以太网技术和讲义组网规范
以太网基础知识讲义
以太网基础知识讲义以太网基础知识讲义1前言本教材是以太网知识的入门教程，前三章主要介绍了以太网了一些基本知识和工作原理方面的知识。
第四章与实际设计比较接近，介绍了目前在设计以太网产品经常会接触到的一些接口。
第五章对芯片内部的功能做了简单的介绍。
本教材适用于新近入职的研发处的员工及其它部门希望进一步了解以太网产品设计的员工。
本教材前四部分主要参考自《新版交换式以太网和快速以太网》，《千兆位以太网教程》(以上书目可在LAN组目录下查到)，《以太网》(公司参考书目)，《IEEE802.3协议-2000版》。
第五部分内容主要译自AH104芯片资料，AL101芯片资料。
有错误之处，敬请大家指正。
2以太网基础知识讲义 (1)第一章以太网技术的简单介绍 (5)1.1 以太网的起源 ..................................................................... ............................................ 5 1.2 ISO七层模型 ..................................................................... ............................................ 5 1.3 以太网常见的拓扑结构 ..................................................................... .......................... 7 1.4 以太网常见的传输介质 ............................................................................................... 9 第二章以太网常见产品的介绍 (10)网路接口卡 ..................................................................... .............................................. 10 2.12.2 集线器 ..................................................................... . (12)2.3 交换机 ..................................................................... . (13)第三章以太网的传输机制 (15)3.1 以太网的核心CSMA/CD ................................................................ ....................... 15 3.2 以太网的帧结构 ..................................................................... ..................................... 17 3.3 以太网的交换技术 ..................................................................... ................................. 19 3.4 流控机制 ..................................................................... ................................................... 22 3.5 自动协商技术 ..................................................................... .......................................... 23 第四章常用设计中的接口的介绍 . (26)4.1 MII接口 ..................................................................... .................................................... 26 4.2 RMII接口 ..................................................................... ................................................. 29 4.3 SMII和SSSMII 接口 ..................................................................... ............................ 32 4.4 GMII接口和TBI接口 ..................................................................... ......................... 34 第六章芯片的内部的功能模块 (40)6.1 PHY的功能 ..................................................................... ............................................. 40 6.2 MAC的功能 ..................................................................... ............................................ 44 6.3 SMI管理接口 ..................................................................... .......................................... 