以太网中的各种帧结构

注：本文为 “以太网帧结构” 相关文章合辑。

对原文中图片做了清晰度增强，替换和补充。

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帧结构（Ethernet Frame Structure）介绍

Felix 发表于 2019/6/15 更新于 2019/6/17

以太网信号帧结构（Ethernet Signal Frame Structure），亦称作以太网帧结构，可划分为数据帧与管理帧两类。

依据 IEEE 802.3、ISO/IEC 8803-3 系列标准规范，数据帧可进一步细分为基本数据帧、虚拟局域网（VLAN，Virtual Local Area Network）采用的扩展帧、G bit Ethernet 中的扩充帧、突发帧（Burst Frame），以及帧标志类型置于客户数据区域的 IEEE 802.3 帧等。

管理帧包含两类：

• 一类用于与 PHY 层器件交换状态信息，以实现控制与配置功能的管理帧；
• 另一类用于防止网络拥塞的暂停帧（Pause Frame）。

1 数据帧

1.1 基本帧

基本帧（Base Frame）的结构如下图所示，各区域说明如下：

（1）帧前序（Preamble）：该区域为“1”“0”交替的 $56\text{bit}$ 数据；

（2）帧起始符 SOF（Start of Frame Delimiter）：固定值为 10101011 的 $8\text{bit}$ 数据，用于标识一帧的起始；

（3）MAC 目的地址与源地址（Destination & Source MAC Address）：前 $3$ 个字节为 IEEE 分配给各厂商的地址，后 $3$ 个字节由各厂商自行确定。其中，源地址具有唯一性；目的地址可分为单播（Unicast）地址、多播（Multicast）地址与广播（Broadcast）地址三类；

（4）帧长度/类型（L/T，Length/Type）：该区域占用 $2$ 个字节，功能是表示 MAC 帧内不包含填充的数据字段长度，或 MAC 帧内数据字段的数据类型。若该区域取值小于或等于 $1500\text{字节}$，则表示 MAC 帧内数据字段长度（客户数据区域字节数）；若取值大于 $1500\text{字节}$，则表示客户数据所要到达的上层协议类型（客户数据类型区域）；

注：当帧长度/类型（L/T）区域仅作为帧长度标志区域使用时，对应帧称为 IEEE 802.3 帧，此时该区域长度小于或等于 $1500\text{字节}$；当该区域作为帧类型区域使用时，对应帧称为 Ethernet-II 帧或 DIX 帧，此时 L/T 值大于 $1500\text{字节}$。

（5）MAC 客户数据（MAC Client Data）：即数据段区域，长度通常在 $46\text{字节}$ 至 $1500\text{字节}$ 之间；

（6）填充区（Pad）：该区域占用的字节数根据具体需求确定，功能是确保帧尺寸不小于 $64\text{字节}$。当从 MAC 目的地址到帧校验区的整个数据帧尺寸小于 $64\text{字节}$ 时，通过该区域将帧尺寸填充至 $64\text{字节}$——因尺寸小于 $64\text{字节}$ 的帧属于非法帧，在接收端会被自动丢弃；若帧尺寸已达到 $64\text{字节}$，则该区域占用字节数为 $0$；

（7）帧校验序列（FCS，Frame Check Sequence）：该区域占用 $4$ 个字节，功能是对整个帧进行差错校验。在帧的源端，对从 MAC 目的地址到填充区的全帧范围进行循环冗余校验（$\text{CRC-32}$）计算，并将结果置于源帧的该区域；在帧的接收端，重新计算 $\text{CRC-32}$ 值并与源端结果对比，若结果一致，表明传输过程无协码；若不一致，则说明帧中存在误码。

需明确的是，MAC 客户数据区数据长度下限为 $46\text{字节}$、上限为 $1500\text{字节}$；网络 MAC 帧尺寸下限为 $64\text{字节}$、上限为 $1518\text{字节}$，且该尺寸不包含帧前序（Preamble）与帧起始符（SOF）两个区域——此两个区域共占用 $18\text{字节}$。

1.2 虚拟网采用的扩展帧结构

IEEE 802.3ac 标准对以太网中运行的虚拟局域网（VLAN，Virtual Local Area Network）采用的扩展帧结构进行了规范。VLAN 协议允许在以太网帧结构中插入标识符或“TAG”，如下图所示：

