以太网报文详解

常见以太网帧结构详解

1 以太网相关背景

以太网这个术语通常是指由DEC，Intel和Xerox公司在 1982年联合公布的一个标准，它是当今TCP/IP采用的主要的局域网技术，它采用一种称作CSMA/CD的媒体接入方法。几年后，IEEE802委员会公布了一个稍有不同的标准集，其中802.3针对整个CSMA/CD网络，802.4针对令牌总线网络，802.5针对令牌环网络；此三种帧的通用部分由802.2标准来定义，也就是我们熟悉的802网络共有的逻辑链路控制（LLC）。由于目前CSMA/CD的媒体接入方式占主流，因此本文仅对以太网和 IEEE 802.3的帧格式作详细的分析。

在TCP/IP世界中，以太网IP数据报文的封装在RFC 894中定义，IEEE802.3网络的IP数据报文封装在RFC 1042中定义。标准规定：

1）主机必须能发送和接收采用RFC 894（以太网）封装格式的分组；

2）主机应该能接收RFC 1042（IEEE 802.3）封装格式的分组；

3）主机可以发送采用RFC 1042（IEEE 802.3）封装格式的分组。如果主机能同时发送两种类型的分组数据，那么发送的分组必须是可以设置的，而且默认条件下必须是RFC 894（以太网）。最常使用的封装格式是RFC 894定义的格式，俗称Ethernet II或者Ethernet DIX。下面，我们就以Ethernet II称呼RFC 894定义的以太帧，以IEEE802.3称呼RFC 1042定义的以太帧。

2 帧格式

Ethernet II和IEEE802.3的帧格式分别如下。

Ethernet II帧格式：

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| 前序| 目的地址| 源地址| 类型| 数据 | FCS |

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| 8 byte | 6 byte | 6 byte | 2 byte | 46~1500 byte | 4 byte|

IEEE802.3一般帧格式

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| 前序| 帧起始定界符| 目的地址| 源地址| 长度| 数据 | FCS |

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| 7 byte | 1 byte | 2/6 byte | 2/6 byte | 2 byte | 46~1500 byte | 4 byte |

Ethernet II和IEEE802.3的帧格式比较类似，主要的不同点在于前者定义的2字节的类型，而后者定义的是2字节的长度；所幸的是，后者定义的有效长度值与前者定义的有效类型值无一相同，这样就容易区分两种帧格式了。

一、前序字段

前序字段由8个（Ethernet II）或7个（IEEE802.3）字节的交替出现的1和0组成，设置该字段的目的是指示帧的开始并便于网络中的所有接收器均能与到达帧同步，另外，该字段本身（在Ethernet II中）或与帧起始定界符一起（在IEEE802.3中）能保证各帧之间用于错误检测

和恢复操作的时间间隔不小于9.6毫秒。

二、帧起始定界符字段

该字段仅在IEEE802.3标准中有效，它可以被看作前序字段的延续。实际上，该字段的组成方式继续使用前序字段中的格式，这个一个字节的字段的前6个比特位置由交替出现的1和0构成。该字段的最后两个比特位置是11，这两位中断了同步模式并提醒接收后面跟随的是帧数据。当控制器将接收帧送入其缓冲器时，前序字段和帧起始定界符字段均被去除。类似地当控制器发送帧时，它将这两个字段（如果传输的是IEEE802.3帧）或一个前序字段（如果传输的是真正的以太网帧）作为前缀加入帧中。

三、目的地址字段

目的地址字段确定帧的接收者。两个字节的源地址和目的地址可用于IEEE802.3网络，而6个字节的源地址和目的地址字段既可用于Ethernet II网络又可用于IEEE802.3网络。用户可以选择两字节或六字节的目的地址字段，但对IEEE802.3设备来说，局域网中的所有工作站必须使用同样的地址结构。目前，几乎所有的802.3网络使用6字节寻址，帧结构中包含两字节字段选项主要是用于使用16比特地址字段的早期的局域网。

四、源地址字段

源地址字段标识发送帧的工作站。和目前地址字段类似，源地址字段的长度可以是两个或六个字节。只有IEEE802.3标准支持两字节源地址并要求使用的目的地址。Ethernet II和IEEE802.3标准均支持六个字节的源地址字段。当使用六个字节的源地址字段时，前三个字节表示由IEEE 分配给厂商的地址，将烧录在每一块网络接口卡的ROM中。而制造商通常为其每一网络接口卡分配后字节。

五、类型字段

两字节的类型字段仅用于 Ethernet II帧。该字段用于标识数据字段中包含的高层协议，也就是说，该字段告诉接收设备如何解释数据字段。在以太网中，多种协议可以在局域网中同时共存，例如：类型字段取值为十六进制0800的帧将被识别为IP协议帧，而类型字段取值为十六进制8137的帧将被识别为IPX和SPX传输协议帧。因此，在 Ethernet II的类型字段中设置相应的十六进制值提供了在局域网中支持多协议传输的机制。

在IEEE802.3标准中类型字段被替换为长度字段，因而Ethernet II帧和IEEE802.3帧之间不能兼容。

六、长度字段

用于IEEE802.3的两字节长度字段定义了数据字段包含的字节数。不论是在Ethernet II还是IEEE 802.3标准中，从前序到FCS字段的帧长度最小必须是64字节。最小帧长度保证有足够的传输时间用于以太网网络接口卡精确地检测冲突，这一最小时间是根据网络的最大电缆长度和帧沿电缆长度传播所要求的时间确定的。基于最小帧长为64字节和使用六字节地址字段的要求，意味着每个数据字段的最小长度为46字节。唯一的例外是吉比特以太网。在1000Mbit/s 的工作速率下，原来的802.3标准不可能提供足够的帧持续时间使电缆长度达到100米。这是因为在1000Mbit/s的数据率下，一个工作站在发现网段另一端出现的任何冲突之前已经处在帧传输过程中的可能性很高。为解决这一问题，设计了将以太网最小帧长扩展为512字节的负载扩展方法。

对除了吉比特以太网之外的所有以太网版本，如果传输数据少于46个字节，应将数据字段填充至46字节。不过，填充字符的个数不包括在长度字段值中。同时支持以太网和IEEE802.3帧格式的网络接口卡通过这一字段的值区分这两种帧。也就是说，因为数据字段的最大长度为1500字节，所以超过十六进制数05DC的值说明它不是长度字段（IEEE802.3).而是类型字段（Ethernet II）。

七、数据字段