以太网卡、以太网帧、以太网交换机_ethernet frame

以下文章仅为个人学习笔记，如有错误请谅解！

1.以太网卡

网络接口卡（Network Interface Card，NIC）通常也被称为“网卡”，是计算机、交换机、路由器等网络设备与外界网络相连的关键部件。

根据使用技术不同，网络接口卡可以分为很多种类型，例如令牌环接口卡、FDDI接口卡、SDH接口卡、以太网接口卡。

1.1计算机上的以太网卡收发原理

假设在计算机设备上有一个网络接口，那么在接口处就会安装一块网卡。

从逻辑上说，网卡包含7个模块：CU（Control Unit，控制单元），OB（Output Buffer，输出缓存），IB（Input Buffer，输入缓存），LC（Line Coder，线路编码器），LD（Line Decoder，线路解码器），TX（Transmitter，发射器），RX（Receiver ，接收器）

1.1.1发送信息

1. 用户产生原始数据，经过tcp/ip模型的应用层、传输层、网络层处理后，会得到一个个的数据包（Packet），网络将这些Packet逐个下传给网卡的CU。
2. CU将每个Packet封装成一个个的帧（Frame），即以太帧（Ethernet Frame），并将这些Frame传给OB。
3. OB将接收到的Frame按接收顺序排成队列逐个传递给LC。
4. LC接收到Frame后开始进行编码。逻辑上将Packet封装成Frame的时候已经是长度有限的01二进制了，但是01对应的物理量（电平等）只适合存储在缓冲区中，不适合在线路（例如双绞线）上传输，LC线路编码就是将01转换为适合传输的物理信号（例如电压波形/电流等），并将物理信号传递给TX。
5. TX将对接收到的物理信号进行功率等特性的调整，通过线路发送出去。

1.1.2接收信息

1. RX对接收到的物理信号进行功率等特性的调整，传递给LD。
2. LD对物理信号进行解码，识别出逻辑上的01，将这些01以Frame为单位逐个传递给IB。
3. IB将接收到的Frame按顺序排成队列，以Frame为单位传递给CU。
4. CU对Frame进行分析处理（丢弃或者去掉帧头、尾）上传。
5. 经过CU处理的数据在经过网络层、传输层、应用层处理后转换为原始数据。

1.2交换机上的网卡转发原理

组成结构和计算机上的网卡一致。

• 除了CU与计算机不同，其他模块流程都一致！

1.2.1接收数据

CU从IB接收到Frame后，进行分析处理（三种情况）：

• 直接丢弃；
• 传递给本交换机上的其他某一块网卡；
• 被复制N份，传给本交换机上其他n个网卡的CU

1.2.2转发数据

将本交换机上其他网卡CU收到的数据直接传给OB。

其他步骤类似。

总结

• 网卡工作在数据链路层和物理层（tcp/ip），具有两层的功能。
• 计算机网卡用来收发数据，交换机用来转发。
• 计算机网卡需要进行封装和解封装，交换机上的网卡不会对帧进行封装和解封装。
• 一块网卡只能控制一个网口的数据转发/收发行为。

2.以太网帧

以太网技术使用的帧的就是以太帧。

2.1mac地址

1980年2月 IEEE（美国电气和电子工程师协会）召开会议，启动了一个庞大的技术标准化项目，称为IEEE802项目，此项目旨在指定一系列关于LAN（局域网）的标准，称IEEE802标准。

mac（Medium Access Control）地址也是在IEEE802中定义并规范的，凡是符合此标准的网卡都必须要配一个mac地址（不符合这个标准的则不是，如SDH网卡）。

mac地址长度为48bit（6个字节），才有十六进制表示，每两位十六进制为一组，具有全球唯一标识。

网卡制造商在制造网卡前需向IEEE注册，得到一个24bit的厂商代码，OUI（Organizationally-Unique Identifier）。厂商在制造网卡时就会往每一块网卡的ROM（Read Only Memory）烧入一个48Bit 的BIA地址（Burned-In Address，固化地址），BID的前三个字节就是OUI，后三个字节由制造商自己确定。

mac地址分为3类：

1. 单播mac地址：第一个字节最低位为0
2. 组播mac地址：第一个字节最低位为1
3. 广播mac地址：每一个比特位都是1

2.2以太帧的格式

以太帧（Ethernet Frame）的标准有两种

一种由IEEE802.3定义，称为IEEE802.3格式。

另一种由DEC、Intel、Xerox三角公司联合定义，称为Ethernet Ⅱ格式或者DIX格式。

两种格式都可以在现在的网络设备上使用，但是Ethernet Ⅱ格式使用的更广泛些。

 Ethernet Ⅱ帧格式：

DMAC：目的MAC地址，IPV4为6字节，该字段标识帧的接收者。

SMAC： 源MAC地址，IPV4为6字节，该字段标识帧的发送者。

Type：协议类型。

常见Type值与对应的属性

Type值 格式 0x0800 Internet Protocol Version 4 (IPv4) 0x0806

Address Resolution Protocol (ARP)

0x0808 Frame Relay ARP 0x22F4

L2-IS-IS

0x86DD IP Protocol version 6 (IPv6)

