cs-note/hhs/NETWORK/02-链路层/01-Ethernet帧结构.md

---
tags: [计算机网络, Ethernet, MAC, 帧结构, 数据链路层]
create time: 2026-05-17 22:50
---

# Ethernet 帧结构

## 概述

Ethernet（以太网）是目前最主流的局域网技术。最初由 Robert Metcalfe 在 Xerox PARC 于 1973 年发明，1980 年由 Xerox、DEC、Intel 联合发布 DIX 标准，1983 年 IEEE 正式发布 802.3 标准。

理解 Ethernet 帧结构是掌握网络底层通信的基础——每一帧都包含了足够的信息来让网卡判断"这是给我的吗？内容完整吗？上层协议是什么？"

## 物理层封装：前导码与帧间隔

在以太网帧到达网线之前，物理层（PHY）会自动加上 **前导码 (Preamble)** 和 **帧首定界符 (SFD)**，这部分对软件不可见，但理解它有助于理解"帧"与"包"的边界。

```
|<---------- Preamble + SFD (8B) -------->|<------------- Ethernet Frame ------------>|
┌───────────────────────┬────────┬─────────┬──────────┬──────────┬──────────┬─────────┐
│  Preamble (7 bytes)   │ SFD(1B)│Dest MAC │ Src MAC  │ EtherType│ Payload  │   FCS   │
│  10101010 × 7         │10101011│ 6 bytes │ 6 bytes  │ 2 bytes  │ 46-1500B │ 4 bytes │
└───────────────────────┴────────┴─────────┴──────────┴──────────┴──────────┴─────────┘
                                                                ↑ 14B Header
```

- **Preamble**: 7 字节的 `10101010` 交替模式，用于接收方的**时钟同步**（位同步）
- **SFD** (Start Frame Delimiter): `10101011`，最后两个连续 1 表示"帧数据从下一个字节开始"
- **IFG** (Inter-Frame Gap): 帧与帧之间至少间隔 **12 字节**（96 bit time），让网卡有时间处理上一帧

> [!question] 为什么前导码是 7 字节而不是 8 字节？
> 前 7 字节用于时钟同步，SFD 单独标记帧起始。接收方需要足够的跳变沿来锁定频率，7 字节 × 8 bit = 56 次跳变，在早期的 10Mbps 以太网中大约需要 5.6μs 完成同步。

## Ethernet II 帧格式（最常见）

```
┌──────────┬──────────┬──────────┬─────────────┬──────────┐
│ Dest MAC │ Src MAC  │ EtherType│   Payload   │   FCS    │
│  6 bytes │  6 bytes │ 2 bytes  │  46–1500 B  │ 4 bytes  │
│ aabb.ccdd│ dd.eeff. │  0x0800  │  IP Packet  │ crc32()  │
│  ee.ff.00│          │          │             │          │
└──────────┴──────────┴──────────┴─────────────┴──────────┘
         ←──────── 14 bytes Header ───────→  ← Tail →
                              ←──── Min Frame = 64B ────→
                              ←──── Max Frame = 1518B ────→
```

### 字段详解

| 字段 | 大小 | 说明 |
|------|------|------|
| Dest MAC | 6 bytes | 目标 MAC 地址，`ff:ff:ff:ff:ff:ff` 表示广播 |
| Src MAC | 6 bytes | 源 MAC 地址，发出方的物理地址 |
| EtherType | 2 bytes | 上一层协议类型：`0x0800`=IPv4, `0x86DD`=IPv6, `0x0806`=ARP |
| Payload | 46–1500 bytes | 承载的上层数据包。**最小 46 字节**，不足则填充（Padding） |
| FCS | 4 bytes | CRC-32 校验和，网卡硬件自动计算，接收端验证错误则直接丢弃 |

### 为什么 Payload 最小 46 字节？

最早的以太网最大电缆长度 2500m，信号传播延迟需要至少 64 字节才能保证碰撞检测（CSMA/CD）生效。所以规定**整个帧最小 64 字节**，减去 14 字节头部和 4 字节 FCS，Payload 最少 46 字节。短包会补零填满。

