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

## 概述

Ethernet（以太网）是目前最主流的局域网技术，由 Xerox、DEC 和 Intel 在 1980 年联合制定（IEEE 802.3）。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？"

## 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 802.3 / 802.3Q（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：

```
┌──────────┬──────────┬──────┬──────┬──────────┬─────────────┬──────────┐
│ Dest MAC │ Src MAC  │ Type │ TPID │ TCI/VID  │   Payload   │   FCS    │
│  6 bytes │  6 bytes │ 2B   │2B    │ 2B      │ 46–1500 B   │ 4 bytes  │
└──────────┴──────────┴──────┴──────┴──────────┴─────────────┴──────────┘
```

新增字段：
- **TPID** (Tag Protocol Identifier): `0x8100` — 标识这是带 VLAN Tag 的帧
- **TCI** (Tag Control Information): 包含 PCP（优先级，3 bit）、CFI（规范格式指示符，1 bit）、**VID**（VLAN ID，12 bit）

VID 取值范围 1–4094，共 4094 个可用 VLAN。

## 常见 EtherType 对照表

| EtherType | 十六进制 | 协议 |
|-----------|---------|------|
| 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 | `0x8864` | PPP over Ethernet |
| 802.1Q | `0x8100` | VLAN 标记 |
| LACP | `0x8809` | 链路聚合控制协议 |

## 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
```

### 单播/多播位（LSB of First Byte）

第一个字节的最低比特位决定寻址类型：

| LSB | 类型 | 示例 |
|-----|------|------|
| 0 | 单播 (Unicast) | `aa:bb:cc:dd:ee:ff` |
| 1 | 多播 (Multicast) | `01:00:5e:xx:xx:xx`（IPv4 组播） |
| 1 | 广播 (Broadcast) | `ff:ff:ff:ff:ff:ff` |

> [!tip] 如何快速判断？看 MAC 第一个字节的十六进制最后一位
> - `a` → 1010 → LSB=0 → 单播
> - `3` → 0011 → LSB=1 → 多播/广播

## 关联笔记

- [[hhs/NETWORK/OSI与TCP-IP模型对比]] — 以太网属于链路层
- [[hhs/NETWORK/MAC地址与广播域]] — MAC 地址的工作范围
- [[hhs/NETWORK/Switch与路由器]] — Switch 如何使用 MAC 表转发帧