终端之间的通信(从帧格式谈起)

数据包在以太网物理介质上传播之前必须封装头部和尾部信息。封装后的数据包称为称为数据帧,数据帧中封装的信息决定了数据如何传输。以太网上传输的数据帧有两种格式,选择哪种格式由TCP/IP协议簇中的网络层决定。

帧格式

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以太网上使用两种标准帧格式。第一种是上世纪80年代初提出的DIXv2格式,即EthernetII帧格式。EthernetII后来被IEEE802标准接纳,并写进了IEEE802.3x-1997的3.2.6节。第二种是1983年提出的IEEE802.3格式。

这两种格式的主要区别在于,EthernetII格式中包含一个Type字段,标识以太帧处理完成之后将被发送到哪个上层协议进行处理。IEEE802.3格式中,同样的位置是长度字段。

不同的Type字段值可以用来区别这两种帧的类型,当Type字段值小于等于1500(或者十六进制的0x05DC)时,帧使用的是IEEE802.3格式。当Type字段值大于等于1536(或者十六进制的0x0600)时,帧使用的是EthernetII格式。以太网中大多数的数据帧使用的是EthernetII格式。

以太帧中还包括源和目的MAC地址,分别代表发送者的MAC和接收者的MAC,此外还有帧校验序列字段,用于检验传输过程中帧的完整性。

Ethernet_II帧格式

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  • Ethernet_II帧类型值大于等于1536(0x0600)。
  • 以太网数据帧的长度在64-1518字节之间。(以太帧就是常说的Ethernet_II帧)

Ethernet_II的帧中各字段说明如下:

  1. DMAC(DestinationMAC)是目的MAC地址。DMAC字段长度为6个字节,标识帧的接收者。
  2. SMAC(SourceMAC)是源MAC地址。SMAC字段长度为6个字节,标识帧的发送者。
  3. 类型字段(Type)用于标识数据字段中包含的高层协议,该字段长度为2个字节。类型字段取值为0x0800的帧代表IP协议帧;类型字段取值为0806的帧代表ARP协议帧。
  4. 数据字段(Data)是网络层数据,最小长度必须为46字节以保证帧长至少为64字节,数据字段的最大长度为1500字节。
  5. 循环冗余校验字段(FCS)提供了一种错误检测机制。该字段长度为4个字节。

EEE802.3帧格式

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  • EEE802.3帧长度字段值小于等于1500(0x05DC)。

EEE802.3帧格式类似于Ethernet_II帧,只是Ethernet_II帧的Type域被802.3帧的Length域取代,并且占用了Data字段的8个字节作为LLC和SNAP字段。

  1. Length字段定义了Data字段包含的字节数。
  2. 逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)由目的服务访问点DSAP(DestinationServiceAccessPoint)、源服务访问点SSAP(SourceServiceAccessPoint)和Control字段组成。
  3. SNAP(Sub-networkAccessProtocol)由机构代码(OrgCode)和类型(Type)字段组成。Orgcode三个字节都为0。Type字段的含义与Ethernet_II帧中的Type字段相同。IEEE802.3帧根据DSAP和SSAP字段的取值又可分为以下几类:
  • 当DSAP和SSAP都取特定值0xff时,802.3帧就变成了Netware-ETHERNET帧,用来承载NetWare类型的数据。
  • 当DSAP和SSAP都取特定值0xaa时,802.3帧就变成了ETHERNET_SNAP帧。ETHERNET_SNAP帧可以用于传输多种协议。
  • DSAP和SSAP其他的取值均为纯IEEE802.3帧。

数据帧传输

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  • 数据链路层基于MAC地址进行帧的传输。

以太网在二层链路上通过MAC地址来唯一标识网络设备,并且实现局域网上网络设备之间的通信。MAC地址也叫物理地址,大多数网卡厂商把MAC地址烧入了网卡的ROM中。发送端使用接收端的MAC地址作为目的地址。以太帧封装完成后会通过物理层转换成比特流在物理介质上传输。

