以太网基础知识：从帧格式、MAC地址到交换机转发

1 前言

        以太网（Ethernet）是现代局域网、数据中心网络、嵌入式网络和工业网络中最基础、最常见的二层通信技术。无论是普通 PC 通过网线接入路由器，服务器通过 ToR Switch 接入数据中心网络，还是 FPGA/SoC 通过 MAC + PHY 接口实现网络通信，底层都离不开以太网。

        对初学者来说，以太网容易被 TCP/IP、路由器、交换机、网卡、MAC 地址、IP 地址、ARP、VLAN 等概念混在一起。实际上，可以先建立一个清晰的学习主线：

网络分层
  -> 以太网帧格式
  -> MAC 地址
  -> ARP
  -> 交换机转发
  -> VLAN
  -> STP / LACP / QoS
  -> Wireshark 抓包
  -> MAC / PHY 硬件结构
  -> Switch 芯片架构

        本文按照这个顺序系统介绍以太网基础知识。目标不是一次性覆盖所有 IEEE 802.3 的细节，而是帮助读者建立一套可继续深入学习网络协议、交换机系统、网卡驱动、FPGA Ethernet MAC 或 Switch ASIC 的基础框架。

2 以太网是什么

        以太网是一组用于局域网通信的技术标准，主要由 IEEE 802.3 系列标准定义。它规定了设备如何在物理介质上传输 bit，也规定了二层数据帧的基本格式和访问方式。

        在实际网络中，我们常见的“插网线即可上网”背后通常包含如下组件：

        以太网经过多年发展，速率从早期的 10 Mb/s 提升到今天数据中心常见的 100G、200G、400G，甚至 800G 级别。

3 网络分层视角下的以太网

        学习以太网时，首先要把它放到网络分层模型中理解。常见的模型有 OSI 七层模型和 TCP/IP 四层模型。

        以太网主要覆盖 物理层 L1 和 数据链路层 L2。其中：

• L1 关心 bit 如何通过电信号或光信号传输；
• L2 关心 frame 如何组织、如何寻址、如何在局域网内转发。

        以一次浏览网页为例，数据在发送时会被逐层封装：

HTTP 数据
  -> TCP Segment
  -> IP Packet
  -> Ethernet Frame
  -> 物理信号

        接收端则反向解封装：

物理信号
  -> Ethernet Frame
  -> IP Packet
  -> TCP Segment
  -> HTTP 数据

4 以太网物理层基础

        物理层决定数据如何在真实介质上传输。常见以太网介质包括双绞线、光纤和高速板级 SerDes 链路。

4.1 常见传输介质

4.2 网线类型

        家用或办公网络中常见的是 RJ45 接口和双绞线，而数据中心高端交换机更多使用光模块和高速 SerDes。

4.3 PHY 的作用

        PHY 是 Physical Layer Transceiver 的简称，负责把 MAC 侧的数字信号转换为适合物理介质传输的信号，也负责从物理介质中恢复数据。

主机/芯片内部
  MAC
   |
   | GMII / RGMII / SGMII / XGMII
   |
  PHY
   |
   | 电信号 / 光信号
   |
  网线 / 光纤

4.4 全双工、半双工和自协商

        早期以太网中，多个设备共享同一介质，可能发生冲突，因此有 CSMA/CD 和半双工概念。现代交换式以太网基本都工作在全双工模式，收发可以同时进行，不再需要传统意义上的碰撞检测。

5 MAC 地址基础

        MAC 地址是以太网二层寻址的核心。每个网络接口通常都有一个 48 bit 的 MAC 地址，例如：

00:1A:2B:3C:4D:5E

        这个地址可以分成两部分：

前 24 bit：OUI，厂商标识
后 24 bit：厂商自行分配

5.1 单播、组播和广播

        交换机转发以太网帧时，主要依据目的 MAC 地址和 VLAN 信息进行查表。

5.2 MAC 地址和 IP 地址的区别

        一个常见误区是：既然有 IP 地址，为什么还需要 MAC 地址？原因是 IP 负责跨网络的逻辑寻址，而在每一跳实际链路上传输时，仍然需要二层 MAC 地址完成本地交付。

6 以太网帧格式

        以太网帧是二层传输的基本单位。最常见的是 Ethernet II 帧格式。

+----------+-----+-----------------+-----------------+-----------+---------+-----+
| Preamble | SFD | Destination MAC | Source MAC      | EtherType | Payload | FCS |
| 7 Bytes  | 1 B | 6 Bytes         | 6 Bytes         | 2 Bytes   | 46~1500 | 4 B |
+----------+-----+-----------------+-----------------+-----------+---------+-----+

