以太網(wǎng)是一種計算機局域網(wǎng)技術(shù)。IEEE組織的IEEE 802.3標準制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標準，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)的協(xié)議層是建立在OSI模型的基礎(chǔ)上的，OSI模型，即開放式通信 系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(Open System Interconnection)，是國際標準化組織(ISO)提出的一個試圖使各種計算機在世界范圍內(nèi)互連為網(wǎng)絡的標準框架，簡稱OSI。主要包括七層，具體如下：

（1）、物理層 Physical Layer

（2）、數(shù)據(jù)鏈路層 Data Link Layer

（3）、網(wǎng)絡層 Network Layer

（4）、傳輸層 Transport Layer

（5）、會話層 Session Layer

（6）、表示層 Presentation Layer

（7）、應用層 Application Layer

因為我是做FPGA的，因此只關(guān)注了物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡層，傳輸層；更上層協(xié)議沒有做過多了解。

1，以太網(wǎng)物理層，

物理層為OSI中的第一層，主要包括PCS，PMA，PMD，

PCS：物理編碼子層，完成完成對傳輸?shù)腗AC協(xié)議數(shù)據(jù)的編、譯碼；以便物理介質(zhì)傳輸；

PMA：物理介質(zhì)連接子層，生成線路的傳輸信號；接收線路信號完成時鐘恢復；

PMD：物理介質(zhì)相關(guān)子層，定義不同傳輸介質(zhì)的接口標準，提供物理連接。

物理層與鏈路層接口：主要包括：MII、RMII接口、GMII接口、RGMII接口、SGMII接口、 XGMII接口。

MII：支持10兆和100兆的操作，一個接口由14根線組成，它的支持還是比較靈活的，但是有一個缺點是因為它一個端口用的信號線太多，如果一個8端口的交換機要用到112根線，16端口就要用到224根線，到32端口的話就要用到448根線，一般按照這個接口做交換機，是不太現(xiàn)實的，所以現(xiàn)代的交換機的制作都會用到其它的一些從MII簡化出來的標準，比如RMII、SMII、GMII等。

RMII：簡化的MII接口，在數(shù)據(jù)的收發(fā)上它比MII接口少了一倍的信號線，所以它一般要求是50兆的總線時鐘。RMII一般用在多端口的交換機，它不是每個端口安排收、發(fā)兩個時鐘，而是所有的數(shù)據(jù)端口公用一個時鐘用于所有端口的收發(fā)，這里就節(jié)省了不少的端口數(shù)目。RMII的一個端口要求7個數(shù)據(jù)線，比MII少了一倍，所以交換機能夠接入多一倍數(shù)據(jù)的端口。和MII一樣，RMII支持10兆和100兆的總線接口速度。

SMII：由思科提出的一種媒體接口，它有比RMII更少的信號線數(shù)目，S表示串行的意思。因為它只用一根信號線傳送發(fā)送數(shù)據(jù)，一根信號線傳輸接受數(shù)據(jù)，所以在時鐘上為了滿足100的需求，它的時鐘頻率很高，達到了125兆，為什么用125兆，是因為數(shù)據(jù)線里面會傳送一些控制信息。SMII一個端口僅用4根信號線完成100信號的傳輸，比起RMII差不多又少了一倍的信號線。SMII在工業(yè)界的支持力度是很高的。同理，所有端口的數(shù)據(jù)收發(fā)都公用同一個外部的125M時鐘。

XGMII：是10Gb的物理層接口，接口時鐘為156.25Mhz。

GMII ：是千兆網(wǎng)的MII接口，這個也有相應的RGMII接口，表示簡化了的GMII接口；GMII是8bit并行同步收發(fā)接口，采用8位接口數(shù)據(jù)，工作時鐘125MHz，因此傳輸速率可達1000Mbps。同時兼容MII所規(guī)定的10/100 Mbps工作方式。

發(fā)送接口信號：

◇ GTXCLK——吉比特TX..信號的時鐘信號（125MHz）

◇ TXCLK——10/100M信號時鐘

◇ TXD[7..0]——被發(fā)送數(shù)據(jù)

◇ TXEN——發(fā)送器使能信號

◇ TXER——發(fā)送器錯誤（用于破壞一個數(shù)據(jù)包）

接收接口信號：

◇ RXCLK——接收時鐘信號（從收到的數(shù)據(jù)中提取，因此與GTXCLK無關(guān)聯(lián)）

◇ RXD[7..0]——接收數(shù)據(jù)

◇ RXDV——接收數(shù)據(jù)有效指示

◇ RXER——接收數(shù)據(jù)出錯指示

◇ COL——沖突檢測（僅用于半雙工狀態(tài)）

注：在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信號，TXD、TXEN、TXER信號與此時鐘信號同步。否則，在10/100M速率下，PHY提供 TXCLK時鐘信號，其它信號與此信號同步。其工作頻率為25MHz（100M網(wǎng)絡）或2.5MHz（10M網(wǎng)絡）。

2，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層為OSI中的第二層，主要將從物理層拿到的數(shù)據(jù)幀解析后拿到IP數(shù)據(jù)報傳遞給網(wǎng)絡層；或把網(wǎng)絡層拿到的IP數(shù)據(jù)報，增加前導碼，MAC地址，幀類型校驗后組成新的數(shù)據(jù)幀傳遞給物理層；具體協(xié)議數(shù)據(jù)幀如下：

