IT知识百科：什么是以太网帧？

以太网作为计算机网络中最常见的一种局域网技术，是现代网络通信中不可或缺的一部分。它的基本单元，以太网帧，承载着网络通信的重要责任。本文将深入探讨以太网帧的各个方面，从基本结构到传输机制，从地址分配到安全性管理，力求为读者呈现一幅清晰而详尽的以太网帧的画卷。

目录：

• 一、什么是以太网？
  • 1.1 以太网的诞生和早期发展
  • 1.2 以太网的标准化
  • 1.3 以太网的发展和普及
• 二、什么是帧？
• 三、以太网帧简介
• 四、以太网帧的结构
• 五、以太网帧详解
  • 5.1 前导码
  • 5.2 起始帧定界符
  • 5.3 目标MAC地址
  • 5.4 源MAC地址
  • 5.5 类型/长度
  • 5.6 数据
  • 5.7 帧校验序列
• 六、以太网帧的最大长度是多少？
• 七、以太网帧类型
  • 7.1 Ethernet II帧
  • 7.2 IEEE 802.3帧
  • 7.3 802.1Q帧
• 八、以太网帧的传输过程
• 九、以太网帧的错误检测和纠正
• 十、以太网帧的高级主题
  • 10.1 QoS（服务质量）
  • 10.2 VLAN（虚拟局域网）
• 十一、以太网帧的应用场景和实践
  • 11.1 数据中心
  • 11.2 宽带接入
  • 11.3 无线局域网
• 十三、最后

一、什么是以太网？

以太网（Ethernet）是一种计算机局域网技术，最初由Xerox公司的Robert Metcalfe于1973年发明。它已经成为目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET。

1.1 以太网的诞生和早期发展

以太网的起源可以追溯到20世纪70年代初，当时Xerox公司的Palo Alto研究中心希望将Alto计算机连接到Arpanet（Internet的前身），于是在ALOHA（无线电网络系统）系统的基础上连接了众多Alto计算机，这就是最初的以太网实验原型。Robert Metcalfe发明的第一个以太网以2.94Mbps速度运行，而第一个广泛采用的以太网技术以10Mbps速度运行。

1.2 以太网的标准化

1979年，Xerox、Intel和DEC公司正式发布了DIX版本的以太网规范，1983年IEEE802.3标准正式发布。这个通用的以太网标准规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问控制的内容。

1.3 以太网的发展和普及

自从以太网的诞生以来，它的速度已经翻了上千倍甚至更多。以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机（Switch hub）来进行网络连接和组织。

二、什么是帧？

在计算机网络中，帧是数据的传输单元，它包含了数据和一些控制信息。以太网帧是在以太网技术中传输数据的基本单位，它负责将数据从一个设备传输到另一个设备。

三、以太网帧简介

以太网帧是以太网（Ethernet）中数据的最小传输单位。每个以太网帧都包含了源地址、目标地址、类型、数据和校验和等信息。这些信息被组织成一种特定的格式，以便在以太网中正确地传输和接收。

四、以太网帧的结构

以太网帧的结构包括以下几个部分：

1. 前导码（Preamble）：这是以太网帧的开始部分，包含7个字节的交替的1和0，用于告诉接收设备有一个帧正在开始。
2. 起始帧定界符（Start Frame Delimiter，SFD）：这是一个1字节的字段，标志着帧的开始。
3. 目标MAC地址（Destination MAC Address）：这是一个6字节的字段，指定了帧的目标设备的物理地址。
4. 源MAC地址（Source MAC Address）：这是一个6字节的字段，指定了发送帧的设备的物理地址。
5. 类型/长度（Type/Length）：这是一个2字节的字段，指定了帧中数据的类型或长度。
6. 数据（Data）：这是一个可变长度的字段，包含了帧的实际数据。
7. 帧校验序列（Frame Check Sequence，FCS）：这是一个4字节的字段，用于检查帧在传输过程中是否出现错误。

下面将详细介绍每个部分的具体内容和功能。

五、以太网帧详解

5.1 前导码

• Preamble

前导码是以太网帧的开始部分，包含7个字节的交替的1和0，用于告诉接收设备有一个帧正在开始。这个部分的主要作用是为接收设备提供一个时间窗口，使其能够同步其接收时钟，以便正确地接收和解码帧。

5.2 起始帧定界符

• Start Frame Delimiter，SFD

起始帧定界符是一个1字节的字段，标志着帧的开始。它的值通常是10101011，最后的两个比特“11”标志着帧的开始。

5.3 目标MAC地址

• Destination MAC Address

目标MAC地址是一个6字节的字段，指定了帧的目标设备的物理地址。这个地址是设备制造商在生产时分配的唯一地址，用于在网络中唯一地标识设备。

5.4 源MAC地址

• Source MAC Address

源MAC地址也是一个6字节的字段，指定了发送帧的设备的物理地址。这个地址也是设备制造商在生产时分配的唯一地址。

5.5 类型/长度

• Type/Length

类型/长度是一个2字节的字段，指定了帧中数据的类型或长度。如果这个字段的值小于1500，那么它表示的是数据字段的长度；如果这个字段的值大于或等于1536，那么它表示的是数据字段的类型。

5.6 数据

• Data

数据是一个可变长度的字段，包含了帧的实际数据。这个字段的长度可以根据需要进行调整，但是总的帧长度（包括所有的字段）不能超过1518字节。

5.7 帧校验序列

• Frame Check Sequence，FCS

帧校验序列是一个4字节的字段，用于检查帧在传输过程中是否出现错误。这个字段的值是通过对整个帧（除了FCS字段本身）进行CRC（循环冗余校验）计算得到的。

六、以太网帧的最大长度是多少？

以太网帧的最大长度取决于不同的标准和设置。在802.3标准中，规定了一个以太网帧的数据部分（Payload）的最大长度是1500个字节¹。在这个限制之下，最长的以太网帧包括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。

