802.3

IEEE 802.3是一个工作组，也表示此工作组制定的一系列IEEE标准，这些标准都是物理层和数据链路层（MAC）的有线以太网标准（802.11是WiFi）。一般情况下，以太网就是一个局域网络，带有广域网的一些功能应用。物理连接存在与节点之前，或者节点与网络设备之间，比如hub, switch, router.连接形式多种多样，有各种的铜线和光纤。802.3技术支持802.1网络，同时802.3也定义了局域网的连接机制是CSMA/CD。

IEEE 802.3标准把物理层从低到高分成如下子层和接口：
MDI（Medium Dependent Interface，媒体相关接口）：规范物理媒体信号和传输媒质与物理设备之间的机械和电气接口。

PMD（Physical Medium Dependent，物理媒体相关）子层：位于MDI之上的PMD负责与传输媒体的接口。

PMA（Physical Medium Attachment，物理媒体附加）子层：负责发送、接收、定时恢复和相位对准功能。

PCS（Physical Coding Sublayer，物理编码子层）：负责把数据比特编成合适物理媒质传输的码组。

GMII（Gigabit Media Independent Interface，吉比特媒质无关接口）：吉比特MAC和吉比特物理层之间的GMII允许多个数据终端设备混合使用各种吉比特速率物理层。

RS（Reconciliation Sublayer，协调子层）：提供GMII信号到MAC层的映射。

数据链路层由下列子层组成（由下到上顺序）：

MAC（Media Access Control，媒体访问控制）子层：负责向物理层的数据转发功能（与媒介无关）。一般地来说，MAC子层负责封装（成帧、地址标示、差错检测）和媒体接入（冲突监测和延时过程）功能。

MAC Control（MAC控制）子层：MAC Control是可选的子层，负责MAC子层操作的实时控制和处理。定义了MAC控制子层以允许未来加入新功能。

LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）子层：负责数据链路层与媒体访问无关的功能，它不在IEE802.3标准的范畴之内。MAC层和可选的MAC控制子层并不知晓上面是否存在LLC子层或者是其他客户（如网桥或中继器）。

以太网PHY和MAC实现国际标准化组织（ISO，International Organization forStandardization）开放系统互连（OSI，Open System Interconnect）(ISO/OSI) 协议栈的下两层。MAC通过MII和PHY接口。典型的10兆和100兆PHY以太网实现分别和10BaseT和100BaseTX接口结合。

帧格式

MAC块实现IEEE 802.3-2002标准指定的MAC子层和可选MAC控制子层（10/100mbit/s）。

为使用CSMA/CD MAC的数据通信系统指定了两种帧格式：
基本MAC帧格式
标记的MAC帧格式（基本MAC帧格式的扩展）

以上图片描述了框架结构（未标记和标记），包括以下字段：

1.前导码3
用于同步的7字节字段（PLS电路）十六进制值：55-55-55-55-55-55-55-55-55位模式：01010101 01010101 01010101 01010101 01010101 01010101（从右到左位传输）。

2.开始帧分隔符（SFD）
用于指示帧开始的1字节字段。十六进制值：D5位模式：11010101（从右到左位传输）。

3.目的地和源地址字段
6字节字段，表示目的地和源站地址，如下所示）：

每个地址的长度为48位。
目标地址字段中的第一个LSB位（I/G）用于指示个人地址（I/G=0）或组地址（I/G=1）。一个组地址能识别无、1个、多个或所有连接到局域网的站点。在源地址中，第一位被保留并重置为0。
第二位（U/L）区分本地（U/L=1）或全局（U/L=0）受管地址。对于广播地址，该位也是1。
每个地址字段的每个字节必须首先传输最低有效位。

