イーサネットフレーム(英語: Ethernet frame)は、有線LAN規格のイーサネットによる通信で処理されるデータ書式のこと。「MACフレーム」とも。

イーサネットの通信データ処理部はMACと呼び、これはOSI参照モデルの第2層にあたるデータリンク層に位置する。データリンク層プロトコルでのデータ単位(PDU)を一般に「フレーム」と呼ぶ。通信はイーサネットの各種物理層規格における物理信号を利用し、物理層パケットの内部にイーサネットフレームが含まれた形で送受される。

フレーム送付の前に、送信開始の合図としてプリアンブルとSFDと呼ぶ信号を送る。フレームの先頭には宛先と送信元のMACアドレスがあり、ネットワーク機器による転送処理判断に使われる。フレームの中央にペイロードがあり、任意の主データが配置できる。フレーム末尾にはフレームチェックシーケンス(FCS)があり、転送中のデータ破損を検出することができる。

なお、以降では「バイト」の語を8ビット(1オクテット)の意味として用いる。

## 構造

イーサネットフレームとそれを含む物理層パケットは、バイナリデータで構成されている。IEEE 802.3では以下の図表に示すフレーム構造を規定している。データは図の左・表の上から順に送信されるが、各バイト内では最下位ビット(LSB)を最初に送る。

イーサネットの物理層パケットとフレームの構造

| 内容 | サイズ[Byte] | 範囲 | |
| --- | --- | --- | --- |
| プリアンブル | 7 |  | ↑ 物理層パケット (72–1534) ↓ |
| SFD | 1 |
| 宛先MACアドレス | 6 | ↑ イーサネットフレーム (64–1526) ↓ |
| 送信元MACアドレス | 6 |
| (VLANタグ) | (4 or 8) |
| タイプ/長さ | 2 |
| ペイロード | 46-1500 |
| FCS | 4 |
| パケット間隔 | 12 |

ここではMTUが1500バイト以下のペイロード長を持つものを示した。ギガビットイーサネット以降では、ジャンボフレームと呼ばれるさらに大きなフレームの対応を実装した製品もある。

また、VLANタグはオプションとして括弧で示しており必須ではない。通常は4バイトであるが、二重タグの場合は8バイトとなる。

### プリアンブルとSFD

物理層パケットは、イーサネットフレームを送る前に以下の信号から始まる。

- 7バイトのプリアンブル (preamble, 「前置き」の意)
- 1バイトのSFD (start frame delimiter, 「フレーム開始の区切り目」の意)

これらの伝送路上のビットパターンは以下のようになる。ここでは左のビットから順に送信される形で記載した。

プリアンブルではビットの交互パターン`10`を連続させており、受信側はこれによりビットレベルで容易に同期できる。その後のSFDではこの交互パターンの最後が崩れて`11`となり、受信側はこれによりバイトレベルで同期しながらフレームの開始を検出できる。

なお、これらの信号はLSBが先頭となる十六進表現を使うことがある。特にPHY (物理層デバイス)・MAC (データリンク層デバイス)間の並列バスであるMIIを経由する場合などでは、以下のように表す。

- 100Mbps通信のMIIは4並列バスのため、ニブル値(4ビット値)表現で、プリアンブルは14個の`0x5`、SFDは`0x5 0xD`の順となる。
- 1Gbps通信のGMIIは8並列バスのため、バイト値(8ビット値)表現で、プリアンブルは7個の`0x55`、SFDは`0xD5`となる。

### イーサネットヘッダ

フレーム先頭の以下の欄を「イーサネットヘッダ」または「MACヘッダ」と呼ぶ。

- 宛先と送信元のMACアドレス (6バイト+6バイト)
- VLANタグ (Qタグは4バイト、Q-in-Qタグは8バイト) - オプションであり必須ではない。
- タイプ/長さ (2バイト) - 詳細は次節

