以太網協議
歷史上以太網幀格式有五種:
1 Ethernet V1:這是最原始的一種格式,是由Xerox PARC提出的3Mbps CSMA/CD以太網標準的封裝格式,后來在1980年由DEC,Intel和Xerox標準化形成Ethernet V1標準;
2 Ethernet I I即DIX 2.0:Xerox與DEC、Intel在1982年制定的以太網標準幀格式。Cisco名稱為:ARPA。 這是最常見的一種以太網幀格式,也是今天以太網的事實標準,由DEC,Intel和Xerox在1982年公布其標準,主要更改了Ethernet V1的電氣特性和物理接口,在幀格式上并無變化;Ethernet V2出現后迅速取代Ethernet V1成為以太網事實標準;Ethernet V2幀頭結構為6bytes的源地址+6bytes的目標地址+2Bytes的協議類型字段+數據。
常見協議類型如下:
0800 IP,0x86DD IP6
0806 ARP
0835 RARP
8137 Novell IPX
809b Apple Talk
如果協議類型字段取值為0000-05dc(十進制的0-1500),則該幀就不是Ethernet V2(ARPA)類型了,而是下面講到的三種802.3幀類型之一;Ethernet可以支持TCP/IP,Novell IPX/SPX,Apple Talk Phase I等協議;RFC 894定義了IP報文在Ethernet V2上的封裝格式;
PR | SD | DA | SA | TYPE | DATA | PAD | FCS | 56位 | 8位 | 48位 | 48位 | 16位 | 不超過1500字節 | 不夠填充 | 32位 |
在每種格式的以太網幀的開始處都有64比特(8字節)的前導字符,如圖所示。其中,前7個字節稱為前同步碼(Preamble),內容是16進制數0xAA,最后1字節為幀起始標志符0xAB,它標識著以太網幀的開始。前導字符的作用是使接收節點進行同步并做好接收數據幀的準備。 ——PR:同步位,用于收發雙方的時鐘同步,同時也指明了傳輸的速率(10M和100M的時鐘頻率不一樣,所以100M網卡可以兼容10M網卡),是56位的二進制數101010101010..... ——SD: 分隔位,表示下面跟著的是真正的數據,而不是同步時鐘,為8位的10101011,跟同步位不同的是最后2位是11而不是10. ——DA:目的地址,以太網的地址為48位(6個字節)二進制地址,表明該幀傳輸給哪個網卡.如果為FFFFFFFFFFFF,則是廣播地址,廣播地址的數據可以被任何網卡接收到. ——SA:源地址,48位,表明該幀的數據是哪個網卡發的,即發送端的網卡地址,同樣是6個字節. ----TYPE:類型字段,表明該幀的數據是什么類型的數據,不同的協議的類型字段不同。如:0800H 表示數據為IP包,0806H 表示數據為ARP包,814CH是SNMP包,8137H為IPX/SPX包,(小于0600H的值是用于IEEE802的,表示數據包的長度。) ----DATA:數據段 ,該段數據不能超過1500字節。因為以太網規定整個傳輸包的最大長度不能超過1514字節。(14字節為DA,SA,TYPE) ----PAD:填充位。由于以太網幀傳輸的數據包最小不能小于60字節, 除去(DA,SA,TYPE 14字節),還必須傳輸46字節的數據,當數據段的數據不足46字節時,后面補000000.....(當然也可以補其它值) ----FCS:32位數據校驗位.為32位的CRC校驗,該校驗由網卡自動計算,自動生成,自動校驗,自動在數據段后面填入.對于數據的校驗算法,我們無需了解. ----事實上,PR,SD,PAD,FCS這幾個數據段我們不用理它 ,它是由網卡自動產生的,我們要理的是DA,SA,TYPE,DATA四個段的內容. ----所有數據位的傳輸由低位開始(但傳輸的位流是用曼徹斯特編碼的) ----以太網的沖突退避算法就不介紹了,它是由硬件自動執行的. DA+SA+TYPE+DATA+PAD最小為60字節,最大為1514字節. ----以太網卡可以接收三種地址的數據,一個是廣播地位,一個是多播地址(我們用不上),一個是它自已的地址.但網卡也可以設置為接收任何數據包(用于網絡分析和監控). ----任何兩個網卡的物理地址都是不一樣的,是世界上唯一的,網卡地址由專門機構分配.不同廠家使用不同地址段,同一廠家的任何兩個網卡的地址也是唯一的.根據網卡的地址段(網卡地址的前三個字節),可以知道網卡的生產廠家.有些網卡的地址也可以由用戶去設定,但一般不需要. 3 Ethernet 802.3 raw幀格式 如圖5所示,是Ethernet 802.3 raw類型以太網幀格式。  圖5 Ethernet 802.3 raw幀格式 在Ethernet 802.3 raw類型以太網幀中,原來Ethernet II類型以太網幀中的類型字段被"總長度"字段所取代,它指明其后數據域的長度,其取值范圍為:46-1500。 接下來的2個字節是固定不變的16進制數0xFFFF,它標識此幀為Novell以太類型數據幀。 4 Ethernet 802.3 SAP幀格式 如圖6所示,是Ethernet 802. 3 SAP類型以太網幀格式。  圖6 Ethernet 802. 3 SAP幀格式