地址指定基于以下类型：
单个地址：这是与网络上特定站点相关联的物理地址。
组地址。与给定网络上的一个或多个站点关联的多目标地址。多播地址有两种：
多播组地址：与一组逻辑相关站点关联的地址。
广播地址：一个可分辨的预定义多播地址（目标地址字段中的所有1），它始终表示给定LAN上的所有站点。
QTag前缀：在源地址字段和MAC客户端长度/类型字段之间插入的4字节字段。此字段是基本帧（未标记）的扩展，用于获取标记的MAC帧。未标记的MAC帧不包括此字段。标记扩展如下：
与类型解释（大于0x0600）一致的2字节常量长度/类型字段值，等于802.1Q标记协议类型（0x8100十六进制）的值。此常量字段用于区分标记的和未标记的MAC帧。
包含标签控制信息字段的2字节字段，细分如下：3位用户优先级、规范格式指示符（CFI）位和12位VLAN标识符。标记的MAC帧的长度由QTag前缀扩展了4个字节。

4.MAC客户端长度/类型
2字节字段，含义不同（互斥），具体取决于其值：
如果该值小于或等于maxValidFrame（0d1500，0x05DC），则此字段指示802.3帧的后续数据字段中包含的MAC客户端数据字节数（长度解释）。

如果该值大于或等于MinTypeValue（0d1536，0x0600），则此字段指示与以太网帧相关的MAC客户端协议（类型解释）的性质。

无论对长度/类型字段的解释如何，如果数据字段的长度小于协议正常运行所需的最小值，则在数据字段之后但在FCS（帧检查序列）字段之前添加一个PAD字段。长度/类型字段首先用高阶字节发送和接收。

对于maxValidLength和minTypeValue（不包括边界）之间的长度/类型字段值，不指定MAC子层的行为：MAC子层可以传递它们，也可以不传递它们。

5.数据和PAD字段
n字节数据字段。提供了完全的数据透明性，这意味着任何字节值的任意序列都可能出现在数据字段中。PAD的大小（如果有的话）由数据字段的大小决定。数据和PAD字段的最大和最小长度为：
最大长度=1500字节

未标记MAC帧的最小长度=46字节

标记MAC帧的最小长度=42字节

当数据字段长度小于所需的最小值时，将添加PAD字段以匹配最小长度（标记帧为42字节，未标记帧为46字节）。

6.帧检查序列
包含循环冗余检查（CRC）值的4字节字段。CRC计算基于以下字段：源地址、目标地址、QTag前缀、长度/类型、LLC数据和PAD（即除前导码、SFD之外的所有字段）。生成多项式如下：

帧的CRC值计算如下：
帧的前2位被补。
帧的n位是次数(n–1)的多项式M(x)的系数。目标地址的第一位对应于x(n-1)项，数据字段的最后一位对应于x0项。
M(x)与x^32相乘，再除以G(x)，产生一个小于31的余数。
R(x)的系数被视为32位序列。
位序列被补充，结果是CRC。
CRC值的32位放入帧检查序列中。x32项是第一个传输，x0项是最后一个传输。

MAC帧的每个字节，除FCS字段外，首先传输低阶位。无效的MAC帧由以下条件之一定义：

帧长度与长度/类型字段指定的预期值不一致。如果长度/类型字段包含类型值，则假定帧长度与此字段一致（没有无效帧）。

帧长度不是整数字节数（额外位）。

在传入帧上计算的CRC值与包含的FCS不匹配。

ARP

MAC从PCI总线收到IP数据包(或者其他网络层协议的数据包)后,将之拆分并重新打包成最大1518Byte,最小64Byte的帧.这个帧里面包括了目标MAC地址、自己的源MAC地址和数据包里面的协议类型(比如IP数据包的类型用80表示).最后还有一个DWORD(4Byte)的CRC码.

