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文章目录

1. 以太网主要协议关系介绍
2. 协议介绍及帧结构
- 2.1 媒体访问控制子层协议MAC
- 2.2 地址解析协议ARP
- - 2.2.1ARP帧结构
  - 2.2.2 ARP协议工作原理
- 2.3 网际互连协议IP
- - 2.3.1 IP协议帧
  - 2.3.2 IP数据报分片重组
- 2.4 互联网控制消息协议ICMP
- 2.5 用户数据报协议UDP
- 2.6 传输控制协议TCP
3. 最后的话

1. 以太网主要协议关系介绍

网络结构可以分为五层，自底向上依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，每一层都有相应的协议。网络协议种类众多，但最为主要的几种协议为：多点接入载波监听/冲突检测CSMA/CD、媒体访问控制子层协议MAC、地址解析协议ARP、互联网控制消息协议ICMP、网际互连协议IP、用户数据报协议UDP、传输控制协议TCP，他们的关系结构如下：

在以太网（Ethernet）通信中，CSMA/CD协议一般直接使用PHY芯片（物理接口收发器PHY），因此主要关注的为上面几层的协议。

先介绍下几种协议是怎么样的关系，具体的协议功能及帧结构见下一节，如果在此节对于各种协议的功能有疑惑，可以先跳转到后面一节了解一下(* ^▽^ *)。

以太网帧（MAC帧）处于数据链路层，可以直接交付给PHY芯片，从而转化为比特流在物理通路上传输，由于PHY实现了CSMA/CD的部分功能，会自己进行碰撞检测。MAC帧数据段的内容可以填充为ARP数据报或者IP数据报，ARP协议主要用于获取MAC地址（IP-MAC地址映射），IP协议大家就比较了解了，用于传输各种数据。

IP数据报的数据段可以填充为ICMP报文、TCP报文、UDP报文。其中ICMP协议用于进行网络诊断、时间戳校验等，尽管ICMP是基于IP协议进行工作的，但一般认为它是网络层协议；TCP、UDP协议则是我们传送数据的主要手段。

TCP/UDP协议上层就是各种应用层协议了，如DNS、HTTP、FTP等等，如果是在高速数据采集系统里，TCP/UDP包的数据段可以直接就是数据。

2. 协议介绍及帧结构

2.1 媒体访问控制子层协议MAC

在物理层传输的是比特流，为了识别一MAC帧的起始（比特同步），会在每一MAC帧前加入7个字节的前导码Preamble以及1个字节的帧起始界定符SFD。从比特流来看，前导码固定为10101010，SFD固定为10101011，当收到11，表明后续数据属于MAC帧。由于我们使用GMII接口或者RGMII接口将数据送入PHY进行并串转换，字节流转换为比特流，该转换过程为小端传输，因此当在MAC帧前插入前导码和SFD时，字节流分别为0x55…0x55、0xd5。注意，尽管很多资料上说物理层传输MAC帧时会在前面加上前导码和SFD，但其实前导码和帧起始界定符都是在MAC层加上去的。在两个连续的MAC帧之间，也必须有一段间隔，也就是帧间隙IFG，帧间隙不小于12Byte，值全1。这个帧间隙是CSMA/CD的特性决定的。

MAC层及以上，传输的都是字节流，下面也都基于此进行说明。

MAC帧由MAC帧头、数据段、帧校验序列FSC（MAC帧尾）组成。MAC帧头包括三个字段：目的MAC地址、源MAC地址、长度/类型字段。目的、源MAC地址为长度6Byte，唯一确定了硬件的身份。长度/类型字段，当值小于1536（0x0600）时，表示MAC帧数据段的长度，单位Byte，否则表示数据段所使用的上层子协议类型，如0x0800为表示上层子协议为IP协议，0x0806则表示为ARP协议。

MAC帧数据段长度限制为46 ∼\sim∼ 1500Byte，对应MAC帧长64 ∼\sim∼ 1518 Byte，太长或太短的MAC帧都会被认为是无效帧，直接丢弃。64Byte长度是由CSMA/CD的争用期（即以太网端到端传输时间的两倍2t，也称碰撞窗口）决定的，感兴趣的同学可以了解下CSMA/CD碰撞检测，我这里就不介绍了。MAC帧数据段最大长度限制为1500，称为最大传输单元MTU，在不同的网络中由于数据链路和传输介质不同，可能存在差异，但最大是1500，这是为了避免某一帧过长而导致其他MAC帧等待时间过长而进行的限制。当传输到某网络的MAC帧长度大于其MTU时，会进行分片。