レイヤ2スイッチ(MACブリッジ)はヘッダの内容を見て転送処理を行っている。その処理動作はIEEE 802.1Dで最初に規定され、その後の改版でIEEE 802.1Qに引き継がれている。MACアドレスは、フレームの転送先を判断したり、送信元を記録したりするのに用いる。VLANタグでは、所属するLANと優先度(QoS)が示され、同様に転送先や転送タイミングの判断に用いる。

### タイプ/長さ

タイプ/長さの欄は、用途が2種類ある。

- この値が1536(`0x0600`)以上の場合は、EtherTypeと解釈される。
- この値が1500(`0x05DC`)以下の場合は、ペイロード長と解釈される。

1500と1536の間の値は未定義。

ほとんどのイーサネットフレームがEtherTypeを用いる。EtherTypeは、ペイロード欄にカプセル化されているデータが何のプロトコルかを示すもので、例えば`0x0800`はIPv4パケット、`0x0806`はARPフレーム、`0x86DD`はIPv6フレーム、`0x8100`はVLANタグつきフレームを表す。このときフレーム長は明示されていないが、FCSやEOFなどによってフレーム末尾を検出することでフレーム長がわかるようになっている。

ペイロード長を用いるフレームの実例については#種類の節を参照のこと。

### ペイロード

ペイロードは「MACクライアントデータ」とも呼び、通信に使う主データを配置する。任意のプロトコルを配置することができ、多くの場合は第3層にあたるIPパケットのデータがIPヘッダを含んだ形で格納される。

最小ペイロード長は、VLANタグがある場合は42バイト、ない場合は46バイトである。この値は、フレーム長が最低64バイトになるように設定されており、初期イーサネットでのCSMA/CDの衝突検出にかかる時間によって決まった。実際のペイロードが最小ペイロード長よりも短い場合は、最小ペイロード長になるまでパディングされる。

最大ペイロード長は初期には1500バイトと規定されていたが、1998年にIEEE 802.3acでVLANタグ対応のため1504バイト、2006年にIEEE 802.3asで1982バイトに拡張されている。規格外の独自仕様であるジャンボフレームでは、さらに大きなペイロード長に対応できる実装もある。

### フレームチェックシーケンス

フレームチェックシーケンス (FCS) は、送信側がフレーム末尾につける4バイト値で、これにより受信側でフレーム全体のデータ破損を検出して破棄することができる。また、受信側でペイロード長がわからなくてもFCSを検証することでフレームの末尾がわかるようになる。

FCSの値は、32ビットの巡回冗長検査 (CRC) であり、イーサネットフレームからFCS欄を除いた部分(送信元MAC・宛先MAC・長さ/タイプ・ペイロード)を入力として計算する。この計算ではCRC-32の標準多項式`0x04C11DB7`を用いる。CRCの値は、最上位ビット (ビット31) を最初に、最下位ビットを最後に送信するようにFCS欄に割り付けられる。このフレーム受信時には、CRCを同様に計算し、フレーム内のFCSと比較するものとしている。

上記の規定と等価な実装方法として、以下のようなアレンジが施されることがある。

CRCの実装に使われる値

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
| 算出方法 | 順方向(左シフト) | 逆方向(右シフト) |
| CRC多項式 | `0x04C11DB7` | `0xEDB88320` |
| CRC検証値 | `0x38FB2284` | `0x2144DF1C` |
| CRC検証値の補数 | `0xC704DD7B` | `0xDEBB20E3` |
|

- ビット列を逆順にして演算することがある。フレーム内の他の欄はLSBが先頭に来る形式であるため、FCSもこれに合わせてあらかじめビット列を逆順にして右シフトのCRC多項式を用いるほうが効率が良い。
- 受信時に送信側と同じ方法でCRCを算出するのではなく、FCSを含む受信フレーム全体にCRC算出を行うことがある。この結果、エラーがなければ常に同じ非ゼロの値が得られるため、これを「CRC検証値」「CRCマジックチェック」などと呼ぶ。
- CRC算出の回路実装では、LFSRに記録する値は補数をとらないことがある。この場合は、送信時や取得時に補数変換する必要がある。

