Ethernet帧结构解析
第02章 Ethernet帧结构解析-2
8 字节
7 字节 10101010101010 1 字节
MAC 帧
物理层
… 10101010101010101011
帧开始 定界符
计算机硬件基础教学中心
前同步码
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帧结构解析
1、以太网的MAC层
以太网 V2 的格式
局域网介绍
2、局域网概述
局域网技术发展的过程
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计算机硬件基础教学中心
局域网介绍
2、局域网概述
最早的Ethernet原理设计图
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计算机硬件基础教学中心
局域网介绍
1、IEEE 802 标准
ISO/OSI-RM
7 6 5 4 3 2 1 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据 链路层 物理层
UTP 同轴电缆 光缆
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802.10 网络安全
802.1 802.2
帧开始 定界符
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前同步码
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帧结构解析
1、以太网的MAC层
以太网 V2 的格式
IP 数据报 字节 以太网 V2 MAC 帧 插入 6 目的地址 6 源地址 2 类型 数 46 ~ 1500 据 4 FCS MAC 层 IP 层
• 随机接入：所有的用户可随机地发送信息。 • 受控接入：如多点线路探询(polling)，或轮询。
ethernet的拓扑结构
ethernet的拓扑结构
以太网是一种常见的局域网技术，它可以采用不同的拓扑结构来连接设备。
常见的以太网拓扑结构包括总线型、星型和环型。
首先，总线型拓扑结构是指所有设备都连接到同一根传输介质（通常是一根电缆），设备通过共享这根传输介质来进行通信。
在总线型拓扑结构中，所有设备可以看到在传输介质上发送的所有数据帧，但每个设备只能接收并处理发送给它的数据帧。
其次，星型拓扑结构是指所有设备都连接到一个集线器或交换机，集线器或交换机起到中继数据的作用。
在星型拓扑结构中，每个设备通过独立的链路与集线器或交换机相连，这样可以提高网络的可靠性和扩展性。
最后，环型拓扑结构是指每个设备都与相邻的两个设备相连，形成一个闭合的环路。
在环型拓扑结构中，数据帧沿着环路传输，每个设备都可以接收并发送数据帧。
这种拓扑结构通常使用双绞线或光纤作为传输介质。
除了这些常见的以太网拓扑结构外，还有混合拓扑结构，即将
不同的拓扑结构组合在一起，以满足特定的网络需求。
例如，一个大型以太网网络可能会采用星型拓扑结构的子网，而这些子网之间则采用总线型或环型拓扑结构相连。
总的来说，以太网可以根据不同的拓扑结构来构建局域网，每种拓扑结构都有其特点和适用场景，网络管理员需要根据实际情况选择合适的拓扑结构来搭建网络。
以太网(Ethernet)的帧结构
以太网（Ethernet）的帧结构
1.Ethernet V2.0帧结构 2. IEEE802.3帧结构 3. Ethernet V2.0帧结构组成详解
Ethernet V2.0帧结构
帧前 帧校 前导 目的 源地 数据 定界 验字 类型 码 地址 址 字段 符 段 46~1 7B 1B 6B 6B 2B 4B 500B 注：Ethernet帧的最小长度为64B，最大长 度为1518B。（前导码与帧前定界符不计入 帧头长度中）
前导码与帧前定界符字段
前导码的组成： 前导码的组成：56位（7B）10101010…10 1010比特序列。 作用： 作用：提醒接收系统有帧的到来，以及使到来的 帧与计时器进行同步。 帧前定界符的组成： 帧前定界符的组成：8位（1B）10101011比特 序列。 作用： 作用：表示下面的字段是目的地址。
数据字段
数据字段的组成： 数据字段的组成：长度在46~1500B之间的比 特序列。 特点： 特点：如果数据的长度少于46B，需要加填充 字节，补充到46B。填充字节是任意的，不计 入长度字段中。
帧校验字段
