考研笔记

以太网与 IEEE 802.3

以太网是 3.5.2 那套 CSMA/CD 的实际宿主，也是整个第 3 章命题最密的一节：MAC 地址多长、帧格式的每一个字段、46 字节从哪来、为什么不需要结束定界符、高速以太网还用不用 CSMA/CD——每一条都单独考过。

这些内容看起来零散，其实都从两个设计决定里长出来：以太网选择了”尽最大努力交付”，以及它最初是一条共享的半双工总线。

机制

以太网与 802.3 是什么关系

以太网规约的第一个版本 DIX V1 由 DEC、Intel 和 Xerox 联合提出，之后修改为第二版 DIX Ethernet V2，这是世界上第一个局域网产品的规约。IEEE 802.3 工作组在此基础上制定了第一个 IEEE 的以太网标准 802.3。严格说，以太网指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网，但两者差别很小，通常把 802.3 局域网直接称为以太网。

两项简化措施：以太网为什么不可靠

以太网为简化通信采取了两项措施（2012 年考过”以太网 MAC 协议提供的服务类型”）。第一，采用无连接的工作方式，既不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发回确认，即尽最大努力交付，提供的是不可靠服务，差错的纠正由高层完成。第二，发送的数据都使用曼彻斯特编码，每个码元中间出现一次电压转换，接收方利用这个转换就能方便地提取位同步信号。

第一项决定了以太网的服务性质：收到有错的帧只是丢弃，不重传、不通知——重传是 TCP 的事，见 第 5 章。王道 3.6.6 第 12 题的解析也是这个意思：网卡收到帧后发现目的 MAC 地址不是自己，直接丢弃，不需要向网络层报告错误。

传输介质与网卡

以太网常用的传输介质有四种：粗缆、细缆、双绞线和光纤。

标准介质编码拓扑最大段长最多节点
10BASE5同轴电缆（粗缆）曼彻斯特总线形500m100
10BASE2同轴电缆（细缆）曼彻斯特总线形185m30
10BASE-T非屏蔽双绞线曼彻斯特星形100m2
10BASE-F光纤对（850nm）曼彻斯特点对点2000m2

名字的读法是固定的：10 指速率 10Mb/s，BASE 指基带以太网，其后的 5 或 2 指单段最大距离不超过 500m 或 185m，T 指双绞线，F 指光纤。

计算机通过主板上的一块网络适配器（Adapter，也称网络接口卡 NIC）连接局域网。适配器上装有处理器和存储器。它与局域网之间用电缆或双绞线以串行方式通信，与计算机之间则通过 I/O 总线以并行方式通信，所以它的一项重要功能是串并转换。除此之外，它还负责与介质的物理连接和电信号匹配、帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存。适配器收到正确的帧时，用中断通知计算机，并把数据交给协议栈中的网络层；计算机要发送 IP 数据报时，协议栈把数据报交给适配器，由它组帧后发到局域网。适配器的功能横跨物理层和数据链路层（王道 3.6.6 第 6 题）。

MAC 地址

IEEE 802 标准为局域网规定了一种 48 位的全球地址，固化在适配器的 ROM 中，称为物理地址或 MAC 地址。MAC 地址长 6 字节（2013 年考过），一般写成用连字符或冒号分隔的 12 个十六进制数，如 02-60-8c-e4-b1-21；高 24 位为厂商代码，低 24 位为厂商自行分配的适配器序列号。

MAC 地址属于适配器，而不属于计算机。一台计算机只要不更换适配器，不管地理位置如何变化，MAC 地址都不会变；反过来，路由器同时连接两个网络，就需要两个适配器和两个 MAC 地址——MAC 地址标识的其实是”路由器的某个接口”。

适配器每收到一个 MAC 帧，先用硬件检查帧的目的地址，只收下三种”发往本站的帧”：单播帧（目的地址与本站 MAC 地址相同）、广播帧（全 1 地址）、多播帧（发送给本局域网上一部分站点），其余一律丢弃。

MAC 帧格式

以太网 MAC 帧有 DIX Ethernet V2 和 IEEE 802.3 两种格式，最常用的是 V2：

字段长度说明
前导码8B7B 前同步码（1010…10）+ 1B 帧开始定界符（10101011）；物理层插入，不计入帧长
目的地址6B帧在局域网上的目的适配器的 MAC 地址
源地址6B帧的源适配器的 MAC 地址
类型2B数据字段应交给哪个上层协议处理，如网络层的 IP
数据46～1500B承载上层 PDU，如 IP 数据报
FCS4B32 位 CRC，检验目的地址到数据字段，不检验前导码

首部 14 字节、尾部 4 字节，合计 18 字节（首部和尾部长度 2010、2011 年考过；目的地址与源地址的含义 2018 年考过）。帧格式上的每一个数字都有来由：

