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TCP/IP协议专栏——以太帧结构 详解——网络入门和工程维护必看

时间:2023-08-15 03:17:01

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TCP/IP协议专栏——以太帧结构 详解——网络入门和工程维护必看

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)

以太网帧结构

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:IPv40x0806:ARP0x8100:VLAN Tag(TPID)0x86DD:IPv60x88F7:PTP / gPTP0x22F0:AVTP

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。

当以太网帧如果大于1518字节,那么会分片,如下图所示。1008字节ICMP报文分2帧传输。

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,

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