--- title: Ethernet 与 MAC url: https://doc.liz6.com/networking/01-l2-data-link/01-ethernet-and-mac locale: zh area: networking tags: - networking - L2数据链路 date: 2026-06-30 modified: 2026-06-30 description: 以太网帧是"万物皆可封装"的起点——从 MAC 地址到 VLAN 到链路聚合,二层是所有上层协议的基础承载。理解帧结构和交换原理,就理解了"数据包怎么从一根线到另一根线"。 --- # Ethernet 与 MAC > 以太网帧是"万物皆可封装"的起点——从 MAC 地址到 VLAN 到链路聚合,二层是所有上层协议的基础承载。理解帧结构和交换原理,就理解了"数据包怎么从一根线到另一根线"。 ## 概述 Ethernet 是全球最广泛部署的局域网技术，从 1973 年 Bob Metcalfe 在 Xerox PARC 的 2.94Mbps 原型到现在的 800Gbps 光口，核心帧格式几乎没变。它工作在 OSI L2（数据链路层），负责在同一广播域内将帧从源 MAC 地址送到目标 MAC 地址。802.3 标准家族在此基础上扩展了 VLAN 隔离（802.1Q）、流控（802.3x PAUSE）、链路聚合（802.3ad LACP）等功能。Linux 内核通过 `net/ethernet/` 和 `drivers/net/` 提供协议处理与硬件驱动抽象。 ## 802.3 帧格式 Ethernet 帧结构从 1980 年 DIX 规范至今几乎没有本质变化。唯一值得注意的演进是 802.1Q VLAN tag 的插入和 802.3ad LACP 的协商层。 ``` Octet 0-6: Preamble (7 × 0x55) PHY 层使用，用于时钟同步和 bit-locking。10Mbps 时极其重要 (Manchester encoding)，现代 SerDes 不需要但没有移除。 Octet 7: SFD (Start Frame Delimiter = 0xD5) 标记帧开始。最后一个 preamble byte 的低位不同 — 0x55 → 0xD5 (bit 0: 1→1, bit 2: 1→0) — 硬件检测此跳变锁定字节边界。 Octet 8-13: Destination MAC (6 bytes) Bit 0 of byte 0: 0 = unicast, 1 = multicast. 全 1 (ff:ff:ff:ff:ff:ff) = broadcast — 交换机泛洪到所有端口。 Octet 14-19: Source MAC (6 bytes) Octet 20-21: EtherType or Length (2 bytes) ≤ 1500 (0x05DC): 解释为 Length (802.3 raw mode, 极少用) ≥ 1536 (0x0600): 解释为 EtherType 关键值: 0x0800 IPv4 0x0806 ARP 0x8100 VLAN (802.1Q) 0x86DD IPv6 0x88A8 Q-in-Q / Provider Bridge (802.1ad) 0x8870 Jumbo frame (非标准, 某些驱动使用) 0x8809 Slow Protocols (LACP, 802.3x PAUSE) Octet 22+: Payload 标准: 46-1500 bytes (不含 VLAN tag)。 不够 46 字节 → 填充到 46 (padding)。填充内容未定义 — Linux 用零填充, 其他驱动可能用随机数据。 Padding 不计入 IP header 的 Total Length — 接收方 通过 EtherType/Length 字段或 L3 header 的 length 区分。 CRC: FCS (Frame Check Sequence, 4 bytes, CRC-32) 多项式: x³² + x²⁶ + x²³ + x²² + x¹⁶ + x¹² + x¹¹ + x¹⁰ + x⁸ + x⁷ + x⁵ + x⁴ + x² + x + 1 计算范围: Destination MAC 到 Payload 末尾 (不含 Preamble/SFD/FCS 自身) 硬件 (MAC controller) 计算和验证 → 错误帧由硬件丢弃，内核看不到。 某些驱动可以配置"接收错误帧"模式 (ethtool -K rx-fcs on)， 用于调试 (tcpdump 可以看到 FCS 错误计数)。 Inter-Frame Gap (IFG): 帧间间隔: 12 byte times (96 bit times) of idle. 1000BASE-T: 96 ns 10GBASE-R: 9.6 ns 100GBASE-R: 0.96 ns 高速率下 IFG 极紧 — 硬件必须在一个 IFG 内完成前帧处理并开始下一帧的 preamble detection。这也是为什么高速网卡需要 buffer descriptor ring 而不是逐帧中断。 ``` ## MAC 地址结构 ``` 48 bits (6 bytes), IEEE 分配, 全球唯一 (理论上): Byte 0, bit 0 (I/G bit): 0: Unicast (individual address) 1: Multicast (group address) → 这是 MAC 层判断"这个帧是不是给我的"第一步 — 网卡硬件检查 Byte 0, bit 1 (U/L bit): 0: Universally Administered (厂商烧录的 OUI) 1: Locally Administered (软件设置的, 如虚拟网卡、容器、MAC 随机化) OUI (Organizationally Unique Identifier): bytes 0-2 = IEEE 分配 NIC-specific: bytes 3-5 = 厂商内部分配 Linux 操作: ip link set eth0 address aa:bb:cc:dd:ee:ff ← 改 MAC (需要 down) ip link show eth0 | grep link/ether ``` ## 802.1Q VLAN VLAN tag (4 bytes) 插入在 Source MAC 之后、EtherType 之前: ``` Octet 0-1: TPID (Tag Protocol Identifier) 0x8100 = Customer VLAN (C-VLAN) 0x88A8 = Service Provider VLAN (S-VLAN, 802.1ad) 0x9100 = 旧式 (被 