数据字段下限 46 字节从 CSMA/CD 来。 CSMA/CD 要求帧长至少 64 字节，否则一个短帧发完了冲突信号还没传回来，发送方检测不到冲突。扣掉首部和尾部 18 字节，数据字段至少 字节。IP 数据报少于 46 字节时，MAC 子层在数据字段后面加一个整数字节的填充字段，保证帧长不小于 64 字节（2012 年考过”分析 IP 首部判断以太网帧是否需要填充”）。

数据字段上限 1500 字节就是以太网的最大传输单元（MTU）。 IP 数据报超过 1500 字节就必须分片，而分片是网络层的事，见 4.2.1 IPv4 分组与分片。

以太网帧不需要帧结束定界符。 以太网传送帧时各帧之间必须有一定的间隙，接收方只要找到帧开始定界符，其后连续到达的比特流就都属于同一个帧。实际上这里用了违规编码法的思想：曼彻斯特编码每个码元中间都有一次电压跳变，发送方发完一帧后，网络接口上的电压不再变化，接收方由此找到帧的结束位置，往前数 4 字节就是 FCS，从而确定数据字段在哪里结束。

802.3 帧与 V2 帧只差一个字段：802.3 用”长度”替代了 V2 帧中的”类型”，指出数据字段的长度。两种机制在实践中可以并存，办法是看这个字段的数值——802.3 数据字段最大为 1500 字节，所以长度值不超过 1500，于是 1501～65535 的值可用于类型标识。

高速以太网

速率达到或超过 100Mb/s 的以太网称为高速以太网：

100BASE-T吉比特以太网10 吉比特以太网
速率100Mb/s1Gb/s10Gb/s
介质双绞线双绞线或光纤双绞线或光纤
通信方式半双工和全双工半双工和全双工只有全双工
CSMA/CD仅半双工时使用仅半双工时使用不使用

100BASE-T（快速以太网）是在双绞线上传送 100Mb/s 基带信号的星形拓扑以太网，2019 年考过它使用的传输介质。它仍使用 CSMA/CD 协议，但可以工作在全双工方式下而无冲突发生，因此全双工时不使用 CSMA/CD。帧格式仍是 802.3 规定的格式，保持最短帧长不变，但把一个网段的最大长度减小到 100m；帧间最小间隔从 9.6μs 改为 0.96μs。

吉比特以太网（千兆以太网）允许在 1Gb/s 下以全双工和半双工两种方式工作，使用 802.3 规定的帧格式，用双绞线或光纤作为传输介质；半双工方式下使用 CSMA/CD，全双工方式下不使用；与 10BASE-T 和 100BASE-T 向后兼容。

10 吉比特以太网的帧格式与 10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s 以太网完全相同，还保留了 802.3 规定的最小帧长和最大帧长，以便升级和向后兼容。它只工作在全双工方式，不存在争用问题，当然也不使用 CSMA/CD。

三者遵循同一条规律：提速改变的是速率和距离，帧格式不变；是否运行 CSMA/CD 只取决于是否半双工，与速率无关。

计算模板：以太网帧要不要填充、要不要分片

设交给 MAC 子层的 IP 数据报总长为 字节：

的范围以太网的处理帧长（不含前导码）
数据字段后填充 字节64B
直接封装
以太网不处理，由 IP 在网络层分片每片各自封装

插入 VLAN 标签的 802.1Q 帧首部多 4 字节，数据下限变为 42 字节、最大帧长变为 1522 字节，见 3.6.4。

例：一个不携带数据的 TCP 确认报文段，IP 数据报总长 B。，需要填充 字节，帧长 B。IP 首部里的总长度字段仍是 40：填充字节属于以太网帧，不属于 IP 数据报，接收方的 IP 靠自己首部的总长度字段剥掉填充。所以题目给出一个以太网帧的十六进制内容、问 IP 数据报多长时，要读 IP 首部的总长度，不能拿帧长减 18。

边界

以太网在交换方式上属于分组交换。 这是站在 1.1.4 交换方式的角度看的：以太网以帧为单位存储、转发，帧的数据部分有 1500 字节的上限。

错题复盘：以太网在交换方式上属于分组交换

王道 3.6.5 第 5 题：就交换技术而言，以太网采用的是（A. 分组交换技术　B. 电路交换技术　C. 报文交换技术　D. 混合交换技术）。答案 A。

源端用户的较长报文需要分为若干数据块，这些数据块在各层还要加上相应的控制信息，在网络层叫分组，在数据链路层就是以太网的帧。帧的数据部分有固定的最大长度，这正是分组交换区别于报文交换的特征。

“最大段长”是无中继时一段介质的长度，不是整个网络的跨度。同轴电缆有粗缆 500m 和细缆 185m 两种，题目问”不能超过”时取上限。

错题复盘：802.3 同轴电缆无中继最大长度取粗缆的 500m

王道 3.6.5 第 14 题：IEEE 802.3 规定，若采用同轴电缆作为传输介质，在无中继的情况下，介质的最大长度不能超过（A. 500m　B. 200m　C. 100m　D. 50m）。答案 A。

