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随手记

以太网802.3帧和802.11帧的最大和最小长度简单笔记

本文转自
https://blog.csdn.net/farmwang/article/details/64131318 】【 https://blog.csdn.net/qq_31567335/article/details/88931901
https://blog.csdn.net/qq_43166593/article/details/85063526
有大量删改。

802.3帧

以太网卡上一个参数是MTU值,一般都是1500。表示以太网传输的最大帧长度。
为什么要有最大帧长度限制呢?
这是因为以太网采用的是CSMA/CD方法在介质上传输数据。CSMA/CD叫做带冲突检测的载波监听多路访问技术,在发送数据之前需要检测链路是否空闲,只有链路空闲时才发送数据,并且边发送边检测。发送的过程中一旦检测到冲突则立即停止。所以也就是说,数据发送的过程中,整个链路是被独占的。所以需要限制一次传输数据的最大长度,如果一个人占用时间过长,这对其他人而言是不可接受的。
而且限制最大长度还有以下好处:
1)帧传输的过程中,一旦出错,需要全部重传,长度太长反而效率不高。(可能现在的传输介质已经不存在这种问题了)
2)帧越长,需要的缓存越大,1979年在设计网卡时,缓存的价格非常昂贵,所以当时选用1500 bytes作为最大的长度

需要注意的是,以太网帧长度限制是1518字节。减去18字节的以太网帧长度,所以ip层的报文长度限制为1500。

最大长度还是比较直观易于理解,那么为什么又有最小长度限制呢?还是因为CSMA/CD。
AB之间通信。当A检测到链路空闲,然后发送报文,巧的是B跟你一样,这不就冲突了嘛。最坏的情况,AB俩隔得最远。当A发送的报文刚好要到达B时,B开始发送报文。如果在B的报文到达A之前,A就已经发送完了,那么A就不知道冲突了。所以,需要限制发送的报文最小长度。最小长度是多少呢?显然,最小长度同时受两个节点最远距离和传输速度的影响。最远距离越长,传输速度越快,所需要的最小长度也就越大。针对不同带宽的网络,标准组织定义了不同的slot time。

所以,不同的网络,其实最小长度是不一定的,两个节点能相隔的最远距离也是不一样的。

以太网(IEEE 802.3)帧格式:
1、前导码:7字节0x55,一串1、0间隔,用于信号同步
2、帧起始定界符:1字节0xD5(10101011),表示一帧开始
3、DA(目的MAC):6字节
4、SA(源MAC):6字节
5、类型/长度:2字节,0~1500保留为长度域值,1536~65535保留为类型域值(0x0600~0xFFFF)
6、数据:46~1500字节
7、帧校验序列(FCS):4字节,使用CRC计算从目的MAC到数据域这部分内容而得到的校验和。

据RFC894的说明,以太网封装IP数据包的最大长度是1500字节,也就是说以太网最大帧长应该是以太网首部加上1500,再加上7字节的前导同步码和1字节的帧开始定界符,具体就是:7字节前导同步码+1字节帧开始定界符+6字节的目的MAC+6字节的源MAC+2字节的帧类型+1500+4字节的FCS
按照上述,最大帧应该是1526字节,但是实际上我们抓包得到的最大帧是1514字节,为什么不是1526字节呢? 原因是当数据帧到达网卡时,在物理层上网卡要先去掉前导同步码和帧开始定界符,然后对帧进行CRC检验,如果帧校验和错,就丢弃此帧。如果校验和正确,就判断帧的目的硬件地址是否符合自己的接收条件(目的地址是自己的物理硬件地址、广播地址、可接收的多播硬件地址等),如果符合,就将帧交“设备驱动程序”做进一步处理。这时我们的抓包软件才能抓到数据, 因此,抓包软件抓到的是去掉前导同步码、帧开始分界符、FCS之外的数据,其最大值是6+6+2+1500=1514。
以太网规定,以太网帧数据域部分最小为46字节,也就是以太网帧最小是6+6+2+46+4=64。除去4个字节的FCS,因此,抓包时就是60字节。当数据字段的长度小于46字节时,MAC子层就会在数据字段的后面填充以满足数据帧长不小于64字节。由于填充数据是由MAC子层负责,也就是设备驱动程序。
以CSMA/CD作为MAC算法的一类LAN称为以太网。CSMA/CD冲突避免的方法:先听后发、边听边发、随机延迟后重发。一旦发生冲突,必须让每台主机都能检测到。关于最小发送间隙和最小帧长的规定也是为了避免冲突。
考虑如下的情况,主机发送的帧很小,而两台冲突主机相距很远。在主机A发送的帧传输到B的前一刻,B开始发送帧。这样,当A的帧到达B时,B检测到冲突,于是发送冲突信号。假如在B的冲突信号传输到A之前,A的帧已经发送完毕,那么A将检测不到冲突而误认为已发送成功。由于信号传播是有时延的,因此检测冲突也需要一定的时间。这也是为什么必须有个最小帧长的限制。
按照标准,10Mbps以太网采用中继器时,连接的最大长度是2500米,最多经过4个中继器,因此规定对10Mbps以太网一帧的最小发送时间为51.2微秒。这段时间所能传输的数据为512位,因此也称该时间为512位时。这个时间定义为以太网时隙,或冲突时槽。512位=64字节,这就是以太网帧最小64字节的原因。
512位时是主机捕获信道的时间。如果某主机发送一个帧的64字节仍无冲突,以后也就不会再发生冲突了,称此主机捕获了信道。
由于信道是所有主机共享的,如果数据帧太长就会出现有的主机长时间不能发送数据,而且有的发送数据可能超出接收端的缓冲区大小,造成缓冲溢出。为避免单一主机占用信道时间过长,规定了以太网帧的最大帧长为1500。
100Mbps以太网的时隙仍为512位时,以太网规定一帧的最小发送时间必须为5.12μs。
1000Mbps以太网的时隙增至512字节,即4096位时,4.096μs。

802.11帧

基本结构如下图

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