0x88A8 取代) Octet 2-3: TCI (Tag Control Information): Bits 0-2: PCP (Priority Code Point, 802.1p) 0 = Best Effort, 1 = Background, 2 = Spare, 3 = Excellent Effort, 4 = Controlled Load, 5 = Video, 6 = Voice, 7 = Network Control → 映射到 sk_buff->priority → tc qdisc 的队列选择 Bit 3: DEI (Drop Eligible Indicator) 1 = 拥塞时可优先丢弃 (与 IP DSCP 的 ECN 不是一回事) Bits 4-15: VID (VLAN Identifier) 有效值: 1-4094 (0 = no VLAN, 4095 = reserved) 每个以太网接口可以属于多个 VLAN (trunk port) Q-in-Q (802.1ad, Provider Bridge): 双层 VLAN tag: [DA][SA][0x88A8][S-VLAN TCI][0x8100][C-VLAN TCI][EtherType][Payload] 外层 (S-VLAN) = 运营商网络隔离 内层 (C-VLAN) = 客户自用的 VLAN Linux: ip link add link eth0 name eth0.100 type vlan id 100 ip link add link eth0.100 name eth0.100.200 type vlan id 200 proto 802.1ad ``` ## Jumbo Frames 标准 MTU 1500 字节是 10Mbps Ethernet 时代的妥协 — 小 MTU 意味着短的 slot time, 短的冲突检测窗口。切换到 switched Ethernet 后，物理上不再需要这个限制，但 标准 MTU 被所有上层协议假设为默认值。 ``` Jumbo MTU: 通常 9000 bytes (非标准, 但广泛支持) 收益: - 减少中断: 1 × 9000B 帧 vs 6 × 1500B 帧 — 中断减少 6x - 减少 CPU 处理: 网卡 per-packet overhead (descriptor, DMA sync) 减小 6x - 减少 header 开销: 5 个额外帧的 (14B Eth + 20B IP + 20B TCP) × 5 = 270B 省了 - NFS/iSCSI: 大部分 IO 是 4KB-64KB, jumbo 可以在一个帧内装下更多 代价: - 路径上所有设备 (交换机、路由器、NIC) 必须支持 jumbo - 不支持 jumbo 的设备: 静默丢弃 (no ICMP Frag Needed unless IP DF set) → "MTU black hole" — 最难排查的网络问题之一 配置: ip link set eth0 mtu 9000 /etc/dhcpcd.conf 或 NetworkManager: 持久化 MTU 注意: bridge 的 MTU 必须 ≥ 其所有 slave 的 min MTU ``` ## PAUSE (802.3x) 与 PFC (802.1Qbb) ``` 802.3x PAUSE frame: EtherType: 0x8808 MAC Control Opcode: 0x0001 (PAUSE) Pause Time: 2 bytes (in units of 512 bit times) 发送到组播地址: 01:80:c2:00:00:01 接收方: 发 PAUSE frame (pause_time=N) 发送方: 在 N × 512 bit times 内停止发送 问题: 一个 flow 的拥塞 → 整个链路的流量停止 → 不适合多流量混合的场景 (数据中心用 PFC) PFC (Priority-based Flow Control, 802.1Qbb): 按 PCP (8 个优先级) 独立控制: 只有拥塞的优先级被 pause → 其他优先级继续传输 → RoCE (RDMA over Converged Ethernet) 的硬件基础 ``` ## LACP (802.3ad / 802.1AX) ``` LACP 将多个物理口捆绑为一个逻辑链路: LACPDU (Link Aggregation Control Protocol Data Unit): EtherType: 0x8809 (Slow Protocols) Subtype: 0x01 (LACP) 每 30 秒 (slow) 或每秒 (fast) 发一次 LACPDU 内容: Actor: system_priority + system_id (MAC) + key + port_priority + port_number + state Partner: (同上, 远端信息) Collector: max_delay State bits (关键的): LACP_Activity (bit 0): Active (主动发 LACPDU) vs Passive (只响应) LACP_Timeout (bit 1): Long (30s) vs Short (1s) Aggregation (bit 2): 此端口可以聚合 Synchronization (bit 3): 此端口已同步 (准备转发) Collecting (bit 4): 入流量可以转发 Distributing (bit 5): 出流量可以转发 Defaulted (bit 6): 用默认参数 (partner 未响应) Linux bonding modes: mode=0 (balance-rr): 轮询 — 不依赖 LACP, 只 load balance mode=1 (active-backup): 一主一备 — 不依赖 LACP mode=2 (balance-xor): 按 MAC hash — 需要交换机配合 mode=4 (802.3ad): LACP 动态协商 — 交换机必须也开 LACP ``` ## 参考 - **802.3-2022**: IEEE 标准 (P802.3 工作组) - **内核**: `net/ethernet/eth.c` (协议处理), `drivers/net/bonding/` (LACP), `net/8021q/` (VLAN) - **LWN**: "Jumbo frames and MTU in Linux" *关键词: Ethernet, 802.3, MAC address, 802.1Q, VLAN, Q-in-Q, jumbo frame, PAUSE, LACP, 802.3ad*