從圖中可以看出,在Ethernet 802.3 SAP幀中,將原Ethernet 802.3 raw幀中2個字節的0xFFFF變為各1個字節的DSAP和SSAP,同時增加了1個字節的"控制"字段,構成了802.2邏輯鏈路控制(LLC)的首部。LLC提供了無連接(LLC類型1)和面向連接(LLC類型2)的網絡服務。LLC1是應用于以太網中,而LLC2應用在IBM SNA網絡環境中。
新增的802.2 LLC首部包括兩個服務訪問點:源服務訪問點(SSAP)和目標服務訪問點(DSAP)。它們用于標識以太網幀所攜帶的上層數據類型,如16進制數0x06代表IP協議數據,16進制數0xE0代表Novell類型協議數據,16進制數0xF0代表IBM NetBIOS類型協議數據等。
常見SAP值:
0 Null LSAP [IEEE]
4 SNA Path Control [IEEE]
6 DOD IP [79,JBP]
AA SNAP [IEEE]
FE ISO DIS 8473 [52,JXJ]
FF Global DSAP [IEEE]
SAP值用以標志上層應用,但是每個SAP字段只有8bits長,而且其中僅保留了6比特用于標識上層協議,因此所能標識的協議數有限(不超過32種);并且IEEE拒絕為某些重要的協議比如ARP協議定義SAP值(奇怪的是同時他們卻定義了IP的SAP值);因此802.3/802.2 LLC的使用有很大局限性; 至于1個字節的"控制"字段,則基本不使用(一般被設為0x03,指明采用無連接服務的802.2無編號數據格式)。
5 Ethernet 802.3 SNAP幀格式 如圖7所示,是Ethernet 802. 3 SNAP類型以太網幀格式。  圖7 Ethernet 802. 3 SNAP幀格式
Ethernet 802. 3 SNAP類型以太網幀格式和Ethernet 802. 3 SAP類型以太網幀格式的主要區別在于: ●2個字節的DSAP和SSAP字段內容被固定下來,其值為16進制數0xAA。 ●1個字節的"控制"字段內容被固定下來,其值為16進制數0x03。 ●增加了SNAP字段,由下面兩項組成: ◆新增了3個字節的組織唯一標識符(Organizationally Unique Identifier,OUI ID)字段,其值通常等于MAC地址的前3字節, ◆ 增加了表示上層協議的類型 這是IEEE為保證在802.2 LLC上支持更多的上層協議同時更好的支持IP協議而發布的標準,與802.3/802.2 LLC一樣802.3/802.2 SNAP也帶有LLC頭,但是擴展了LLC屬性,新添加了一個2Bytes的協議類型域(同時將SAP的值置為AA),從而使其可以標識更多的上層協議類型;另外添加了一個3Bytes的OUI字段用于代表不同的組織,RFC 1042定義了IP報文在802.2網絡中的封裝方法和ARP協議在802.2 SANP中的實現;
不同廠商對這幾種幀格式通常有不同的叫法,比如:
Frame Type Novel Cisco
Ethernet Version 2 Ethernet_II arpa
802.3 Raw Ethernet_802.3 novell_ether
IEEE 802.3/802.2 Ethernet_802.2 sap
IEEE 802.3/802.2 SNAP ETHERNET_SNAP snap
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TCP/IP協議是一個比較復雜的協議集,有很多專業書籍介紹。在此,我僅介紹其與編程密切相關的部分:以太網上TCP/IP協議的分層結構及其報文格式。我們知道TCP/IP協議采用分層結構,其分層模型及協議如下表: 應 用 層
(Application) | HTTP、Telnet、FTP、SMTP、SNMP | 傳 輸 層
(Transport) | TCP、UDP | 網 間 網層
(Internet) | IP【ARP、RARP、ICMP】 | 網絡接口層
(Network) | Ethernet、X.25、SLIP、PPP | 即MAC地址,具有唯一性。幀類型或協議類型是指數據包的高級協議,如 0x0806表示ARP協議,0x0800表示IP協議等。
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