TCP/IP协议篇之链路层：以太网和802.3帧格式

马谦马谦马谦

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2017年10月19日22:58:44

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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：
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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。

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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：

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[ ] 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。

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[ ] 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