【以太网硬件十四】以太网的MAC是干什么的？
媒体访问控制MAC子层是OSI参考模型第二层数据链路层的一个子层，MAC子层和物理层由IEEE 802.3规范定义，主要功能如下：
a） 数据封装（传输和接收）
1）成帧（帧边界划分、帧同步）
2）寻址（源地址和目标地址的处理）
3）错误检测（物理介质传输错误的检测：CRC）
b） 媒体访问管理
1）介质分配（碰撞避免）
2）争用解决（冲突处理）
1 数据封装
1.1 MAC帧结构
先来看一下MAC的第一个功能：成帧。以太网上使用两种标准帧格式。第一种是上世纪80年代初提出的DIX v2格式，即Ethernet II帧格式。Ethernet II后来被IEEE 802标准接纳，并写进了IEEE 802.3x-1997的3.2.6节。第二种是1983年提出的IEEE 802.3格式。这两种格式的主要区别在于，Ethernet II格式中包含一个Type字段，标识以太帧处理完成之后将被发送到哪个上层协议进行处理。IEEE802.3格式中，同样的位置是长度字段。
不同的Type字段值可以用来区别这两种帧的类型，当Type字段值小于等于1500（或者十六进制的0x05DC）时，帧使用的是IEEE 802.3格式。当Type字段值大于等于1536 （或者十六进制的0x0600）时，帧使用的是Ethernet II格式。以太网中大多数的数据帧使用的是Ethernet II格式。目前版本的802.3已经将当Type字段值大于等于1536列入到了标准帧格式中。
802.3规定的MAC帧格式如下图：
1.1.1 前导码
前导码共7个字节，其作用是为了给物理层电路达到稳定状态（即时钟恢复PLL锁定）留出时间，最终要与接收数据包时序同步。如果在传输前导码或开始帧定界符时，冲突检测变量变为true，剩余部分的前导码和开始定界符也应继续发送完。前导码的码型：
10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010
比特位按从左到右的顺序传输。此码型为周期波形，便于实现位同步。应该注意的是，前导以“0”结尾。
1.1.2 定界符SPD
紧跟着前导码的是定界符，表示一帧的开始，其码型为：10101011。
1.1.3 地址域
每个MAC帧都包含两个地址域：源地址和目的地址。地址域有如下特点：
a） 每个地址字段长度为48位。
b） 第一位（LSB）在目标地址字段中用作地址类型指定位，将目标地址识别为个人地址或组地址。如果该位为0，则表明地址字段表示的是单个地址。如果该位为1，则表明地址字段表示一个组地址，该组地址表示所有连接到LAN的站点。在源地址字段中，保留第一位并将其设置为0。
c） 第二位用于区分本地或全局管理的地址。对于全局管理（或U，通用）地址，位设置为0。如果要在本地分配地址，则该位应设置为1。注意，对于广播地址，该位也是1。全局地址由3字节制造商标识和3字节设备标识组成。
d） 每个地址字段的每个八位字节应首先传输最低有效位。
1.1.4 长度/类型
这两个字节具有两种含义之一，具体取决于其数值。
a） 如果该字段的值小于或等于1500十进制（05DC十六进制），则长度/类型字段表示基本帧的后续MAC客户端数据字段中包含的字节数。
b） 如果此字段的值大于或等于1536十进制（0600十六进制），则长度/类型字段表示MAC客户端协议的以太网类型。16’h0800代表IP 报文；16’h0806 代表ARP请求/应答报文；16’h8035代表RARP请求/应答报文。
1.1.5 数据及填充
此为网络层传递给数据链路层的数据包，其长度为 46-1500 Bytes。协议规定MAC最小报文64字节（DA(6)+SD(6)+LENTH/TYPE(2)+FCS(4)+DATA and PAD(46)=64），因此当有效数据量（Length）小于46字节时需要用0对数据进行填充，保证数据和填充字段总和不低于46字节，注意，填充0并不会改变Length字段值。
如下图所示，每层数据向下传输时都会进行封装，帧有效数据来源于上级网络层。
1.1.6 帧校验FCS
FCS字段为CRC校验值，共4个字节。在MAC发送时，以preamble、SFD、DA、SA、Length/Type、DATA and Pading作为输入数据进行CRC计算，将计算校验结果填入此字段中，然后发送出去。在MAC接收时，将收到数据除FCS字段以外部分做CRC校验，将校验结果与原数据FCS字段值比较，结果相同表示帧有效，结果不同接收方认为发生了错误，进而将帧丢弃。