现代 Gigabit+ 网卡已不用 CSMA/CD，但为了兼容仍保留此限制。

## IEEE 802.1Q（VLAN Tagged）帧

当网络中使用 VLAN 时，帧中会**插入**一个 4 字节的 802.1Q Tag。注意：TPID 占据了原本 EtherType 的位置，真正的 EtherType 跟在 TCI 之后：

```
┌──────────┬──────────┬─────────────┬──────────┬──────────┬─────────────┬──────────┐
│ Dest MAC │ Src MAC  │ TPID (0x8100)│   TCI    │ EtherType│   Payload   │   FCS    │
│  6 bytes │  6 bytes │   2 bytes   │ 2 bytes  │ 2 bytes  │  42–1500 B  │ 4 bytes  │
│          │          │             │ PCP DEI  │  0x0800  │             │          │
│          │          │             │ 3b  1b   │          │             │          │
│          │          │             │ VID(12b) │          │             │          │
└──────────┴──────────┴─────────────┴──────────┴──────────┴─────────────┴──────────┘
                         ←──────── 4B 802.1Q Tag ────────→
```

新增字段：
- **TPID** (Tag Protocol Identifier): `0x8100` — 占据 EtherType 的位置，标识"这不是普通协议类型，而是 VLAN Tag"
- **TCI** (Tag Control Information): 包含 PCP（优先级，3 bit）、DEI（丢弃适格指示符，1 bit）、**VID**（VLAN ID，12 bit）

> [!note] CFI → DEI
> 早期标准中该位叫 CFI (Canonical Format Indicator)，用于标记 MAC 地址是否为规范格式。802.1Q-2011 修订后改为 DEI (Drop Eligible Indicator)，用于标识在网络拥塞时可优先丢弃的帧。

VID 取值范围 0–4095，其中 **VID 0** 用于表示优先级帧（不含 VLAN 信息），**VID 4095** 为保留值，实际可用 VLAN 为 1–4094（共 4094 个）。

> [!question] 插入 4 字节 Tag 后帧会不会超过最大长度？
> 会。带 Tag 的帧最大长度从 1518 字节扩展到 **1522 字节**。这也是为什么交换机端口通常区分"最大帧长度"配置。

## 常见 EtherType 对照表

| 协议 | EtherType | 说明 |
|------|-----------|------|
| IPv4 | `0x0800` | IP 数据包 |
| IPv6 | `0x86DD` | IPv6 数据包 |
| ARP | `0x0806` | 地址解析协议 |
| RARP | `0x8035` | 反向 ARP（历史遗留） |
| PPPoE Discovery | `0x8863` | PPPoE 发现阶段 |
| PPPoE Session | `0x8864` | PPPoE 会话阶段 |
| 802.1Q | `0x8100` | VLAN 标记 |
| LACP | `0x8809` | 链路聚合控制协议 |
| LLDP | `0x88CC` | 链路层发现协议 |

### EtherType vs Length：如何区分？

这是以太网中一个经典的历史遗留问题。Ethernet II 和 IEEE 802.3 原始标准在同一个 2 字节位置上使用了**不同的语义**：

| 值范围 | 含义 | 对应标准 |
|--------|------|----------|
| ≥ `0x0600` (1536) | **EtherType** — 上层协议标识 | Ethernet II |
| ≤ `0x05DC` (1500) | **Length** — Payload 字节数 | IEEE 802.3 LLC/SNAP |

由于合法的 Payload 长度最大为 1500 字节，而合法的 EtherType 最小为 1536，两者不会重叠。**现代网络中绝大多数帧都是 Ethernet II 格式**，802.3 LLC/SNAP 仅在一些特殊场景（如 STP、某些工业协议）中出现。

> [!question] 如果你用 Wireshark 抓到一个该字段值为 0x05EE 的帧，它是什么？
> `0x05EE` = 1518，落在 1501–1535 之间——这是一个非法值，正常的以太网实现不会产生这样的帧。

## MAC 地址空间与 OUI

### OUI（Organizationally Unique Identifier）

MAC 地址的前三个字节由 **IEEE** 统一分配给厂商，称为 OUI。查询 OUI 可以知道网卡的制造商：

```bash
$ ip link show
link/ether aa:bb:cc:dd:ee:ff brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
                    ↑ 前三个字节 aa:bb:cc 就是 OUI

# 在线查询：https://www.wireshark.org/tools/oui-lookup.html
# Linux 也可以用 ethtool -P eth0 查看出厂 MAC
```

