在 IP 数据包交付的过程中，在数据链路层会对数据包进行添加报头信息。以太网协议就是数据链路层的一个重要协议。这样说其实不太准确，因为以太网协议是一个规定数据链路层及物理层的协议，不能说它是数据链路层的一个协议。



以太网帧

以太网帧就是将网络层交付的数据添加报头信息后，此时的数据以帧的形式传递。以太网帧的格式如下：



在这里，目的地址与源地址这里都指的是 MAC 地址。每一个主机对应唯一的一个 MAC 地址，是由网卡决定的，长度是 48 位，所以这里的目的地址与源地址都是 6 个字节，也就是 48 个比特位。

在以太网帧的最后，还有一个  CRC 校验码，来校验数据是否异常。

在中间，有一个两个字节的类型标识。这个类型字段有三种值，分别是 ： IP、ARP、RARP。



IP



如果类型码为 0800 那么在数据链路层解包完毕后，将该数据交付给网络层的 IP 协议来处理该报文。

ARP



如果类型码是 0806 ， 那么在向上层交付的时候就交付给 ARP 协议，这里要说的是 ARP 协议是处于数据链路层与网络层之间的一种协议，也叫作地址解析协议。它将 IP 地址转换为 MAC 地址。



RARP



RARP 协议，就是 Reverse  ARP，与 ARP 协议相同，是将 MAC 地址转换为 IP 地址的协议。



一般来说，数据第一次发送给目的主机时，在这之前应该发送 ARP 协议，根据目的主机的 IP 地址来确定目的主机的 MAC 地址，从而为后面的数据发送与接收提供便利。

MAC地址与IP地址

在数据发送传输的过程中，目的 IP 地址与源 IP 地址是永远不会变的，这是这个数据的起始与终点，而 MAC 地址是一直在变化的，由于数据在传输的过程中会经历很多的主机等，所以在这个过程中 MAC 地址一直在变。类似于我们坐车，要坐车从 A 出发，目的地是 D。这个过程中我们会经过 B C，在到达 B 的时候，此时的 MAC 地址相当于我们上一站是 A ， 下一站是 C。而目的 IP 地址与 源 IP 地址 分别是 D 与 A，这样说的话就很好理解了。

MAC 地址与 IP 地址，一个代表的目的与终点，一个代表着途中的经过。所以在到达目的局域网后，数据包并不知道要传输给哪台主机，因为 MAC 地址的变化，但是目的 IP 地址一直没有变化，所以此时就需要 ARP 协议来确定目的主机的 MAC 地址。



MTU

在谈 IP 协议的时候说到， IP数据报的长度受数据链路层的 MTU 影响。数据链路层要求在网络层传输过来的数据包必须在 MTU 范围内，以太网帧中的数据长度必须在 46字节到1500字节当中去。也就是说在 IP 层在添加报头信息之前，要判断此时由传输层传输过来的数据段是否超过了 1480 个字节（以太网帧中的数据包括 IP 协议的报头信息，IP 协议的报头信息为 20 字节），如果超过了，那么则对该数据段进行分片，所有被分片的数据的 IP 报头信息当中，它们的 16 位标识都是相同的，并且报头信息中的标志字段中第二位为 0 ，第三位如果为 1 ，代表着报文的结束。

接收端在接收到这里分片数据后，根据 IP 报头信息的 16 为标识信息、三位标志位、13位偏移量信息进行组装。

如果分片后的数据在接收端丢失某一片，那么就组装失败。即使组装失败， IP 层也不负责重新传输的功能。这是传输层所该做的事情。

我们发现 ARP 协议与 RARP 协议它们的实际数据只有 28 个字节，于是在它的报文后进行补位，其中 PAD 就是用来填充的，使 ARP / RARP 协议的长度达到 MTU 的最小字节数。



对于 UDP 传输的影响

一旦 UDP 携带的数据超过了 1472 （MTU - IP报头 - UDP报头 = 1500 - 20 - 8），那么在 IP 层就会对该数据分片，一旦分片就意味着增加了 UDP 传输丢包的可能性。 由于 UDP 协议传输本身就不负责可靠性，再加上分片，那么丢包的可能性就大大增加。



对 TCP 传输的影响

TCP 协议在传输时也收到 MTU 的影响。一个 TCP 数据报的最大长度为 MSS 。MSS 处于 TCP 报头信息选项中。在 TCP 进行链接的时候，双方在发送 SYN 与 SYN + ACK 时就会在选项内对 MSS 进行设置。在双方都得到对方的 MSS 时，选择较小的 MSS 的值作为最终的 MSS 。

