Формат кадра Ethernet: типы, первоначальная версия и внутренняя модификация

В зависимости от стандарта, формат кадра Ethernet (фрейм) структурирован, содержит больше или меньше информационных полей сетевых моделей. Передавая данные, фрейм с размером от 64 до 1518 байт отвечает за корректное формирование правил и успешную передачу информации получателю.

Протокол был создан в 1970-х годах известными производителями компьютеров: DEC, Intel и Xerox. Первоначально он назывался DIX Ethernet, а позже - Thick Ethernet (толстый) из-за применения коаксиального кабеля. В конце 1980-х он был модернизирован в формат кадра Ethernet 2 с поддержкой большего количества возможностей и скоростей. Примерно в то же время IEEE создавал стандарты для интернет-сетей. На протяжении этого времени он скачкообразно поднимал скорость: от 10 до 100 Мбит/с, далее 1 Гбит/с, а сегодня - 10 Гбит/с в IEEE 802.3AE.

Определение формата фрейма

Ethernet - это протокол выбора в локальных сетях, представляющих группу связанных устройств и расположенных относительно близко друг к другу в ограниченной области. Существует факторы, которые различают локальные от глобальных интернет-сетей:

1. Меньший географический охват.
2. Ресурсы для работы с высокой скоростью передачи данных.
3. Большая пропускная способность от 100 Мбит/ с до 10 Гбит/с, которые используются в модернизированных сетях.
4. Не требуется арендная линия или поставщика интернет-услуг, чтобы соединить устройства.
5. ЛВС может быть небольшим проектом для офиса или удаленного работника.

Для того чтобы знать, какие существуют типы кадров Ethernet, немного истории. Изначально Ethernet был разработан для работы на длинном коаксиальном кабеле, который соединял все компьютеры в сети. Этот тип называется шиной. Когда одна станция передавала данные, все другие получали их. Он был спроектирован исходя из того, что все будут слышать трансляции на отрезке провода, который используется для соединения. Отсюда и термины «проводной сегмент» и «широковещательный домен».

Широковещательный домен включает в себя все провода и компьютеры, которые могут слышать друг друга, когда один из компьютеров передает. Сегмент провода - это часть провода, используемого для соединения двух устройств. Из-за то, что сети Ethernet состоят из широковещательных доменов, на нем нет тактового сигнала, как это часто бывает у последовательных соединений.

Вместо этого системы должны определить, используется ли провод, и если нет, отправить достаточно информации, чтобы удаленная станция могла правильно синхронизировать ее. Этот механизм в сочетании с возможностью обнаружения других компьютеров, пытающихся получить доступ к проводному соединению, представляет собой формализованный протокол, называемый обнаружением множественного доступа с несущим стандартом CSMA/CD.

В модели OSI кадр находится на канальном уровне и отвечает за безошибочную передачу и разделение потока битов на блоки. Первая версия Ethernet I основывалась на 16-битных полях. Современный формат кадра Ethernet был впервые использован в структуре Ethernet II, до того, как Институт инженеров по электротехнике и электронике разработал стандартный протокол IEEE 802.3, первым из которых в 1983 году стал 3raw.

Компоненты локальной сети

Локальная сеть - это традиционная среда для подключения пользователей и использования ресурсов в форме данных, приложений и других функций с устройствами ввода и вывода, такими как камеры, ПК, телевизоры и принтеры. Одной из наиболее важных функций в них является обеспечение связи с другими. Через шлюзы по умолчанию, а также через маршрутизаторы и периферийные устройства WAN. LAN служит в качестве точки входа в глобальную сеть, которая предоставляет множество ресурсов и возможность подключения к партнерам, поставщикам в формате кадра Ethernet.

Сегодня локальные сети могут обслуживать разные схемы потребителей от небольшого офиса с парой устройств, подключенных к интернету, до схем, объединяющих несколько зданий и тысячи пользователей. Группа удаленных сотрудников и мобильные пользователи рассматриваются как расширение корпоративной сети за счет использования виртуальных частных линий VPN. Схема обеспечит прозрачный доступ к сценарию, в котором взаимодействие с пользователем, и его работа будет очень похожим на прямое подключение к локальной сети предприятия.

