【25软考网工】第三章（2）以太网帧结构与封装、以太网物理层标准
目录
一、以太网帧结构与封装
1. 以太网帧结构
2. 以太网报文封装 （数据链路层）
3. 应用案例
1）例题:以太网传送最大TCP段字节
2）例题:以太网数据帧封装
3）例题:主机采用以太网接入Internet
4）例题:UDP段可容纳的最大负载字节
知识小结
二、以太网物理层标准
1. 以太网物理层规范
1）以太网的发展
2）以太网（10M)物理层规范
3）快速以太网（100M)物理层规范
4）示例
1.例题:快速以太网标准
2.例题:快速以太网传输介质
5）千兆以太网（1000M)物理层规范
3.例题:千兆以太网标准中传输距离
4.例题:千兆以太网标准采用屏蔽双绞线和采用长波光纤的标准
5.例题:千兆以太网标准代号
6.例题:高速以太网连接技术传输距离
6）万兆以太网（10G)物理层规范
7）光模块适当扩展
7.例题:万兆以太网标准中传输最远的标准
8.例题:单模光纤传输距离
知识小结
一、以太网帧结构与封装
1. 以太网帧结构
·同步字段（8字节）：前7字节为前导字段（固定模式10101010，其他6个一样），1字节为帧起始符（10101011），用于时钟同步，不计入帧长
·目标地址、源地址（6字节，即48位）：均为MAC地址，老系统曾用2字节格式已淘汰
·长度字段（2字节）：2字节标识数据部分长度
·数据（0-1500）与填充（0-46）：数据部分0-1500字节，当数据不足46字节时必须填充至46字节（由于以太网最小帧长为64字节，需要填充至64字节）
·校验和（4字节）：4字节CRC循环冗余校验码
- 最小帧长64字节（目标地址+源地址+长度+填充+校验和）：6+6+2+46+4=64
- 最大帧长1518字节（目标地址+源地址+长度+数据+填充+校验和）：6+6+2+1500+4=1518（不含VLAN标签）
传输效率：
- 最大效率98.8%：1500/1518
- 最小效率71.9%：46/64
2. 以太网报文封装 （数据链路层）
传输层封装：
- TCP报头：默认20字节
- UDP报头：默认8字节
网络层封装：IP报头默认20字节
数据链路层封装：
- 以太网报头：14字节（6字节目的MAC+6字节源MAC+2字节类型字段）
- 以太网尾部：4字节CRC校验和
MTU范围：46-1500字节，对应数据链路层有效载荷
封装关系：
- TCP段 = TCP报头 + 应用数据
- IP数据包 = IP报头 + TCP段
- 以太网帧 = 以太网报头 + IP数据包 + 以太网尾部
3. 应用案例
1）例题:以太网传送最大TCP段字节
解题关键：以太网MTU 1500字节扣除IP头20字节
计算过程：1500−20=1480字节
易错点：容易忽略IP头开销直接选1500
答案：A.1480
2）例题:以太网数据帧封装
结构分析：目的MAC(6)+源MAC(6)+类型(2)+IP头(20)+数据+CRC(4)
计算逻辑：最大1500字节中，IP数据部分=1500-IP头20=1480
答案：C.1480
3）例题:主机采用以太网接入Internet
封装层次：应用数据→TCP报头20字节→IP报头20字节→以太网帧
逐层扣除：
- 以太网MTU：1500字节
- 扣除IP头：1500−20=1480
- 再扣除TCP头：1480−20=1460
关键区别：此题问TCP段内数据字段，非IP数据部分
答案：B.1460
4）例题:UDP段可容纳的最大负载字节
长度字段：UDP总长度16位，最大值21^6−1=655352字节
头部开销：固定8字节（源端口2+目的端口2+长度2+校验和2）
负载计算：65535−8=65527字节
特殊说明：此计算不涉及以太网MTU限制
答案：C.65527
知识小结
| 知识点 | 核心内容 | 考试重点/易混淆点 | 难度系数 |
| 以太网帧结构 | 前导字段（7字节） + 帧起始符（1字节）不纳入帧长； 帧格式包含目标MAC（6字节）、源MAC（6字节）、类型字段（2字节）、数据与填充（46-1500字节）、校验和（4字节） | 前导字段长度（7字节）、帧起始符格式（末尾2位为11） | ⭐⭐ |