在上述 VLAN 以太网扩展帧结构中，新增的 VLAN 标记为 $4\text{字节}$，可划分为两部分：前 $2$ 个字节由“802.1Q 标记类型”组成，固定值为 $0\text{x}8100$，属于预留长度/类型区域，主要用于赋予 VLAN 标记；后 $2$ 个字节进一步细分为以下三个功能区域：

（1）前 $3\text{bit}$ 为用户优先权标志区，用于指示为该帧分配的优先级；

（2）最后 $1\text{bit}$ 为格式符合规定的指示符（CFI，Canonical Format Indicator），在以太网帧结构中用于指示路由选择信息区域（RIF，Routing Information Field）；

（3）剩余 $12\text{bit}$ 为 VLAN 帧标识符，是以太网 VLAN 帧的唯一标识。加入 VLAN 标记后，IEEE 802.3ac 标准帧的最大长度由 $1518\text{字节}$ 扩展至 $1522\text{字节}$。

1.3 G bit 以太网的帧结构

1998 年，IEEE 802.3z 标准规范制定完成，该标准针对 G bit 以太网，其帧结构图如下图所示：

G bit 以太网 IEEE 802.3z 标准规范的扩充帧结构，是在原 IEEE 802.3 标准规范的以太网信号基本帧结构之后添加一个扩充区域。该扩充区域的设置目的是使帧长（从目的地址到填充区）下限不小于 $512\text{字节}$，以确保发生的碰撞（冲突）能够传播至网络中的每个节点。扩充区的 $\text{bit}$ 不承载数据，仅用于满足占用载体最短时间的要求。

1.4 帧间间隙

以太网设备在传输帧之间必须预留一个最小空载周期时间，该最小空载周期时间称为帧间间隙 IFG（Inter-Frame Gap），也称作包间间隙 IPG（Inter-Packet Gap）。

该间隙时间的作用是使设备得以恢复，为接收下一帧做好必要准备。IEEE 标准规范规定，帧间的最小间隔不小于 $96\text{bit}$ 所占用的时间，具体参数如下表所示：g

以太网工作速率（$\text{Mbit/s}$）	帧间允许最少间隔时间（$\text{ns}$）
1	96000
10	9600
100	960
1000	96
10000	9.6

2 管理帧

2.1 基本管理帧

基本管理帧是用于 PHY（物理层器件）与 STA（站管理实体）之间通信的管理帧（Management Frame），也称为 Base Management Frame。根据 ISO/IEC、IEEE 标准规范的有线以太网管理数据流帧结构，其帧长通常为 $8\text{个字节}$（即 $64\text{bit}$），如下图所示。管理帧的前后均可处于空载状态（IDLE）。

（1）管理帧前序（Preamble）：占用 $4\text{个字节}$，为连续 $32$ 个逻辑“1”，对应管理数据的 $32$ 个时钟周期。该区域的功能是持续监视管理接口，并为管理接口接收管理数据预留准备时间；若帧前序出现，则标志着 STA 处理的开始。管理接口具备抑制管理帧前序的能力，以缩短管理帧长度，使 STA 能够尽快访问管理寄存器；

（2）管理帧起始符（SOF）：占用 $2\text{bit}$，固定值为“01”；

（3）管理帧操作码（OP）：占用 $2\text{bit}$，其中 $10\text{b}$ 表示读取管理寄存器，$01\text{b}$ 表示写入管理寄存器，$00\text{b}$ 与 $11\text{b}$ 为无效值；

（4）管理帧 PHY 地址（PHYAD）：占用 $5\text{bit}$；

（5）管理帧寄存器地址（REGAD）：占用 $5\text{bit}$；

（6）帧换向区 TA（Turnaround Field）：占用 $2\text{bit}$；

（7）管理帧数据（Data）：占用 $2\text{个字节}$（即 $16\text{bit}$）。

2.2 暂停帧

在全双工通信模式下，以太网标准规范为实现数据流量控制，规定了暂停帧这一帧类型。

通过发送暂停帧（Pause Frame），可向所有正在发送数据的站点通告暂停发送帧的信息，以防止链路发生拥塞。需注意的是，暂停帧仅适用于全双工通信，不适用于半双工通信。