帧校验字段的组成： 32位 4B）比特序列。 帧校验字段的组成： 32位（4B）比特序列。 特点： 特点：采用CRC校验。校验的范围包括目的地 址字段，源地址字段，类型字段，数据字段。 在接收端进行校验，如果发生错误，帧将被丢 弃。 32位CRC校验的生成多项式为： G（x） =x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4 +x2+x1+1
பைடு நூலகம்
以太网(Ethernet)的帧结构
以太网（Ethernet）的帧结构
1.Ethernet V2.0帧结构 2. IEEE802.3帧结构 3. Ethernet V2.0帧结构组成详解
Ethernet V2.0帧结构
帧前 帧校 前导 目的 源地 数据 定界 验字 类型 码 地址 址 字段 符 段 46~1 7B 1B 6B 6B 2B 4B 500B 注：Ethernet帧的最小长度为64B，最大长 度为1518B。（前导码与帧前定界符不计入 帧头长度中）
IEEE802.3帧结构
帧前 帧校 前导 目的 源地 数据 定界 验字 长度 码 地址 址 字段 符 段 46~1 7B 1B 6B 6B 2B 4B 500B
Ethernet V2.0帧结构组成详解
1）前导码与帧前定界符字段 ） 2）目的地址和源地址字段 ） 3）类型字段 ） 4）数据字段 5）帧校验字段
数据字段
数据字段的组成： 数据字段的组成：长度在46~1500B之间的比 特序列。 特点： 特点：如果数据的长度少于46B，需要加填充 字节，补充到46B。填充字节是任意的，不计 入长度字段中。
帧校验字段
帧校验字段的组成： 32位 4B）比特序列。 帧校验字段的组成： 32位（4B）比特序列。 特点： 特点：采用CRC校验。校验的范围包括目的地 址字段，源地址字段，类型字段，数据字段。 在接收端进行校验，如果发生错误，帧将被丢 弃。 32位CRC校验的生成多项式为： G（x） =x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4 +x2+x1+1
以太网帧结构详解
以太⽹帧结构详解⽹络通信协议⼀般地，关注于逻辑数据关系的协议通常被称为上层协议，⽽关注于物理数据流的协议通常被称为低层协议。
IEEE802就是⼀套⽤来管理物理数据流在局域⽹中传输的标准，包括在局域⽹中传输物理数据的802.3以太⽹标准。
还有⼀些⽤来管理物理数据流在使⽤串⾏介质的⼴域⽹中传输的标准，如帧中继FR（FrameRelay），⾼级数据链路控制HDLC（High-LevelDataLinkControl），异步传输模式ATM（AsynchronousTransferMode）。
分层模型0OSI国际标准化组织ISO于1984年提出了OSIRM（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，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。
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。
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。
分层模型-TCP/IPTCP/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。
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。
常见以太网帧结构详解
常见以太网帧结构详解以太网是一个常用的局域网技术，其数据传输是以帧的形式进行的。
以太网帧是以太网数据传输的基本单位，通过帧头、帧数据和帧尾等部分来描述有效载荷的数据。
以太网帧的结构如下：1. 帧前同步码（Preamble）：以太网帧的开始部分有7个字节的帧前同步码，其作用是为接收端提供定时的参考，帮助接收端进行帧同步。
2.帧起始界定符（SFD）：帧前同步码之后的1字节帧起始界定符为0x55，标志着以太网帧的开始。
3. 目标MAC地址（Destination MAC Address）：目标MAC地址占6个字节，表示帧的接收者的MAC地址。
4. 源MAC地址（Source MAC Address）：源MAC地址占6个字节，表示帧的发送者的MAC地址。
5. 长度/类型字段（Length/Type Field）：长度/类型字段占2个字节，当该字段的值小于等于1500时，表示以太网帧的长度；当该字段大于等于1536时，表示该字段定义了帧中的协议类型。
6. 帧数据（Data）：帧数据部分是以太网帧的有效载荷，其长度为46到1500字节，不包括帧头和帧尾。