45 图表:图表 1 以太网和IEEE 802.3与OSI参照模型 (7)图表 2 IEEE802.3与OSI参照模型的对比 (7)图表 3 总线型拓扑结构 .............................................................................................. 8 图表 4 星型拓扑结构 ..................................................................... ............................. 8 图表 5 8139内部结构框图 ..................................................................... ................. 11 图表 6 8139网卡设计概图 ..................................................................... .. (11)3图表 7 5-4-3法则 ..................................................................... ................................. 13 图表 8 交换机和集线器的区别 ..................................................................... ......... 14 图表 9 数据包发送流程图 ..................................................................... .................. 16 图表 10 以太网帧结构图 ..................................................................... ........................... 17 图表 11 MAC地址格式 ..................................................................... ............................ 18 图表 12 VLAN的帧格式 ..................................................................... ......................... 19 图表 13 帧的交换过程...................................................................... .......................... 20 图表 14 PAUSE帧格式 ................................................................................................. 22 图表 15 FLP快速脉冲群的格式...................................................................... ......... 23 图表 16 FLP和NLP的比较 ..................................................................... ................... 23 图表 17 FLP的信息编码 ..................................................................... ....................... 24 图表 18 MII接口定义 ..................................................................... ............................ 26 图表 19 正常接收时序图 ..................................................................... ...................... 29 图表 20 正常发送时序图 ..................................................................... ...................... 29 图表 21 RMII接口定义 ..................................................................... ......................... 30 图表 22 RMII正常发送数据时序图 ..................................................................... ... 31 图表 23 RMII正常接收数据时序图 ..................................................................... (32).................................................................... ...................... 32 图表 24 SMII接口示意图图表 25 RXD上帧的编码 ..................................................................... ....................... 33 图表 26 TXD上帧的编码 ..................................................................... .. (33).................................................................... ................. 