以太网协议

以太网协议

历史上以太网帧格式有五种:
1 Ethernet V1：这是最原始的一种格式，是由Xerox PARC提出的3Mbps CSMA/CD以太网标准的封装格式，后来在1980年由DEC，Intel和Xerox标准化形成Ethernet V1标准；
2 Ethernet II即DIX 2.0：Xerox与DEC、Intel在1982年制定的以太网标准帧格式。Cisco名称为：ARPA。

这是最常见的一种以太网帧格式，也是今天以太网的事实标准，由DEC，Intel和Xerox在1982年公布其标准，主要更改了Ethernet V1的电气特性和物理接口，在帧格式上并无变化；Ethernet V2出现后迅速取代Ethernet V1成为以太网事实标准；Ethernet V2帧头结构为6bytes的源地址+6bytes的目标地址+2Bytes的协议类型字段+数据。
常见协议类型如下：
0800       IP,0x86DD IP6
0806       ARP
0835       RARP
8137       Novell IPX
809b       Apple Talk
如果协议类型字段取值为0000-05dc(十进制的0-1500)，则该帧就不是Ethernet V2(ARPA)类型了，而是下面讲到的三种802.3帧类型之一；Ethernet可以支持TCP/IP，Novell IPX/SPX，Apple Talk Phase I等协议；RFC 894定义了IP报文在Ethernet V2上的封装格式；

PR	SD	DA	SA	TYPE	DATA	PAD	FCS
56位	8位	48位	48位	16位	不超过1500字节	不够填充	32位

在每种格式的以太网帧的开始处都有64比特（8字节）的前导字符，如图所示。其中，前7个字节称为前同步码（Preamble），内容是16进制数0xAA，最后1字节为帧起始标志符0xAB，它标识着以太网帧的开始。前导字符的作用是使接收节点进行同步并做好接收数据帧的准备。

——PR：同步位，用于收发双方的时钟同步，同时也指明了传输的速率（10M和100M的时钟频率不一样，所以100M网卡可以兼容10M网卡），是56位的二进制数101010101010.....

——SD: 分隔位,表示下面跟着的是真正的数据,而不是同步时钟,为8位的10101011,跟同步位不同的是最后2位是11而不是10.

——DA:目的地址,以太网的地址为48位(6个字节)二进制地址,表明该帧传输给哪个网卡.如果为FFFFFFFFFFFF,则是广播地址,广播地址的数据可以被任何网卡接收到.

——SA:源地址,48位,表明该帧的数据是哪个网卡发的,即发送端的网卡地址,同样是6个字节.

----TYPE：类型字段，表明该帧的数据是什么类型的数据，不同的协议的类型字段不同。如：0800H 表示数据为IP包，0806H 表示数据为ARP包，814CH是SNMP包,8137H为IPX/SPX包，（小于0600H的值是用于IEEE802的，表示数据包的长度。）

----DATA：数据段 ，该段数据不能超过1500字节。因为以太网规定整个传输包的最大长度不能超过1514字节。（14字节为DA，SA，TYPE）

----PAD：填充位。由于以太网帧传输的数据包最小不能小于60字节, 除去（DA，SA，TYPE 14字节），还必须传输46字节的数据，当数据段的数据不足46字节时，后面补000000.....(当然也可以补其它值)

----FCS:32位数据校验位.为32位的CRC校验,该校验由网卡自动计算,自动生成,自动校验,自动在数据段后面填入.对于数据的校验算法,我们无需了解.

----事实上,PR,SD,PAD,FCS这几个数据段我们不用理它 ,它是由网卡自动产生的,我们要理的是DA,SA,TYPE,DATA四个段的内容.

----所有数据位的传输由低位开始(但传输的位流是用曼彻斯特编码的)

----以太网的冲突退避算法就不介绍了,它是由硬件自动执行的.

DA+SA+TYPE+DATA+PAD最小为60字节,最大为1514字节.

