讨论以太网的帧长，就不得不先提一下以太网的大名鼎鼎的CSMA/CD协议。
1.1 CSMA/CD协议
CSMA/CD是英文carrier sense multiple access/collision detected 的缩写，可把它翻成“载波监听多路访问/冲突检测”，或“带有冲突检测的载波侦听多路访问”。
所谓载波监听（carrier sense），意思就是以太网络上的各个工作站在发送数据前，都要监听总线上有没有数据正在传输。若有数据传输 （称总线为忙），则不发送数据，需要等待；若无数据传输（称总线为空），可以立即发送准备好的数据。
所谓多路访问（multiple access)，意思就是以太网络上的各个工作站在发送数据时，共同使用一条总线，且发送数据是广播式的。
所谓冲突（collision），意思就是，若以太网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的冲突；多个工作站都同时发送数据，在总线上就会产生信号的冲突，哪个工作站接收到的数据都辨别不出真正的信息。这种情况称冲突或者碰撞。
为了减少冲突发生的影响，工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，检测自己传输过程中有没有其他工作站在发送数据，在传输过程中与其它工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测（collision detected）。
详细见CSMA/CD协议介绍。
1.2 以太网探测帧
当多个工作站均想向以太网发送数据时，如果总线处于忙的状态，大家都等待，也不会有何争议；但是如果总线处于空的状态，而且工作站是依次监听到空状态，那么各个工作站就会陆续向总线发送数据，A工作站发送的数据还未传递到另一个要发送数据的B工作站，那么B工作站仍然认为总线为空的状态，那么B工作站也向总线注入数据；如果还有更多工作站向总线注入数据，原理一样，只是更加复杂而已。
A工作站传递的数据与B工作站传递的数据就会在总线的某处发送冲突，导致此次数据发送失败。那有什么办法可以提前判断，使得工作站不必每次都源源不断的向总线注入数据，其后又检测到冲突，而重新等待，如此反复，既浪费了宝贵的工作站资源与总线资源，又使得数据迟迟不能发送出去。
先了解下碰撞信号，就是连续的01010101或者10101010,十六进制就是55或AA。以太网实现原理是，假设某个工作站检测到冲突发生，那就发送碰撞信号，使冲突更加明显，使得所有工作站均能检测到总线发生了冲突。
我们来看一下，假设A检测到总线是空闲的，开始发数据包，尽力传输，当数据包还没有到达B时，B也监测到总线是空闲的，开始发数据包，这时就会发生冲突。假设B 首先发现发生碰撞，开始发送碰撞信号。
这个碰撞信号会返回到 A，如果碰撞信号到达A时，A还没有发完这个数据包，A就知道这个数据包发生了错误，就会重传这个数据包。但如果碰撞信号会返回到A时，数据包已经发完， 则A不会重传这个数据包。
以太网为什么要设计这样的重传机制。首先，以太网不想采用连接机制，这会降低传输效率，但他又想保证一定的传输效率。因为以太网的重传是微秒级，而传输层的重传，如TCP的重传达到毫秒级，应用层的重传更达到秒级。我们可以看到越底层的重传，速度越快，所以对于链路层发生的错误，以太网必须有重传机制。
要保证以太网的重传，必须保证A收到碰撞信号的时候，数据包没有传完，要实现这一要求，A和B之间的距离很关键，也就是说信号在A和B之间传输的来回时间 必须控制在一定范围之内。
解决方法就是，每个想要发送数据的工作站，检测到总线为空状态，在发送数据之前，先发送一个探测帧，探测帧的发送就圆满的解决了上面的问题。而探测帧的长度既要达到最快速的传递到目的地，又要确保探测帧的传递时间足够使得其他工作站能够监听到。这个探测帧的长度就是以太网规定的最小帧长，就是一个最小最长帧。
由于以太网传递的帧，归根结底还是由比特流组成。上面提到的传输速率，其实就是工作站的发送速率，传输一个帧还是一个个的比特发送出去。即，工作站发送一个帧的第一个比特到达目的地，而此帧的最后一个比特正好发送出去。
2.1 碰撞槽时间
C代表光速，也就是20.3cm/ns(每纳秒20.3厘米)， C是30W。电子在铜介质（普通铜）中的移动速度是21W/s 。
假设公共总线媒体长度为S，帧在媒体上的传播速度为0.7C（光速），网络的传输率为R（bps），帧长为L（bps），tPHY为某站的物理层时延；
则有：
碰撞槽时间=2S/0.7C+2tPHY
因为Lmin/R=碰撞槽时间
所以：Lmin =（2S/0.7C+2tPHY ）×R
Lmin 称为最小帧长度。
碰撞槽时间在以太网中是一个极为重要的参数，有如下特点：
（1）它是检测一次碰撞所需的最长时间。
（2）要求帧长度有个下限。（即最短帧长）
（3）产生碰撞，就会出现帧碎片。
（4）如发生碰撞，要等待一定的时间。t=rT。（T为碰撞槽时间）
