（Multicast）帧：发送给某一组特定设备的帧 （一对多）。

除此之外，适配器在 混杂模式 下，可以接收网络上传输的所有帧，无论帧的目标地址为何。该模式多用于网络分析和监控。

2 MAC 帧的格式

MAC 帧是以太网传输的基本单位，不同的标准对 MAC 帧格式有不同的定义。常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准：

1. DIX Ethernet V2 标准
2. IEEE 802.3 标准

目前市场上流行的主要是以太网 V2 格式的 MAC 帧，通常也被称为 IEEE 802.3 标准的 MAC 帧。

2.1 MAC 帧字段详解

①目的地址字段：标识 MAC 帧的接收设备。

②源地址字段：标识发送该帧的设备。

③类型字段：标识上层协议类型，以便 MAC 层将数据帧上交给对应的协议处理。

④数据字段：即 MAC 客户数据字段，承载实际的数据内容。最小帧长度为 64 字节（包括 18 字节的首部和尾部），因此数据字段的最小长度为 46 字节。

⑤FCS 字段（帧校验序列）：用于检测帧传输过程中的差错。

当数据字段的长度小于 46 字节时，会在后面加入填充字段，以保证 MAC 帧长度不小于 64 字节。

2.2 无效的 MAC 帧

在以下情况下，MAC 帧会被视为无效并丢弃：

• 帧的长度不是整数个字节
• 数据字段的长度与长度字段的值不一致
• 使用 FCS 进行帧校验时检测到差错
• 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间

以太网不负责重传丢弃的帧。