6.1 字段说明

6.2 常见 EtherType

6.3 最小帧长和最大帧长

        标准以太网帧从 Destination MAC 到 FCS 的长度最小为 64 Bytes，最大通常为 1518 Bytes。如果带 VLAN Tag，则常见最大长度为 1522 Bytes。

        如果 Payload 太短，需要通过 Padding 填充到最小帧长。FCS 用于检测传输过程中是否发生 bit 错误。

7 ARP：IP 地址如何找到 MAC 地址

        在 IPv4 网络中，主机通常知道目标 IP 地址，但真正发送以太网帧时必须知道下一跳的 MAC 地址。ARP（Address Resolution Protocol）就是用来完成 IPv4 地址到 MAC 地址映射的协议。

7.1 ARP 的基本过程

        假设主机 A 要访问同一局域网中的主机 B：

主机 A IP: 192.168.1.10
主机 A MAC: AA:AA:AA:AA:AA:AA

主机 B IP: 192.168.1.20
主机 B MAC: BB:BB:BB:BB:BB:BB

        如果主机 A 不知道主机 B 的 MAC 地址，会先发送 ARP Request：

Who has 192.168.1.20? Tell 192.168.1.10

        这个 ARP Request 的目的 MAC 是广播地址：

FF:FF:FF:FF:FF:FF

        主机 B 收到后回复 ARP Reply：

192.168.1.20 is at BB:BB:BB:BB:BB:BB

        主机 A 收到后会把映射关系记录到 ARP 表中。

7.2 ARP 表

        操作系统会维护 ARP 缓存表，例如：

        ARP 表项通常有老化时间，长时间不用会被删除。

7.3 Gratuitous ARP

        Gratuitous ARP 是一种特殊 ARP，用于主动宣告自己的 IP 和 MAC 映射关系。常见用途包括：

• IP 地址冲突检测；
• 主备切换时刷新网络中其他设备的 ARP 缓存；
• 虚拟 IP 漂移场景。

8 交换机如何转发以太网帧

        交换机是二层网络的核心设备。它根据 MAC 地址表决定以太网帧应该从哪个端口发出。

8.1 Hub、Switch 和 Router 的区别

8.2 MAC 地址学习

        交换机收到一个以太网帧时，会先查看源 MAC 地址，并记录：

源 MAC 地址 -> 入端口

        例如交换机从 Port 1 收到源 MAC 为 AA:AA:AA:AA:AA:AA 的帧，就会学习：

AA:AA:AA:AA:AA:AA -> Port 1

8.3 转发、泛洪和过滤

        学习完源 MAC 后，交换机会查找目的 MAC：

8.4 MAC 表老化

        MAC 地址表不是永久不变的。交换机会对表项设置 Aging Timer。如果一段时间内没有再看到某个源 MAC，表项会被删除。这样可以适应设备移动、网线切换、拓扑变化等情况。

