以太網數據幀格式詳解

一、數據幀格式概述

以太網是一種局域網技術，以太網數據幀是在以太網上傳輸的基本單位，其格式如下：

+--------+--------+--------+--------+------------------+-------------------+
|  前導碼 | 目的地址| 源地址 | 類型/長度        |       數據        |   幀校驗序列（FCS）  |
+--------+--------+--------+--------+------------------+-------------------+
| 8 字節 | 6 字節 | 6 字節 | 2 字節或4 字節 | 46~1500 字節| 4 字節                                          |
+--------+--------+--------+--------+------------------+-------------------+

以上數據幀格式中，各字段的含義如下：

• 前導碼：使用8個字節的連續的101010…（以二進制表示）作為二進制同步序列，用於標識接入網線的信號開始，以及同步接收方時鐘。
• 目的地址：指示數據幀的接收方MAC地址，6個字節，第7位為0，標識為單播地址；第7位為1，標識為多播地址。第8位還可以用於指示組播地址。
• 源地址：指示數據幀的發送方MAC地址，同樣為6個字節。
• 類型/長度：兩個字節，用於指示數據幀的類型，或標識長度子網中，以太網最小數據長度為64字節，如果數據幀長度不足64字節，則需在數據部分中填充空數據，以湊齊長度要求。（類型字段會使第一個字節數值小於等於0x05DC）。
• 數據：數據部分，長度為46~1500字節之間。
• 幀校驗序列（FCS）：4個字節，用於檢查數據幀在傳輸過程中是否出現錯誤。

二、目的地址解析

數據幀的目的地址是6個字節的MAC地址，其中第1個字節表示最高位，第6個字節表示最低位。前3個字節是IEEE組織的註冊號，用來唯一標識網絡設備廠商；後3個字節由廠商自行分配使用。目的地址的第7位表示地址類型，0表示單播地址，1表示組播地址。如果目的地址的第一位（最高位）為0，則表示這是一個全球唯一標識的MAC地址，由IEEE組織統一分配，如：”00-60-08-6B-AC-00″。

如果在局域網中，發送數據時不知道目的MAC地址，可以使用廣播地址（目的地址的第一位全部為1），如：”FF-FF-FF-FF-FF-FF”。任何接收方都能接收到廣播數據幀。

三、類型/長度字段

類型/長度字段中，類型字段為2個字節，用於指示數據幀的類型，如IP數據報、ARP請求等等。長度字段也為2個字節，在以太網中，如果長度字段小於或等於0x05DC，表示該字段表示數據的長度；若大於0x05DC，則表示該字段是類型字段（Type）。

在IEEE802.3中，如果長度字段值大於0x05DC，那麼它表示數據部分的長度。例如，對於Gigabit以太網，長度字段上限是0xFFFF，表示幀最大大小為1518字節（包括前導碼、數據、幀校驗序列）。

四、幀校驗序列（FCS）

FCS字段用於檢查數據的傳輸錯誤，對數據幀的每個字節（除了FCS字段）進行一系列的算法運算，產生一個32 位的校驗和，作為 FCS字段的值，接收方將會使用相同的算法運算，對接收到的數據幀進行驗證，如果驗算失敗，則接收方會請求重發。

對於以太網數據幀，採用的多項式為CRC32，其生成多項式為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。定義一個32位寄存器，與多項式生成器進行異或，便可以生成FCS。

#define POLY 0xEDB88320UL

unsigned long crc32(unsigned long crc, const unsigned char* buffer, size_t size)
{
    for(size_t i=0; i<size; i++){
        crc ^= buffer[i];
        for (unsigned int j = 0; j > 1) ^ (-(crc & 1u) & POLY);
        }
    }
    return crc;
}

五、結語

以上是以太網數據幀格式的詳細解析，由於以太網是一種非常基礎的局域網技術，應用非常廣泛，這個格式的認識是十分必需的。通過對數據幀格式的分析，不僅可以加深對以太網的了解，也可以掌握數據傳輸過程中部分概念及技術實現，如CRC校驗算法等等。