1.1.7 以太网的最小帧长64字节的来由
CSMA/CD冲突避免的方法：先听后发、边听边发、随机延迟后重发。一旦发生冲突，必须让每台主机都能检测到。关于最小发送间隙和最小帧长的规定也是为了避免冲突。
考虑如下的极限情况，主机发送的帧很小，而两台冲突主机相距很远。在主机A发送的帧传输到B的前一刻，B开始发送帧。这样，当A的帧到达B时，B检测到冲突，于是发送冲突信号。假如在B的冲突信号传输到A之前，A的帧已经发送完毕，那么A将检测不到冲突而误认为已发送成功。由于信号传播是有时延的，因此检测冲突也需要一定的时间。这也是为什么必须有个最小帧长的限制。
这里可以把从A到B的传输时间设为T,在极限的情况下A要在2T的时间里才可以检测到有冲突的存在，也就是说A发送帧的持续时长至少要大于2T。
根据如下两点常识：
1、在理想情况下，电磁波在1KM电缆的传输时延约为5us。
2、在10Mbps的以太网中有个5-4-3的问题：10 Mb/s以太网最多只能有5个网段，4个转发器，而其中只允许3个网段有设备，其他两个只是传输距离的延长。按照标准，10Mbps以太网采用中继器时，连接最大长度为2500米。2500米电磁波传输需要2500/1000*5=12.5us，如上假设的A收到冲突信号至少需要12.5us * 2=25us。
那么在理想的情况下，A发出的持续帧时长至少为25us，但是事实上并非如此简单，考虑到端到端的各段时延，再加上其他的许多因素，如可能存在的转发器所增加的时延等等，以太网取51.2us为争用期，也就是时隙。
对于10Mbps以太网来说，10Mb/s*51.2us=512bit，所以一般说的512bit时隙长度就是这样来的，这个长度为512/8=64字节。以太网在发送数据时,如果在前面64字节没有发生冲突的话，那么后续的数据就不会发生冲突，以太网就认为这个数据的发送是成功的。
1.1.8 千兆以太网的需要使用载波延展的原因
以太网的最小帧长，是因为使用CSMA/CD的原因；对于1000Mb/s的吉比特以太网，MAC层有两种选择，要么保留CSMA/CD，要么不用它。若保留CSMA/CD协议，必须面临碰撞检测问题，这就要再一次减小网络的最大有效传输距离到25米。当然您可以不缩短网络的距离，而是增加一个帧的程度，就如我们开始分析100Mb/s以太网那样，让一个帧持续足够长的时间。但因为上层来的数据没有这么多，所以就需要在MAC层进行一些无用数据的填充来满足这个要求。最终定义的是千兆以太网最小包长为512字节，于是要在标准以太网帧后增加EXTENSION字段，此字段为任意数据填充。
2 访问控制
MAC媒体访问控制，顾名思义，就是控制如何访问媒体的意思，也就是通过CSMA/CD控制。在发送帧时，需要确认当前电缆上是否有其他工作站正在发送帧，这称为载波检测，载波检测的信息产生于物理层，在该信息的基础上，MAC层决定是否发送帧。
一旦开始发送帧，就要开始进行冲突检测，在线路上如果发生了冲突，则物理层将向MAC发送检测到冲突的信号，MAC子层随机停止发送帧。然后开始退避运算，一段随机时间后再次尝试发送帧（同样也要在载波侦听之后），允许重复发送16次。
发生冲突时，需要经过时隙（51.2us）的整数倍时间后才能再次尝试发送，令时隙为S，再次发送需要等待的时间为：T=S*n，n为0<=n<=2^K（K=min（m，10），m为冲突次数）范围所指定的随机整数。这样，随着冲突次数的增加，将增长等待再次发送的时间，同时再次发生冲突的概率也已指数函数降低。
除了CSMA/CD控制外，MAC还进行如下操作：在发送端，接收网络层的数据，再将长度/类型字段、源地址、目的地址字段添加进包头中，然后计算CRC，随后在CSMA/CD控制下发送到物理层中。在接收端，将所接收到的进行CRC计算，如果出错则丢弃，并且检查地址字段和长度/类型字段，判断是否为本地的帧，然后只提取目的地址为本机地址的本地帧，在根据类型字段确定上层协议。
另外说明：CSMA/CD是在10M以太网半双工时提出的冲突解决方案，因为最开始以太网实在同轴电缆上传输的，只有一根线芯，必然需要有冲突检测机制。随着技术的发展，如今的全双工设备并不需要再使用此技术，如万兆以太网只支持全双工，故标准中MAC子层不再有CSMA/CD这一功能，而千兆以太网支持自协商，为了兼容老设备，如集线器，标准中MAC子层还保留CSMA/CD功能定义。