FPGA工程师必备技能_Ethernet接口_千兆以太网_以太帧详解

• 以太网帧结构
• 版权声明以太网帧结构头部数据上层协议报文校验和校验和计算1、前导码和帧开始符：2、帧后面的校验码 (FCS/CRC)以太网单个最大帧：以太网最小帧：常见的以太网帧类型：

以太网帧结构

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以太网帧结构

以太网帧发送数据时都是从8个字节的前导码开始的。前导码是1和0的交互。

> > 前导码：作用是通知接收方有数据到来。要与其的时钟保持同步。在物理层加进去的。不属于帧这部分
> 
> 	SPD	：是一个字节10101011，最后使用11，来通知接收方下一个字段就是目的主机的位置。
> 
>  	DA	：目的节点的MAC
> 
>  	SA	：源节点的MAC
> 
>  	Type/length:	2字节，根据数值的不同代表不同的封装格式。
> 
>  	字段length ：0x0000~0x50DC 范围内，该帧为802.3 raw 封装
> 
>  	字段type   ：0x0600~0xFFFF 范围内，该帧为 Ethernet II 封装
> 
> 	Payload：上层协议有效载荷。最小为46个字节，最大为1500字节，
> 			 对于Type封装格式，上层协议必须保证该字段的值大于46字节；
> 			 对于 Length 封装,对于有效载荷不够46字节的报文链路层必须进行填充。
> 
>  	FCR 	: 4字节的校验和。（在vlan 头中有trailer字段（尾部标记）：trailer是CRC校验和：对应报文的最后4个字节）

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在以太网中，数据通信的基本单位是 以太网帧 ( frame )，由 头部 ( header )、数据 ( data )以及 校验和 ( checksum )三部分构成：

头部

以太网帧头部包含 3 个字段，依次是：
1、目的地址：长度是 6 字节，用于标记数据由哪台机器接收；
2、源地址 ：长度也是 6字节，用于标记数据由哪台机器发送；
3、类型 ：长度是 2 字节，用于标记数据该如何处理， 0x0800 表示该帧数据是一个 IP 包(后续章节介绍)。

数据

数据 可以是任何需要发送的信息，长度可变， 46 至 1500 字节均可。

上层协议报文

例如 IP 包，可以作为数据封装在以太网帧中，在数据链路层中传输。
因此，数据还有另一个更形象的称谓，即 负荷 ( payload)。

校验和

由于物理信号可能受到环境的干扰，网络设备传输的比特流可能会出错。
一个以太网帧从一台主机传输到另一台主机的过程中，也可能因各种因素而出错。
那么当主机收到以太网帧时，如何确定它是完好无损的呢？
答案是： 校验和 。
我们可以用诸如 循环冗余校验 ( CRC )算法，为以太网帧计算校验和。
如果以太网帧在传输的过程出错，校验和将发生改变。

注意到，以太网帧最后面有一个 4 字节字段，用于保存校验和。
发送者负责为每个以太网帧计算校验和，并将计算结果填写在校验和字段中；
接收者接到以太网帧后，重新计算校验和并与校验和字段进行对比 ；
如果两个校验和不一致，说明该帧在传输时出错了。

校验和计算

校验和，校验和应该叫16进制反码求和，就是将所有的字节加起来，再由ffff来减得到的值。
我这来计算ip header的checksum，其他的校验和计算方式一样的。

从报文中看到header checksum为0X495c

整个ip header去除49 5c，为45 00+00 1d+6d 5e+80 01+c0 a8+01 d4+c0 a8+0101=2B6A1（至于为什么00 00不加不解释）
2B6A1=B6A1+2=b6a3
ffff-b6a3=495c

看结果出来了吧，校验和是个很粗糙的计算方式（与md5相比），如果你source 与destination调换一下，结果相同，在链路层计算正确后到达网络层，经过ip头部校验可能还会出错，到达tcp或者udp也还可能出错，只是方便了网络设备的计算。当然你从source发往destination与destination发往source校验和肯定不会相同，应该里面的ttl与标识符会有差别。

对我们来说能抓到的或者能看到的报文帧，基本上是在目标MAC地址到IP数据包。

1、前导码和帧开始符：

主要做一些底层的数据传输和编码流的二进制流，
它们本身不会被网卡捕获，网卡一般抓包的时候就已经将前导码跟帧开始符解析掉了。

2、帧后面的校验码 (FCS/CRC)

其主要是通过CRC校验判断帧是否有效或者发生篡改或错误，当网卡能收到数据帧并通过抓包工具可以抓到的，就说明该帧没有问题，是有效的，当帧是有效的后，就说明CRC就已经解析掉了。

所以，在整个以太网帧中，能看到的就是目标MAC地址、源MAC地址、帧类型以及IP数据包，当然IP数据包中还会细分许多协议，每个帧之间也是跟CAN类似有，有一定的距离，不可能一帧挨着一帧传输的。

IP数据包里面，有46~1500 字节的长度约束。这不是由ECU决定的。在我们使用的设备中，会有一个最大传输单元（MTU）、MTU一般默认是1518个字节，这就导致IP数据包最多只有1500个字节。

以太网单个最大帧：

6（目的MAC）+ 6（源MAC）+ 2（帧类型）+ 1500（IP数据包（IP头(20)+DATA(1480)））+ 4（CRC校验）=1518字节，
如果带VLAN就是1522字节（VLAN会多出四个字节的帧类型描述）

以太网最小帧：

6（目的MAC）+6（源MAC）+2（帧类型）+46（IP数据包（IP头(20)+DATA(26)））+4（CRC校验）=64字节

常见的以太网帧类型：

0x0800：IPv4

0x0806：ARP

0x8100：VLAN Tag（TPID）

0x86DD：IPv6

0x88F7：PTP / gPTP

0x22F0：AVTP
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下图是用工具抓的两个报文，以方便我们来理解以太网帧结构。上图报文以太网帧如果小于64字节，那么会填充00。

接下来我们对以太网帧进行更详细的分析

接下来我们看一个DoIP的报文。下图为用工具抓的一个DoIP报文。

上图整个DoIP报文整个一个帧是69个字节（14 + 20 + 20 + 8 + 4 + 3），
其实还要再增加4个字节的CRC，总共73个字节。
只不过当网卡识别它是一个有效帧后，就把CRC 解析掉了。

当然，图中也描述了
1、以太帧头：它的源MAC地址（6个字节）和目的MAC地址（6个字节），再加上2个字节的帧类型，共14个字节。
2、IP头：最小是20个字节。
3、 TCP头：DoIP报文是一个UDS的报文，而UDS报文都是通过TCP传输的，因此，会有个TCP的头部，包括 Src
Port（源端口）：13400（这是DoIP的一个端口号）以及 Dst Port（目的端口）：50090。TCP的长度是20个字节；
4、 DoIP协议头部是8个字节的长度；需要注意的是，DoIP的头部并不包括源DoIP地址和目标DoIP地址这4个字节；
5、Payload：3个字节，