數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)為IP數(shù)據(jù)報；

數(shù)據(jù)幀前會有8個字節(jié)的前導碼，然后和上述的數(shù)據(jù)幀一塊構(gòu)成一個完成對MAC層數(shù)據(jù)報。

注意：

幀間最小間隔 ：幀間最小間隔為 9.6 us （10Mbps） ，相當于96 bit 的發(fā)送時間(等待12個時鐘之后)。一個站在檢測到總線開始空閑后，還要等待 9.6 us （10Mbps）才能再次發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準備。

最大幀長度：為了保證信道使用的相對公平性，讓更多的站能搶占到信道，規(guī)定了最大幀長度；超過了最大幀長度就需要分多次完成；以太網(wǎng)規(guī)定了數(shù)據(jù)幀中傳送數(shù)據(jù)的最大長度為1500字節(jié)。

最短有效幀長：如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內(nèi)。由于一檢測到?jīng)_突就立即中止發(fā)送，這時已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于 64 字節(jié)。以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長為 64 字節(jié)，凡長度小于 64 字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。

3，以太網(wǎng)網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層是OSI中的第三層；位于傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層之間；實現(xiàn)將傳輸層數(shù)據(jù)報打包為IP數(shù)據(jù)報，或解析IP數(shù)據(jù)報。

IP數(shù)據(jù)報如下：（藍色部分為IP數(shù)據(jù)報首部來；黃色部分為UDP/TCP數(shù)據(jù)報，也是IP數(shù)據(jù)報的報文）

首部介紹：

版本：占 4 位,指 IP 協(xié)議的版本，通信雙方使用的IP協(xié)議的版本必須一致，目前的 IP 協(xié)議版本號為 4 (即 IPv4)

首部長度：占4位,可表示的最大數(shù)值是15個單位(一個單位為 4 字節(jié))，因此IP 的首部長度的最大值是 60 字節(jié)。最常用的是20字節(jié)（0101）

區(qū)分服務：占 8 位，一般不使用

總長度：占 16 位，指首部和數(shù)據(jù)之和的長度,單位為字節(jié),因此數(shù)據(jù)報的最大長度為 65535 字節(jié)，總長度必須不超過最大傳送單元MTU

標識：占 16 位,它是一個計數(shù)器,用來產(chǎn)生數(shù)據(jù)報的標識，在分片時被使用，用于數(shù)據(jù)的重組條件

標志：占 3 位,目前只有前兩位有意義，標志字段的最低位是 MF(More Fragment)，MF=1 表示后面“還有分片”。MF=0 表示最后一個分片；標志字段中間的一位是 DF (Don’t Fragment)，只有當 DF=0 時才允許分片

片偏移:占13位,指較長的分組在分片后某片在原分組中的相對位置.片偏移以 8 個字節(jié)為偏移單位

生存時間：占 8 位,記為 TTL (Time To Live) 數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡中可通過的路由器數(shù)的最大值,TTL 字段是由發(fā)送端初始設置一個 8 bit 字段.推薦的初始值由分配數(shù)字 RFC 指定,當前值為 64.發(fā)送ICMP 回顯應答時經(jīng)常把 TTL 設為最大值 255

協(xié)議：占 8 位,指出此數(shù)據(jù)報攜帶的數(shù)據(jù)使用何種協(xié)議以便目的主機的 IP 層將數(shù)據(jù)部分上交給哪個處理過程, 1 表示為 ICMP 協(xié)議, 2 表示為 IGMP 協(xié)議, 6 表示為 TCP 協(xié)議, 17 表示為UDP 協(xié)議

首部檢驗和：占 16 位,只檢驗數(shù)據(jù)報的首部不檢驗數(shù)據(jù)部分.這里不采用 CRC 檢驗碼而采用簡單的計算方法

源地址和目的地址：都各占 4 字節(jié),分別記錄源地址和目的地址

可選字段和填充字段 : 很少使用，新協(xié)議中已經(jīng)取消IPv6

4，以太網(wǎng)傳輸層

傳輸層是OSI中的第四層；主要完成UDP/TCP的裝配然后傳輸給網(wǎng)絡層；

UDP：不可靠傳輸；但能保證實時性；多用于視頻通話或會議等；

TCP：可靠傳輸；建立在連接的基礎(chǔ)之上；保證數(shù)據(jù)完整性；多用于郵件，信息等；

UDP數(shù)據(jù)報：

TCP數(shù)據(jù)報：

帶陰影的幾個字段需要重點說明一下：

1) 序號：Seq（Sequence Number）序號占32位，用來標識從計算機A發(fā)送到計算機B的數(shù)據(jù)包的序號，計算機發(fā)送數(shù)據(jù)時對此進行標記。

2) 確認號：Ack（Acknowledge Number）確認號占32位，客戶端和服務器端都可以發(fā)送，Ack = Seq + 1。

3) 標志位：每個標志位占用1Bit，共有6個，分別為 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具體含義如下：

URG：緊急指針（urgent pointer）有效。

ACK：確認序號有效。

PSH：接收方應該盡快將這個報文交給應用層。

RST：重置連接。

SYN：建立一個新連接。

FIN：斷開一個連接。

審核編輯 ：李倩