### 第一个字节的两个重要比特位

MAC 地址的第一个字节中，**最低两位**各自承载独立含义（注意：在网络传输中 MAC 地址按 **LSB first** 顺序发送，但日常书写采用 MSB first）：

```
第一字节: b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
                                ↑ I/G 位 (Individual/Group)
                           ↑ U/L 位 (Universal/Local)
```

#### I/G bit（bit 0）— 单播/组播

| 值 | 类型 | 说明 | 示例 |
|----|------|------|------|
| 0 | 单播 (Unicast) | 发给单一设备 | `aa:bb:cc:dd:ee:ff` |
| 1 | 组播 (Multicast) | 发给一组设备 | `01:00:5e:xx:xx:xx`（IPv4 组播） |

广播地址 `ff:ff:ff:ff:ff:ff` 是组播的特例（所有 bit 为 1）。

#### U/L bit（bit 1）— 全局/本地管理

| 值 | 类型 | 说明 |
|----|------|------|
| 0 | 全局管理 (GUA) | 由 IEEE 分配 OUI，厂商保证唯一（网卡出厂 MAC） |
| 1 | 本地管理 (LAA) | 管理员手动设置或软件生成（如 Docker 容器 MAC、虚拟网卡） |

> [!tip] 如何快速判断？看 MAC 第一个字节的十六进制最后一位
> - `a` → 101**0** → I/G=0, U/L=0 → 单播 + 全局管理
> - `3` → 001**1** → I/G=1, U/L=1 → 组播 + 本地管理
> - `2` → 001**0** → I/G=0, U/L=1 → 单播 + 本地管理（如 Docker 生成的 MAC）

### MAC 地址的比特序

MAC 地址在网线上传输时采用 **LSB first**（小端序），这与我们日常书写 `aa:bb:cc:dd:ee:ff` 的 MSB first 习惯相反。这也解释了为什么 IPv4 组播 MAC 的前缀是 `01:00:5e` 而不是 `01:00:5f`——因为 `01` 的实际传输顺序是 `10000000`，I/G 位确实是第 1 个被发出的比特。

## MTU、MSS 与 Jumbo Frame

### 关键概念区分

| 概念 | 层级 | 标准值 | 说明 |
|------|------|--------|------|
| **MTU** (Maximum Transmission Unit) | 链路层 | 1500 bytes | 帧中 Payload 的最大长度（不含 Header 和 FCS） |
| **MSS** (Maximum Segment Size) | 传输层 (TCP) | 1460 bytes | TCP 数据段的最大载荷，= MTU - 20(IP) - 20(TCP) |
| **Max Frame** | 链路层 | 1518 bytes | 整个以太网帧（含 Header 14B + FCS 4B） |

### Jumbo Frame（巨型帧）

部分交换机和网卡支持 **Jumbo Frame**，将 MTU 提升到 **9000 字节**（甚至更大）：

| 帧类型 | MTU | 最大帧长 | 适用场景 |
|--------|-----|----------|----------|
| 标准以太网 | 1500 B | 1518 B | 通用网络 |
| Jumbo Frame | 9000 B | 9018 B | 数据中心、iSCSI、NFS 存储网络 |

> [!warning] Jumbo Frame 的使用陷阱
> 1. **全链路必须一致**：路径上任何一台设备不支持 Jumbo Frame，就会导致分片或丢包
> 2. **非标准协议**：IEEE 从未正式标准化 Jumbo Frame（>1500 的 MTU），各家厂商实现略有差异
> 3. **实际收益**：减少帧头开销比例，CPU 中断次数降低，在大数据传输场景下吞吐量提升 10%–30%

## 关联笔记

- [[hhs/NETWORK/01-基础概念/01-OSI与TCP-IP模型对比]] — 以太网属于链路层
- [[hhs/NETWORK/02-链路层/03-MAC地址与广播域]] — MAC 地址的工作范围
- [[hhs/NETWORK/02-链路层/04-Switch与路由器]] — Switch 如何使用 MAC 表转发帧
- [[hhs/NETWORK/02-链路层/02-CSMA-CD与以太网退避]] — CSMA/CD 碰撞检测机制
- [[hhs/NETWORK/02-链路层/05-VLAN与Trunk]] — 802.1Q VLAN 的实际部署