Data ：

数据字段，标识帧的负载（可能包含填充位）。

数据字段的最小长度必须为46字节以保证帧长至少为64字节，这意味着传输1字节信息也必须使用46字节的数据字段。

如果填入该字段的信息少于46字节，该字段的其余部分也必须进行填充。数据字段的最大长度为1500字节。

以太帧的长度必须为整数字节，因此帧的负载长度不足整数字节，需插入填充字段以保证数据帧的长度为整数字节。

FCS：

帧校验序列FCS（Frame Check Sequence）是为接收者提供判断是否传输错误的一种方法，如果发现错误，丢弃此帧。

FCS只是通用叫法，具体的FCS还可以细分多种校验方法。在以太帧中，FCS通常采用循环冗余码校验CRC（Cyclical Redundancy Check）。

帧示例：

Frame 1: 54 bytes on wire (432 bits), 54 bytes captured (432 bits)
    Arrival Time: May  4, 2008 18:15:17.630001000 
    Epoch Time: 1209896117.630001000 seconds
    [Time delta from previous captured frame: 0.000000000 seconds]
    [Time delta from previous displayed frame: 0.000000000 seconds]
    [Time since reference or first frame: 0.000000000 seconds]
    Frame Number: 1
    Frame Length: 54 bytes (432 bits)
    Capture Length: 54 bytes (432 bits)
    [Frame is marked: False]
    [Frame is ignored: False]
    [Protocols in frame: eth:ip:tcp]
    [Coloring Rule Name: TCP]
    [Coloring Rule String: tcp]
Ethernet II, Src: CompalEl_df:d0:05 (00:0f:b0:df:d0:05), Dst: HughesNe_a9:4f:87 (00:80:ae:a9:4f:87)
    Destination: HughesNe_a9:4f:87 (00:80:ae:a9:4f:87)
        Address: HughesNe_a9:4f:87 (00:80:ae:a9:4f:87)
        .... ...0 .... .... .... .... = IG bit: Individual address (unicast)
        .... ..0. .... .... .... .... = LG bit: Globally unique address (factory default)
    Source: CompalEl_df:d0:05 (00:0f:b0:df:d0:05)
        Address: CompalEl_df:d0:05 (00:0f:b0:df:d0:05)
        .... ...0 .... .... .... .... = IG bit: Individual address (unicast)
        .... ..0. .... .... .... .... = LG bit: Globally unique address (factory default)
    Type: IP (0x0800)
Internet Protocol Version 4, Src: 192.168.128.101 (192.168.128.101), Dst: 172.25.4.24 (172.25.4.24)
    Version: 4
    Header length: 20 bytes
    Differentiated Services Field: 0x00 (DSCP 0x00: Default; ECN: 0x00: Not-ECT (Not ECN-Capable Transport))
        0000 00.. = Differentiated Services Codepoint: Default (0x00)
        .... ..00 = Explicit Congestion Notification: Not-ECT (Not ECN-Capable Transport) (0x00)
    Total Length: 40
    Identification: 0xc17e (49534)
    Flags: 0x02 (Don't Fragment)
        0... .... = Reserved bit: Not set
        .1.. .... = Don't fragment: Set
        ..0. .... = More fragments: Not set
    Fragment offset: 0
    Time to live: 128
    Protocol: TCP (6)
    Header checksum: 0x4812 [correct]
        [Good: True]
        [Bad: False]
    Source: 192.168.128.101 (192.168.128.101)
    Destination: 172.25.4.24 (172.25.4.24)
Transmission Control Protocol, Src Port: tht-treasure (1832), Dst Port: icon-discover (2799), Seq: 1, Ack: 1, Len: 0
    Source port: tht-treasure (1832)
    Destination port: icon-discover (2799)
    [Stream index: 0]
    Sequence number: 1    (relative sequence number)
    Acknowledgement number: 1    (relative ack number)
    Header length: 20 bytes
    Flags: 0x10 (ACK)
        000. .... .... = Reserved: Not set
        ...0 .... .... = Nonce: Not set
        .... 0... .... = Congestion Window Reduced (CWR): Not set
        .... .0.. .... = ECN-Echo: Not set
        .... ..0. .... = Urgent: Not set
        .... ...1 .... = Acknowledgement: Set
        .... .... 0... = Push: Not set
        .... .... .0.. = Reset: Not set
        .... .... ..0. = Syn: Not set
        .... .... ...0 = Fin: Not set
    Window size value: 17520
    [Calculated window size: 17520]
    [Window size scaling factor: -1 (unknown)]
    Checksum: 0xf893 [validation disabled]
        [Good Checksum: False]
        [Bad Checksum: False]

3.以太网交换机

转发数据的端口是以太网口的交换机称为以太网交换机，类似的还有令牌环交换机（Token Ring Switch）等。

3.1交换机的工作原理

每台交换机都会拥有一张mac地址表(如果是新设备就会先学习再形成），mac地址表记录着局域网中各个设备mac的对应的端口,交换机根据MAC地址表中mac与端口形成的映射关系，进行数据的转发操作，并且会周期性的更新MAC地址表（缺省时间为300s）.

3.2三种转发操作

交换机会对端口传入的数据帧进行“转发”操作，这里的转发是广义的转发，包括丢弃（Discarding ）、转发（Forwarding）、泛红（Flooding）.

泛洪（Flooding）：当交换机接收到一个数据帧时，将其转发到除了自己所在的所有端口。

转发（Forwarding）：将接收到的数据帧从另一个特定的端口（目的mac所映射的，假设已经存在交换机的mac地址表里）转发出去。

丢弃（Discarding）:直接将接收到的数据帧丢弃。

• 参考

《HCNA网络技术学习指南》

   华为技术