再说明白点，MSS 的大小其实就是应用层给传输层的交付的数据的大小。不包括传输层的报头信息。所以在计算 MSS 的时候，用 MTU 减去网络层报头长度以及传输层报头长度即可。





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MAC发送模块

　　MAC发送模块可将上层协议提供的数据封装之后通过MII接口发送给PHY。发送模块可接收主机接口模块的数据帧开始和数据帧结束标志，并通过 主机接口从外部存储器中读取要发送的数据，然后对数据进行封装，然后通过PHY提供的载波侦听和冲突检测信号，在信道空闲时通过MII接口将数据以4位的 宽度发送给PHY，最后由PHY将数据发送到网络上。

　　发送模块由CRC生成模块(crc_gen)、随机数生成模块(random_gen)、发送计数模块(tx_cnt) 和发送状态机(tx_statem_模块等四个子模块组成。



CRC生成模块(crc_gen)

　　该模块用于计算发送数据的CRC值，并将CRC值添加到数据帧的帧校验序列字段(FCS)内。为了提高效率，并考虑到MAC与PHY的数据通道 为4位，设计时可采用4位并行CRC计算方法，算法中可使用一个次态函数，并通过循环迭代来模拟移位操作。这样，发送模块就可以在边发送数据到PHY的同 时，一边计算CRC，这样当数据发送完时，CRC值也计算完成了。



随机数生成模块(random_gen)

　　如在发送过程中检测到冲突，发送模块就先发送拥塞码(jam)，随后停止发送。在下次重新发送之前，发送模块会先执行一个后退 (backoff)操作，即发送模块等待一个半随机(生成的随机数有范围限制)的时间之后再开始发送。该随机数就是由随机数生成模块产生的，它采用经典的 截断二元指数后退算法，后退的时间是一个与发生冲突次数有关的随机数，随着冲突的次数增多，用于生成该随机数的范同也将逐渐增大，以减少冲突的概率。

发送计数模块(tx_cnt)

　　发送计数模块由半字节计数器(nibcnt)、字节计数器和重试次数计数器(retrycnt)三个计数器组成。其中重试次数计数器 (retrycnt)可对发送某个帧时产生冲突次数进行计数。当计数器的值达到最大重试次数时，它将放弃重试，并丢弃发送缓冲器内的数据。同时，重试计数 器的值还被随机数生成模块用于计算下次重试之前需要后退(backoff)的时隙的个数。

　　半字节计数器和字节计数器分别用于对发送过程中的半字节(bibble)和字节进行计数。

　　信道忙时，发送模块会一直等待，半字节计算器一直计数。当计数到额定等待时间时(最大帧长度的两倍，即3036字节时间)，系统会根据设置放弃 发送或是一直等待(可选功能)。一旦信道空闲再进入帧间间隙周期(≥96个比特时间)，南半字节计数器从零开始计数。帧间间隙分为两个部分，在前2／3个 周期中，如果检测到信道忙信号，则半字节计数器复位，发送模块重新开始等待；在后l／3周期中，即使检测到信道忙信号，半字节计数器也不会复位，而是继续 计数，以保证每个站点公平的竞争信道。而当半字节计数器的值达到帧问间隙周期时，此时如果有数据等待发送，发送模块就开始发送数据。此外，半字节计算器还 用于前序码的生成和短帧的判断，在数据帧的长度小于最小帧时，发送模块必须根据系统设置进行填充或不填充。

　　字节计算器还可用于滞后冲突(late collision)和超长帧的判断。当滞后冲突发生时，正在发送的数据将被丢弃。超长帧的判断则是从对帧内容(包括FCS)进行字节计数，如果字节计数 器的值大于最大有效帧的长度(1518个字节)，发送模块就根据系统设置(是否支持超长帧)丢弃或发送。

发送状态机模块(tx_statem)

　　发送状态机模块是整个发送模块的核心，主要用于控制整个发送过程。发送状态机由I-die_State、Preamble_State、 Data0_State、 Da-tal_State、 PAD_State、 FCS_State、 IPG_State、Jam_State、BackOff_State、Defer_State等十个状态组成。