Типичные компоненты: конечные точки, ПК, серверы, IP-телефоны, видео консоли и сетевые устройства, которые обеспечивают объединенное место для соединения. Например, коммутатор, маршрутизаторы для соединения различных сетей в одну структуру, а иногда и более традиционные центры в качестве общих средств массовой информации. Сетевые карты и кабели также являются частью такой конструкции.

Структура кадра Ethernet

В этом формате все машины могут определять канал и устанавливать наличие сигналов от других передатчиков. Это позволяет им обнаруживать коллизии, что делает фрейм частью протокола обнаружения. ПК в это время будут планировать передачу в соответствии со случайным таймером, который отличается для каждой машины.

Это создает функциональную среду, которая в долгосрочной перспективе обеспечивает хорошую производительность. Некоторые модели могут быть функциональными, но с плохим дизайном схемы, например, большой домен коллизий со слишком большим количеством машин, использующих один и тот же канал. Это увеличит вероятность одновременной передачи и возможных столкновений, что, в свою очередь, приведет к общему снижению производительности. Другие проблемы связаны с неисправным оборудованием, которое отправляет в сеть кадры ошибок. Поэтому следующей важной функцией любого протокола уровня 2 является кадрирование.

Кадр Ethernet - это контейнер переносящий биты, которые передаются в сети, обладающих форматом полей. Например, Ethernet 2 и IEEE 802.3 представляют последовательность битов, используемых для синхронизации двух взаимодействующих устройств и последовательности проверки, используемых для целостности, а также адреса получателя и источника - MAC-адрес.

Общение внутри локальной сети

Еще одна важная концепция в связи Ethernet и LAN - это объем определенной передачи. В одноадресной есть только один пункт назначения - адрес получателя, представляющий одну машину. Это наиболее типичный подход, а MAC-адрес - уникальный идентификатор, который используется для отправки таких кадров. Если протоколы и приложения будут отправлять их на все устройства в сети, то используются широковещательная рассылка.

Трансляция - пункт назначения, который обрабатывается всеми устройствами. Это удобно для таких протоколов, как ARP, запрашивающих преобразование IP-адреса в MAC без информации о владельце IP.

Многоадресная передача находится прямо посередине между одноадресной и широковещательной передачами. Это не один и не все пункты назначения – это просто конкретная группа. Другими словами, если машины принадлежат группе, то определенная передача или пакет будут предназначены именно ей. Это более динамично, потому что машины присоединяются и покидают группы быстро и эффективно. Пример многоадресного приложения: видеоконференция, электронное обучение и другие мультимедиа с широким охватом пользователей.

MAC-адреса связаны с поставщиком оборудования. IEEE определяет диапазоны, чтобы гарантировать уникальность, которые разрешают их модификацию для определенных целей. Он состоит из 24-битного уникального идентификатора организации или OUI, который идентифицирует производителя оборудования, будь то сетевая карта или порты маршрутизатора. В этих 24-битах имеется 2 биты с особым значением:

1. Указание того, имеется широковещательные или многоадресные подключения. Бит управляемого адреса обычно используется при изменении MAC.
2. 24-разрядный адрес станции, который регулируется и администрируется конкретным поставщиком оборудования.

Стандарты ЛВС

Ethernet с точки зрения OSI относится к канальному уровню и имеет спецификации на физическом уровне. Например, 1 Гб и 10 Гбит Ethernet будут иметь спецификации на физических уровнях и ссылки на оптоволоконные технологии и соединители для обеспечения более высоких скоростей. Протокол разделен на 2 подуровня: управления доступом к среде и определения MAC-адреса как формы идентификации для приборов в сети Ethernet. Подуровень, управляющий логическим каналом, будет взаимодействовать с верхними уровнями, когда компоненты обрабатывают каждый пакет, они будут ссылаться на CSMA/CD.

Форматы кадров технологии Ethernet 2 обеспечивают адресацию по MAC и метод доступа, называемый CSMA/CD или системой множественного доступа с обнаружением столкновений. Это точечный метод, который благодаря уникальной технологии работает для Ethernet и позволяет всем машинам передавать сигналы одновременно, в любое время без приоритетов, так как все имеют равный доступ и является частью протокола множественного доступа.

Классическая модель VLAN

Кадр Ethernet II, также известный как V2, является наиболее распространенным в интернете. В настоящее время большинство приложений TCP/IP, таких как HTTP, FTP, SMTP и POP3, переносят пакеты следующим способом.

Формат физического уровня кадр сети Ethernet II.