在MAC帧的最后要加上帧校验序列FSC，最常用的校验算法为循环冗余校验CRC-32。

2.2 地址解析协议ARP

2.2.1ARP帧结构

ARP协议是用于在局域网内进行IP地址-MAC地址映射的协议，ARP数据报填充至MAC帧数据段，由于其长度小于46Byte，因此组装成MAC帧时要后补零至满46Byte，其帧结构如下

ARP首部包含如下字段：

硬件类型字段，长度2Byte，1表示为以太网Ethernet。
协议类型字段，2Byte，0x0800表示要映射的地址类型为IP地址。
硬件地址长度字段，1Byte，单位Byte，由于MAC地址长度为6Byte，因此值为6。
协议地址长度字段，1Byte，单位Byte，由于IPv4地址长度为4Byte，因此值为4。
操作类型字段，2Byte，最常用的为ARP请求（值为1）、ARP应答（值为2）。

后面四个字段很容易理解，其中作为ARP请求时，目的MAC地址填0。

2.2.2 ARP协议工作原理

假设同一局域网内有两台主机要进行通信，主机A打算向主机B发送消息，此时主机A会首先查询自己的ARP缓存表（ARP缓存表存储了IP-MAC地址映射表项），如果检索到主机B的IP-MAC表项，主机A将主机B的MAC地址填入MAC帧，打包数据，发送。

但如果主机A没有在自己的ARP缓存中检索到对应的表项，会将待发送数据缓存，同时发送ARP请求，源MAC地址、源IP地址填入主机A自己的，目的MAC地址全0，目的IP地址填入主机B的IP地址。ARP请求是以广播形式发送的，广播MAC地址为全1，即打包为MAC帧时，其目的MAC地址为0xFF-0xFF-0xFF-0xFF-0xFF-0xFF，此时整个局域网内的全部主机都将收到该ARP请求报文。

主机B在收到该ARP请求报文后，会回复ARP应答报文（而其他主机不会回复），将主机A的IP地址和MAC地址、自己的IP地址和MAC地址写入ARP帧，打包成MAC帧时，在目的MAC地址字段填入主机A的MAC地址，发送。此时主机A将收到该条ARP应答报文，因此主机A解析获取了主机B的MAC地址，将IP-MAC表项写入自己的ARP缓存表，下次再进行发送时将可以直接从自己的ARP缓存中获取主机B的MAC地址。同时，主机A将利用获取的主机B的MAC地址打包数据，发送，这样主机B就可以收到主机A发送的数据了。

这里可能有同学感到奇怪，既然MAC地址和IP地址是一一对应的，为什么还要两种地址呢？在局域网内确实如此，因为所有主机都是一跳可达的（通过转发器），但如果要进行不同局域网间的通信，此时就要进行路由。路由时IP数据报中的目的IP地址是不变的，对应接收方IP地址，而目的MAC地址则会不断改变，指示下一跳的MAC地址，因此除了最后一跳会是目的主机的MAC地址，其他的目的MAC地址都是路由器的MAC地址，其中发送方主机A打包的MAC帧，其目的MAC地址实际上不是主机B的MAC地址，而是默认网关的MAC地址。主机A直接将数据交付给网关，而网关查看自己的路由表，决定将IP数据报继续发送给哪一路由。