　　系统复位后，发送模块即进入Defer_State状态，并一直检测载波侦听(CarrierSense)信号。当载波侦听信号变成无效(表示 信道空闲)时，状态机进人IPG_State状态。尔后，在等待一个帧间间隙之后，状态机则进入Idle_State状态。如果在帧间间隙的前2／3个周 期检测到信道忙信号，状态机将重新回到Defer_State状态。

　　状态机进入Idle_State状态之后，发送模块将检测载波侦听信号和主机接口的发送请求。若主机模块请求发送，状态机将进入 Preamble_State状态，发送模块即通知PHY发送开始，同时开始发送前序码(7个0x5)，然后发送帧起始定界符(SFD，0xd)。状态机 进入Data0_State后，发送模块将发送一个数据字节的低4位(LSB nibble)，将当其进入Data1_State状态后，发送模块则发送数据字节的高4位（MSB nibble)。随后，状态机一直在data0和data1之间循环，直到数据发送完毕。当还剩一个字节时，主机模块将通过发送帧结束信号来通知发送模 块。如果数据帧的长度大于最小帧并且小于最大帧，状态机就进入FCS_State状态，此时发送模块则将CRC生成模块生成的CRC值添加到帧的FCS字 段中并发送给PHY。帧发送完之后，状态机进入Defer_State状态，之后是IPG_State和Idle_State状态。此后状态机又回到初始 状态，以重新等待新的发送请求。

　　如果数据帧的长度小于最短帧，状态机就进入PAD_State状态，发送模块根据系统设置是否在数据之后来添加填充码。然后，状态机进入 FCS_State状态。如果数据帧的长度大于最大帧，而系统设置又支持发送超长帧，那么，状态机就进入FCS_State状态；如果不支持发送超长帧， 发送模块将放弃发送，状态机直接进入Defer状态，然后是IPG状态，最后回到Idle状态。

　　在发送数据的过程中，发送模块会一直检查冲突检测信号(collision detected)。如果发现冲突且状态机正处于Preamble_State，状态机将在发送完前序码和SFD之后进入Jam_State，并发送拥塞 码，然后进入BackOff状态，以等待重试。之后，状态机经过Defer和IPG回到Idle状态。如果此时重试次数计数器的值没有达到额定值，发送模 块将重新开始发送刚才的帧，并将重试次数计数器的值加1；如果发现冲突且状态机处于data0、da-tal或FCS状态，而且没有超过冲突时间窗，那么 状态机将马上进入Jam状态发送拥塞码，之后经过BackOff、Defer、IPG、回到Idle，并根据重试计数器的值决定是否重新发送刚才的数据 帧；如果检测到发生冲突的时间超过了冲突时间窗，状态机将进入Defer状态，然后经过IPG到IDLE状态，并放弃重试。

　　在全双工模式中发送帧时，不会进行延迟(defer)，发送的过程中也不会产生冲突。此时，发送模块将忽略PHY的载波侦听和冲突检测信号。当 然，帧与帧之间仍然需遵守帧间间隙的规则。因此，全双工模式下的发送状态机没有Jam_State、。BackOff_State、 Defer_State三个状态。



MAC接收模块

　　MAC接收模块负责数据帧的接收。当外部PHY将通信信道的串行数据转换为半字节长的并行数据并发送给接收模块后，接收模块会将这些半字节数据 转换为字节数据，然后经过地址识别、CRC校验、长度判断等操作后，再通过主机接口写入外部存储器，并在主机接口模块的接收队列中记录帧的相关信息。此 外，接收模块还负责前序码和CRC的移除。

　　接收模块由CRC校验模块、地址识别模块、接收计数器模块和接收状态机模块等四部分组成。

　　接收模块中的CRC校验模块可通过检查输入帧的CRC值来验证帧的正确性。其算法与CRC生成模块相同。

　　地址识别模块用于决定是否接收收到的帧，接收模块首先接收输入帧而不管目的地址，随后由地址识别模块检查帧中的目的地址。若MAC被设置为混杂模式(Promiscuous mode)且目的地址为广播地址，同时允许接收广播帧，帧则被接收。否则，帧被丢弃。

　　接收计数器模块由字节计数器(Bytecnt)和帧间间隙计数器(IFGcnt)组成。字节计数器在接收帧过程中将对字节进行计数，以用于识别 帧中的各个字段(前序码、目的地址字段、数据、FCS等)以及判断超长帧。帧间间隙计数器则对两帧之间的间隔时间进行计数，以用于判断下一帧数据的开始。 IEEE 802.3规定，两帧之间的间隔至少必须为96个比特时间(10 Mbps中为9 600ns，100 Mbps中为960 ns)。如果两帧之间的间隔小于要求，帧将被丢弃。