| 以太网帧长度规则 | 最小帧长64字节（含14字节头+4字节校验+46字节填充） 最大帧长1518字节（含14字节头+4字节校验+1500字节数据） | 最小/最大帧长计算逻辑（需扣除头尾开销） | ⭐⭐⭐ |
| 封装效率计算 | 最大效率=1500/1518≈98.8%； 最小效率=46/64≈71.9% | 效率公式（数据部分/总帧长） | ⭐⭐ |
| TCP/IP封装与MTU | 以太网MTU=1500字节； IP头默认20字节 → TCP段最大=1480字节； 若含TCP头（20字节）→ 应用数据最大=1460字节 | 分层封装扣除逻辑（IP头、TCP头需逐层减扣） | ⭐⭐⭐⭐ |
| UDP负载限制 | UDP总长度字段16位 → 最大65535字节； 扣除8字节头 → 最大负载=65527字节 | 与TCP封装差异（UDP长度独立于MTU） | ⭐⭐⭐ |
| 历年真题对比 | 2017年：TCP段最大=1480字节（1500-IP头）； 2020年：TCP数据字段=1460字节（1500-IP头-TCP头）； 2024年：UDP负载=65527字节 | 题干关键词辨析（“TCP段”vs“TCP数据字段”vs“UDP负载”） | ⭐⭐⭐⭐ |
二、以太网物理层标准
1. 以太网物理层规范
1）以太网的发展
- 发展历程: 从10M以太网发展到快速以太网(百兆)、千兆以太网、万兆以太网，直至现在的400G/800G以太网技术
- 标准代号: 最原始的10M以太网标准为IEEE 802.3，这是考试常考的基础知识点
- 应用范围: 局域网中基本都采用以太网技术，应用极其广泛
2）以太网（10M)物理层规范
标准代号: IEEE 802.3
命名结构: <传输速率Mbps><信号方式><最大传输距离（百米）或介质类型>
- 例：100BASE-T中，100表示100Mbps，BASE表示基带传输，T表示双绞线
信号类型:
- 基带传输：传输数字信号（大部分标准采用）
- 宽带传输：传输模拟信号（如10Broad36标准）
传输距离特点:
- 数字信号一般传输几百米
- 模拟信号传输距离更远（如10Broad36可传3600米）
介质类型代码:
- T：双绞线
- F：光纤
- 数字：表示传输距离（如5表示500米）
3）快速以太网（100M)物理层规范
标准代号: IEEE 802.3u
重点掌握:
- 各标准使用的传输介质（双绞线/光纤）、属性、传输距离表格
- 使用线对数（2对或4对）
- 是否屏蔽（STP/UTP）
编码方式: 100Base-TX采用4B/5B编码
传输距离:
- 多模光纤(MMF)：2km
- 单模光纤(SMF)：40km
4）示例
1.例题:快速以太网标准
考点: 识别使用5类UTP的标准
分析:
- 100BASE-TX使用5类UTP
- 100BASE-T4使用3类UTP
- 100BASE-FX使用光纤
答案: C(100BASE-TX)
2.例题:快速以太网传输介质
考点: 100BASE-T4使用的传输介质
关键记忆点: 100BASE-T4使用3类UTP
答案: A(3类UTP)
5）千兆以太网（1000M)物理层规范
标准代号:
- IEEE 802.3z（包含3个子标准）
- IEEE 802.3ab（仅1000BASE-T）
关键特点:
- 1000BASE-T需要4对双绞线，传输距离100米
- 1000BASE-LX可使用单模/多模光纤
- 1000BASE-CX使用屏蔽双绞线，两对STP，仅25米传输距离（考试高频考点）
编码方法: 主要采用8B/10B
特殊标准:
- 1000BASE-ZX：单模光纤，传输距离70km（实际应用可达更远）
3.例题:千兆以太网标准中传输距离
考点: 各标准传输距离比较
关键记忆:
- CX：25米（屏蔽双绞线）
- SX：550米（多模光纤）
- LX：5km（单模光纤）
- ZX：70km（单模光纤）
答案: D，选择传输距离最长的标准
4.例题:千兆以太网标准采用屏蔽双绞线和采用长波光纤的标准
第一问考点: 采用屏蔽双绞线的标准
- 只有1000BASE-CX使用STP
- 答案: C(1000BASE-CX)