これらの方式により、演算に用いる値は右表のようなバリエーションがある。

### フレームの終わり(物理層)

フレームの終わり (EOF: end of a frame) は通常、物理層でのデータストリームの終了シンボルやキャリア信号の消失によって示される。特に、リンク確立中のアイドリング信号(継続的なキャリア)が常に送信されるような物理層規格では、明示的にend of dataまたはend of streamのシンボルやシーケンスを使うことがある。

- 10BASE-Tでは、受信側はキャリアの消失によって送信されたフレームの終わりを検出する。
- 1000BASE-X (8b/10bによる1Gbps通信)では、フレーム送信前後に特殊シンボルを送信する。

### パケット間隔

パケット間隔は、 IFG (interframe gap) または IPG (interpacket gap)とも呼ぶ。送信側はフレーム送信終了後に次のフレームを送信するまで最低96ビット(12バイト)のアイドル状態を維持する必要がある。これもCSMA/CDの物理的制約に基づいて決められている。

## 種類

イーサネットフレームには歴史的にいくつかの種類がある。主なものを下表に示したが、現在ではこのうち Ethernet II 以外のものはほとんど使われていない。

イーサネットフレームの種類

| 種類 | タイプ/長さ 欄の値 | ペイロードの 先頭2バイト | 備考 |
| --- | --- | --- | --- |
| Ethernet II | ≥ 1536 | 任意 | DIX仕様とも。今日最も一般的に使用される。 |
| ノベルIPXカプセル | ≤ 1500 | `0xFFFF` | ベンダ固有書式。 |
| IEEE 802.2 LLC カプセル | ≤ 1500 | SAPアドレス | IEEE 802.3初期仕様の1つ。 |
| IEEE 802.2 SNAP カプセル | ≤ 1500 | `0xAAAA` | IEEE 802.3初期仕様の1つ。 |

これら4種はタイプ/長さ欄やペイロード欄の差異によって識別でき、同じ物理媒体上に共存できる。また、いずれもVLANタグがつけられる。

### Ethernet II

Ethernet IIは、タイプ/長さ欄をEtherTypeとして使うフレーム。

DEC・Intel・Xeroxの3社が主に設計・規定したもので、3社の頭文字をとってDIX仕様とも呼ぶ。1979年の仕様公開から事実上の標準として広く普及していたが、1997年のIEEE 802.3xで正式に標準化され、この欄をタイプ/長さとして併用することが明記された。

この書式以外の3種はすべてこの欄を長さ(ペイロード長)として使うよう規定されている。この仕様は1983年のIEEE 802.3初版に基づいており、標準化の際にDIX仕様から変更されたものであるが、1997年の改版時に併用として先祖返りする形となっている。

### ノベルIPXカプセル

ペイロード部分にIPXパケットを置くもの。1983年にノベルがIEEE 802.3策定中の仕様をもとにしてNetWareなどに独自実装したプロトコルで、1990年代半ばまで使われた。

長さ欄のすぐ後にIPXパケットが始まる。これは規格準拠ではないが、ペイロードの先頭2バイトを`0xFFFF`としており、次節のIEEE 802.2 LLC カプセルでそのパターンになることはごく稀であるため、実用上は他の書式と識別可能だった。ただし、DECnetの初期の形式では、この仕様が混乱を招いたものがある。

IP普及がまだ進んでいなかった時代は、NetWareでデフォルトだったこの形式によるIPX通信がイーサネット通信のほとんどを占めていた。

### IEEE 802.2 LLC カプセル

ペイロード部分にLLCパケットを置くもの。LLCヘッダには、SAP (service access points) と呼ばれる2つのアドレス値が含まれている。制御バイトの値によってコネクションレス型・コネクション型の通信モードのどちらでも動作できる。

この書式は、過去には多くの社内LANでイーサネットとトークンリングやFDDIとのトランスペアレント変換ブリッジに使われたが、現在一般的なネットワークではほとんど使われない。ノベルのNetWare4.10以降ではデフォルトのIPX通信にも使われたが、ほとんどはIP通信に移行している。

