以太网中的各种帧结构

帧结构（Ethernet Frame Structure）介绍

以太网信号帧结构（Ethernet Signal Frame Structure），有被称为以太网帧结构，一般可以分为两类 —— 数据帧和管理帧。

按照 IEEE 802.3，ISO/IEC8803-3 系列标准规范，数据帧还可以分为基本数据帧、虚拟局域网（VLAN，Virtual Local Area Network）采用的扩展帧、G bit Ethernet 中的扩充帧、突发帧（Burst Frame）以及帧标志类型放在客户数据区域中的 IEEE 802.3 帧等。

管理帧可包括用于与 PHY 层器件之间交换状态信息，实现控制与配置的管理帧，和用于防止网络拥塞的暂停帧（Pause Frame）等。

1. 数据帧

1.1 基本帧

基本帧（Base Frame）的结构如下图所示，各区域说明如下：
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（1）帧前序（Preamble）：这个区域是：“1”、“0” 交替的 56 bit 数据；

（2）帧起始符 SOF（Start of Frame Delimiter）：固定值为 10101011 的 8 bit 数据，用于表示一帧的开始；

（3） MAC 目的地址与源地址（Destination & Source MAC Address）：前三个字节是 IEEE 分配给各产商的地址，后三个字节是个产商自行决定的。源地址总是唯一的，而目的地址可以是单播（Unicast）地址、多播（Multicast）地址或者广播（Broadcast）地址；

【注】 关于MAC地址，请参考下文。

（4）帧长度 / 类型（L/T，Length/Type）：这个区域占用两个字节，其功能是用于表示 MAC 帧内不包括任何填充的数据字段长度或 MAC 帧内数据字段的数据类型。若这个区域的取值小于等于 1500 字节，则这个区域表示的是 MAC 帧内数据字段长度（客户数据区域字节数）。若这个区域的取值大于 1500 字节，则表示客户数据要到达的上册协议类型（客户数据类型区域）；

【注】当帧长度 / 类型（L/T）区域只作为帧长度标志区域使用时，称为 IEEE802.3 帧，则这个区域长度小于或等于 1500 字节；而此区域作为帧类型区域时，则称其为 Ethernet-II 帧或者 DIX 帧，此时 L/T 的值大于 1500 字节。

（5） MAC 客户数据（MAC Client Data）：即数据段区域，一般在 46~1500 字节之间；

（6）填充区（Pad）：填充区占用的字节数根据需要而定。这个区域的功能是确保帧尺寸不少于 64 字节。当从 MAC 目的地址到帧校验区整个数据帧尺寸少于 64 字节时，利用该区域将帧尺寸填充到 64 字节。因为尺寸小于 64 字节的帧属于违法帧，在接收端会被自动丢弃。如果帧尺寸已经达到 64 字节，则该区域占用的字节数应为零；

（7）帧校验序列（FCS，Frame Check Sequence）：这个区域占用 4 个字节，其功能是用于整个帧的差错校验。在帧的源端，从 MAC 的目的地址到填充区在全帧范围内进行循环冗余校验（CRC-32）计算，将计算结果放入源帧的此区域中，在帧的接收端，重新计算 CRC-32 的值，并进行对比。若一致则传输过程中无误码产生，否则帧中有误码产生。

这里应明确，MAC 客户数据区数据最低不能少于 46 个字节，而最高不能大于 1500 字节；网络 MAC 帧的尺寸最短不能少于 64 字节，而最长不能大于 1518 字节，这里不包括帧前序（Preamble）和帧起始符（SOF，Start of Frame Delimiter）两个区域，共占用 18 字节。

1.2 虚拟网采用的一种扩展帧结构

IEEE 802.3ac 标准有规范了在以太网上运行的虚拟局域网（VLAN，Virtual Local Area Network）采用的一种扩展帧结构。VLAN 协议允许将标识符或 “TAG” 插入以太网帧结构中，如下图所示：
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在上述 VLAN 以太网扩展帧结构中，增加的 VLAN 标记 4 字节分为两部分。前两个字节由 “802.1Q 标记类型” 组成，被固定为 0x8100，为预留长度 / 类型区域，主要是赋予 VLAN 标记。其后两字节分为以下三个功能区域：

（1）前 3 bit 是用户优先权标志区，用于对该帧分配的优先级指示；

（2）最后 1 bit 是格式符合规定的指示符（CFI，Canonical Format Indicator），在以太网帧结构中用于指示路由选择信息区域（RIF，Routing Information Field）；

（3）剩余 12 bit 是 VLAN 帧标识符，他是以太网 VLAN 帧的唯一标志。加入 VLAN 标记后，使得 802.3ac 标准帧的最大长度由 1518 字节扩大到 1522 字节。

1.3 G bit 以太网的帧结构

在 1988 年，又制定了针对于 G bit 以太网的 IEEE 802.3z 标准规范，其帧结构图下图所示：
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G bit 以太网 IEEE 802.3z 标准规范的扩充帧结构是在原 IEEE 802.3 标准规范的以太网信号的基本帧结构基础后面增加一个扩充区域，其目的是使帧长最短不少于 512 字节（从目的地址到填充区），从而保证发生的碰撞（冲突）可以传播到网上的每个节点。扩充区 bit 并非是数据，其作用仅仅是扩大了占用载体最短要求时间。

1.4 帧间间隙

以太网设备必须允许在传输帧之间有一个最小空载周期时间，这就是所称的帧间间隙 IFG（Inter-Frame Gap）或称为包间间隙 IPG（Inter-Packet Gap）。

其提供的这段间隙时间，使设备得到恢复，以便设备为接收下一帧做必要的准备。IEEE 标准规范帧间的最小间隔为不少于 96 bit 占用的时间，具体如下表所示：
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2. 管理帧

2.1 基本管理帧

这是用于 PHY（物理层器件）与 STA（站管理实体）之间通信的管理帧（Management Frame），也称为基本管理帧（Base Management Frame）。ISO/IEC、IEEE 标准规范的有线以太网管理数据流的帧结构，其帧长通常为 8 个字节，即 64 bit，如下图所示。管理帧前后都可以是空载状态（IDLE）。
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（1）管理帧前序（Preamble）：占用 4 个字节，为连续 32 个逻辑 “1”，对应于管理数据的 32 个时钟周期。管理帧前序用于连续监视管理接口管理，并从而为管理接口给出接收管理数据做准备的时间；若帧前序出现则标志 STA 处理的开始。管理接口有抑制管理帧前序的能力，以便缩短管理帧的长度，从而使 STA 可以尽快访问管理寄存器。

（2）管理帧起始符（SOF）：占用 2 bit，为固定值 “01”；

（3）管理帧操作码（OP）：占用 2 bit，10b 表示读取管理寄存器，01b 表示写管理寄存器，00b 和 11b 无效；

（4）管理帧 PHY 地址（PHYAD）：占用 5 bit；

（5）管理帧寄存器地址（REGAD）：占用 5 bit；

（6）帧换向区 TA（Turnaround Field）：占用 2 bit；

（7）管理帧数据（Data）：占用 2 个字节，即 16 bit。