----以太网卡可以接收三种地址的数据,一个是广播地位,一个是多播地址(我们用不上),一个是它自已的地址.但网卡也可以设置为接收任何数据包(用于网络分析和监控).

----任何两个网卡的物理地址都是不一样的,是世界上唯一的,网卡地址由专门机构分配.不同厂家使用不同地址段,同一厂家的任何两个网卡的地址也是唯一的.根据网卡的地址段(网卡地址的前三个字节),可以知道网卡的生产厂家.有些网卡的地址也可以由用户去设定,但一般不需要.

3 Ethernet 802.3 raw帧格式　　

　　如图5所示，是Ethernet 802.3 raw类型以太网帧格式。

　　 　

　　                          图5　 Ethernet 802.3 raw帧格式　　

　　在Ethernet 802.3 raw类型以太网帧中，原来Ethernet II类型以太网帧中的类型字段被"总长度"字段所取代，它指明其后数据域的长度，其取值范围为：46-1500。　　

　　接下来的2个字节是固定不变的16进制数0xFFFF，它标识此帧为Novell以太类型数据帧。　　

　　4　Ethernet 802.3 SAP帧格式

　　如图6所示，是Ethernet 802. 3 SAP类型以太网帧格式。

　　 　

　　                                           图6　 Ethernet 802. 3 SAP帧格式

　　

　　从图中可以看出，在Ethernet 802.3 SAP帧中，将原Ethernet 802.3 raw帧中2个字节的0xFFFF变为各1个字节的DSAP和SSAP，同时增加了1个字节的"控制"字段，构成了802.2逻辑链路控制（LLC）的首部。LLC提供了无连接（LLC类型1）和面向连接（LLC类型2）的网络服务。LLC1是应用于以太网中，而LLC2应用在IBM SNA网络环境中。
　　新增的802.2 LLC首部包括两个服务访问点：源服务访问点（SSAP）和目标服务访问点（DSAP）。它们用于标识以太网帧所携带的上层数据类型，如16进制数0x06代表IP协议数据，16进制数0xE0代表Novell类型协议数据，16进制数0xF0代表IBM NetBIOS类型协议数据等。

常见SAP值：
0                                      Null LSAP                   [IEEE]
4                                      SNA Path Control        [IEEE]
6                                      DOD IP                       [79,JBP]
AA                                  SNAP                          [IEEE]
FE                                   ISO DIS 8473             [52,JXJ]
FF                                   Global DSAP               [IEEE]
SAP值用以标志上层应用，但是每个SAP字段只有8bits长，而且其中仅保留了6比特用于标识上层协议，因此所能标识的协议数有限(不超过32种)；并且IEEE拒绝为某些重要的协议比如ARP协议定义SAP值(奇怪的是同时他们却定义了IP的SAP值)；因此802.3/802.2 LLC的使用有很大局限性；

　　至于1个字节的"控制"字段，则基本不使用（一般被设为0x03，指明采用无连接服务的802.2无编号数据格式）。　　

　　5　Ethernet 802.3 SNAP帧格式

　　如图7所示，是Ethernet 802. 3 SNAP类型以太网帧格式。

　　

　　                                    图7　 Ethernet 802. 3 SNAP帧格式

　　

　　Ethernet 802. 3 SNAP类型以太网帧格式和Ethernet 802. 3 SAP类型以太网帧格式的主要区别在于：　　

　　●2个字节的DSAP和SSAP字段内容被固定下来，其值为16进制数0xAA。　　

　　●1个字节的"控制"字段内容被固定下来，其值为16进制数0x03。　　

　　●增加了SNAP字段，由下面两项组成：　　

　　◆新增了3个字节的组织唯一标识符（Organizationally Unique Identifier，OUI ID）字段，其值通常等于MAC地址的前3字节，

◆ 增加了表示上层协议的类型

这是IEEE为保证在802.2 LLC上支持更多的上层协议同时更好的支持IP协议而发布的标准，与802.3/802.2 LLC一样802.3/802.2 SNAP也带有LLC头，但是扩展了LLC属性，新添加了一个2Bytes的协议类型域（同时将SAP的值置为AA），从而使其可以标识更多的上层协议类型；另外添加了一个3Bytes的OUI字段用于代表不同的组织，RFC 1042定义了IP报文在802.2网络中的封装方法和ARP协议在802.2 SANP中的实现；

