1. 基本以太网帧格式

以太网帧格式

1.1 物理层字段

以下字段由物理层处理，通常不计入数据链路层帧的大小：

• 前导码（Preamble）： 7字节，10101010，用于发送方和接收方之间的时钟同步。
• 帧起始定界符（SFD, Start Frame Delimiter）： 1字节，固定值为10101011，标志着前导码的结束和帧头部的开始。

1.2 数据链路层头部字段

• 目标MAC地址（DA, Destination MAC Address）： 6字节，指定帧的接收者。可用于单播、多播或广播寻址 。
• 源MAC地址（SA, Source MAC Address）： 6字节，标识帧的发送设备。
• 以太网类型（EtherType）/长度（Length）： 2字节。如果值大于或等于1536（0x0600），则为以太网类型（Ethernet II帧），指示上层协议类型，例如0x0800表示IPv4数据报 。如果值小于或等于1500（0x05DC），则为长度（IEEE 802.3帧），指示数据载荷的长度，不包括FCS。
  MAC 地址详见：MAC地址格式。

1.3 数据与校验字段

• 数据载荷（Payload）： 变长字段，包含实际数据，如上层协议数据单元。标准以太网帧的有效载荷大小为46到1500字节。如果数据小于46字节，会添加填充（Padding）字节以满足最小帧长要求。
• 帧校验序列（FCS, Frame Check Sequence）： 4字节，用于错误检测。发送方计算一个32位循环冗余校验（CRC）值，接收方重新计算并比对，如果不匹配则丢弃该帧。

2. IEEE 802.1Q（单标签）帧格式

IEEE 802.1Q是用于在以太网网络上支持虚拟局域网（VLAN）的协议标准。该标准定义了一种VLAN标签系统，将一个4字节的标签字段插入到原始以太网帧中，以区分来自不同VLAN的流量。此标签插入在源MAC地址和类型/长度字段之间，因此会使原始帧的帧校验序列（FCS）必须重新计算。

VLAN Tag 格式

该4字节的VLAN标签包含两个主要部分：

• 标签协议标识符（TPID）： 一个16位的字段，其固定值为0x8100，用于标识该帧为IEEE 802.1Q标签帧。

• 标签控制信息（TCI）： 一个16位的字段，进一步细分为三个子字段：

  • 优先级代码点（PCP）： 一个3位的字段，用于指定帧的优先级，支持8个优先级级别。
  • 规范格式指示符（CFI）/丢弃资格指示符（DEI）： 一个1位的字段，在以太网中通常为0，用于兼容性和丢弃资格指示。
  • VLAN标识符（VID）： 一个12位的字段，用于唯一标识帧所属的VLAN。它支持高达4094个VLAN（4095保留，0代表没有指定VLAN ID，只有优先级）。

由于插入了这4字节的标签，带有802.1Q标签的以太网帧最大尺寸可达1522字节。

3. QinQ（IEEE 802.1ad）帧格式

QinQ（也称“VLAN叠加”或“双层VLAN”）技术是IEEE 802.1ad标准的一部分。该协议通过在原有帧中添加一个额外的VLAN标签来扩展VLAN数量，从而解决IEEE 802.1Q标准中4096个VLAN ID的限制。它还允许运营商在骨干网中对不同客户的流量进行封装和隔离，以提供二层VPN服务。

3.1 QinQ帧结构：S-TAG与C-TAG

QinQ帧结构的核心是“双标签栈”设计。在原始以太网帧的源MAC地址和原始以太网类型字段之间插入一个额外的4字节VLAN标签 。

• C-TAG（Customer Tag）： 位于内层，最靠近数据载荷。其以太网类型为0x8100 。C-TAG承载客户私有网络的VLAN信息，在运营商网络中被透明传输。
• S-TAG（Service Provider Tag）： 位于外层，最靠近以太网头部 。其以太网类型通常为0x88a8 。S-TAG由运营商分配，用于在公共网络中区分来自不同客户的流量。

3.2 实现模式

• 基于接口的封装（基本QinQ）： 所有进入特定接口的流量，无论是否已带VLAN标签，都会被封装上一个相同的S-TAG。
• 基于流的封装（选择性QinQ）： 根据预定义规则对流量进行分类，并为不同类型的流量分配不同的S-TAG。分类规则可以基于内层VLAN ID或802.1p优先级。

无标签以太网帧、802.1Q帧和QinQ帧的结构

4. CRC校验

以太网的CRC校验是对从目标MAC地址到数据载荷的所有字节进行CRC-32计算，得到的32位校验值作为FCS附加在帧尾，接收端再按相同方法计算并检查结果是否为0，若不为0则丢弃该帧。CRC校验示例代码如下（小端）：

uint32_t EthernetCrc32(const uint8_t *data, uint32_t length) 
{
    uint32_t crc = 0xFFFFFFFF;
    for(uint32_t i = 0; i < length; i++) {
        crc ^= data[i];
        for(uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
            if(crc & 1) {
                crc = (crc >> 1) ^ 0xEDB88320;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc^0xFFFFFFFF;
}