第二问考点: 使用长波1330nm光纤的标准
- 1000BASE-LX使用长波(1270-1355nm)
- 答案: B(1000BASE-LX)
5.例题:千兆以太网标准代号
考点: 各代以太网标准代号
- 以太网10M：802.3
- 快速以太网100M：802.3u
- 千兆以太网1000M：802.3z/ab
- 万兆以太网10G：802.3ae
答案: C(千兆以太网)
6.例题:高速以太网连接技术传输距离
考点: 识别传输距离超过10km的标准
关键数据:
- CX：25米
- LX：5km（教材）或10km（实际）
- ZX：70km
答案: B(1000BASE-ZX)
6）万兆以太网（10G)物理层规范
标准代号: IEEE 802.3ae
关键特点:
- 点到点线路，不再共享带宽
- 无冲突检测机制，不支持CSMA/CD
- 采用与传统以太网相同的帧结构
主要标准:
- 10GBase-S：最短距离（65m-300m）
- 10GBase-L：10km
- 10GBase-E：40km（最长）
- 10GBase-LX4：支持波分复用(WDM)
7）光模块适当扩展
光模块类型与速率:
- SFP：1G
- SFP+：10G
- QSFP+：40G
- SFP28：25G/100G
高速以太网标准:
- 25G：802.3by
- 40G/100G：802.3ba
应用场景:
- 25G：数据中心服务器到交换机连接
- 40G：数据中心主干
- 100G：运营商网络
7.例题:万兆以太网标准中传输最远的标准
考点: 万兆标准传输距离比较
关键数据:
- S：300m
- L：10km
- E：40km
- LX4：10km
答案: D(10GBASE-E)
8.例题:单模光纤传输距离
考点: 10GBase-ER(即10GBase-E)的传输距离
关键记忆: 10GBase-E使用单模光纤，最大传输距离40km
答案: D(40公里)
知识小结
| 知识点 | 核心内容 | 考试重点/易混淆点 | 难度系数 |
| 以太网发展 | 以太网从10M发展到400G/800G，速度快，应用广泛 | 以太网的发展历程和速度提升 | 🌟 |
| 以太网标准 | 最古老的10M以太网标准叫IEEE 802.3 | 以太网标准的名称 | 🌟🌟 |
| 物理介质命名 | 100Base-T为例：100表示速率，Base表示基带传输，T表示双绞线 | 命名规则中各部分的含义 | 🌟🌟🌟 |
| 基带与宽带 | 基带传输数字信号，宽带传输模拟信号 | 基带与宽带的区别及传输信号类型 | 🌟🌟 |
| 传输距离与介质 | 模拟信号传输远（如3600米），用CATV电缆；数字信号一般100米 | 传输距离与信号类型、介质的关系 | 🌟🌟🌟 |
| 百兆以太网 | 标准名称802.3u，有四个标准，传输介质和距离各异 | 百兆以太网的标准、传输介质和距离 | 🌟🌟🌟🌟 |
| 千兆以太网 | 两个标准：802.3z和802.3ab，需四对双绞线或光纤 | 千兆以太网的标准、传输介质 | 🌟🌟🌟🌟🌟 |
| 千兆编码方式 | 常用8b10b编码，但教材上可能有误 | 千兆以太网的编码方式及教材差异 | 🌟🌟🌟🌟 |
| 特殊标准 | 1000Base-CX用两对屏蔽双绞线，传输距离仅25米 | 特殊标准的传输介质和距离 | 🌟🌟🌟🌟🌟 |
| 万兆以太网 | 标准代号802.3ae，支持光纤或双绞线传输，但光纤更常用 | 万兆以太网的标准和传输介质 | 🌟🌟🌟🌟🌟 |
| 万兆以太网特点 | 点到点线路，全双工，无CSMA/CD协议 | 万兆以太网的特点和协议差异 | 🌟🌟🌟🌟 |
| 万兆标准 | 多种标准：S、L、E、LX4，传输距离各异 | 万兆以太网的各种标准和传输距离 | 🌟🌟🌟🌟🌟 |
| 光接口类型 | SFP、SFP+、QSFP+等，速率不同 | 光接口的类型和速率差异 | 🌟🌟🌟 |
| 光模块 | 光接口需配相应光模块才能插光纤跳线 | 光模块的作用和配置 | 🌟🌟🌟 |
| 25G/40G/100G标准 | 25G标准802.3by，40G/100G标准802.3ba | 高容量接口的标准 | 🌟🌟🌟 |