### IEEE 802.2 SNAP カプセル

SNAP (Subnetwork Access Protocol)は、IEEE 802.2 LLCを拡張し、特にEtherTypeを格納する欄を設けてプロトコルの識別ができるようにしたもの。

LLCヘッダのSAPがともに値`0xAA`の場合、LLCヘッダの後に以下のようなSNAPヘッダを置くことができる。SNAPヘッダでは、プロトコルID欄にEtherType値を入れることができる。

1987年にリリースされたMac OSのEthertalkでこの書式を使用していた。

1988年のRFC 1042では、IEEE 802.2 LLCのSAP/SNAPフレームに、IPv4通信をカプセル化する仕様が規定された。FDDI・トークンリング・IEEE 802.11(EtherTypeを使用する5.9 GHz帯域を除く)などで使用されているが、イーサネットではほとんど実装されていない。同様にIPv6もIEEE 802.2 LLC SAP/SNAPを用いたイーサネット通信が可能であるが、これもまたほとんど使用されていない。

## 最大スループット

イーサネットのスループットは以下の式で表せる。

ここで、「回線速度」はファーストイーサネットなら100Mbps、ギガビットイーサネットなら1Gbpsなどの物理層規格の値をそのまま採る。一方、「伝送効率」はいくつかの観点で計算されることがあり、いずれも共通の分母を持つ。

- ペイロード伝送の効率 = (ペイロード長) ÷ (物理層パケット長 + パケット間隔長)

  :   ネットワーク運用効率として示される値。VLANタグの有無によって値が変わる。
- フレーム伝送の効率 = (フレーム長) ÷ (物理層パケット長 + パケット間隔長)

  :   ネットワークスイッチ性能として示される値。イーサネットヘッダを含む。
- 物理層パケット伝送の効率 = (物理層パケット長) ÷ (物理層パケット長 + パケット間隔長)

  :   チャネル占有率として示される値。プリアンブル・SFD・イーサネットヘッダを含む。

これらの式を用いた伝送効率の計算例を下表に示す。

|  | | 最短フレーム   | 最短フレーム  (タグつき) | 最長フレーム  (タグなし) | 最長フレーム  (タグつき) |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| サイズ | ペイロード長 | 46バイト | 42バイト | 1500バイト | 1500バイト |
| フレーム長 | 64バイト | 64バイト | 1518バイト | 1522バイト |
| 伝送効率 | ペイロード率 | 54.76% (=46/84) | 50.00% (=42/84) | 97.53% (=1500/1538) | 97.28% (=1500/1542) |
| フレーム率 | 76.19% (=64/84) | 76.19% (=64/84) | 98.70% (=1518/1538) | 98.70% (=1522/1542) |
| 物理層パケット率 | 85.71% (=72/84) | 85.71% (=72/84) | 99.22% (=1526/1538) | 99.22% (=1530/1542) |
|

スループットはこれらの伝送効率を用いて計算することができる。例えば1000BASE-Tでタグつきフレームを通信させる場合の最大スループットは、上表の最右列の値を1Gbps倍して、それぞれ972.8 Mbps, 987.0 Mbps, 992.2 Mbpsと得る。

スイッチ性能としてのスループットは、pps (パケット毎秒)で表現することもあり、
回線速度 ÷ 8 ÷ (物理フレーム長 + パケット間隔長)
で得られる。1Gbps通信の最短フレームの場合、1G / 8 / 84 = 1488095 ppsと得られ、この値がベンチマークテストに用いられる。

## 異常なフレーム

IETFではRMONと呼ばれるLAN管理機能を規定しており、その一環としてフレームの統計情報の収集機能では異常な書式のフレームを定義している。主な異常フレームには以下のようなものがある。

- CRC不一致

- ラントフレーム(runt frame)

- 長すぎるフレーム

- タイプ/長さが未定義値のもの (1501~1535または0~41)
- 物理層パケットの異常