链路两端均能向对端发送暂停帧，且在对端处于暂停发送状态时，仍可向其发送暂停帧，以延长对端停止发送 MAC 帧数据的时间。

在全双工通信模式下，链路两端可能存在仅一方支持暂停帧、另一方不支持的情况。不支持暂停帧的一方无法解释其接收到的暂停帧，可通过自动协商原理判断对端是否具备支持暂停帧的能力。

暂停帧的结构图如下图所示：

（1）目的地址（DA）：可为单播地址，也可为广播地址 $01\text{-}80\text{-}C2\text{-}00\text{-}00\text{-}01$；

（2）类型区（L/T）：固定值为 $88\text{-}08$，表示该帧为 MAC 介质介入控制帧；

（3）暂停标志（MAC 操作码）：固定值为 $00\text{-}01$，表示该帧为暂停帧；

（4）MAC 控制参数：用于设定延时时间，取值范围为 $00\text{-}00$ 至 $FF\text{-}FF$，时间单位为时隙（Slot Time）；

（5）备用区域：占用 $42\text{bit}$，无实际功能，仅用于使暂停帧长度满足最小帧的要求。

3 局域网上帧的三种发送方式

3.1 MAC 地址介绍

网络设备的 MAC 地址具有全球唯一性，其长度为 $48\text{比特}$，通常以十六进制形式表示。MAC 地址由两部分组成：前 $24\text{比特}$ 为组织唯一标识符（OUI，Organizationally Unique Identifier），由 IEEE 统一分配给设备制造商；后 $24\text{比特}$ 为序列号，由各厂商分配给每个产品（如网卡或其他需 MAC 地址的设备），且每个序列号具有唯一性。

注：例如，Lattice 厂商的 OUI 为 $00\text{-}D0\text{-}BD$。

详细信息可参考：http://standards.ieee.org/develop/regauth/oui/oui.txt

3.2 广播

广播是指帧从单一源端发送至共享以太网上所有主机的传输方式。

广播帧的目的 MAC 地址为十六进制的 $\mathrm{FFFFFFFFFFFF}$，所有接收到该广播帧的主机均需接收并处理此帧。

广播方式会产生大量网络流量，导致带宽利用率降低，进而影响整个网络的性能。

当需要网络中所有主机接收并处理相同信息时，通常采用广播方式。

如图所示：

3.3 单播

单播是指帧从单一源端发送至单一目的端的传输方式。

每个主机接口由唯一的 MAC 地址标识，在 MAC 地址的 OUI 中，第一字节的第 $8$ 个比特用于表示地址类型。对于主机 MAC 地址，该比特固定为 $0$，表示目的 MAC 地址为此地址的帧仅发送至唯一目的端。

在冲突域中，所有主机均能接收到源主机发送的单播帧，但其他主机在检测到目的地址与本地 MAC 地址不一致后，会丢弃该帧；仅真正的目的主机才会接收并处理该帧。

如图所示：

3.4 组播

组播是指帧向一组特定主机（多播组）发送数据的传输方式。

组播相较于广播更具效率，其转发过程可理解为“选择性广播”——主机通过侦听特定组播地址，接收并处理目的 MAC 地址为该组播地址的帧。

组播 MAC 地址与单播 MAC 地址通过第一字节的第 $8$ 个比特区分：组播 MAC 地址的该比特为 $1$，单播 MAC 地址的该比特为 $0$。

当需要网络中一组主机（非全部主机）接收相同信息，且不影响其他主机时，通常采用组播方式。

如图所示：

此外，还存在部分特殊专用 MAC 地址。
具体可查阅：https://standards.ieee.org/products-services/regauth/grpmac/public.html

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via :

• 以太网扫盲 —— 帧结构（Ethernet Frame Structure）介绍 Felix 发表于 2019/6/15 16:15:36
  https://blog.chinaaet.com/justlxy/p/5100064174

• 以太网扫盲 ——MAC 地址介绍 Felix 发表于 2019/6/17 15:12:47
  https://blog.chinaaet.com/justlxy/p/5100064182