33 图表 27 SMII的接收时序图图表 28 SMII的发送时序图 ..................................................................... ................ 33 图表 29 SSSMII接口示意图 ..................................................................... ................ 34 图表 30 SSSMII接收时序图 ..................................................................... ................ 34 图表 31 SSSMII发送时序图 ..................................................................... ................ 34 图表 32 GMII接口定义 ..................................................................... ......................... 35 图表 33 允许的TX_EN、TXD、TX_ER编码 (36)图表 34 GMII与MII接口的简单比较 ...................................................................36 图表 35 基本帧的发送...................................................................... .......................... 37 图表 36 基本帧的接收...................................................................... .......................... 37 图表 37 TBI接口示意图 ............................................................................................ 38 图表 38 AC104内部功能框图 ..................................................................... .............. 40 图表 39 4B/5B编码 ..................................................................... ................................ 41 图表 40 NRZ码和NRZI码的比较 ..................................................................... ....... 42 图表 41 多种码型比较图 ..................................................................... ...................... 42 图表 42 AL101原理框图 ..................................................................... ....................... 44 图表 43 SMI管理接口的帧格式...................................................................... (46)4第一章以太网技术的简单介绍1.1 以太网的起源60年代末，夏威夷大学的Norman Abramson及其同事研制了一个名为 ALOHA系统的无线电网络，该网络的设计思想为使用共享的公共传输信道进行数据传输，这一技术就是以太网的核心思想。
以太网技术和组网规范
以太网模块和功能 以太网层次结构
以太网层次结构主要对应于OSI层次结构中的数据链路层和物理层。其层次结构如图2-5所示。
图2-5 以太网层次结构
数据链路层的功能有： 提供一个或多个SAP； 发送时将数据组装成带MAC地址和差错检测的帧，进行同步、定界及透明传输； 接收时拆卸帧，执行MAC地址识别（寻址）和差错检测； 管理链路上的通信，进行流量控制，差错控制。 局域网的数据链路层与传统的OSI中数据链路层也有区别： 局域网链路支持多重访问，支持成组地址和广播； 支持MAC介质访问控制功能； 提供某些网络层的功能，如网络服务访问点SAP、多路复用、流量控制、差错控制。 MAC子层功能： 成帧/拆帧； 实现、维护MAC协议； 位差错检测，寻址等。
传输媒体（也称网络介质）：100BASE-T 标准允许包括四个不同的物理层规范，第一个物理层规范支持2对5类UTP或1类STP，第二个物理层规范支持4对3/4/5类UTP，第三个物理层规范支持单模或多模光缆，第四个物理层规范支持2对3/4/5类UTP。100BASE-T根据使用物理层传输媒体的不同类型，分为100BaseTX、100BaseT4、100BaseFX和100BaseT2四种。
按照数据链路层控制来分，有以太网卡、令牌环网卡、ATM网卡等，它们在数据链路控制、寻址、帧结构等方面不同。
以太网采用CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)控制技术。在OSI七层协议中主要定义了物理层和数据链路层的工作方式。二者之间有标准的接口(例如MII，GMII等)来传递数据和控制。
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向高层提供SAP（服务访问点）； 建立/释放逻辑连接； 差错控制； 帧序号处理； 提供某些网络层功能等。
LLC子层功能：
以太网规范
以太网规范以太网（Ethernet）是一种广泛应用于计算机网络的局域网技术。
它是由Xerox、Digital和Intel在20世纪70年代合作开发的，并在20世纪80年代被标准化为IEEE 802.3。
以太网规范包括了物理层和数据链路层两个部分，它定义了网络的传输介质、数据传输的方式以及网络设备之间的通信规则。