然而，在802.1Q中，定义了以太网帧中可选的QTag，位于SMAC和EtherType之间，占4个字节。在这种情况下，一个以太网帧如果有QTag，它的最大长度就变成了1522字节。

此外，还有一种叫做Jumbo Frame的概念，其中，Payload的长度可以超过1500字节，通常来说最高可以到9000字节，但并没有一个统一的标准。

因此，以太网帧的最大长度可以从1518字节到9000字节不等，具体取决于网络的配置和使用的标准。

七、以太网帧类型

以太网帧有多种类型，每种类型的帧具有不同的格式和最大传输单元（MTU）值。

以下是一些常见的以太网帧类型：

7.1 Ethernet II帧

也称为DIX帧，是最常见的帧类型，并通常直接被IP协议使用。

7.2 IEEE 802.3帧

这是以太网帧的一种，它有几种变体：

• IEEE 802.3 raw帧：Novell在1983年公布的专用以太网标准帧格式³。
• IEEE 802.3 SAP帧：IEEE在1985年公布的Ethernet 802.3的SAP版本以太网帧格式。
• IEEE 802.3 SNAP帧：IEEE在1985年公布的Ethernet 802.3的SNAP版本以太网帧格式。

7.3 802.1Q帧

这种帧包含了一个4字节的VLAN标签，用于实现服务质量（QoS）和虚拟局域网（VLAN）。

八、以太网帧的传输过程

以太网帧的传输过程可以分为以下几个步骤：

1. 帧生成：发送设备首先生成一个以太网帧，包括前导码、起始帧定界符、目标MAC地址、源MAC地址、类型/长度、数据和帧校验序列。
2. 帧发送：发送设备通过物理媒介（如电缆或无线电波）发送这个帧。
3. 帧接收：接收设备接收到这个帧后，首先检查目标MAC地址是否与自己的MAC地址匹配，如果匹配，则继续处理这个帧；如果不匹配，则丢弃这个帧。
4. 错误检查：接收设备使用帧校验序列进行错误检查，如果检查结果表明帧在传输过程中没有出现错误，则继续处理这个帧；如果检查结果表明帧在传输过程中出现了错误，则丢弃这个帧。
5. 帧解析：接收设备解析帧中的数据，根据类型/长度字段确定数据的类型或长度，然后根据数据的类型进行相应的处理。

九、以太网帧的错误检测和纠正

以太网帧使用帧校验序列（Frame Check Sequence，FCS）进行错误检测。FCS是一个4字节的字段，通过对整个帧（除了FCS字段本身）进行CRC（循环冗余校验）计算得到的。CRC是一种常用的错误检测算法，它可以检测出帧在传输过程中的大部分错误。

当接收设备接收到一个帧后，它会使用同样的CRC算法对接收到的帧进行计算，然后将计算结果与帧中的FCS字段进行比较。如果两者相同，那么接收设备就认为这个帧没有出现错误；如果两者不同，那么接收设备就认为这个帧出现了错误。

然而，CRC只能检测出错误，但不能纠正错误。如果一个帧出现了错误，接收设备通常会丢弃这个帧，并可能向发送设备发送一个错误报告，请求发送设备重新发送这个帧。

十、以太网帧的高级主题

10.1 QoS（服务质量）

QoS是一种技术，用于在网络中控制和管理数据流的优先级和带宽。在以太网帧中，可以使用802.1Q标签来实现QoS。802.1Q标签是一个4字节的字段，插入在源MAC地址和类型/长度字段之间。这个标签包含了优先级（Priority Code Point，PCP）和VLAN ID等信息。

优先级字段是一个3比特的字段，用于指定帧的优先级。优先级值越高，帧在网络中的传输优先级就越高。

10.2 VLAN（虚拟局域网）

VLAN是一种技术，用于在物理网络中创建逻辑分隔的网络。在以太网帧中，可以使用802.1Q标签来实现VLAN。802.1Q标签中的VLAN ID字段是一个12比特的字段，用于指定帧所属的VLAN。

通过使用VLAN，可以将一个物理网络划分为多个逻辑网络，每个逻辑网络都有自己的广播域。这样可以提高网络的安全性和效率。

十一、以太网帧的应用场景和实践

11.1 数据中心

在数据中心中，以太网帧被广泛用于服务器之间的通信。通过使用QoS和VLAN，可以有效地管理和控制数据流，提高网络的性能和安全性。

11.2 宽带接入

在宽带接入中，以太网帧被用于用户设备（如电脑或智能手机）和接入设备（如DSL或光纤终端）之间的通信。通过使用QoS，可以保证重要的数据流（如VoIP或在线视频）的优先级和带宽。

11.3 无线局域网

在无线局域网中，以太网帧被用于无线设备（如无线路由器或无线网卡）之间的通信。通过使用QoS，可以保证无线网络的性能和稳定性。

十三、最后

文章的最后给大家做下总结，以太网帧是以太网中数据的最小传输单位，它包含了源地址、目标地址、类型、数据和校验和等信息，这些信息被组织成一种特定的格式，以便在以太网中正确地传输和接收。以太网帧的结构包括前导码、起始帧定界符、目标MAC地址、源MAC地址、类型/长度、数据和帧校验序列等部分。每个部分都有其特定的功能和作用，共同保证了以太网帧的有效传输。