　　接收状态机为接收模块的核心，用于控制整个接收过程。接收状态机由Idle_State、Drop_State、Preamble_State、 SFD_State、 Da-ta0_State、Data1_State等六个状态组成。

　　系统复位后，状态机处于Drop_State。如果此时MII的数据有效信号(MRxDV)无效，状态机马上进入Idle_State状态，并一直处于Idle等待接收输入帧。

　　当接收模块检测到数据有效信号之后，状态机将进入Preamble_State，并开始接收前序码。此后再状态机进入SFD_State，接收 一个字节的帧起始定界符，之后，根据IFGcnt计数器的值进入不同的状态。如果，IFGcnt所确定的时间大于96个比特时间，状态机将进入Data0 状态以接收字节的低4位，然后是Data1状态，并接收字节的高4位，之后又回到Data0状态。状态机就一直在这两个状态之间循环，直到数据接收完毕 (PHY清除MRxDV信号)后进入Idle，以重新等待接收新的数据；如果接收到帧起始定界符时，IFGcnt计数器所确定的时间小于96个比特时间， 那么状态机将进入Drop_State状态，并一直维持该状态直到数据有效信号结束(PHY清除MRxDV信号)。之后，状态机再同到Idle等待接收新 的数据。

　　如果在接收前序码、帧起始定界符和数据期间，数据有效信号被清除，那么，状态机将回到Idle。







MII管理模块

　　MII管理模块用于控制MAC与外部PHY之间的接口，以用于对PHY进行配置并读取其状态信息。该接口由时钟信号MDC和双向数据信号MDIO组成。MII管理模块则由时钟生成模块、移位寄存器模块和输出控制模块三部分组成。

　　时钟生成模块可以根据系统时钟和系统设置中的分频系数来产生MII管理模块的时钟信号MDC(10 Mbps速率时为2.5 MHz，100 Mbps速率时为25 MHz)。

　　移位寄存器模块既可用于对PHY的控制数据进行写入操作，也可用于对PHY的状态信息进行读出操作。写控制数据时，移位寄存器根据其他模块的控 制信号将并行控制数据转换为串行数据；而在读状态信息时，移位寄存器则将PHY的串行数据转换为并行数据，MAC中的其他模块可将该并行数据写入适当的寄 存器。

　　由于MDIO是双向信号，因此，输出控制模块就用来决定MDIO是处于输入状态还是输出状态。当MDIO处于输出状态时，移位寄存器输出的串行控制数据在经过时钟同步后发送到PHY；当MDIO处于输入状态时，移位寄存器将数据线上的串行数据转换为并行数据。

主机接口模块

　　主机接口是运行以太网的上层协议(如TCP／IP协议)与MAC控制器的接口。通过该接口，上层协议可以设置MAC的工作模式并读取MAC的状态信息。该接口还可用于上层协议与MAC之间的数据交换。

　　主机接口模块内有一组寄存器，可用于存储上层协议对MAC设置的参数以及MAC的状态信息。上层协议对MAC设置的参数包括接收超短帧的使能、 添加填充码使能、持发送超长帧的使能、添加CRC校验值使能、全双工模式或半双工模式、持超长延迟(Defer)使能、混杂模式 (Promiscuous)、接收广播帧使能、发送和接收使能、中断源和中断使能、帧间间隙的长度、最大帧和最小帧的长度、重试限制和冲突时间窗、MII 地址和MII控制命令、接收和发送队列的长度以及本机MAC地址等。

　　上层协议通过MAC发送和接收数据的操作主要由主机接口模块内的两个队列来进行管理，这两个队列用于对等待发送的多个帧和接收到的多个帧进行排队。

　　发送队列主要记录等待发送的帧的相关信息、发送该帧时对MAC的设置以及该帧发送完之后产生的状态信息。帧的相关信息包括帧的长度、帧在外部存 储器中的地址、该帧是否准备好发送以及队列中是否还有其它帧等待发送；对MAC的设置则包括中断使能、填充使能、CRC使能；产生的状态信息包括成功发送 之前的重试次数、由于达到重试限制而放弃发送、发送时产生的滞后冲突以及成功发送之前发生过的延迟。

