计算机网络：数据链路层 ——以太网的 MAC 帧格式

以太网

以太网（Ethernet）以曾经被假想的电磁波传播介质 —— 以太(Ether)来命名，是一种广泛应用于局域网（LAN）的常见网络技术，用于在计算机和其他网络设备之间进行数据通信。

以太网目前已经从传统的共享式以太网发展到交换式以太网，传输速率已经从 10Mb/s 提高到 100Mb/s、1Gb/s 甚至 10Gb/s。

• 工作原理：

  • 以太网使用 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议来控制多个设备在共享媒介上的访问。

  • CSMA/CD 协议允许设备在发送数据之前监听信道，以检测是否有其他设备正在发送数据。如果信道是空闲的，设备将发送数据；如果检测到冲突（多个设备同时发送数据），则设备将等待一段随机时间后再次尝试发送。

以太网的 MAC 帧格式

以太网的 MAC 帧 格式主要有两类：DIX Ethernet V2 的帧格式（以太网V2的帧格式）和IEEE 802.3 的帧格式，二者仅“类型”字段有差别，而 DIX Ethernet V2 的帧格式 更为流行。

以太网V2的帧格式

• 类型的值用来指明数据载荷中的内容，是由上一层的哪个协议封装的以便将收到的MAC帧的数据载荷上交给上一层的这个协议。

  • 当值大于等于 0x0600 时，该字段表示上层协议类型
    • 0x0800：TCP/IP网际层 IP 协议封装的PDU
    • 0x8137：由 Novel 网络层 IPX 协议封装的PDU
  • 当值小于 0x0600 时，表示数据负载长度。

• FCS：使用CRC生成的帧检验序列FCS，接收方的网卡通过FCS的内容就可检测出帧在传输过程中是否产生了误码。

• 填充 (Padding)：为满足最小帧长为 64B 的要求（6B+6B+2B+46B+4B=64B），数据载荷最小长度为 46B，当数据字段的长度小于46字节时，数据链路层会在数据载荷的后面插入相应数量的填充字节，以确保MAC帧的长度不小于64B。

• 数据载荷的最大长度被限制为 1500B，以太网V2的MAC帧的最大长度为1518字节

• 物理层在发送以太网MAC帧前，还要在其前面添加8字节的前导码，前同步码的目的是使接收方的时钟同步。

接收方可能收到的无效MAC帧包括以下：

• MAC帧的长度不是整数个字节

• 通过 MAC 帧的 FCS 字段的值检测出帧有误码

• MAC帧的长度不在 64~1518 字节之间

当帧从一个节点发送到另一个节点时，接收端会检查 FCS 来验证数据是否完好无损。接收方收到无效的MAC帧时，就简单将其丢弃，以太网的数据链路层没有重传机制。