不同厂商对这几种帧格式通常有不同的叫法，比如：
Frame Type                              Novel                           Cisco
Ethernet Version 2                    Ethernet_II                    arpa
802.3 Raw                               Ethernet_802.3              novell_ether
IEEE 802.3/802.2                    Ethernet_802.2              sap
IEEE 802.3/802.2 SNAP         ETHERNET_SNAP     snap

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TCP/IP协议是一个比较复杂的协议集，有很多专业书籍介绍。在此，我仅介绍其与编程密切相关的部分：以太网上TCP/IP协议的分层结构及其报文格式。我们知道TCP/IP协议采用分层结构，其分层模型及协议如下表：

应　用　层 (Application)	HTTP、Telnet、FTP、SMTP、SNMP
传　输　层 (Transport)	TCP、UDP
网 间 网层 (Internet)	IP【ARP、RARP、ICMP】
网络接口层 (Network)	Ethernet、X.25、SLIP、PPP

　　协议采用分层结构，因此，数据报文也采用分层封装的方法。下面以应用最广泛的以太网为例说明其数据报文分层封装，如下图所示：

　　任何通讯协议都有独特的报文格式，TCP/IP协议也不例外。对于通讯协议编程，我们首先要清楚其报文格式。由于TCP/IP协议采用分层模型，各层都有专用的报头，以下就简单介绍以太网下TCP/IP各层报文格式。

　　以太网帧格式如下图：

　　8字节的前导用于帧同步，CRC域用于帧校验。这些用户不必关心其由网卡芯片自动添加。目的地址和源地址是指网卡的物理地址，即MAC地址，具有唯一性。帧类型或协议类型是指数据包的高级协议，如 0x0806表示ARP协议，0x0800表示IP协议等。

　　ARP/RARP（地址解析/反向地址解析）报文格式如下图：

　　“硬件类型”域指发送者本机网络接口类型（值“1”代表以太网）。“协议类型”域指发送者所提供/请求的高级协议地址类型（“0x0800”代表IP协议）。“操作”域指出本报文的类型（“1”为ARP请求，“2”为ARP响应，“3”为RARP请求，“4”为RARP响应）。

　　IP数据报头格式如下图：

　　我们用单片机实现TCP/IP协议要作一些简化，不考虑数据分片和优先权。因此，在此我们不讨论服务类型和标志偏移域，只需填“0” 即可。协议“版本”为4，“头长度”单位为32Bit，“总长度”以字节为单位，表示整个IP数据报长度。“标识”是数据包的ID号，用于识别不同的IP数据包。“生存时间” TTL是个数量及的概念，防止无用数据包一直存在网络中。一般每经过路由器时减一，因此通过TTL 可以算出数据包到达目的地所经过的路由器个数。“协议”域表示创建该数据包的高级协议类型。如 1表示ICMP协议，6表示TCP协议，17表示 UDP协议等。IP数据包为简化数据转发时间，仅采用头校验的方法，数据正确性由高层协议保证。

　　ICMP（网间网控制报文协议）协议应用广泛。在此仅给出最常见的回应请求与应答报文格式，用户命令ping便是利用此报文来测试信宿机的可到达性。报文格式如下图所示：

　　类型0 为回应应答报文，8 为回应请求报文。整个数据包均参与检验。注意ICMP封装在IP数据包里传送。

　　UDP报文格式如下图：

　　TCP报文格式如下图：

　　TCP 是面向连接的可靠数据传输协议，因此比较复杂，在此仅作简单介绍。“序号”指数据在发送端数据流中的位置。“确认号”指出本机希望下一个接收的字节的序号。与IP校验不同的是TCP，UDP校验采用伪头标加整个报文一同校验的方法。TCP协议工作原理另行介绍。