2.3 网际互连协议IP

2.3.1 IP协议帧

IP帧结构如图所示，包括IP首部和IP数据段，IP数据段内填充上层协议，如ICMP协议、UDP协议、TCP协议。

IP帧头至少20Byte，根据可选字段长度，最长60Byte（对应可选字段40Byte）。IP首部的各字段含义如下：

协议版本字段，4bit，标识采用的IP协议版本，IPv4为4（0b0100），IPv6为6（0b0110）。
首部长度字段，4bit，表示IP首部的长度，以32bit（4Byte）为单位，如没有可选字段，IP首部长度20Byte，则该字段值为20/4=5。
服务类型字段，8bit，该字段被划分成两个子字段： 3位优先级字段（现已基本忽略）和4位TOS（Type Of Service）字段，最后一位固定为0，服务类型为0时表示一般服务。
总长度字段，16bit，单位Byte，表示整个IP数据报的长度（IP首部长度+IP数据段长度）。一般而言会限制IP数据报长度小于1500 Byte，因此在MAC层可以避免分片的麻烦。
标识字段Id，16bit，用来标识主机发送的每一份数据报，通常每发送一份报文它的值就会加1。
标志字段Flag，3bit，用于IP数据报被分片的情况。第一位不使用，置0；第二位为不分片位DF，当设为1时，表示强制禁止分片，0表示允许分片；第三位为片未完位MF，当为0时表示为最后一片，为1表示不是最后一片。
片偏移，13bit，单位8Byte，在IP分片时使用，标识当前IP数据片段首字节处于原始数据的哪个位置，如为第400个Byte，则该值为400/8=50，IP分片必须以8Byte为单位进行划分，首个字节偏移标记为0。
生存时间TTL，8bit，标识该数据报在网络中总共可通过路由器的最大次数，防止数据包在网络上无休止地传播，一般被设置为64或者128，数据包每经过一次路由，其生存时间将减1，当TTL将为0时仍没有传输到目标主机时，将被路由器丢弃，同时给发送主机一个ICMP报，告知其跃点数超限。
协议类型字段，8bit，标识上层协议类型，ICMP为1，TCP为6，UDP为17。
首部校验和Checksum，16bit，只校验数据报的首部（不含校验域本身），计算方法为：首先将Checksum字段置0，将IP首部按16bit依次二进制反码求和，计算完成后将计算结果覆盖到Checksum字段。校验和计算方法为：
1. 把校验和字段置为0；
2. 对IP头部中的每16bit进行二进制求和；
3. 如果和的高16bit不为0，则将和的高16bit和低16bit反复相加，直到和的高16bit为0，从而获得一个16bit的值；
4. 将该16bit的值取反，存入校验和字段。
在接收方进行校验时，将整个IP首部按上述2、3步进行处理，结果取反，判断是否为0，为0则表示校验通过。
源IP、目的IP字段，各32bit，即发送主机和目的主机的IPv4地址。
可选字段，长度必须为32bit（4Byte）的整数倍，不足32bit的填充0，最长40Byte（因为首部长度字段最大值15，对应IP首部最长60Byte），可以没有，该字段根据不同的服务类型有所不同，一般服务（服务类型字段为0）不使用该字段。

IP数据段可以填充上层子协议，如ICMP协议报文、TCP报文、UDP报文等，其长度计算方式为：IP总长度字段值-4*IP首部长度字段值（单位：Byte），一个IP包最大长度为 65535 Byte，因此可携带的数据段最大长度为 65535-20 = 65515 Byte。

2.3.2 IP数据报分片重组

当IP数据报在某一网络其长度超过网络MTU时，将进行IP数据报分片。分片时，IP首部复制到每一数据片，并修改标志段和片偏移字段，由于标识字段Id相同，因此可识别为属于同一数据报。片偏移=首个字节的原始序号/8。

例如，IP报文无可选项，数据段D0…D999，当前网络MTU=420，则分成D0…D399,D400…D799,D800…D999三个数据片，每个数据片首部复制原始数据片的IP首部，第一片片偏移修改为0/8=0，第二片片偏移修改为400/8=50，第三片片偏移修改为800/8=100，片未完位分别修改为为1、1、0。

在进行IP数据片重组时，将标识字段相同的IP数据片按照片偏移逆向组装即可获得原始数据报。

2.4 互联网控制消息协议ICMP

ICMP协议用于传输出错报告控制信息，其帧结构如图所示，包含8Byte长度的ICMP首部以及可选项。

类型字段Type，1Byte，标识ICMP报文类型，目前已经定义了14种。
代码字段Code，1Byte，配合类型字段，标识了ICMP报文的详细类型。
校验和字段Checksum，2Byte，计算方法与计算IP数据报首部校验和类似，但覆盖包括ICMP报文数据部分在内的整个ICMP数据报。
标识字段Id，2Byte，用于标识本ICMP进程，但仅适用于回显请求和应答ICMP报文，对于目标不可达ICMP报文和超时ICMP报文等，该字段的值为0。
序列号字段Seq，2Byte，用于关联请求、应答报文，响应报文与其对应的请求报文的序列号相同。
可选项根据不同的ICMP报文类型而不同，此处不再涉及。