7. 帧校验序列（Frame Check Sequence，FCS）：帧校验序列占4个字节，主要用于对帧进行错误检测，以保证数据的可靠性。
8. 帧尾（Frame Check Sequence，FCS）：帧尾占4个字节，用于标识以太网帧的结束。
以太网帧的长度为64到1518字节，其中有效载荷部分数据长度为46到1500字节，不同帧的长度可以根据网络需求进行调整。
在发送以太网帧时，发送方会在帧尾的后面添加额外的字节以保证整个帧的长度达到最低限制。
这些额外的字节即填充字节（Padding），用于使帧长达到最小限制的要求。
以上是以太网帧的常见结构，它描述了以太网帧的各个部分的作用和位置。
了解以太网帧的结构对于理解以太网的工作原理和网络通信非常重要。
数据链路层帧结构解析（精品）
对模拟帧结构的解析一、编制程序的目的目的是应用数据链路层与介质访问控制子层的知识，根据数据链路层的基本原理，通过解析已封装好的Ethernet 帧，了解Ethernet 帧结构的各个字段的含义，从而深入理解Internet 协议族中的最底层协议——数据链路层协议。
也为后续的实验积累编程经验。
1.1前期准备：1.1.1 CRC-8按字节查表检验算法将字节序列按字节可写成：∑=ni i B D 082，按照CRC 原理，对D 左移8位，然后用生成多项式G 除，G 是16位的。
∑=n i GB GD i 0822288 （1），令GR n GB n n Q +=82，代入（1）式得∑--+++=-2082)1(8228222)(288188n i GB n GB GR n n G D i n n Q （2），令GR GR GR nL nH n +=8228，其中，nH R ，nL R 分别是n R 的高8位，低8位，代入（2）式，得：∑--++++=-208)1(8228222)(28188n i GB n GB R GR nn GD in nH nL Q （3）此时，可令GR n GB R GR n n nH nL Q 1818122--+=+-+ （4）则（3）式为：∑----+++=-208)2(82)1(81822222818n i GB n GR n n n n G D in Q Q （5）类推，将得到：GR n n n n nn G D Q Q Q Q 080)2(82)1(8182 (222)+++++=---- （6）由（6）式知，即第n-1字节的CRC 余码 = 第n 字节CRC 余码低8位 + 第n 字节CRC 余码高8位与第n-1字节和的CRC 余码。
这个结论正是参考文献3告诉我们的方法推出的结论。
二、程序说明 2.1 思路结合给定的模拟帧结构定义相应得数据结构（帧类），并定义一个帧装载类。
Ethernet帧详解
Ethernet帧详解一、Ethernet帧发展史：1.1980年DEC、Inter、Xerox制订了Ethernet I标准；2.1982年DEC、Inter、Xerox又制订了Ethernet II标准，即DIX 2.0，Cisco称为ARPA；3.1982年IEEE开始研究Ethernet的国际标准802.3；4.1983年Noverll公布了专用以太网标准帧格式，Cisco称为Novell-Ether；5.1985年IEEE公布Ethernet 802.3的SAP版本以太网帧格式，Cisco称为：SAP；6.1985年IEEE公布Ethernet 802.3的SNAP版本以太网帧格式，Cisco称为：SNAP；二、Ethernet四种帧格式：目前，Ethernet有四种不同格式的以太网帧在使用，它们分别是：1.Ethernet IIEthernet II即DIX2.0，由DEC、Inter和Xerox在1982年公布的标准。
主要更改了Ethernet I的电气特性和物理接口，在帧格式上并无变化。
Ethernet II出现后迅速取代Ethernet I成为以太网标准。
Cisco名称为ARPA。
帧格式：报头8+目标地址6+源地址6+类型2+数据46-1500+帧检验序列4(1)报头：8个字节，前7个为0、1交替的字节（10101010）用来同步接收站，一个10101011字节指出帧的开始位置。
报头提供接收器同步和帧定界服务。
(2)目标地址：6个字节，单播、多播或者广播。
广播地址全为（0xffffffffffff）。
(3)源地址：6个字节，指出发送节点的单点广播地址。
(4)类型：2个字节，用来指出以太网帧所携带的上层数据类型。
即帧格式的协议标识符（0x0800代表IP报文，0x0806代表ARP）。
(5)数据：由一个上层协议的协议数据单元PDU构成。
可以发送的最大有效负载是1500字节。
