TCP/IP 协议篇之链路层：以太网和 802.3 帧格式

一、以太网

1.1 以太网和 IEEE802 标准的关系

以太网指一个标准，由 DEC 、 Intel 和 Xerox 公司在 1980 年共同发布的标准，第一个常见格式的以太网在目前被称为 10Mb 以太网或共享以太网，后来被 IEEE 采纳修改成了 802.3 标准。

这种网络的所有的站点都工作在一条共享的线路上，网络结构通常为：

二、 CSMA/CD 协议

传统以太网中的网络都连接在一个共享的线路上，从资源共享的角度来说，任何站点都可以在总线上发送和接收数据。而对于总线来说，一旦有站点在发送数据，总线资源就被占用。因此同一时刻只能允许一个站点发送数据，否则就会出现数据干扰无法正常通信。

因此，总线上就需要有一种能协调各站点数据发送的工作机制，来保证每一时刻只有一条线路发送数据，一旦有多个站点同时发送数据，应立即终止传输，这种工作机制在以太网中被称为载波监听多点接入/冲突检测 （CSMA/CD）协议。改协议一共有三个部分：

• 「载波监听」：在发送数据之前，先监听线路上是否有数据传输，如果没有就发送数据，有则暂停传输。
• 「多点接入」：计算机以多点接入方式连接到一根总线上。
• 「冲突检测」：某一时刻线路空闲时，可能多个站点都在同时发送数据，此时就会导致数据发送冲突，应立即停止发送数据。

CSMA/CD 的工作模型详见：以太网中的 CSMA/CD 协议及二进制指数退避算法详解

CSMA/CD 协议这类型的访问方式更正式的名称为介质访问控制 （MAC）协议，MAC 协议有多种，有基于竞争的协议 （CSMA/CD）, 也有基于预先安排的协议 （例如规定每个站点的发送时间） 。

1.3 发展

随着以太网的发展，更快的以太网也逐渐出现，速度从 10Mb/s 到 100Mb/s 、 1000Mb/s 、 10Gb/s 甚至更高。原始的共享物理电缆逐渐被双绞线替代，基于竞争的 MAC 协议也变得不流行，网络逐渐由共享网络结构变成星形的网络拓扑结构，通过交换机连接成单独的线路。

二、以太网帧格式

原始的以太网由 Intel 等公司共同指定，这种格式被称为 DIX 格式或 Ethernet Ⅱ格式，由 IEEE 标准化后的 CSMA/CD 网络，被称为 802.3 。带 802 前缀的标准定义了局域网和城域网的工作过程，当前最流行的 802 标准包括 802.3（以太网）和 802.11（WLAN/Wi-Fi），无线局域网通常使用 CSMA/CA（CA 是 「冲突检测」） 协议。

2.1 Ethernet Ⅱ帧格式

Ethernet Ⅱ的帧格式如图所示：

• [ ] 报头：8 个字节，前七个字节为 0，最后一个字节为 10101010，用于同步接收站。
• [ ] 目标地址：6 个字节，单播、多播或者广播。单播地址也叫个人、物理、硬件或 MAC 地址。广播地址为 0xFFFFFFFF 。
• [ ] 源地址：6 个字节，发送节点的单点广播地址。
• [ ] 以太类型：2 个字节，用来指出以太网帧内所含的上层协议。即帧格式的协议标识符。对于 IP 报文来说，该字段值是 0x0800 。对于 ARP 信息来说，以太类型字段的值是 0x0806 。
• [ ] 有效负载：46-1500 字节，包含一个上层写一单元 PDU，最大长度 1500 字节，由于以太网的冲突检测特性，至少是 46 个字节。如果上层协议数据单元长度少于 46 个字节，必须增补到 46 个字节。
• [ ] 校验：4 个字节，验证比特序列的完整性。

2.2 802.3 帧格式

以太网帧的开始是一个前导字段，通常为 0xAA，随后是帧的起始分隔符 SFD，SFD 固定值为 0xAB 。

• [ ] 前导：7 个字节，每个字节固定为 0xAA 。
• [ ] SFD：1 个字节，同步，固定值为 0xAB 。
• [ ] DST 和 SRC：6 个字节，分别表示目的 MAC 地址和源 MAC 地址。
• [ ] 长度或者标签：多数情况下用于确定有效载荷的数据包类型，TCP/IP 网络中常见的值为：IPv4（0x0800）、 IPv6（0x86DD）和 ARP（0x0806）。 0x8100 表示一个 Q 标签帧 （可携带 802.1q 标准的 VLAN ID） 。通常一个基础的以太网帧长为 1518 字节，但是更多的新标准把这个值扩展为 2000 字节。
• [ ] P/Q 标签：虚拟局域网和 Qos 标签，具体的下面介绍。
• [ ] FCS：帧校验序列，也叫 CRC 校验/循环冗余校验，用于对帧进行完整性检查，详见：CRC 循环冗余校验的原理和实现

2.3 以太网帧长度

以太网帧头部不包含前导字段和帧起始分隔符，长度为：目的地址 （6）+源地址 （6）+类型 （2）+校验 （4）=18 字节。

以太网帧有限制最大长度和最小长度，最小为 64 个字节， 最大 1518 字节。

限制最小尺寸的原因是由于 CSMA/CD 中存在争抢期：以太网中的 CSMA/CD 协议及二进制指数退避算法详解，争抢期为 51.2μs，在这个时间段内刚好能通过的数据为 64 个字节，所以最小的尺寸为 64 字节。同时就要求上层数据字段 （有效载荷） 必需大于等于 48 个字节，除去以太网 18 个字节的首部。

最大长度 1518：以太网 MTU 限制为 1500 字节，加上首部 18 个字节所以最多为 1518 个字节。

三、使用 wireshark 抓取以太网数据包

详见：Wireshark 抓取以太网数据包