以太网帧结构

穷则独善其身,达则兼善天下。

—— 战国·孟子·《孟子》

上一小节,我们通过一个虚构的协议,初步认识了数据链路层的工作原理。数据链路层主要解决由若干主机组成的本地网络的通讯问题,寻址复用分用 思想在其中发挥着关键作用。

数据链路层有一个非常重要的协议—— 以太网协议 。接下来,我们一起来揭开它的神秘面纱!

使用以太网协议进行通信的主机间,必须通过某种介质直接相连。通信介质可以是真实的物理设备,如网线、网卡等;也可以是通过虚拟化技术实现的虚拟设备。

以太网帧

在以太网中,数据通信的基本单位是 以太网帧 ( frame ),由 头部 ( header )、数据 ( data )以及 校验和 ( checksum )三部分构成:

请注意,这图中的单位为字节,而不是比特了。

头部

以太网帧头部包含 3 个字段,依次是:

  • 目的地址 ,长度是 6 字节,用于标记数据由哪台机器接收;
  • 源地址 ,长度也是 6 字节,用于标记数据由哪台机器发送;
  • 类型 ,长度是 2 字节,用于标记数据该如何处理, 0x0800 表示该帧数据是一个 IP 包(后续章节介绍)。

除了字段长度有所拓展之外,以太网帧跟我们虚构出来的协议如出一辙。对了,我们注意到一点小差异——在以太网帧中, 目的地址 放在最前面。 这其中有什么特殊考虑吗?

确实是有的。接收方收到一个以太网帧后,最先处理 目的地址 字段。如果发现该帧不是发给自己的,后面的字段以及数据就不需要处理了。基础网络协议影响方方面面,设计时处理效率也是一个非常重要的考量。

数据

数据 可以是任何需要发送的信息,长度可变, 461500 字节均可。

上层协议报文,例如 IP 包,可以作为数据封装在以太网帧中,在数据链路层中传输。因此,数据还有另一个更形象的称谓,即 负荷 ( payload )。请自行脑补数据 搭载 在以太网帧这个交通工具上旅行的画面。

校验和

由于物理信号可能受到环境的干扰,网络设备传输的比特流可能会出错。一个以太网帧从一台主机传输到另一台主机的过程中,也可能因各种因素而出错。那么当主机收到以太网帧时,如何确定它是完好无损的呢?

答案是: 校验和 。我们可以用诸如 循环冗余校验 ( CRC )算法,为以太网帧计算校验和。如果以太网帧在传输的过程出错,校验和将发生改变。

注意到,以太网帧最后面有一个 4 字节字段,用于保存校验和。发送者负责为每个以太网帧计算校验和,并将计算结果填写在校验和字段中;接收者接到以太网帧后,重新计算校验和并与校验和字段进行对比;如果两个校验和不一致,说明该帧在传输时出错了。

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