以太网帧

帧格式

       以太网帧（Ethernet frame）是符合以太网标准的链路层协议数据单元（PDU），其格式有Ethernet V1、Ethernet V2、RAW 802.3、IEEE 802.3/802.2 LLC和IEEE 802.3/802.2SNAP。现在大多数网络应用都使用Ethernet V2格式，而交换机之间的BPDU则采用IEEE802.3/LLC格式。但所有的以太网（802.3标准）帧都基于一个共同的格式：前导码（7 Bytes）、帧起始定界符（1 Bytes）、目的地址（6 Bytes）、源地址（6 Bytes）、类型/长度（2 Bytes）、数据和填充字段（48~1500 Bytes）、帧校验序列（4 Bytes）。如图所示：

       前导码（Preamble）在以太网帧的前7个字节，接收器电路用它确定一个帧的到达时间，并确定编码位（称为时钟恢复）之间的时间量。由于以太网是一个异步的局域网（即每个以太网接口卡中不是保持精确的时钟同步），从一个接口到另一个接口的编码位之间的间隔可能不同。因此前导码的主要作用是同步，其典型值为0xAA，在发现帧起始定界符（Start Frame Delimiter）时，接收器用它“恢复时钟”。SFD的固定值为0xAB。
       目的地址（Destination， DST）和源地址（Source，SRC）都是MAC地址，以太网帧的目的地址也允许寻址到多个站点（即广播、组播等形式）。
      源地址后跟着一个长度/类型字段，在多数情况下，它用于确定头部后面的数据类型。常见值包括IPv4（0x0800）、IPv6（0x86DD）、ARP（0x0806）。0x8100表示一个Q标签帧（可携带一个虚拟局域网或802.1q标准的VLAN ID）。IEEE所制定的以太网标准使得DIXv2帧和IEEE帧在一个局域网中不能共存。因此，IEEE允许从现存的DIXv2网卡和网络设备到IEEE的标准设备的迁移。为了让设备可以识别使用的是哪种类型的帧，IEEE没有分配1536以下（十六进制数为0x0600）的数为协议类型代码。数据字段的最大值为1500字节。所以一台设备可以很容易从源地址之后的2个字节来判断是哪种类型的帧，如果值为1536（十进制）或更高则为类型字段，意味着是DIXv2帧。如果从源地址之后的2个字节小于1536，则可确定是长度字段，为IEEE 802.3帧。
P/Q标签是为虚拟局域网准备的，其概念在虚拟局域网的部分中。
然后是帧的数据区或有效载荷部分，这里是存放高层PDU的地方。传统的以太网的有效载荷一直是1500字节，这是以太网的最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）。若数据超过MTU，会被分片后才进行传输。若有效载荷低于最小长度（48字节）则会被填充0直到满足最小长度。

帧校验序列

       以太网帧格式中，数据区（有效载荷区）之后的最后4字节字段提供了对帧完整性的检查。检查方法是利用循环冗余校验（CRC）将计算结果写入FCS字段中，接收方接收到以太网帧后对FCS字段进行相同过程的CRC计算，若计算结果与FCS字段不同，则帧可能在传输过程中受损，这种情况下受损帧通常被丢弃。

       CRC的过程就是将FCS字段中的数据除以一个约定好的生成多项式，所得余数取反后的值写入FCS中。生成多项式已经被标准化为一系列不同的n值，以太网使用n=32，CRC32的生成多项式是33位的二进制数100000100110000010001110110110111

        下图是以5位二进制数11001为生成多项式，结果取4位的例子。余数为0100，取反后得到1011即为最终结果。

帧大小

       前面提到过，以太网帧有最小和最大尺寸。最小的帧是64字节，要求数据区（有效载荷）长度（无标签）最小为48字节。当有效载荷达不到下限时，填充字节（值为0）被添加到有效载荷尾部，以确保达到最小长度。
帧最小长度的规定对最初的10Mb/s以太网的CSMA/CD很重要。为了使传输数据的站能知道哪个帧发生了冲突，通常限制一个以太网的传输长度（2500m，通过4个中继器连接的5个电缆段）。长度和电子传播速度确定就可以算出输出帧到达目的地所需时间。那么一个输出帧的最后位在所需时间后仍处于传输过程中，这个时间是信号到达位于最大距离的接收器并返回的时间。如果这时检测到一个冲突，传输中的站就能知道是当前在传输的帧发生了冲突。这种情况下该站发送一个干扰信号提醒其他站，然后启动一个随机的二进制指数退避过程。
在802.3标准里，规定了一个以太帧的数据部分(Payload)的最大长度是1500个字节，这个数也是你经常在网络设备里看到的MTU。在这个限制之下，最长的以太帧包括6字节的目的地址(DMAC)、6字节的源地址(SMAC)、2字节的以太类型(EtherType)、1500字节的数据(Payload)、4字节的校验(FCS)，总共是1518字节。在802.1Q中，又定义了以太帧中可选的QTag，位于SMAC和EtherType之间，占4个字节。在这种情况下，一个以太帧如果有QTag，它的最大长度就变成了1522字节。

       上述情况针对于标准以太网或快速以太网。在千兆、万兆甚至更高的以太网时代，1500字节显得传输效率不够高（数据区尺寸占帧总尺寸的比例），因此允许传输以太网巨型帧，这是一种非标准的以太网扩展，通常允许帧尺寸高达9000字节。

 

                                                                                   本文部分内容摘自《TCP/IP详解 卷1：协议（中文版）第2版》