图说以太网协议：数据链路层中的MAC子层和LLC子层

数据链路层

根据 IEEE 802.3 标准，数据链路层可分为 MAC 层与 LLC 层：

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MAC 与 LLC 子层的功能划分及协议栈架构

  • LLC逻辑链路控制​​子层(Logical Link Control​​)​：位于数据链路层的上层，负责数据帧的同步、流量控制和错误检测等功能，向上层提供统一的数据链路服务接口
  • ​MAC​媒体访问控制子层(​​Media Access Control)​：位于数据链路层的下层，负责解决多设备共享单个信道的媒体访问问题，实现 CSMA/CD、CSMA/CA 等媒体访问机制同时提供数据帧的寻址和差错校验功能

在实际网络设备中，PC 端网卡负责实现 MAC 层和物理层的功能，操作系统的协议栈则实现了 LLC 层及更高层协议，在嵌入式设备中,MAC 层和物理层也可能集成在单个芯片中。

1. MAC 媒体访问控制子层

MAC 子层是数据链路层的一个组成部分，主要负责在网络节点间传输数据帧，并处理物理层传输过来的原始比特流。它提供了数据帧的封装/解封装、错误检测、流量控制以及物理地址寻址等功能，确保了数据链路层的稳定运行和高效数据传输。

MAC 数据包（也称为 MAC 帧）是数据链路层用于传输数据的基本单位。典型的 MAC 帧由以下几个部分组成：

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  • ​前导码（Preamble​​）​：用于帧的同步
  • ​帧开始​定界符（​​SFD​，​​Start Frame Delimiter）​：指示帧开始的位置
  • 目标地址（Destination ​MAC​​​ Address）​：接收数据帧的设备的 MAC 地址
  • ​源地址​（​Source​ ​​​MAC​ Address）​：发送数据帧的设备的 MAC 地址
  • ​长度/类型字段（Length/Type Field）​：指示数据字段的长度或表示上层协议类型
  • ​数据和填充（Data and Padding）​：数据字段包含实际传输的数据，填充字段确保帧的最小长度
  • ​帧校验序列（FCS，Frame Check Sequence）​：用于错误检测

假设我们有一个简单的 MAC 帧，其各字段内容如下：

  • 前导码：10101010 重复 7 次
  • SFD：10101011
  • 目标地址：00:14:22:01:23:45
  • 源地址：00:16:36:29:48:01
  • 类型字段：0x0800（表示 IPv4）
  • 数据：实际数据内容
  • 填充：如果需要填充，则添加 0 字节
  • FCS：计算得到的 CRC 值

此 MAC 帧的结构将如下所示：

+-----------+---------+-----------------+---------------+------------+---------------------+-----+
| 10101010  | 10101011| 00:14:22:01:23:45| 00:16:36:29:48:01| 0x0800   | 实际数据            | CRC |
| 10101010  |         |                 |               |           | (以及填充，如果需要)|     |
| ... (7 times)       |                 |               |           |                     |     |
+-----------+---------+-----------------+---------------+------------+---------------------+-----+

除去标准 MAC 数据包外，还有用于支持虚拟局域网（VLAN）的扩展 MAC 数据包（也称为带 VLAN 标签的 MAC 数据包或 IEEE 802.1Q 帧），它是在标准的 MAC 数据包的基础上添加了一个 4 字节的 QTag 前缀字段，QTag 字段位于源 MAC 地址（SA）和数据包类型之间。

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QTag 前缀字段包括以下部分：

  1. ​Tag Protocol Identifier (TPID) - 2 字节​：为固定值：0x8100，用于标识该帧包含一个 QTag 前缀。

  2. ​Tag​ Control Information (TCI) - 2 字节​：
    包括以下内容：

    1. 用户优先级（Priority） - 3 位：定义帧的优先级。
    2. 标准格式指示符（CFI，Canonical Format Indicator） - 1 位：通常设置为 0（用于以太网）。
    3. VLAN 标识符（VLAN ID） - 12 位：标识帧所属的 VLAN。

QTag 前缀字段包括以下部分：

  1. ​Tag Protocol Identifier (TPID) - 2 字节​：为固定值：0x8100，用于标识该帧包含一个 QTag 前缀。

  2. ​Tag​ Control Information (TCI) - 2 字节​：
    包括以下内容：

    1. 用户优先级（Priority） - 3 位：定义帧的优先级。
    2. 标准格式指示符（CFI，Canonical Format Indicator） - 1 位：通常设置为 0（用于以太网）。
    3. VLAN 标识符（VLAN ID） - 12 位：标识帧所属的 VLAN。

2. LLC 逻辑链路控制子层

LLC 子层位于数据链路层的上层,提供统一的数据链路服务接口，它屏蔽了下层 MAC 子层的差异,向上层协议提供标准化的服务。其主要作用包括提供数据帧的封装/解封装、流量控制、错误恢复和链路管理等功能，确保链路的高效、稳定运行，支持上层协议（如 IP 层）的数据传输。

LLC 帧位于 MAC 帧的头部部分，并包含以下字段：

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LLC 帧结构解析：逻辑链路控制子层的协议数据单元（PDU）格式与字段功能

  • ​DSAP (Destination ​Service Access Point​​)​：目标服务访问点地址，用于指示数据包的目标协议
  • SSAP (Source​​​ ​Service Access Point​​)​：源服务访问点地址，用于指示数据包的来源协议
  • ​Control Field​：控制字段，定义了数据包的类型和控制信息。例如，LLC 层支持的数据包类型包括信息（I 帧）、确认（S 帧）和无序（U 帧）等
  • ​information 信息字段​：承载实际的数据负载
posted @ 2026-09-02 11:54  FreakStudio  阅读(12)  评论(0)    收藏  举报