　　接收队列主要对接收到的数据帧进行排队并记录每个接收到的帧信息。这些信息包括帧的长度、是控制帧还是普通数据帧、帧中包含无效符号、接收到的 帧太长或太短、发生CRC错误、接收的过程中发生滞后冲突、帧是否接收完、队列中是否还有其它已接收到的帧以及帧存储在外部存储器中的地址等。该位同时队 列中还有针对每个帧的设置位，用来设置是否在接收到帧时产生中断。

　　发送队列和接收队列的长度都可以在控制寄存器中进行设置。

以太网(Ethernet)
以太网是一种局域网技术，其规定了访问控制方法、传输控制协议、网络拓扑结构、传输速率等，完成数据链路层和物理层的一些内容，它采用一种称作CSMA/CD的媒体接入方法，其意思是带冲突检测的载波侦听多路接入（Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection），另外的一些局域网技术有令牌环网，无线LAN等。
以太网协议
TCP/IP四层模型中，以太网协议采用RFC894格式，如下图：


其中目的地址和源地址指的是MAC地址，即设备的物理地址。MAC地址用于标示网卡，每个网卡都具有唯一的MAC 地址


当在同一个局域网中，主机A需要给主机B发送消息时，主机A将以太网桢发出，此时局域网中所有主机均可收到这个桢，主机中的网卡接收到以太网桢后，会将目的MAC地址和自己的MAC地址进行比较，如果不相同就会丢弃，如果相同则会接收，此时则Ｂ主机就收到了Ａ的消息。

以太网桢中的类型指的是，其内部数据的协议类型，如果中间是IP数据报则协议类型为0800,　如果是ARP请求或者应答，则为0806，类型占两个字节

其最后面是CRC循环冗余码，用于差错控制，即检验桢的正确性

最后就是以太网桢为了提供足够快的响应速度具有长度限制，其数据部分的最大长度受到MTU控制， 最小长度不能小于46字节，如ARP请求为28位，为了满足最小长度需要填充到46位（PAD）
MTU(最大传输单元)
MTU是根据不同类型的网络给出的最大传输单元的限制，如以太网的MTU为1500字节，16MB/s的令牌环(IBM)的MTU 为17914字节，其作用是为了保证网络有足够快的响应速度，另外MTU 指的是以太网桢数据部分的长度，并非以太网桢的长度。假设需要发送的UDP数据报长度大于MTU减去IP首部长度，此时数据报在IP层就会进行分片。


单播　多播　广播
在以太网协议中，目的地址分为三种单播地址、广播地址、多播地址，其中单播地址如上面Ａ给Ｂ主机发送，其接收者为一个，并且其目的地址的最高字节的低位为０，

以太网多播地址48位中的最高字节的低位为１，如 01:00:00:00:00:00 ,只要这一位为１均为多播地址，‘

以太网广播地址可以看作特殊的多播地址其48位全为１　11:11:11:11:11:11，

当网卡收到一个桢后查看桢检验和，如果桢检验和出错则丢弃，然后进行桢过滤，检验其桢是否具有合法的桢类型，其目的地址是否和自己的物理地址相同，或者是否是多播地址，然后根据帧类型进行分用。

另外网卡可以设置为混合模式，可以接受每个收到的桢的一个复制，tcpdump采用这种方法。
参考：《TCP/IP详解卷1：协议》 LawrenceBerkeley

声明：本文所说的以太网协议均为mac协议
下面我将从数据链路层的三个要素着手，来讨论ppp协议与以太网协议的异同。
0x1封装成帧
大家都知道当ip数据报传到数据链路层时需要封装成帧，ppp协议采用的方式是通过在ip在每个帧的首尾都添加一个帧定界符（soh与eot），但是以太网协议生成的帧却只有头部帧定界符，为什么mac帧不需要尾部定界符呢？这就和以太网采用的对信号的编码方式有关了，以太网采用曼彻斯特编码，而，曼彻斯特编码的每一个码元的正中间都一定会有一次电压的跳变，当以太网把一个mac帧发完过后就不在发送其他的码元了（mac帧之间都是有一定间隙的），所以这样就很容易找到帧的结束位置。
0x2透明传输
ppp协议在透明传输时，会对一些产生歧义的数据进行转义操作，但是，以太网协议不需要担心这一问题因为在mac帧中不可能出现歧义数据。理由同上
0x3差错检测
ppp协议与以太网协议都是采用crc差错校验。
此处贴一个从其他方面进行分析的文章链接：点击打开链接