可是目标的MAC地址是哪里来的呢?这牵扯到一个ARP协议(介乎于网络层和数据链路层的一个协议).第一次传送某个目的IP地址的数据的时候,先会发出一个ARP包,其MAC的目标地址是广播地址,里面说到：”谁是xxx.xxx.xxx.xxx这个IP地址的主人？”因为是广播包,所有这个局域网的主机都收到了这个ARP请求.收到请求的主机将这个IP地址和自己的相比较,如果不相同就不予理会,如果相同就发出ARP响应包.这个IP地址的主机收到这个ARP请求包后回复的ARP响应里说到:”我是这个IP地址的主人”.这个包里面就包括了他的MAC地址.以后的给这个IP地址的帧的目标MAC地址就被确定了.(其它的协议如IPX/SPX也有相应的协议完成这些操作.)

IP地址和MAC地址之间的关联关系保存在主机系统里面,叫做ARP表,由驱动程序和操作系统完成.在Microsoft的系统里面可以用arp-a的命令查看ARP表.收到数据帧的时候也是一样,做完CRC以后,如果没有CRC效验错误,就把帧头去掉,把数据包拿出来通过标准的接口传递给驱动和上层的协议客栈,最终正确的达到我们的应用程序.

ARP的功能是在32bit的IP地址和采用不同网络技术的硬件地址之间提供动态映射，为上层将底层的物理地址差异屏蔽起来，这样上层的因特网协议就可以灵活地使用IP地址进行通信了。ARP协议的基本功能是使用目标主机的IP地址，查询其对应的MAC地址，以保证底层链路上数据包通信的进行。为了实现在网络接口物理地址与IP地址间的转换，ARP协议中引入了ARP缓存表的概念。ARP缓存表中记录了一条一条的<IP地址，MAC地址>对，他们是主机最近运行获得的关于周围其他主机的IP地址到物理地址的绑定，当需要发送IP数据包时，ARP层根据目的IP地址来查找ARP缓存表，并将匹配的MAC地址装入以太网帧首部，最后发送以太网数据。

ARP缓存表的建立与ARP数据包是密切相关的。在以太网中，ARP数据包和IP数据包是两个独立的部分，它们都封装在以太网帧中发送。ARP数据包的种类有两种：一是ARP请求包，它是通过以太网广播的方式发送的，用于向具有某个IP地址的主机发送请求，希望该主机返回其MAC地址；二是ARP应答包，收到ARP请求的主机会比对该数据包中的IP地址与自己的IP地址是否符合，若是，则该主机向源主机返回一个ARP应答包。向源主机报告自己的MAC地址。源主机通过提取ARP应答包中的相关字段来更新ARP缓存表。在Windows控制台上输入arp -a，可以查看操作系统中使用的ARP缓存表。

举一个简单的例子来看看ARP的功能。假如我们的主机（192.168.1.11）需要向开发板（192.168.1.37）发送一个IP数据包，当发送数据时，主机会在自己的ARP缓存表中寻找是否有目标IP地址。如果找到了，也就知道了目标MAC地址为（04-02-35-00-00-01），此时，主机直接把目标MAC地址写入以太网首部发送就可以了；如果在ARP缓存表中没有找到相对应的IP地址，此时比较不幸，我们的数据需要被延迟发送，随后主机会先在网络上发送一个广播（ARP请求，以太网目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF），广播的ARP请求表示同一网段内所有主机将会收到这样一条信息：“192.168.1.37的MAC地址是什么？请回答”。网络IP地址为192.168.1.37（开发板）的主机接收到这个帧后，它有义务做出这样的回答（ARP应答）：“192.168.1.37的MAC地址是（04-02-35-00-00-01）”。这样，主机就知道了开发板的MAC地址，先前被延时的数据包就可以被发送了，此外，主机将这个地址对保存在缓存表中，以便后续数据包发送时使用。

ARP协议的核心就是对ARP缓存表的操作。发送数据包时，查找缓存表以得到目的MAC地址，此外，ARP还需要不断地处理ARP请求包和ARP应答包，以保证缓存表中各个表项的有效性。ARP的实质就是对缓存表的建立、更新、查询等操作。

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