Помеченные кадры содержат тег VLAN для назначения виртуальной локальной сети (VLAN), разделяющий структуру на физический и логический уровни. Это означает, что с помощью VLAN подсети могут быть реализованы без установки аппаратного обеспечения. Для идентификации кадров в VLAN требуется поле Tag. На физическом уровне VLAN работают через коммутаторы.

В модели OSI VLAN работает на канальном уровне 2 и управляет потоком данных. С VLAN сети могут стать более эффективными, будучи разделенными на подсети. За информацию, которую обрабатывает коммутатор, отвечают помеченные кадры. В поле Tag внедряется перед полем Type и использует 4 байта, что увеличивает минимальный размер кадра Ethernet на 4 байта.

Синхронизация связи 802.3

Процесс синхронизации выполняется потоком битов, который позволяет передатчику и приемнику синхронизировать связь. Преамбула представляет собой чередующийся образец двоичных 56 единиц и нулей. За преамбулой сразу следует разделитель начальных кадров:

1. Стартовый разделитель - всегда 10101011 и используется для указания начала информации.
2. MAC-адрес назначения, получающий данные. Когда карта (NIC) прослушивает провод, проверяет это поле на наличие собственного MAC.
3. Исходный MAC передающей машины.
4. Длина кадра в байтах. Хотя это поле может содержать любое значение от 0 до 65 534, оно редко превышает 1500 для большинства последовательных соединений. Сети, как правило, используют последовательные устройства для доступа в интернет.
5. Данные заполнения (aka Payload).
6. Данные вставлены здесь. Это место, где размещаются IP-заголовок и другая информация, если используется IP через Ethernet. Это поле содержит информацию об IPX, если применяют IPX/SPX (Novell).
7. В разделе заполнения формата кадра Ethernet 802 3 есть четыре конкретных поля: DSAP - точка доступа к службе назначения, SSAP - источник доступа к услуге Poiont, CTRL - биты управления для связи Ethernet, NLI - интерфейс сетевого уровня.
8. FCS - содержит последовательность проверки кадра, которая рассчитывается с использованием проверки циклическим избыточным кодом (CRC) и позволяет обнаруживать ошибки и отклонять кадр, если он кажется поврежденным.

Эта версия пакета 802.3, получившая неудачное название «Ethernet 802.3», была выпущена компанией Novell до широкого внедрения стандартов IEEE 802.3 и популярного IPX/SPX, что, к сожалению, привело к частой путанице со стандартом. В отличие от классической модели Ethernet II, кадр определяет точное окончание битовой последовательности для SFD.

Это идентифицирует пакет данных, как стандарт 802.3 для получателя. Кадры 802.3raw не содержат идентификатора протокола, поскольку они могут применяться только для Novell IPX. Кроме того, передаваемая информация всегда имеет префикс 2 байта, которые состоят из единиц. Это единственный способ отличить «необработанный» кадр от других в семействе 802.3.

IEEE 802.3raw можно использовать только для протокола IPX, поскольку отсутствует идентификатор поля кадра Ethernet. Название IEEE 802.3raw также немного вводит в заблуждение, поскольку Novell употребила имя без привлечения IEEE при разработке фрейма.

Применение этого фрейма означает дополнительную работу для пользователя, потому что могут возникнуть проблемы совместимости между устройствами. Начиная с 1993 года, Novell рекомендовала стандарт Ethernet 802.2, в котором использовался IEEE 802.3, чтобы избежать вероятности путаницы с «необработанным» кадром.

Новые функции - DSAP и SSAP

Для стандартизации структуры 802.3 введены новые функции - DSAP и SSAP, которые заменяют поле типа и поле управления, содержащее фрейм LLC. Эта версия определяет до 256 совместимых протоколов с важной информацией, интегрированной в поле данных. Новое поле управления устанавливает «логическую связь» (LLC). Этот момент обеспечивает прозрачность процедур совместного использования медиа и может контролировать информационный поток.

DSAP, или точка доступа к службе назначения, представляет собой 1-байтовое поле, которое просто действует, как указатель, на буфер памяти принимающей станции. Он сообщает NIC, в какой помещать информацию. Эта функциональность крайне важна в ситуациях, когда пользователи используют несколько стеков протоколов. SSAP, или точка доступа к сервису источника, аналогична DSAP и указывает источник процесса отправки.