9 VLAN：把一个二层网络切成多个逻辑网络

        VLAN（Virtual LAN）用于在同一物理交换网络中划分多个逻辑二层网络。不同 VLAN 默认彼此隔离，不能直接二层互通。

9.1 为什么需要 VLAN

        如果一个交换机上的所有端口都在同一个广播域中，会带来一些问题：

• 广播流量范围过大；
• 不同部门或业务无法隔离；
• 网络安全边界不清晰；
• 故障影响范围大。

        VLAN 可以把一个物理交换机划分成多个逻辑交换机。

VLAN 10：研发网络
VLAN 20：办公网络
VLAN 30：访客网络

9.2 Access Port 和 Trunk Port

        Access Port 收发的帧通常不带 VLAN Tag；Trunk Port 上传输多个 VLAN 的流量，需要通过 802.1Q Tag 标识 VLAN。

9.3 802.1Q VLAN Tag

        802.1Q 会在 Source MAC 和 EtherType 之间插入 4 Bytes VLAN Tag：

Destination MAC
Source MAC
802.1Q Tag
EtherType
Payload
FCS

        VLAN Tag 内部包含：

9.4 VLAN 间通信

        不同 VLAN 是不同广播域，默认不能直接通信。如果 VLAN 10 的主机要访问 VLAN 20 的主机，需要经过三层设备，例如路由器或三层交换机。

VLAN 10 主机
  -> 默认网关
  -> 三层转发
  -> VLAN 20 主机

10 STP：防止二层环路

        二层交换网络中，如果存在物理环路，广播帧和未知单播帧可能在网络中无限循环，形成广播风暴。由于以太网帧本身没有类似 IP TTL 的字段，二层环路会非常危险。

10.1 二层环路的危害

• 广播风暴；
• MAC 地址表震荡；
• 链路带宽被耗尽；
• CPU 被大量控制报文打满；
• 网络整体不可用。

10.2 STP 的作用

        STP（Spanning Tree Protocol）通过阻塞部分冗余链路，把有环拓扑裁剪成无环树形拓扑。当主链路故障时，再重新计算拓扑，启用备份链路。

10.3 STP 基本角色

        RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）是 STP 的快速版本，收敛速度更快。

11 链路聚合 LACP

        链路聚合用于把多条物理链路组合成一条逻辑链路，实现带宽扩展和链路冗余。

Switch A ====== Switch B
         Link1
         Link2
         Link3
         Link4

        IEEE 802.1AX 定义了链路聚合相关标准，LACP（Link Aggregation Control Protocol）用于动态协商聚合链路。

11.1 链路聚合的作用

11.2 负载均衡方式

        链路聚合通常不是把一个 packet 拆到多条链路上，而是基于流进行 Hash，保证同一条流尽量走同一条物理链路，避免乱序。

常见 Hash 字段包括：

• 源 MAC；
• 目的 MAC；
• 源 IP；
• 目的 IP；
• TCP/UDP 源端口；
• TCP/UDP 目的端口。

12 以太网流控和 QoS

        当接收端处理不过来时，如果发送端继续发送，可能导致 buffer 溢出和丢包。以太网中有多种流控和 QoS 机制用于缓解拥塞。

12.1 Pause Frame

        IEEE 802.3x 定义了 MAC Control Pause Frame。接收端可以发送 Pause Frame，请求对端暂停发送一段时间。

Receiver buffer almost full
  -> Send Pause Frame
  -> Sender pauses transmission
  -> Receiver drains buffer
  -> Sender resumes

12.2 PFC

        PFC（Priority-based Flow Control）可以按优先级暂停流量，而不是暂停整个链路。它常用于数据中心无损网络场景，例如 RoCE。

12.3 QoS

        QoS（Quality of Service）用于决定拥塞时不同流量的处理优先级。

13 常见以太网相关协议

        以太网本身是二层技术，但在实际网络中会与大量协议配合使用。

        当我们用 Wireshark 抓包时，会看到这些协议层层封装在以太网帧中。

14 从硬件角度理解以太网

        如果从芯片或 FPGA 的角度看，以太网系统可以拆成 MAC、PHY、PCS、PMA、SerDes 等模块。

14.1 MAC 与 PHY

14.2 常见 MAC-PHY 接口

14.3 Switch ASIC 的基本数据通路

        一个简化的交换芯片数据通路可以表示为：

RX SerDes
  -> PCS
  -> MAC RX
  -> Parser
  -> VLAN / L2 Lookup / ACL / QoS
  -> Packet Buffer
  -> Queue
  -> Scheduler
  -> Egress Modification
  -> MAC TX
  -> PCS
  -> TX SerDes

15 Wireshark 抓包实践

        学习以太网最有效的方法之一是抓包。Wireshark 可以直接显示以太网帧头、ARP、IP、TCP、UDP、VLAN Tag 等字段。

15.1 推荐抓包实验

15.2 常用过滤表达式

16 常见问题与排障思路

        以太网问题可以从物理层、链路层、网络层逐层排查。

16.1 物理层问题

16.2 二层问题

16.3 排障顺序

1. 看物理链路是否 up
2. 看速率和双工是否正确
3. 看端口是否有收发计数
4. 看是否有 CRC/FCS 错误
5. 看 VLAN 是否正确
6. 看 MAC 地址表是否学习到
7. 看 ARP 表是否正确
8. 看 IP 路由和默认网关
9. 用 Wireshark 抓包确认真实报文