在物理层方面，以太网规范定义了几种不同的传输介质，如双绞线、同轴电缆和光纤等。
其中，最常见和广泛使用的是双绞线。
以太网使用双绞线作为传输介质的优点是成本低廉、易于安装和维护，并且具有较高的传输速度和较低的信号损耗。
在数据链路层方面，以太网规范定义了帧的格式、地址的分配、数据的传输方式等。
以太网帧的格式由目的MAC地址、源MAC地址、类型字段和数据字段组成。
其中，MAC地址是用于唯一标识网络设备的物理地址。
以太网规范还定义了一种称为CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的介质访问控制方式，用于避免多个设备同时访问网络介质而产生冲突。
以太网规范还规定了不同速率的以太网，包括10 Mbps的Ethernet、100 Mbps的Fast Ethernet和1000 Mbps的Gigabit Ethernet。
这些不同速率的以太网可以互操作，即可以在同一网络中同时使用。
不同速率的以太网主要通过改变传输介质的速率、电平和编码方式来实现。
以太网规范还定义了一些其他的技术，如虚拟局域网（VLAN）和链路聚合（Link Aggregation）。
虚拟局域网允许将一个物理局域网划分为多个逻辑上的局域网，提供更好的网络管理和安全性。
链路聚合允许将多个以太网链路绑定在一起，形成一个更高带宽的链路，提供更好的网络性能和冗余备份。
总体而言，以太网规范为计算机网络提供了一个灵活、可靠和高性能的局域网技术。
它的发展和标准化为互联网的发展做出了重要贡献，并且在现代网络中仍然得到广泛应用。
第4章 以太网组网技术要点
批准时间 1983 1988 1990 1995 1995 1998
速率 10Mbps 10Mbps 10Mbps 100Mbps 100Mbps 1000Mbps
1998 2002 2002
1000Mbps 10Gbps 40/100Gbps
4.2 以太网的网络组件
4.2.1 集线器和交换机
2. 交换机 交换机（Switch）又称为多端口网桥，是一个工作在数据链路层的网 络通信设备，用于构建星型拓扑结构的以太网。
交换机能识别数据帧，并能根据收到的帧中的MAC地址决定数据帧应 发向交换机的哪个端口，不会干扰其他主机通信，因此各个端口独享带 宽。
在OSI模型标准化之前，IEEE已开发了这些标准，但IEEE 802标准仍 被作为OSI模型的物理层和数据链路层的具体规范。
4.1 以太网的相关标准
4.1.1 IEEE 802 标准
标准
IEEE 802.1a/b IEEE 802.2 IEEE 802.3 IEEE 802.4 IEEE 802.5 IEEE 802.6 IEEE 802.7 IEEE 802.8 IEEE 802.9 IEEE 802.10 IEEE 802.11 IEEE 802.12 IEEE 802.13 IEEE 802.14 IEEE 802.15
教学要求:
知识要点 以太网标准 网络组件 组网结构 组建以太网
能力要求 了解以太网的主要标准 掌握交换机、集线器、网卡，制作UTP 理解局域网的两种组网结构 掌握组建小型以太网的基本过程
相关知识 IEEE 802.3标准 EIA/TIA线序标准 单一结构、级联结构 组网、测试
第三章：以太网的组网技术
学习内容： 以太网组网类型和传输速度 组网所需的器件、设备和传输介 质 单一集线器的组网配置规则 多集线器的级联
3.1以太网的相关标准
标准 10BASE5 10BASE2 10BASE－T 主要使用的传 输介质 速率（M/S） 物理拓扑 总线 总线 星形 星形 星形 50W粗同轴电缆 10 50W细同轴电缆 10 3、4、5或超5 类UTP 10
多集线器组建以太网的配置规则
10M以太网：
100M以太网：
每段UTP电缆长度为100m。每段UTP电缆长度为100m。 任意两个节点之间最多有 任意两个节点之间最多可
以经过2个集线器。 5个网段，经过4个集线器。 集线器之间的电缆长度不 整个网络的最大覆盖范围 能超过5m。 为500m。 整个网络的最大覆盖范围 网络中不能出现环路（闭 为205m。 合环）。 网络中不能出现环路（闭 合环）。
集线器的功能和特性：
作为以太网的集中连接点。 放大收到的信号。 通过网络广播信号。 无过滤功能 无路径检测或交换功能 不同速率的集线器不能级联。
集线器的图示及其介绍
工作机理： 当数据传入一个端口后，集线器不经 过路径检测和过滤处理，直接将信息广播 到所有的端口。
3.2.2 10/100M网络接口卡
3.2.3 10/100M 以太网中的非屏蔽双绞线
相对于屏蔽双绞线，UTP价格便宜并 且易于安装，是最常用到的网络电缆。
作为10BASE－T和100BASE－TX标 准网络的传输介质，仅利用其中两对 线进行传输。就是1、2作为自己的发 送线，3、6作为自己的接收线。
直通的UTP电缆
由于集线器内部发线和收线进行了交叉，因此计 算机连入集线器需要使用直通UTP电缆，水晶头 中线的接法：
第4章实用组网技术教程与实训PPT课件
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4.2 十兆以太网组网技术
问题：10Mb/s以太网有哪些类型？各自 的特性及结构是怎样的？
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4.2.1 10Mห้องสมุดไป่ตู้/s以太网类型
1. 以太网10Base-5
以太网10Base-5是以粗缆为传输介质，通常被称为“粗以太网 (thick Ethernet)”。802.3标准建议其电缆为黄色，每隔2.5m一个 标志，标明分接头插入处，连接处通常采用插入式分接头，将其 触针小心地插入到同轴电缆的内芯。
以太网采用CSMA/CD媒体访问机制，任何工作站 都可以在任何时间访问网络。
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4.1.3 以太网的发展
初期的以太网是用同轴电缆做成的总线型拓扑结构的网络，数据通信速 率为10Mb/s。
20世纪80年代后期，由IEEE发展和制订了一种称为10Base-T的新型以 太网标准，借助普通电话接线使用的UTP 电缆布线，并且使用集线器提 供连接节点设备的端口，把原来的以太网在物理上是总线型的拓扑结构， 改变成星型的拓扑结构，但是在逻辑上仍是总线型的。