Классическая структура кадра Ethernet 802.3 SNAP со специальной особенностью является полем SNAP для определения более 256 протоколов. Номера их предоставляют 2 байта, кроме того, производитель может интегрировать уникальный идентификатор (3 байта). В отличие от своих предшественников, SNAP также обеспечивает обратную совместимость с Ethernet II.

DSAP, SSAP и Control четко определены. Благодаря недавно добавленному пространству для информации 802.3, SNAP чрезвычайно универсален и делает возможной совместимость между различными протоколами. Тем не менее пространство для фактических данных у него немного меньше.

Классическая структура кадра Ethernet 802.3 с тегами. Поле тега содержит важную информацию для интеграции VLAN.

Теги VLAN также могут быть установлены в наиболее популярном современном формате фрейма IEEE 802.3. В этом кадре поле Tag использует 4 байта и реализуется до спецификации длины. Минимальный размер кадра теперь увеличен с 4 до 68.

Обзор: блоки кадров Ethernet. Обратите внимание на таблицу.

Заголовок канала передачи данных

Стандарт заголовка передачи – «Смещение 0-5: адрес получателя». Первые шесть байтов размера кадра Ethernet составляют адрес получателя. Он указывает, какому адаптеру отправляется фрейм данных. Целевой адрес указывает широковещательное сообщение, которое читается принимающими устройствами. Первые три байта назначения присваиваются IEEE поставщику и зависят от него. Формат назначения одинаков во всех реализациях Ethernet.

Следующие шесть байтов составляют адрес источника, стандарт –«Смещение 6-11: адрес источника». Он указывает, с какого адаптера было отправлено сообщение. Как и у получателя, первые три байта указывают поставщика карты. Формат источника одинаков во всех реализациях Ethernet.

Байты 13 и 14 содержат длину данных в кадре, не включая преамбулу, 32-битный CRC, DLC или само поле длины. Он не может быть короче общей длины 64 байта. За заголовком канала передачи следует заголовок управления логическим каналом, который описан в спецификации IEEE 802.2. Целью заголовка LLC является предоставление «дыры в потолке» уровня канала передачи. Указывая, в какой буфер памяти адаптер помещает фрейм, заголовок LLC позволяет верхним уровням знать, где найти данные.

Следующий за SAP «Смещение 17: управляющий байт», является однобайтовым управляющим полем, которое определяет тип кадра LLC. После заголовка 802.2 идет от 43 до 1497 байт, обычно состоящих из заголовков верхнего уровня, таких как TCP/IP или IPX, а затем фактических пользовательских данных.

FCS: последние 4 байта, которые считывает адаптер, являются проверочной последовательностью кадров или CRC. Когда напряжение на проводе возвращается к нулю, адаптер проверяет последние 4 байта, которые он получил, по контрольной сумме, генерирующей посредством сложного полинома. Если вычисленная контрольная сумма не совпадает со значением в кадре, она отбрасывается и не достигает буферов памяти на станции.

Сравнение 802.11 против 802.3

Одним из различий между беспроводными фреймами 802.3 Ethernet и 802.11 является размер фрейма. Кадры 802.3 имеют максимальный размер кадра Ethernet 1518 байт с полезной нагрузкой 1500 байт. Если кадры 802.3 помечены 802.1Q для VLAN и приоритета пользователя, максимальный размер 802.3 составляет 1522 байта с полезной нагрузкой данных в 1504 байта.

802.3 имеют только адрес источника (SA) и назначения (DA) в заголовке уровня 2. 802.11 имеют до четырех полей в заголовке MAC и используют только три поля MAC-адреса (4 в среде WDS).

Стандарт 802.11 способен транспортировать формат кадра fast Ethernet с полезной нагрузкой MSDU. Она равна 2304 байтам верхнего уровня. MAC-адресация, используемая кадрами 802.11, намного сложнее, чем с кадрами Ethernet. В зависимости от того, является ли трафик 802.11 восходящим или нисходящим, определение каждого из четырех полей MAC в заголовке уровня 2 изменится.

Структура кадра Ethernet IEEE 802.3 сегодня является наиболее популярной и широко используемой в локальной сети. Однако некоторые протоколы требуют больше места для конкретной информации. Следовательно, существуют варианты кадра IEEE 802.11, которые предоставляют дополнительные блоки данных для конкретной информации, в том числе расширение SNAP и тег VLAN.