📖 3.6 以太网的MAC帧格式

🎯 课程摘要：本节课介绍以太网 V2(即 DIX Ethernet II)的 MAC 帧格式，详细讲解各字段(目的地址、源地址、类型、数据载荷、FCS)的作用与长度，推导最小帧长 64 字节、最大帧长 1518 字节的由来，并说明物理层前导码及无效帧的判定。

📝 详细笔记

1. 两种 MAC 帧标准

• 概念定义：以太网的 MAC 帧格式分为两种标准——DIX Ethernet II(以太网版本 2)的帧格式和 IEEE 802.3 的帧格式。
• 原理解析：
  • 两种标准的 MAC 帧格式差别很小，仅类型字段有差别。
  • 很多人并未严格区分这两种标准。
  • 市场上流行的是以太网版本 2 的 MAC 帧，故本课只介绍以太网 V2 的 MAC 帧格式。
• ⚠️ 重点/考点：以太网 V2 与 IEEE 802.3 的唯一差别在类型字段；实际应用以 V2 格式为主。

2. 以太网 V2 的 MAC 帧格式

• 概念定义：以太网 V2 的 MAC 帧由目的地址、源地址、类型、数据载荷、帧检验序列 FCS 五个字段组成。
• 原理解析（各字段说明）：

• 类型字段常见取值：
  • 0x0800 → 数据载荷为 TCP/IP 网际层 IP 协议封装的 IP 数据报。
  • 0x8137 → Novell 网络层 IPX 协议封装的协议数据单元。
• ⚠️ 重点/考点：FCS 的 CRC 校验范围覆盖目的地址、源地址、类型、数据载荷四个字段(不包含 FCS 本身)。

3. 最小帧长与最大帧长

• 概念定义：为满足以太网最小帧长 64 字节的规定，并兼顾差错处理效率，数据载荷字段长度有上下限。
• 原理解析：
  • 帧首部与尾部共 18 字节(目的地址 6 + 源地址 6 + 类型 2 + FCS 4)。
  • 最小帧长 64 字节：除去首部尾部 18 字节，数据载荷字段最小长度应为 46 字节。当数据载荷长度小于 46 字节时，数据链路层会在数据载荷字段后插入相应数量的填充字节，以确保 MAC 帧长度不小于 64 字节。
  • 最大帧长：考虑差错处理等因素，数据载荷最大长度限制为 1500 字节(MTU)。
  • 因此以太网 V2 的 MAC 帧最大长度 = 18 + 1500 = 1518 字节。
• ⚠️ 重点/考点：
  • 最小帧长 64 字节(数据载荷 ≥ 46 字节，不足则填充)。
  • 最大帧长 1518 字节(数据载荷 ≤ 1500 字节)。
  • 填充字节计入 FCS 校验范围。

4. 物理层前导码

• 概念定义：以太网数据链路层将封装好的 MAC 帧交付物理层发送前，物理层会在其前面添加 8 字节的前导码。
• 原理解析：

• ⚠️ 重点/考点：前导码(8 字节)由物理层添加，不计入 MAC 帧长度，因此最小/最大帧长(64/1518 字节)不含前导码。

5. 无效 MAC 帧的判定与处理

• 概念定义：接收方可能收到的无效 MAC 帧包括以下几种情况。
• 原理解析：
  1. MAC 帧的长度不是整数个字节。
  2. 通过 MAC 帧的 FCS 字段值检测出帧有误码。
  3. MAC 帧的长度不在 64~1518 字节之间。
• ⚠️ 重点/考点：接收方收到无效的 MAC 帧时就简单地将其丢弃；以太网的数据链路层没有重传机制(重传由上层协议如 TCP 负责)。

💡 核心总结

• 以太网 V2 与 IEEE 802.3 MAC 帧仅类型字段不同，实际以 V2 为主。
• MAC 帧五字段：目的地址(6B) + 源地址(6B) + 类型(2B) + 数据载荷(46~1500B) + FCS(4B)，首尾共 18B。
• 最小帧长 64B(数据载荷不足 46B 则填充)，最大帧长 1518B(数据载荷上限 1500B)。
• 物理层添加 8B 前导码(7B 前同步码 + 1B 帧开始定界符)，不计入帧长。
• 无效帧(非整字节/误码/长度越界)直接丢弃，数据链路层无重传机制。

❓ 课后思考 / 经典考题

1. 以太网 V2 的 MAC 帧各字段长度和作用分别是什么？
2. 为什么以太网最小帧长规定为 64 字节？数据载荷不足 46 字节时如何处理？
3. 以太网最大帧长 1518 字节是如何得出的？为什么数据载荷要限制最大长度？
4. 物理层添加的 8 字节前导码包含哪两部分？为何不计入 MAC 帧长度？
5. 哪些情况下接收方判定 MAC 帧无效？收到无效帧后如何处理？