BNC连接器头：用于连接细同轴电缆与T型接头。 BNC圆形连接器：用于连接两段细同轴电缆。 BNC终结器：各网段两端都必须接一个50Ω的BNC终 结器，用于抗干扰，其中一端要接地。
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4.2.3 以太网10Base-2组网技术
2. 10Base-2的主要性能指标
如果不使用中继器，最大细缆长度不能超过185m。
应用程序的复杂化，如群件(groupware)、大型文件传送、因特网向导， 这些应用都造成在LAN上产生过大的数据通信量。
在以太网技术演变过程中，很重要的进展是在20世纪90年代初引入的以 太网交换技术和快速以太网(100Base-T)技术。
第3章 以太网组网技术基础PPT课件
上海交通大学计算机系
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工程篇： • 网络规划与设计 • 网络工程实施 • 网络设备与系统选型 • 网络综合布线系统
教材：《全新计算机网络工程教程》
郭诠水 主编 王宝智 编著 北京希望电子出版社
补充内容：无线通信网
23.11.2020
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本课程特点
• 要求学生在己具有计算机网络基本知识的 基础上学习本课程。
Shanghai Jiaotong University
计算机组网原理
马范援
上海交通大学计算机科学与工程系
23.11.2020
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讲授内容
原理篇： • 基于以太网的企业内组网技术 • 基于广域网的组网技术
教材： 《当代组网技术》
张公忠 陈锦章编著 清华大学出版社
23.11.2020
23.11.2020
上海交通大学计算机系
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3.2 碰撞槽时间（slot time）
发生碰撞时间的 上限，即发送站 发出帧后能检测 到碰撞的最长时 间
t0 t0+0.5-ε
帧在媒体上往返传输时间=1 帧在媒体上单向传播时延=0.5
fA
A
B
(a) A开始传输
fA fB
A
B
(b) B开始传输
碰撞产生
t0+0.5
传输速率越高，跨距越小。在后面介绍100M 和1000M以太网时会明显看到这一点。
5) 是以太网一些算法的时间基准值，如二进制后 退算法。
23.11.2020
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必须注意：信号在物理信道上的传播速度v 与报文的传输速率R是两个完全不同的概念。
6-第六章 以太网组网
设备分以下几种情况讨论： 设备分以下几种情况讨论： 1. 10M Hub 2. 100M Hub 3. 交换机
方案三
50m
1m
1m
10m
50m 70m
Repeater 10m
50m
方案三修正
Switch 50m
50m 70m
Repeater
50m
6.5 实训项目
1、网线制作与测试 2、PC互联 3、集线器网络互联
1、网线制作与测试
一、工具和材料的认识 二、网线制作标准 三、网线的制作 四、测试
一、工具和材料的认识
网线 Rj45水晶头 网线钳 网线测试仪
一、工具和材料的认识
超五类网线
RJ45水晶头
网线钳
网 线 测 试 仪
二、网线制作标准
T568A的线序为：绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙，棕白，棕 T568B的线序为：橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕 的线序为：橙白， 的线序为 绿白， 蓝白， 棕白，
交叉UTP电缆的使用环境（ 交叉UTP电缆的使用环境（1） 电缆的使用环境
1. 计算机与计算机间的连接
Pin No.
1 2 3 6
NIC
Tx + Tx Rx + Rx -
NIC
Tx + Tx Rx + Rx -
Pin No.
1 2 3 6
交叉UTP电缆的使用环境（ 交叉UTP电缆的使用环境（2） 电缆的使用环境
(1)剪断 (2)剥皮 (3)排序，按照T568B标准线序排列 (4)剪齐 (5)插入 (
第三步、排序
按照T568B的顺序排列好。 线序： 橙白， 绿白， 蓝白， 棕白， 橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕 技巧： 1、先把橙色 橙色线的放左边 棕色 左边，棕色 右边，绿色 橙色 左边 棕色的放右边 绿色 右边 和蓝色 蓝色放中间。 蓝色 2、让后把每根线拆开 理顺 捋直 拆开,理顺 捋直,然后按照规定的 拆开 理顺,捋直 线序排列整齐。尤其要注意绿色线分开。
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编著：斯桃枝等
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LLC子层功能： 向高层提供SAP（服务访问点）； 建立/释放逻辑连接； 差错控制； 帧序号处理； 提供某些网络层功能等。
LLC子层提供三种类型的操作： 不确认的无连接服务； 面向连接服务； 带确认的无连接服务。
IEEE 802.3以太网标准的总体结构如图2-1所示。
图2-1 IEEE 802.3以太网标准的总体结构 4
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IEEE 802.3以太网标准列表如表2-1所示。
全国十一五规划教材
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2.1.2 CSMA/CD机制
信号的广播（广播域） MAC地址与定址 冲突
图2-5 以太网层次结构 10
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全国十一五规划教材
数据链路层的功能有： 提供一个或多个SAP； 发送时将数据组装成带MAC地址和差错检测的帧，进行同步、定 界及透明传输； 接收时拆卸帧，执行MAC地址识别（寻址）和差错检测； 管理链路上的通信，进行流量控制，差错控制。