10BASE5 粗缆每段最长 500m，10BASE2 细缆每段最长 185m，两者都是同轴电缆，“不能超过”问的是上限。B 的 200m 来自把 10BASE2 的”2”直读成 200m，而这个”2”只是 185m 的近似。

光纤以太网和交换式以太网都不跑 CSMA/CD。 CSMA/CD 只在共享信道 + 半双工时才有意义。集线器连接的以太网一定工作在半双工；交换机连接的以太网半双工、全双工都可以；而一根光纤线内部至少有两条光纤，收发各用一条，天然全双工。

错题复盘：光纤以太网是全双工的，不使用 CSMA/CD

王道 3.6.5 第 9 题：关于用光纤连接的以太网和用双绞线连接的以太网，错误的是（A. 用集线器连接的双绞线以太网一定工作在半双工状态　B. 用交换机连接的双绞线以太网可以工作在全双工状态　C. 光纤以太网主要用于支持点对点通信，目的是扩大以太网的覆盖范围　D. 光纤以太网也可以选用 CSMA/CD 协议）。答案 D。

光纤主要用来扩大以太网的覆盖范围，用于中继设备之间的点对点传输，通常不直接连接终端，所以 C 正确。一根光纤线内部至少包含两条光纤，实现全双工通信，没有冲突可检测，因此光纤以太网不采用 CSMA/CD。

判据只有一条：有没有共享的半双工信道。有，才可能用 CSMA/CD；没有，就一定不用。

曼彻斯特编码只属于 10Mb/s 以太网。 表中四种 10Mb/s 标准都用曼彻斯特编码；高速以太网改用其他编码方式（教材未展开），所以”吉比特以太网采用曼彻斯特编码”是错的。

错题复盘：吉比特以太网既用光纤也用双绞线，也不用曼彻斯特编码

王道 3.6.5 第 18 题：关于吉比特以太网，错误的是（A. 支持流量控制机制　B. 采用曼彻斯特编码，利用光纤进行数据传输　C. 数据的传输时间主要受线路传输延迟的制约　D. 同时支持全双工模式和半双工模式）。答案 B。

王道的解析抓的是介质：吉比特以太网的物理层有 IEEE 802.3z 和 802.3ab 两个标准，前者用光纤通道，后者用 4 对 5 类 UTP，并非只用光纤。另外，曼彻斯特编码只出现在 10Mb/s 那张表里。B 同时错了两处。

以太网的 64 字节最短帧与 PPP 的 0 字节下限是一组对照。 PPP 用于点对点链路，不存在冲突，也就没有最短帧长的限制，信息段为 0～1500 字节，见 3.7.2。

口径差异：今天的以太网与教材模型

教材口径：以共享信道、半双工、CSMA/CD 为基本模型；高速以太网”半双工时仍使用 CSMA/CD”。

工程口径：今天的以太网几乎全是交换机逐端口直连、全双工，CSMA/CD 实际上不再运行。用 Wireshark 抓以太网帧时通常看不到前导码和 FCS，它们由网卡硬件处理后丢弃。类型字段的常见值是 0x0800（IPv4）、0x0806（ARP）、0x86DD（IPv6）。

考试一律按教材口径作答。

对照速查

数字含义
6B（48 位）MAC 地址长度；高 24 位厂商代码、低 24 位序列号
8B前导码 = 7B 前同步码 + 1B 帧开始定界符，不计入帧长
18B首部 14B + 尾部 4B
64B最短帧长（来自 CSMA/CD）
46B最短数据字段
1500B最长数据字段 = 以太网 MTU
1518B最长帧长
500 / 185 / 100 / 2000m10BASE5 / 10BASE2 / 10BASE-T / 10BASE-F 最大段长
说法对错
以太网 MAC 协议提供无连接、不可靠的服务✅（2012）
以太网帧需要帧结束定界符❌
FCS 的检验范围包括前导码❌
100BASE-T 在全双工方式下使用 CSMA/CD❌
10 吉比特以太网支持半双工❌
高速以太网改变了 MAC 帧格式❌
路由器连接两个网络只需一个 MAC 地址❌（两个适配器、两个 MAC 地址）

考点

  • 以太网两项简化：无连接、不可靠（2012）；曼彻斯特编码
  • MAC 地址 6 字节（2013）；路由器每个接口一个 MAC 地址
  • 帧格式：目的 6 + 源 6 + 类型 2 + 数据 46～1500 + FCS 4（2010、2011、2018）
  • 46 = 64 − 18，不足 46 字节要填充（2012）；超过 1500 字节由 IP 分片
  • 不需要帧结束定界符（帧间隙 + 违规编码思想）
  • 高速以太网：帧格式不变；仅半双工时用 CSMA/CD；10G 只有全双工；100BASE-T 用双绞线（2019）

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