2.5 用户数据报协议UDP

UDP是一个简单的面向消息的传输层协议，不保证可靠传输。其帧结构也很简单，如下图所示

UDP帧包含8Byte的首部以及数据段，数据段长度可以通过两种方式进行计算：UDP长度字段值-8、IP总长度字段值-4*IP首部长度字段值-8。UDP首部各字段含义解释如下：

源端口，2Byte，标识发送进程的端口号。
目的端口，2Byte，标识目标进程的端口号。
UDP长度，2Byte，单位Byte，标识整个UDP报文的长度，尽管2Byte最大值可以取到65535，但由于IP数据报长度的限制，其最大长度其实为65535-20=65515Byte（假设IP数据报没有可选字段）。
校验和，2Byte，计算算法与IP协议相同，但其覆盖范围包含伪首部、UDP首部、UDP数据。其中伪首部如下，共12字节，其中17为UDP的协议类型号，0则是为了补足16bit进行的填充。

2.6 传输控制协议TCP

TCP协议比较复杂，我也才刚开始了解，这里先只介绍TCP帧结构，如下图

源端口、目的端口同UDP，不再多解释。
序列号Seq，4Byte，用于标识TCP源端设备向目的端设备发送的字节流，它表示在这个报文段中的第几个数据字节，通常不是从0开始，而是随机初始化。
确认号Ack，4Byte，标识期望收到的下一个段的第一个字节，并声明此前的所有数据已经正确无误地收到，因此，确认号应该是上次已成功收到的数据字节序列号加1。收到确认号的源计算机会知道特定的段已被收到，确认号的字段只在ACK标志被设置时才有效。
首部长度字段，4bit，标识TCP首部有多少个32bit（4Byte），在没有可选字段时，最小为5（20/4=5），与IP首部长度字段类似。
保留字段，6bit，不使用，置0。
标志字段Flag，6bit，共6个标志位，功能分别如下：
- 紧急标志位URG，置位表明紧急指针有效；
- 确认标志位ACK，置位表示确认号有效；
- 立即发送标志位PSH，置位表示应立即将报文交付应用层；
- 复位标志位RST，用于重建一个已经混乱的连接，用来复位产生错误的连接，也会用来拒绝错误和非法的数据包；
- 同步标志位SYN，用于建立TCP连接，该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效；
- 结束标志位FIN，用于断开TCP连接，该标志仅在四次挥手断开TCP连接时有效；
窗口尺寸，2Byte，用于TCP流量控制，表示接收方缓冲的字节数，为0表明发送方应该立即停止传送，接收方的TCP缓冲区已满。
TCP校验和字段，2Byte，计算方法与UDP类似，也要加上伪首部，伪首部的类型号为6（TCP的协议类型号），同时覆盖整个TCP报文段（包括TCP首部和TCP数据段）。
紧急指针，2Byte，指向数据中优先部分的最后一个字节，通知接收方紧急数据的长度，该字段在紧急标志位URG置位时有效。
可选项，与IP协议类似，长度必须为32bit的整数倍，不足长的补零填充，最大40Byte，可以没有。
数据段，和UDP不同，TCP报文中没有直接给出数据段的长度，因此必须通过IP数据报长度进行计算，数据段长度为：IP总长度字段值 - 4 * IP首部长度字段值 - 4 * TCP首部长度字段值，TCP数据段最长为65535-20-20=65495 Byte。TCP数据段不是必须的，此时主要传输一些控制消息，比如在三次握手建立TCP连接以及四次挥手断开TCP连接时就没有数据段，其实IP数据报的数据段也不是必须的。

3. 最后的话

这是个刚开始入门以太网的小白写的学习笔记，如有不对的地方烦请大佬们指正！

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