由于以太网的冲突检测特性，有效负载至少是46个字节。
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2.3 CRC 校验
CRC 是一类重要的线性分组码，编码和解码方法简 单，检错和纠错能力强。 它是目前应用最广泛的检错编码方法之一，广泛应 用于通信和测控领域。 原理
在发送端用生成多项式 G (x) 去除发送数据多项式 f (x) ， 求得一个余数多项式。将余数多项式附在数据多项式之后 发送到接收端 在接收端用同样的生成多项式 G (x) 去除接收数据多项式 f (x) ，得到计算余数多项式 通过计算余数多项式与接收余数多项式是否相同来判断是 否在传输过程中出现差错
2013年3月4日 7
4
1
2.3.3 CRC-4 生成校验码算法
设 12 位待发比特序列 100100011100 ， CRC-4 多项式系 数为 10011 ，求校验码。 由 CRC-4 知，其校验码 r 为 4 位，在待发序列后补充 4 位 0 ，得初始码为 1001000111000000 用初始码除以生成多项式系数，得到余数多项式系数
100010000100 ————————— 10011 ⌡ 1001000111000000 10011 ———————— 100111000000 10011 —————— 1000000 10011 ———— 1100
余数多项式系数为 1100 ，故发送 1001000111001100 CRC 编码过程实际上是循环移位的模 2 运算
XOR
xor ←0+0 ←0+1 ←0+0 ←0+1 ←0+0 ←0+0 ←0+0 ←0+0 ←1+0 ←0+1 ←1+0 ←0+1
R0
R0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0
XOR 输入
xor ←0+1 ←0+0 ←0+1 ←0+0 ←0+0 ←0+0 ←0+0 ←0+0 ←1+0 ←0+0 ←1+0 ←0+0 输入 清零 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
开始 Register8=0, Input 后填 8 位 0
数据处理完？
Y
N N
Register8 <<=1 Register8 首位 ==1 ？ 结束
Y
Register8 <<=1
N
Input 1 位新数据 ==1 ？
Y
Register8 最低位 = 1
Input 1 位新数据 ==1 ？
N
Y
Register8 最低位 = 1 Register8 ^=0x7 2013年3月4日 13
2013年3月4日
6
2.3.2 标准 CRC 生成多项式
CRC-32
G ( x )= x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x 1 + 1
CRC-ITU
G ( x )= x + x + x + 1
2013年3月4日
11
2.3.4.2 CRC-8 算法分析
R7 的移出位为 1 时，寄存器组才和 00000111 做 XOR 运算 移出位为 0 时，实际不需要运算 每次寄存器左移后，需要读入 1 位新数据到 R0 中 然后判断是否需要做 XOR 运算
2013年3月4日
12
2.3.4.3 CRC-8 处理流程
单播地址：目的地址第一位为 0 ，只被该地址节点接收 多播地址：目的地址第一位为 1 ，被一组节点接收 广播地址：目的地址为全 1 ，被所有节点接收
类型字段： 16 位 (2B), 表示网络层协议类型 0x0800 ，表示网络层为 IP 协议 0x8137 ，表示网络层为 NetWare 的 IXP 协议
2013年3月4日 14
2.4 Ethernet 帧接收流程
开始 启动接收 N
接收完成？ Y 帧太短？ N 地址正确？ N Y
Y 帧拆解 接收成功
Y 校验正确？ N 8 位的整数倍？ Y 帧校验错 N
帧比特错
2013年3月4日 15
2.5 Ethernet 帧发送流程
开始 封装帧 Y 总线忙？ N 启动发送 继续发送 N 发送完成？ Y 发送成功 冲突次数 >16? Y 发送失败
前导码 帧前定界符 目的地址 源地址 类型字段 7B 1B 6B 6B 2B 数据字段 46~1500B 校验字段 4B
前导码： 56 位 (7B), 1010....10 帧前定界符： 8 位 (1B), 10101011 目的 / 源地址： 48 位 (6B), 是物理地址，又称 MAC 地址，如 00-13-d3-a2-42-a8
2013年3月4日
2
2.1 Ethernet