局域网的数据链路层与传统的OSI中数据链路层也有区别： 局域网链路支持多重访问，支持成组地址和广播； 支持MAC介质访问控制功能； 提供某些网络层的功能，如网络服务访问点SAP、多路复用、流 量控制、差错控制。
图2-3 碰撞（冲突）
冲突域
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图2-2 信号广播
图2-4 冲突域
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CSMA/CD
– CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection） 称载波侦听多路访问/冲突检测。 在局域网中，一个站点在发送数据前，首先侦听网络上是否 存在载波（即检测是否有其他站点正在发送数据），这就叫 载波侦听协议（Carrier Sense Protocol）。CSMA/CD协议是 对ALOHA协议（一种基于地面无线广播通信而创建、适用于 无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统）的改进， CSMA/CD保证在侦听到信道忙时不再有新站点开始发送数据； 而且任一站点在检测到冲突时就立即取消传送，以太网采用 的是CSMA/CD协议。 以太网就是以CSMA/CD的方式来进行媒体访问控制，其目的 就是为了避免冲突。网中的各个站（节点）都能独立地决定
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2.2.3 网卡的工作过程
网卡的分类 按照数据链路层控制来分，有以太网卡、令牌环网卡、ATM网
卡等，它们在数据链路控制、寻址、帧结构等方面不同。 按照物理层来分，有无线网卡、RJ-45网卡、同轴电缆网卡、光
缆网卡等各种媒体（也称介质）。 以太网采用CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)控制技术。在 OSI七层协议中主要定义了物理层和数据链路层的工作方式。二者之间 有标准的接口(例如MII，GMII等)来传递数据和控制。 以太网网卡包括OSI模型中的物理层和数据链路层。物理层定义了数 据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码 和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口MII。数据链路层则提供 寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供 标准的数据接口等功能。
物理层的功能为： 信号的编码/译码。 前导码（同步码）的生成/删除。 信号对应的比特流的发送/接收。
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2.2.2 以太网功能模块
IEEE 802.3的体系结构与功能模块如图2-6所示。
图2-6 以太网体系结构与功能模块
总体功能 编码译码模块 收发器
FCS（帧校验序列）：占4字节，是32位冗余检验码（CRC）， 检验范围除前导码、SFD和FCS以外的所有帧的内容，即从DA开 始至DATA完毕的CRC检验结果都反映在FCS中。
Байду номын сангаас
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2.2 以太网模块和功能
2.2.1 以太网层次结构
以太网层次结构主要对应于OSI层次结构中的数据链路层和物理层。 其层次结构如图2-5所示。
数据帧的发送与接收。
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2.1.3 以太网的帧结构
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PA（前导码） ：在定界符之前发送，以使信号电路达到稳定的 同步状态。PA为持续7个字节的10101010比特信号。
SFD（帧定界符）：它表示有效帧的开始，其代码为10101011， 只有一个字节。
DA，SA（目的地址，源地址）：均为6字节，48位，DA可以 是一个唯一的地址，即单址——表示单个站，多址——代表一 组站，全地址——代表局域网上所有的站。当目的地址出现多 址时，即表示该帧被一组站同时接收，称“组播”。当目的地 址出现全地址时，即表示该帧被局域网上所有站同时接收，称 “广播”。SA说明的是发送该帧站的地址。
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对IEEE802.3帧结构来说，此2字节表示长度：指出紧跟其后的数 据字段有多少字节。它受最小帧长度的限制，即最少必须有46字 节，若不到，则用填充符进行填充到46字节。对以太网帧结构来 说，这两个字节表示类型：它说明了高层所使用的协议，例如IP 或IPX。
若该字段大于或等于0600H(相当于十进制的1536)，则认为是 以太网帧的类型字段，从而识别出网络层分组是哪一种协议， 并做相应处理；
若小于0600H，则认为是IEEE802．3帧的长度字段，辨别长 度是否正确，再进行处理。
DATA（数据区） ：要传送的实际数据，受最小帧长度的限制。 通常在46字节到1500字节之间。46字节最小帧长度是一个限制， 目的是要求局域网上所有的站都能检测到该帧，即保证网络正常 工作。如果高层协议的分组使数据段小于46个字节，则由有关软 件把DATA填充到46字节最小长度。
以太网技术和组网规范
精品
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第2章以太网技术和组网规范
编著：斯桃枝等
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本章主要内容：
以太网基础 以太网模块和功能 各种类型的以太网
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编著：斯桃枝等
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2.1 以太网基础
2.1.1 IEEE 802.3以太网标准