以太網是一種計算機局域網技術。IEEE組織的IEEE 802.3標準制定了以太網的技術標準，它規定了包括物理層的連線、電子信號和介質訪問層協議的內容。以太網的協議層是建立在OSI模型的基礎上的，OSI模型，即開放式通信 系統互聯參考模型(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互連為網絡的標準框架，簡稱OSI。主要包括七層，具體如下：

（1）、物理層 Physical Layer

（2）、數據鏈路層 Data Link Layer

（3）、網絡層 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，因此只關注了物理層，數據鏈路層，網絡層，傳輸層；更上層協議沒有做過多了解。

1，以太網物理層，

物理層為OSI中的第一層，主要包括PCS，PMA，PMD，

PCS：物理編碼子層，完成完成對傳輸的MAC協議數據的編、譯碼；以便物理介質傳輸；

PMA：物理介質連接子層，生成線路的傳輸信號；接收線路信號完成時鐘恢復；

PMD：物理介質相關子層，定義不同傳輸介質的接口標準，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，是不太現實的，所以現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，在數據的收發上它比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、發兩個時鐘，而是所有的數據端口公用一個時鐘用于所有端口的收發，這里就節省了不少的端口數目。RMII的一個端口要求7個數據線，比MII少了一倍，所以交換機能夠接入多一倍數據的端口。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更少的信號線數目，S表示串行的意思。因為它只用一根信號線傳送發送數據，一根信號線傳輸接受數據，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，是因為數據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在工業界的支持力度是很高的。同理，所有端口的數據收發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并行同步收發接口，采用8位接口數據，工作時鐘125MHz，因此傳輸速率可達1000Mbps。同時兼容MII所規定的10/100 Mbps工作方式。

發送接口信號：

◇ GTXCLK——吉比特TX..信號的時鐘信號（125MHz）

◇ TXCLK——10/100M信號時鐘

◇ TXD[7..0]——被發送數據

◇ TXEN——發送器使能信號

◇ TXER——發送器錯誤（用于破壞一個數據包）

接收接口信號：

◇ RXCLK——接收時鐘信號（從收到的數據中提取，因此與GTXCLK無關聯）

◇ RXD[7..0]——接收數據

◇ RXDV——接收數據有效指示

◇ RXER——接收數據出錯指示

◇ COL——沖突檢測（僅用于半雙工狀態）

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網絡）或2.5MHz（10M網絡）。

2，以太網數據鏈路層

數據鏈路層為OSI中的第二層，主要將從物理層拿到的數據幀解析后拿到IP數據報傳遞給網絡層；或把網絡層拿到的IP數據報，增加前導碼，MAC地址，幀類型校驗后組成新的數據幀傳遞給物理層；具體協議數據幀如下：

數據幀中的數據為IP數據報；

數據幀前會有8個字節的前導碼，然后和上述的數據幀一塊構成一個完成對MAC層數據報。

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）才能再次發送數據。這樣做是為了使剛剛收到數據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；以太網規定了數據幀中傳送數據的最大長度為1500字節。

最短有效幀長：如果發生沖突，就一定是在發送的前 64 字節之內。由于一檢測到沖突就立即中止發送，這時已經發送出去的數據一定小于 64 字節。以太網規定了最短有效幀長為 64 字節，凡長度小于 64 字節的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。

3，以太網網絡層

網絡層是OSI中的第三層；位于傳輸層和數據鏈路層之間；實現將傳輸層數據報打包為IP數據報，或解析IP數據報。

IP數據報如下：（藍色部分為IP數據報首部來；黃色部分為UDP/TCP數據報，也是IP數據報的報文）

首部介紹：

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

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

區分服務：占 8 位，一般不使用

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

標識：占 16 位,它是一個計數器,用來產生數據報的標識，在分片時被使用，用于數據的重組條件

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 個字節為偏移單位

生存時間：占 8 位,記為 TTL (Time To Live) 數據報在網絡中可通過的路由器數的最大值,TTL 字段是由發送端初始設置一個 8 bit 字段.推薦的初始值由分配數字 RFC 指定,當前值為 64.發送ICMP 回顯應答時經常把 TTL 設為最大值 255

協議：占 8 位,指出此數據報攜帶的數據使用何種協議以便目的主機的 IP 層將數據部分上交給哪個處理過程, 1 表示為 ICMP 協議, 2 表示為 IGMP 協議, 6 表示為 TCP 協議, 17 表示為UDP 協議

首部檢驗和：占 16 位,只檢驗數據報的首部不檢驗數據部分.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,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，新協議中已經取消IPv6

4，以太網傳輸層

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；建立在連接的基礎之上；保證數據完整性；多用于郵件，信息等；

UDP數據報：

TCP數據報：

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發送到計算機B的數據包的序號，計算機發送數據時對此進行標記。

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