以太网的MAC地址

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网络设备的MAC地址是全球唯一的。MAC地址长度为48比特,通常用十六进制表示。MAC地址包含两部分:前24比特是组织唯一标识符(OUI,OrganizationallyUniqueIdentifier),由IEEE统一分配给设备制造商。

例如,华为的网络产品的MAC地址前24比特是0x00e0fc。后24位序列号是厂商分配给每个产品的唯一数值,由各个厂商自行分配(这里所说的产品可以是网卡或者其他需要MAC地址的设备)。

数据帧的接收与发送

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帧从主机的物理接口发送出来后,通过传输介质传输到目的端。共享网络中,这个帧可能到达多个主机。主机检查帧头中的目的MAC地址,如果目的MAC地址不是本机MAC地址,也不是本机侦听的组播或广播MAC地址,则主机会丢弃收到的帧。

如果目的MAC地址是本机MAC地址,则接收该帧,检查帧校验序列(FCS)字段,并与本机计算的值对比来确定帧在传输过程中是否保持了完整性。如果帧的FCS值与本机计算的值不同,主机会认为帧已被破坏,并会丢弃该帧。如果该帧通过了FCS校验,则主机会根据帧头部中的Type字段来确定将帧发送给上层哪个协议处理。本例中,Type字段的值为0x0800,表明该帧需要发送到IP协议上处理。在发送给IP协议之前,帧的头部和尾部会被剥掉。

总结

网络设备如何确定以太网数据帧的上层协议?

以太网帧中包含一个Type字段,表示帧中的数据应该发送到上层哪个协议处理。比如,IP协议对应的Type值为0x0800,ARP协议对应的Type值为0x0806。

终端设备接收到数据帧时,会如何处理?

主机检查帧头中的目的MAC地址,如果目的MAC地址不是本机MAC地址,也不是本机侦听的组播或广播MAC地址,则主机会丢弃收到的帧。如果目的MAC地址是本机MAC地址,则接收该帧,检查帧校验序列(FCS)字段,并与本机计算的值对比来确定帧在传输过程中是否保持了完整性。如果检查通过,就会剥离帧头和帧尾,然后根据帧头中的Type字段来决定把数据发送到哪个上层协议进行后续处理。

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  • 1 Responses to “终端之间的通信(从帧格式谈起)”
    • yantaisolo

      Ethernet V2帧与IEEE 802.3帧的比较

      因为这两种帧是我们在现在的局域网里最常见的两种帧,因此,我们对它们进行一些比较。

      Ethernet V2可以装载的最大数据长度是1500字节,而IEEE 802.3可以装载的最大数据是1492字节(SNAP)或是1497字节; Ethernet V2不提供MAC层的数据填充功能,而IEEE 802.3不仅提供该功能,还具备服务访问点(SAP)和SNAP层,能够提供更有效的数据链路层控制和更好的传输保证。那么我们可以得出这样的结 论:Ethernet V2比IEEE802.3更适合于传输大量的数据,但Ethernet V2缺乏数据链路层的控制,不利于传输需要严格传输控制的数据,这也正是IEEE802.3的优势所在,越需要严格传输控制的应用,越需要用 IEEE802.3或SNAP来封装,但IEEE802.3也不可避免的带来数据装载量的损失,因此该格式的封装往往用在较少数据量承载但又需要严格控制 传输的应用中。

      在实际应用中,我们会发现,大多数应用的以太网数据包是Ethernet V2的帧(如HTTP、FTP、SMTP、POP3等应用),而交换机之间的BPDU(桥协议数据单元)数据包则是IEEE802.3的帧,VLAN Trunk协议如802.1Q和Cisco的CDP(思科发现协议)等则是采用IEEE802.3 SNAP的帧。大家有兴趣的话,可以利用Sniffer等协议分析工具去捕捉数据包,然后解码查看是不是这样的。

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