以太網中的各種幀結構

幀結構（Ethernet Frame Structure）介紹

以太網信號幀結構（Ethernet Signal Frame Structure），有被稱為以太網幀結構，一般可以分為兩類 —— 數據幀和管理幀。

按照 IEEE 802.3，ISO/IEC8803-3 系列標準規范，數據幀還可以分為基本數據幀、虛擬局域網（VLAN，Virtual Local Area Network）采用的擴展幀、G bit Ethernet 中的擴充幀、突發幀（Burst Frame）以及幀標志類型放在客戶數據區域中的 IEEE 802.3 幀等。

管理幀可包括用于與 PHY 層器件之間交換狀態信息，實現控制與配置的管理幀，和用于防止網絡擁塞的暫停幀（Pause Frame）等。

1. 數據幀

1.1 基本幀

基本幀（Base Frame）的結構如下圖所示，各區域說明如下：
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（1）幀前序（Preamble）：這個區域是：“1”、“0” 交替的 56 bit 數據；

（2）幀起始符 SOF（Start of Frame Delimiter）：固定值為 10101011 的 8 bit 數據，用于表示一幀的開始；

（3） MAC 目的地址與源地址（Destination & Source MAC Address）：前三個字節是 IEEE 分配給各產商的地址，后三個字節是個產商自行決定的。源地址總是唯一的，而目的地址可以是單播（Unicast）地址、多播（Multicast）地址或者廣播（Broadcast）地址；

【注】 關于MAC地址，請參考下文。

（4）幀長度 / 類型（L/T，Length/Type）：這個區域占用兩個字節，其功能是用于表示 MAC 幀內不包括任何填充的數據字段長度或 MAC 幀內數據字段的數據類型。若這個區域的取值小于等于 1500 字節，則這個區域表示的是 MAC 幀內數據字段長度（客戶數據區域字節數）。若這個區域的取值大于 1500 字節，則表示客戶數據要到達的上冊協議類型（客戶數據類型區域）；

【注】當幀長度 / 類型（L/T）區域只作為幀長度標志區域使用時，稱為 IEEE802.3 幀，則這個區域長度小于或等于 1500 字節；而此區域作為幀類型區域時，則稱其為 Ethernet-II 幀或者 DIX 幀，此時 L/T 的值大于 1500 字節。

（5） MAC 客戶數據（MAC Client Data）：即數據段區域，一般在 46~1500 字節之間；

（6）填充區（Pad）：填充區占用的字節數根據需要而定。這個區域的功能是確保幀尺寸不少于 64 字節。當從 MAC 目的地址到幀校驗區整個數據幀尺寸少于 64 字節時，利用該區域將幀尺寸填充到 64 字節。因為尺寸小于 64 字節的幀屬于違法幀，在接收端會被自動丟棄。如果幀尺寸已經達到 64 字節，則該區域占用的字節數應為零；

（7）幀校驗序列（FCS，Frame Check Sequence）：這個區域占用 4 個字節，其功能是用于整個幀的差錯校驗。在幀的源端，從 MAC 的目的地址到填充區在全幀范圍內進行循環冗余校驗（CRC-32）計算，將計算結果放入源幀的此區域中，在幀的接收端，重新計算 CRC-32 的值，并進行對比。若一致則傳輸過程中無誤碼產生，否則幀中有誤碼產生。

這里應明確，MAC 客戶數據區數據最低不能少于 46 個字節，而最高不能大于 1500 字節；網絡 MAC 幀的尺寸最短不能少于 64 字節，而最長不能大于 1518 字節，這里不包括幀前序（Preamble）和幀起始符（SOF，Start of Frame Delimiter）兩個區域，共占用 18 字節。

1.2 虛擬網采用的一種擴展幀結構

IEEE 802.3ac 標準有規范了在以太網上運行的虛擬局域網（VLAN，Virtual Local Area Network）采用的一種擴展幀結構。VLAN 協議允許將標識符或 “TAG” 插入以太網幀結構中，如下圖所示：
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在上述 VLAN 以太網擴展幀結構中，增加的 VLAN 標記 4 字節分為兩部分。前兩個字節由 “802.1Q 標記類型” 組成，被固定為 0x8100，為預留長度 / 類型區域，主要是賦予 VLAN 標記。其后兩字節分為以下三個功能區域：

（1）前 3 bit 是用戶優先權標志區，用于對該幀分配的優先級指示；

（2）最后 1 bit 是格式符合規定的指示符（CFI，Canonical Format Indicator），在以太網幀結構中用于指示路由選擇信息區域（RIF，Routing Information Field）；

（3）剩余 12 bit 是 VLAN 幀標識符，他是以太網 VLAN 幀的唯一標志。加入 VLAN 標記后，使得 802.3ac 標準幀的最大長度由 1518 字節擴大到 1522 字節。

1.3 G bit 以太網的幀結構

在 1988 年，又制定了針對于 G bit 以太網的 IEEE 802.3z 標準規范，其幀結構圖下圖所示：
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G bit 以太網 IEEE 802.3z 標準規范的擴充幀結構是在原 IEEE 802.3 標準規范的以太網信號的基本幀結構基礎后面增加一個擴充區域，其目的是使幀長最短不少于 512 字節（從目的地址到填充區），從而保證發生的碰撞（沖突）可以傳播到網上的每個節點。擴充區 bit 并非是數據，其作用僅僅是擴大了占用載體最短要求時間。

1.4 幀間間隙

以太網設備必須允許在傳輸幀之間有一個最小空載周期時間，這就是所稱的幀間間隙 IFG（Inter-Frame Gap）或稱為包間間隙 IPG（Inter-Packet Gap）。

其提供的這段間隙時間，使設備得到恢復，以便設備為接收下一幀做必要的準備。IEEE 標準規范幀間的最小間隔為不少于 96 bit 占用的時間，具體如下表所示：
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2. 管理幀

2.1 基本管理幀

這是用于 PHY（物理層器件）與 STA（站管理實體）之間通信的管理幀（Management Frame），也稱為基本管理幀（Base Management Frame）。ISO/IEC、IEEE 標準規范的有線以太網管理數據流的幀結構，其幀長通常為 8 個字節，即 64 bit，如下圖所示。管理幀前后都可以是空載狀態（IDLE）。
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（1）管理幀前序（Preamble）：占用 4 個字節，為連續 32 個邏輯 “1”，對應于管理數據的 32 個時鐘周期。管理幀前序用于連續監視管理接口管理，并從而為管理接口給出接收管理數據做準備的時間；若幀前序出現則標志 STA 處理的開始。管理接口有抑制管理幀前序的能力，以便縮短管理幀的長度，從而使 STA 可以盡快訪問管理寄存器。

（2）管理幀起始符（SOF）：占用 2 bit，為固定值 “01”；

（3）管理幀操作碼（OP）：占用 2 bit，10b 表示讀取管理寄存器，01b 表示寫管理寄存器，00b 和 11b 無效；

（4）管理幀 PHY 地址（PHYAD）：占用 5 bit；

（5）管理幀寄存器地址（REGAD）：占用 5 bit；

（6）幀換向區 TA（Turnaround Field）：占用 2 bit；

（7）管理幀數據（Data）：占用 2 個字節，即 16 bit。