目前使用最广泛的局域网 基于 802.3 协议 通过 MAC 地址 ( 物理地址 ) 实现主机间通信 MAC (Media Access Control) 地址： 6Bytes (48bits)
2013年3月4日
3
2.2 Ethernet 2.0 帧结构
2013年3月4日 10
2.3.4.1 以比特序列 1010 为例
R7 R6 R5 R4 R3 R2
移出位 ← 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 结果 R7 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 R6 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 R5 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 R4 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1
2013年3月4日 8
2.3.3 续
接收端校验过程 设发送端发出数据为 1001000111001100 而接收端收到数据为 1001000111101100 除以 CRC-4 多项式，判断余数是否为 0 。
100010000110 ————————— 10011 ⌡ 1001000111101100 10011 ———————— 100111101100 10011 —————— 1101100 10011 ———— 100000 10011 ———— 110
16 12 5
CRC-16
G ( x )= x + x + x + 1
16 15 2
CRC-12
G ( x )= x + x + x + x + x + 1
12 11 3 2 1
CRC-8
G ( x )= x + x + x + 1
8 2 1
CRC-4
G ( x )= x + x + 1
2.3.5 CRC-32 查找表法
串行方法算法简单，易于实现，对任意长 度的生成多项式都适用，但是它一次只能 处理一位数据，效率太低。为了提高处理 效率，可以一次处理 4 位、 8 位、 16 位 或 32 位 查找表法分两步实现： 计算参数表，计算校验码时只要从表中 查找对应的值进行处理即可 计算 CRC 校验码
2013年3月4日 5
2.3.1 CRC 校验算法
帧校验字段：采用 32 位 CRC 校验 校验范围包括目的 / 源地址字段，类型字段和数据字段； 接收端若发现错误，则帧被丢失。 CRC 校验算法： 基于线性编码理论，在 k 位待发数据之后加 r 位校验码，根 据 r 位校验码判断前面 k 位数据中是否有错。 算法： 将待发送的二进制序列作为多项式 f(x) 的系数，除以预先 设定的生成多项式 G(x) ，求得余数多项式 r(x) 并将 r(x) 的 系数作为 r 位校验码发送 接收端将收到的二进制序列作为多项式 f’(x) 的系数，除 以生成多项式 G(x) ，如果余数为 0 ，则传输无差错。
2013年3月4日 16
N
发生冲突？
Y 冲突加强
等待后退延迟时间
计算后退延迟时间 冲突次数加 1 N
2013年3月4日
9
2.3.4 CRC-8 的实现
CRC-8 可由 8 个移位寄存器和 3 个加法器（异或单元） 实现。 8 2 1
G CRC −8 ( x )= x + x + x + 1
XOR R1
R7 R6 R5 R4 R3 R2
XOR
R0
XOR 输入
编码或解码前将所有寄存器清零
输入位作为最右边异或操作的输入之一， 8 个寄存器同时 进行左移一位操作 每次移位时，寄存器同时是上图异或操作的输入之一 每输入 1 位便做一次移位操作，直到待发送的数据全部输 入完毕，此时寄存器组中值便是 CRC-8 的校验码。
XOR
R3 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 R2 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1
R1
xor ←0+0 ←0+0 ←0+1 ←0+0 ←0+1 ←0+0 ←0+0 ←0+0 ←1+0 ←0+1 ←1+1 ←0+1 R1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1
网络高级编程技术
主讲：张江山
zhangjs@
2 Ethernet 帧结构解析
帧是网络中基本传输单元，熟悉帧结构对 于理解网络协议的概念、协议执行过程以 及网络层次结构具有重要的意义。 学习目标：