一文快速掌握以太网、IEEE802.3标准、以太网帧类型、帧结构和MTU等L2层网络基础

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一、IEEE 802.3 工作组、IEEE 802.3 标准与以太网的关系

IEEE 802 是国际电器和电子工程师协会(IEEE)中的一个委员会,称为 LMSC(LAN/MAN Standards Committee,局域网/城域网标准委员会),802 委员会又分为多个工作组,其中802.3 工作组负责定义有线以太网的 物理层 和 数据链路层。

扩展: 802 委员会下另一个比较知名的工作组是 802.11,IEEE 802.11 负责制定无线局域网(WLAN)通用标准,我们熟知的 802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac、802.11ax(WiFi6)等标准都由 802.11 工作组负责制定。

IEEE 802.3标准 由 IEEE 802.3 工作组制定发布,是一种基带总线型的局域网标准,它描述了物理层和数据链路层的 MAC 子层的实现方法。

以太网 是符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,因 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 802.3 标准只有很小的差别,所以通常将 802.3 局域网称为以太网。以太网根据 IEEE 802.3 标准来管理和控制数据帧。

备注:IEEE 怎么读?

I-E-E-E,依次按字母顺序读完当然没有问题,但更专业更常见的读法是,I-[‘trɪp (ə)l]-E,即 I-Triple-E 的连读音。

Triple [‘trɪp (ə)l] adj.三部分的;三个的;三倍的;三组的…

Ps.在英雄联盟、CF 等竞技类类游戏中,经常能听到 Triple-Kill 的提示音,代表“三杀”。

二、以太网帧及帧格式

以太网帧是符合以太网标准的数据链路层协议数据单元(Protocol Data Unit,PDU),是互联网协议中的基本单元,用于在以太网上传输数据。

以太网中使用两种标准帧格式,一种是上世纪 80 年代初提出的 DIX Ethernet V2 格式,即 Ethernet II;另一种是 1983 年提出的 IEEE 802.3 格式。这两种格式的区别主要在于,Ethernet II 格式中包含了一个 Type 字段,用于标识以太网帧处理完成后将被发送到哪个上层协议进行处理;而 IEEE 802.3 格式的同样位置是 Length 长度字段。

不同的 Type 字段值可以用来区分两种帧类型:

  • 当 Type 字段值≤1500 时,帧使用的是 IEEE 802.3 格式(因为该格式的改字段表示的是帧长度,而以太网帧 MTU 值为 1500);
  • 当Type 字段值≥1536 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。

三、以太网帧结构

以太网帧 Frame 由 帧头部(Header)、数据(Data)、帧尾部(Tailer)/校验和(Checksum)三部分组成。

帧头部占 14 Byte,尾部占 4 Byte,数据长度可变范围为 46-1500 Byte,从而可知以太网帧长度范围为 64-1518 Byte。

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P1.以太网帧结构
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字段:

D.MAC:目标 MAC 地址,占用 6 Byte,常用 12 个十六进制数加上 2/5 个冒号或中线符号平均分开,如FF:FF:FF:FF:FF:FF,FF-FF-FF-FF-FF-FF,FFFF-FFFF-FFFF,FFFF:FFFF:FFFF;

S.MAC:源 MAC 地址,占用 6 Byte;

Type:类型,占用 2 Byte,可表示的数值范围为 0-4096,用于区分帧封装格式(以及标识上层协议,如0x0800,表示上层协议为 IP;0x86dd 表示上层协议为 IPv6;0x0806 表示上层协议为 ARP;0x8847 表示上层协议为 MPLS;0x8864 表示上层协议为 PPPoE);

FCS:Checksum校验和,占用 4 Byte,校验不通过,则该帧被认为传输不完整或遭到篡改,将直接丢弃处理。

四、MTU

MTU(Maximum Transmission Unit,最大传输单元),属于数据链路层的概念,用于在数据链路层对数据帧长度进行限制,是指网络能够传输的最大数据包大小,以字节 Byte 为单位。以太网帧的默认 MTU 值为 1500.

基于对网络时延、传输效率等因素的综合考虑,不同链路介质类型的网络有不同的默认 MTU 值,以下是一些常见网络的默认值:

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P2.不同网络类型的默认 MTU 值
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一般情况下,默认 MTU 值越大,该类型的网络传输效率(传输效率=MTU/数据帧总长度)越高。

当上层交付的报文大于 MTU 时将如何处理?

数据链路层将进行分片处理,第一片报文,IP 报文头部固定 20 Byte,数据载荷 payload 封装 1480 Byte;第二片报文,复制第一片的 IP 头,修改偏移量、标志位等,IP报文固定 20 Byte,数据载荷 payload 填充后续的 1480 Byte;第三片亦然……直至第 N 片将上层交付的报文拆分完毕为止。

正文完
 
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