17 建议学习路径

        如果是从零开始，可以按四个阶段学习。

17.1 第一阶段：理解基本概念

学习内容：

• 以太网是什么；
• MAC 地址是什么；
• 以太网帧格式；
• 交换机和路由器区别；
• ARP 的作用。

目标：

能够解释一台电脑 ping 另一台电脑时，以太网帧如何被发送出去。

17.2 第二阶段：掌握核心二层协议

学习内容：

• VLAN；
• STP/RSTP；
• LACP；
• LLDP；
• Pause Frame；
• QoS 基础。

目标：

能够理解交换机常见配置背后的协议原理。

17.3 第三阶段：结合工具实践

学习内容：

• Wireshark；
• ARP 抓包；
• ICMP 抓包；
• TCP/UDP 抓包；
• VLAN Tag 抓包；
• MAC 地址表观察。

目标：

能够通过抓包定位常见网络问题。

17.4 第四阶段：深入硬件和芯片实现

学习内容：

• MAC/PHY；
• GMII/RGMII/SGMII/XGMII；
• PCS/FEC/SerDes；
• Ethernet MAC RTL；
• Switch ASIC pipeline；
• Packet buffer 和 scheduler。

目标：

能够从硬件角度理解一个以太网帧如何进入芯片、被解析、被缓存、被调度并从另一个端口发出。

18 总结

        以太网是现代网络系统的基础。它看似只是“插网线通信”，但背后包含物理层信号传输、MAC 地址寻址、帧格式、ARP 地址解析、交换机 MAC 学习、VLAN 隔离、STP 防环、LACP 聚合、QoS 调度以及 MAC/PHY 硬件实现等多个层次。

        对软件工程师来说，理解以太网有助于分析网络故障、抓包定位问题和理解 TCP/IP 协议栈。对硬件工程师来说，理解以太网是学习 Ethernet MAC、PHY 接口、FPGA 网络通信和 Switch ASIC 架构的基础。对网络工程师来说，以太网则是 VLAN、二层交换、数据中心网络和园区网络设计的起点。

        最推荐的学习方式是：

先理解帧格式和 MAC 地址
  -> 再通过 ARP 和 Ping 抓包建立直观认识
  -> 再学习交换机 MAC 学习和 VLAN
  -> 最后深入 STP、LACP、QoS 和硬件架构

        只要能把“一帧数据从主机 A 到主机 B 的全过程”讲清楚，以太网基础就已经建立起来了。

19 参考资料

1. IEEE 802.3 Ethernet Working Group
   https://www.ieee802.org/3/

2. IEEE 802.1 Working Group
   https://www.ieee802.org/1/

3. IEEE 802.1Q - Bridges and Bridged Networks
   https://standards.ieee.org/standard/802_1Q-2022.html

4. IEEE 802.1AX - Link Aggregation
   https://standards.ieee.org/standard/802_1AX-2020.html

5. RFC 826 - An Ethernet Address Resolution Protocol
   https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc826

6. RFC 894 - A Standard for the Transmission of IP Datagrams over Ethernet Networks
   https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc894

7. RFC 791 - Internet Protocol
   https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc791

8. RFC 8200 - Internet Protocol, Version 6 Specification
   https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc8200

9. Wireshark User’s Guide
   https://www.wireshark.org/docs/wsug_html_chunked/

10. Wireshark Display Filter Reference: Ethernet
    https://www.wireshark.org/docs/dfref/e/eth.html

11. Cisco - Ethernet Technologies
    https://www.cisco.com/c/en/us/tech/lan-switching/ethernet/index.html

12. Cisco - Understanding and Configuring VLANs
    https://www.cisco.com/c/en/us/support/docs/lan-switching/vlan/10023-3.html

13. Juniper Networks - Understanding Ethernet Switching
    https://www.juniper.net/documentation/us/en/software/junos/multicast-l2/topics/topic-map/ethernet-switching-overview.html

14. The TCP/IP Guide - Ethernet
    http://www.tcpipguide.com/free/t_Ethernet.htm

15. Wikipedia - Ethernet
    https://en.wikipedia.org/wiki/Ethernet

16. Wikipedia - Ethernet frame
    https://en.wikipedia.org/wiki/Ethernet_frame

17. Wikipedia - Address Resolution Protocol
    https://en.wikipedia.org/wiki/Address_Resolution_Protocol

18. Wikipedia - Virtual LAN
    https://en.wikipedia.org/wiki/VLAN

19. Wikipedia - Spanning Tree Protocol
    https://en.wikipedia.org/wiki/Spanning_Tree_Protocol

20. Wikipedia - Link Aggregation
    https://en.wikipedia.org/wiki/Link_aggregation