假设：A、B两地之间通过一个单向传送带传递物品，传送带的传输速度是C(C代表光速)，也就是20.3cm/ns(每纳秒20.3厘米)，A点有个人叫Marcia，她要把一车荔枝一串一串的发送给B点的那个人Allen，现在Marcia需要抉择的是：我在传送荔枝给Allen的时候，如果Allen同时也有荔枝传给我，这个时候就会产生冲突，而冲突会把传送中的荔枝撞碎，破碎的荔枝渣会通过传送带反送给我，我很想知道是哪一串荔枝被撞碎了，如何实现？一个办法就是：在我收到荔枝碎片的时候，我仍旧在传着这串荔枝！比如有很多串荔枝，第1串，第2串等，当我发送第3串荔枝的过程中，收了荔枝碎片，那肯定是第3串里先发出的荔枝出现了碰撞，而不是第2串或第1串中的荔枝发生碰撞。
为了实现这一点，假如Marcia到Allen点的距离是2500米(250000厘米)，传送带上的荔枝每纳秒20.3厘米，那么一串荔枝中的第一个荔枝到达Allen点的用时就是250000除以20.3=12500纳秒，在加上碎片返回的时间是12500纳秒，等于25000纳秒，这个时间就是一串荔枝在传送带上必须持续的时间。
Marcia高兴的时候，往传送带上放荔枝的时候快，不高兴的时候就慢。高兴的时候每秒可以往传送带上放100Mbit个荔枝，换算一下，也就是说放一个荔枝用10纳秒。不高兴的时候每秒钟只能往传送带上放10Mbit个，也就是说放一个荔枝用100纳秒。
因为一串荔枝必须持续的时间25000纳秒，那么对于不高兴的时候，25000除以100=250个荔枝，这个结果就是一串荔枝的数量。所以，理论上一个10Mbit/s的以太网，最小帧长应该是250bit。但为了确保Marcia在放荔枝的过程中不会被扎到手，放送荔枝间会有一定的延时，所以最小帧长被定义为512bit(64字节)。
因为一串荔枝必须持续的时间25000纳秒，对于高兴的时候，25000除以10=2500个荔枝，这个结果就是一串荔枝的数量。所以，理论上一个100Mbit/s的以太网，最小帧长应该是2500bit。但一个2500bit的帧又太大了，上层来的数据包不可能这么大。所以我们只能缩短A点到B点的距离为250米，一个荔枝在传送带上往返的时间也变成了2500纳秒。这时用2500除以10=250个荔枝，这个结果就是一串荔枝的数量。所以，理论上一个100Mbit/s的以太网，最小帧长应该是250bit，网络最大有效距离是250米。但为了确保Marcia在放荔枝的过程中不会被扎到手，放送荔枝间会有一定的延时，所以帧长被定义为512bit(64字节)。
由此可见，MAC层发送的速度越快，以太网的最大有效距离就越短。但对于1000Mb/s的吉比特以太网，MAC层有两种选择，要么保留CSMA/CD，要么不用它。若保留CSMA/CD协议，必须面临碰撞检测问题，这就要再一次减小网络的最大有效传输距离到25米。当然您可以不缩短网络的距离，而是增加一个帧的程度，就如我们开始分析100Mb/s以太网那样，让一个帧持续足够长的时间。但因为上层来的数据没有这么多，所以就需要在MAC层进行一些无用数据的填充来满足这个要求。
2.2 最优冲突时间
下面我们来估计在最坏情况下，检测到冲突所需的时间
（1）A和B是网上相距最远的两个主机，设信号在A和B之间传播时延为τ，假定A在t时刻开始发送一帧，则这个帧在t+τ时刻到达B，若B在t+τ－ε时刻开始发送一帧，则B在t+τ时就会检测到冲突，并发出阻塞信号。
（2）阻塞信号将在t+2τ时到达A。所以A必须在t+2τ时仍在发送才可以检测到冲突，所以一帧的发送时间必须大于2τ。
（3）按照标准，10Mbps以太网采用中继器时，连接最大长度为2500米，最多经过4个中继器(以太网中使用中继器的5-4-3-2-1原则)，因此规定对于10Mbps以太网规定一帧的最小发送时间必须为51.2μs。
（4）51.2μs也就是512位数据在10Mbps以太网速率下的传播时间，常称为512位时。这个时间定义为以太网时隙。512位时=64字节，因此以太网帧的最小长度为512位时=64字节。
2.3 以太网帧长
802.3-2002标准定了以太网的头结构为DA(6)+SA(6)+Len/Type(2)=14字节。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。
以太网的帧开销是18字节，是“目的MAC（6）＋源MAC（6）＋Type（2）＋CRC（4）”。以太网最小帧长为64字节，那么IP报文最小为46字节，而局域网规定IP最大传输单元1500字节，实际上加上以太网帧的18字节，就是1518字节。
IEEE定义了这个标准，一个碰撞域内，最远的两台机器之间的round-trip time 要小于512bit time。(来回时间小于512位时，所谓位时就是传输一个比特需要的时间）。这也是我们常说的一个碰撞域的直径。
512个位时，也就是64字节的传输时间，如果以太网数据包大于或等于64个字节，就能保证碰撞信号到达A的时候，数据包还没有传完。
这就是为什么以太网要最小64个字节，同样，在正常的情况下，碰撞信号应该出现在64个字节之内，这是正常的以太网碰撞，如果碰撞信号出现在64个字节之后，叫 late collision。这是不正常的。
CISCO交换机有一种转发方式叫fragment-free，叫无碎片转发，他就是检查64个字节之内有没有错误，有的话不转发，这样就排除了正常的以太网错误包。
来源：https://www.cnblogs.com/aixin0813/p/3310040.html