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以太网和IEEE802封装

至芯

2025-12-09

PART 001

以太网技术体系的深层解析（不止于帧格式）

以太网的核心是 “物理层传输规则 + 数据链路层控制逻辑” 的有机结合，其技术细节决定了它的普及性：

物理层的核心实现

传输介质与速率适配：从早期 10Base-2（细同轴电缆）、10Base-T（双绞线），到现在 100Base-TX（百兆）、1000Base-T（千兆，4 对双绞线）、10Gbase-T（万兆）、400Gbase-FR4（光模块），介质升级始终围绕 “速率提升 + 距离扩展”。

编码与同步机制：曼彻斯特编码（10Mbps 以太网）将时钟与数据融合，每个比特中间有跳变；千兆以太网采用 4B/5B 编码（提升带宽利用率），万兆以太网用 64B/66B 编码（减少同步开销）。

物理接口规范：RJ45 接口（双绞线）定义了 8 针脚的信号分配（1/2 发送、3/6 接收），光口（LC/SC）则通过光信号波长（如 850nm 多模、1310nm 单模）区分传输距离。

数据链路层的核心逻辑

前导码 + SFD 的作用：接收端通过 7 字节前导码完成时钟同步，1 字节 SFD（0xAB）明确 “下一字节开始是 MAC 地址”，避免同步偏差导致的字段错位。

数据字段的 MTU 限制：1500 字节是以太网的标准 MTU（最大传输单元），超过则需 IP 分片；最小 46 字节是为了保证 CSMA/CD 能检测到冲突（传输时间≥2 倍信号传播延迟）。

FCS 的计算范围：覆盖 “目的 MAC~ 数据字段”，接收端计算结果与 FCS 字段不一致时，直接丢弃帧（不通知发送方）。

MAC 地址机制：6 字节全球唯一，前 3 字节为 OUI（由 IEEE 分配给厂商），后 3 字节为厂商自定义，确保终端在局域网内的唯一标识。

冲突处理演进：早期共享总线（HUB 组网）依赖 CSMA/CD，发送前监听、发送中检测冲突、冲突后退避；现在交换机组网（星型拓扑）通过端口隔离冲突域，CSMA/CD 仅作为异常场景的备用机制。

Ethernet II 帧的细节补充：

PART 002

IEEE 802 封装的设计细节与分层逻辑

IEEE 802.3 标准的核心是 “将以太网纳入局域网统一框架”，其封装格式（802.3 LLC/SNAP）的分层设计的核心是适配 “跨技术互联”：

数据链路层的分层拆分（MAC 子层 + LLC 子层）

MAC 子层：与 Ethernet II 的 MAC 逻辑完全一致，负责 MAC 地址封装、FCS 计算、介质访问控制，确保物理层的帧传输合规。

LLC 子层：IEEE 802 系列的 “通用适配层”，核心作用是屏蔽不同局域网技术（以太网、令牌环网、FDDI）的 MAC 子层差异，让上层协议（IP）无需关注底层物理技术。

IEEE 802 封装的完整字段解析（含字节级细节）

OUI（3 字节）：组织唯一标识符，0x000000 是 IEEE 分配的 “通用 OUI”，表示适配互联网协议；厂商自定义 OUI（如 Cisco 的 0x00000C）用于私有协议。

类型字段（2 字节）：完全复用 Ethernet II 的类型值，0x0800=IPv4、0x0806=ARP、0x86DD=IPv6，解决了 LLC 子层无法直接标识上层协议的问题。

DSAP（1 字节）：目的服务访问点，本质是 “LLC 服务的端口号”，0xFF 表示广播（所有接收端都处理），0x06 对应 TCP/IP 协议簇。

SSAP（1 字节）：源服务访问点，与 DSAP 对应，标识发送端的 LLC 服务类型，通常与 DSAP 取值相同（0x06）。

控制字段（1 字节）：默认 0x03（无编号信息帧 UI），表示 “无需确认的单向数据传输”，适用于绝大多数数据场景；其他取值（如 0x01 监控帧）用于链路状态查询。

前导码（7 字节）：0xAA 重复 7 次（0xAAAAAAAAAAAAAA），比特率 10Mbps 时持续 5.6μs，刚好满足接收端时钟同步需求。

SFD（1 字节）：0xAB，二进制 10101011，最后一位的跳变（从 0 到 1）标识 “同步结束，帧内容开始”。

MAC 地址字段（共 12 字节）：与 Ethernet II 一致，目的 MAC 在前（6 字节），源 MAC 在后（6 字节），支持单播、广播（0xFFFFFFFFFFFF）、组播（第 8 位为 1）。

长度字段（2 字节）：取值范围 0~1500，标识后续 “LLC+SNAP + 数据” 的总字节数，例如长度字段为 0x002E（46），则后续字段总长度为 46 字节。

LLC 子层字段（3 字节）：

SNAP 子层字段（5 字节）：

数据字段（38~1492 字节）：因 LLC+SNAP 占用 8 字节，最小长度从 46 字节缩减为 38 字节（确保帧总长度≥64 字节，兼容 CSMA/CD）；最大长度 1492 字节（1500-8），上层协议需适配该 MTU（如 PPPoE 场景的 MTU=1492 即源于此）。

FCS（4 字节）：CRC32 算法，多项式为 0xEDB88320，覆盖 “MAC 地址～数据字段”，检测帧传输中的比特差错、帧丢失、帧顺序错乱。

纯 LLC 帧（无 SNAP）的特殊场景

当 DSAP=SSAP=0xAA（子网广播）时，无需 SNAP 字段，通过 LLC 的 “协议标识” 直接适配上层协议，但仅适用于早期 Novell NetWare 等局域网协议，现在几乎淘汰。

PART 003

两种封装的底层差异与实战场景对比

对比维度	以太网（Ethernet II 帧）	IEEE 802 封装（802.3 LLC/SNAP 帧）
分层逻辑	数据链路层不分层，直接封装上层协议	数据链路层拆分为 MAC+LLC，LLC 负责跨技术适配
协议标识效率	1 步解析：直接读取类型字段，快速定位上层协议	2 步解析：先读长度字段，再通过 LLC/SNAP 的类型字段定位，效率略低
MTU 适配	数据字段最大 1500 字节（标准 MTU），无额外开销	数据字段最大 1492 字节，需上层协议适配（如 PPPoE、工业协议）
冲突检测兼容性	数据最小 46 字节，完全适配 CSMA/CD 机制	数据最小 38 字节，通过填充确保帧总长度≥64 字节，兼容 CSMA/CD
厂商适配性	无 OUI 绑定，通用适配所有互联网设备	支持厂商自定义 OUI，适配私有协议（如工业控制、物联网设备）
实战应用案例	家庭路由器、数据中心交换机、互联网骨干网	Profinet 工业网络、Modbus TCP 设备、早期异构局域网互联