【入门级】网络基础知识——以太网帧结构

清寒入骨

OSI RM （ Open System Interconnection Reference Model，开放系统互连参考模型）。OSI 参考模型很快成为了计算机网络通信的基础模型。



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OSI参考模型具有以下优点：简化了相关的网络操作；提供了不同厂商之间的兼容性；促进了标准化工作；结构上进行了分层；易于学习和操作。



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OSI参考模型各个层次的基本功能如下：
物理层: 在设备之间传输比特流，规定了电平、速度和电缆针脚。
数据链路层：将比特组合成字节，再将字节组合成帧，使用链路层地址（以太网使用MAC地址）来访问介质，并进行差错检测。
网络层：提供逻辑地址，供路由器确定路径。
传输层：提供面向连接或非面向连接的数据传递以及进行重传前的差错检测。
会话层：负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。该层的通信由不同设备中的应用程序之间的服务请求和响应组成。
表示层：提供各种用于应用层数据的编码和转换功能，确保一个系统的应用层发送的数据能被另一个系统的应用层识别。
应用层：OSI参考模型中最靠近用户的一层，为应用程序提供网络服务。
TCP/IP模型同样采用了分层结构，层与层相对独立但是相互之间也具备非常密切的协作关系。



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TCP/IP模型将网络分为四层。TCP/IP模型不关注底层物理介质，主要关注终端之间的逻辑数据流转发。TCP/IP模型的核心是网络层和传输层：网络层解决网络之间的逻辑转发问题，传输层保证源端到目的端之间的可靠传输。最上层的应用层通过各种协议向终端用户提供业务应用。
数据的封装：
      应用数据需要经过TCP/IP每一层处理之后才能通过网络传输到目的端，每一层上都使用该层的协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）彼此交换信息。不同层的PDU中包含有不同的信息，因此PDU在不同层被赋予了不同的名称。如上层数据在传输层添加TCP报头后得到的PDU被称为Segment（数据段 ）；数据段被传递给网络层，网络层添加IP报头得到的PDU被称为Packet（数据包）；数据包被传递到数据链路层，封装数据链路层报头得到的PDU被称为Frame（数据帧）；最后，帧被转换为比特，通过网络介质传输。这种协议栈逐层向下传递数据，并添加报头和报尾的过程称为封装。



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      数据包在以太网物理介质上传播之前必须封装头部和尾部信息。封装后的数据包称为称为数据帧，数据帧中封装的信息决定了数据如何传输。以太网上传输的数据帧有两种格式，选择哪种格式由TCP/IP协议簇中的网络层决定。
以太网上使用两种标准帧格式。第一种是上世纪80年代初提出的DIX v2格式，即Ethernet II帧格式。Ethernet II后来被IEEE 802标准接纳，并写进了IEEE 802.3x-1997的3.2.6节。第二种是1983年提出的IEEE 802.3格式。这两种格式的主要区别在于，Ethernet II格式中包含一个Type字段，标识以太帧处理完成之后将被发送到哪个上层协议进行处理。IEEE802.3格式中，同样的位置是长度字段。



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不同的Type字段值可以用来区别这两种帧的类型，当Type字段值小于等于1500（或者十六进制的0x05DC）时，帧使用的是IEEE 802.3格式。当Type字段值大于等于1536 （或者十六进制的0x0600）时，帧使用的是Ethernet II格式。以太网中大多数的数据帧使用的是Ethernet II格式。
以太帧中还包括源和目的MAC地址，分别代表发送者的MAC和接收者的MAC，此外还有帧校验序列字段，用于检验传输过程中帧的完整性。 以太网在二层链路上通过MAC地址来唯一标识网络设备，并且实现局域网上网络设备之间的通信。MAC地址也叫物理地址，大多数网卡厂商把MAC地址烧入了网卡的ROM中。发送端使用接收端的MAC地址作为目的地址。以太帧封装完成后会通过物理层转换成比特流在物理介质上传输。
以太网帧说明
以太网帧大小必须在64~1518字节（不包含前导码和定界符），即包括目的地址（6B）、源地址（6B）、类型（2B）、数据、FCS（4B）在内，其中数据段大小在46~1500字节之间。
以太网帧结构
以太网由前导码（7B）、定界符（1B）、目的地址（6B）、源地址（6B）、类型（2B）、数据、FCS（4B）。



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字段	字段长度（字节）	说明
前导码（preamble）	7	0和1交替变换的码流
帧开始符（SFD）	1	帧起始符
目的地址（DA）	6	目的设备的MAC物理地址
源地址（SA）	6	发送设备的MAC物理地址
长度/类型（Length/Type）	2	帧数据字段长度/帧协议类型
数据及填充（data and pad）	46~1500	帧数据字段
帧校验序列（FCS）	4	数据校验字段

前导码（preamble）：交替的0和1，设备从静默状态变成有信号状态标志以太网帧的开始。IEEE802.3 由 7 个 8‘b10101010 （8’haa）构成，由于数据从低比特开始传送（LSB），代码中的前导码数值为 8’b01010101，即8‘h55。帧开始符（SFD, Start frame delimiter）：值为8’b10101011（8’hab），最后两个1表示接收端适配器：“帧信息来了，准备接收”。数据从低比特开始传送（LSB），因此代码中的 SFD 值为8’hd5。目的地址（DA, Destination Address）：包含一个 48bit 的值，LSB 优先。目标地址可以是单播地址、广播地址（48‘hffff_ffff_ffff）、组播地址。当网卡收到一个数据帧时，首先检查该帧的目的地址是否与当前适配器的物理地址相同，如果相同，则进一步处理，如果不同则直接丢弃。源地址（SA, Source Address）：一个 48bit 的值，发送帧的网络适配器的物理地址，用于标识传输设备，LSB 格式。长度/类型（Length/Type）：字段值小于或等于1500，则指示帧的有效数据长度。Length 标识有效载荷的数据长度，不包含填充的长度。16‘h0800 代表IP 报文；16‘h0806 标识 ARP 请求/应答报文；16’h8035 标识RARP请求/应答报文。数据及填充（data and pading）：该段数据长度需在46~1500字节之间，填充数据不会改变Length 的值。帧校验序列（FCS）：用于存储 CRC 结果的校验结果。以 preamble、SFD、DA、SA、Length/Type、DATA and Pading作为输入数据进行计算，从"目标MAC地址"字段到"数据"字段的数据进行校验。