结合Wireshark捕获分组深入理解TCP/IP协议之以太网帧

2022-04-01 21:28:46

摘要：

本文摘抄并整理了以太网相关理论知识，包括CSMA/CD协议机制及工作、LAN互连，详细分析了Ethernet II帧格式，最后给出Ethernet II帧实例。

一、以太网[1]

1.1 概述

以太网(Ethernet)是一种计算机局域网组网技术。IEEE制定的IEEE 802.3标准给出了以太网的技术标准。它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网是当前应用最普遍的局域网技术。它很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌环网(token ring)、FDDI和ARCNET。以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网(100BASE-T、1000BASE-T标准)为了最大程度的减少冲突，最大程度的提高网络速度和使用效率，使用交换机(Switch hub)来进行网络连接和组织，这样，以太网的拓扑结构就成了星型，但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 即带冲突检测的载波监听多路访问)的总线争用技术[1]。

以太网基于网络上无线电系统多个节点发送信息的想法实现，每个节点必须取得电缆或者信道的才能传送信息，有时也叫作以太(Ether)。(这个名字来源于19世纪的物理学家假设的电磁辐射媒体-光以太。后来的研究证明光以太不存在。) 每一个节点有全球唯一的48位地址也就是制造商分配给网卡的MAC地址,以保证以太网上所有系统能互相鉴别。由于以太网十分普遍，许多制造商把以太网卡直接集成进计算机主板。

1.2 CSMA/CD

带冲突检测的载波侦听多路访问 (CSMA/CD)技术规定了多台电脑共享一个信道的方法。这项技术最早出现在1960年代由夏威夷大学开发的ALOHAnet，它使用无线电波为载体。这个方法要比令牌环网或者主控制网要简单。CSMA/CD使用了以下机制：

(1)没有任何使用时隙(适配器可以在任何时刻开始传输)

(2)其他适配器传输时进行载波侦听(侦听到其他适配器在传输，它决不会传输帧)

(3)传输时进行碰撞检测(检测到其他适配器在传输，它中止自己传输)

(4)重传之前，适配器等待一个随机时间

注：(2)(3)是以太网适配器通过测量传输前和传输过程中的电压等级进行的。

适配器从网络层获得数据报，执行以下步骤(CSMA/CD协议工作)：

(1)成帧，并把帧放到适配器缓冲区中

(2)如果适配器侦听到信道空闲(即在96比特时间内，没有信号能量从信道进入适配器)，则开始传输该帧，否则等待直到线路空闲

(3)如果适配器在传输过程中没有检测到其他适配器的信号能量，并且传输了整个帧，则成功传输，否则停止传输，并且传输一个48比特的拥塞信号，传完之后，适配器进入一个指数回退阶段。

(4)如果超过最大尝试次数，则退出传输模块，并向网络层协议报告发送失败

指数回退算法是指一帧连续经历n次碰撞后，适配器随机从0~(2^m -1)随机选择一个值(假设为K)，等待K*512比特时间再传输。这里m为10和n较小的一个，即m=min(n, 10)。

1.3 LAN互联

(1)中继器

因为信号的衰减和延时，以太网段有距离限制(如10BASE5同轴电缆最长距离500米)，中继器可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。中继器最多连接5个网段，当一段同轴电缆断开，中继器可以保证其他网段正常工作。

(2)集线器

随着应用的拓展，人们逐渐发现星型的网络拓扑结构最为有效，于是设备厂商们开始研制有多个端口的中继器。多端口中继器即为集线器，集线器可以连接到其他集线器或者同轴网络。集线器是物理层设备，当一比特到达某接口时，集线器增强它的信号能量，传输到所有其他接口。

采用集线器组网的以太网尽管在物理上是星型结构，但在逻辑上仍然是总线型的，半双工的通信方式采用CSMA/CD的冲突检测方法，集线器对于减少包冲突的作用很小。每一个数据包都被发送到集线器的每一个端口，所以带宽和安全问题仍没有解决。

(3)网桥

桥接工作在数据链路层，只有格式完整的数据包才能从一个网段进入另一个网段，冲突和错误数据包被隔离。通过记录分析网络上设备的MAC地址，网桥可以判断它们都在什么位置，这样它就不会向非目标设备所在的网段传递数据包。

(4)交换机

早期的网桥需要检测每一个数据包，当同时处理多个端口的时候，数据转发相对Hub来说要慢。以太网交换机把桥接功能用硬件实现，这样就能保证转发数据速率达到线速。

尽管以太网交换机布线同Hub以太网是一样的，但是交换式以太网比共享介质以太网有很多明显的优势，如更大的带宽和更好地隔离异常设备。交换机端口和所连接的设备必须使用相同的双工设置，即这些设备通过信号来协调要使用的速率和双工设置。

交换机加电后，首先也像Hub那样工作，转发所有数据到所有端口。接下来，当它学习到每个端口的地址以后，他就只把非广播数据发送给特定的目的端口。这样，线速以太网交换就可以在任何端口对之间实现，所有端口对之间的通讯互不干扰。因为数据包一般只是发送到他的目的端口，所以交换式以太网上的流量要略微小于共享介质式以太网。尽管如此，交换式以太网依然是不安全的网络技术，因为它还很容易因为ARP欺骗或者MAC满溢而瘫痪，同时网络管理员也可以利用监控功能抓取网络数据包。

二、以太网帧格式

以太网发展到现在，有很多种类型，不同类型的帧具有不同的格式和MTU值，甚至同种物理媒体上都可同时存在[2]。如Ethernet II(ARPA)、Ethernet 802.3 raw(Novell Ethernet)、Ethernet 802.3 SAP、Ethernet 802.3 SNAP、。本文只介绍最常用的以太网帧Ethernet II，其格式如下：