Формат кадру Ethernet: типи, первісна версія і внутрішня модифікація

В залежності від стандарту, формат кадру Ethernet (фрейм) структурований, містить більше або менше інформаційних полів мережевих моделей. Передаючи дані, кадр з розміром від 64 до 1518 байт відповідає за коректне формування правил і успішну передачу інформації одержувачу. Протокол був створений в 1970-х роках відомими виробниками комп'ютерів: DEC, Intel і Xerox. Спочатку він називався Ethernet DIX, а пізніше - Thick Ethernet (товстий) через застосування коаксіального кабелю. В кінці 1980-х він був модернізований у формат кадру Ethernet 2 з підтримкою більшої кількості можливостей і швидкостей. Приблизно в той же час IEEE створював стандарти для інтернет-мереж. Протягом цього часу він стрибкоподібно піднімав швидкість: від 10 до 100 Мбіт/з, далі 1 Гбіт/с, а сьогодні - 10 Гбіт/с IEEE 802.3 AE.

Визначення формату кадру

Ethernet - це протокол вибору в локальних мережах, які представляють групу пов'язаних пристроїв і розташовані відносно близько один до одного в обмеженій області. Існує фактори, які розрізняють локальні від глобальних інтернет-мереж: Менший географічний охоплення. Ресурси для роботи з високою швидкістю передачі даних. Велика пропускна здатність від 100 Мбіт/с до 10 Гбіт/с, які використовуються в модернізованих мережах. Не потрібно орендна лінія або постачальника інтернет-послуг, щоб з'єднати пристрої. ЛОМ може бути невеликим проектом для офісу або віддаленого працівника. Для того щоб знати, які існують типи кадрів Ethernet, трохи історії. Спочатку Ethernet був розроблений для роботи на довгому коаксіальному кабелі, який з'єднував усі комп'ютери в мережі. Цей тип називається шиною. Коли одна станція передавала дані, всі інші отримували їх. Він був спроектований виходячи з того, що всі будуть чути трансляції на відрізку дроту, який використовується для з'єднання. Звідси і терміни «провідний сегмент» і «широкомовний домен».


Широкомовний домен включає в себе всі дроти і комп'ютери, які можуть чути один одного, коли один з комп'ютерів передає. Сегмент дроти - це частина проводу, що використовується для з'єднання двох пристроїв. Через те, що мережі Ethernet складаються з широкомовних доменів, на ньому немає тактового сигналу, як це часто буває у послідовних з'єднань. Замість цього системи повинні визначити, чи використовується провід, і якщо немає, відправити достатньо інформації, щоб віддалена станція могла правильно синхронізувати її. Цей механізм у поєднанні з можливістю виявлення інших комп'ютерів, намагаються одержати доступ до провідного з'єднанню, являє собою формалізований протокол, званий виявленням множинного доступу з несучим стандартом CSMA/CD. У моделі OSI кадр знаходиться на канальному рівні і відповідає за безпомилкову передачу і розподіл потоку бітів на блоки. Перша версія Ethernet I ґрунтувалася на 16-бітних полях. Сучасний формат кадру Ethernet був вперше використаний в структурі Ethernet II, до того, як Інститут інженерів по електротехніці і електроніці розробив стандартний протокол IEEE 802.3 першим з яких в 1983 році став 3raw.

Компоненти локальної мережі

Локальна мережа - це традиційна середовище для підключення користувачів і використання ресурсів у формі даних, додатків і інших функцій з пристроями введення та виведення, такими як камери, ПК, телевізори та принтери. Однією з найбільш важливих функцій у них є забезпечення зв'язку з іншими. Через шлюзи за замовчуванням, а також через маршрутизатори і периферійні пристрої WAN. LAN служить в якості точки входу в глобальну мережу, яка надає безліч ресурсів і можливість підключення до партнерам, постачальникам у форматі кадру Ethernet. Сьогодні локальні мережі можуть обслуговувати різні схеми споживачів від невеликого офісу з парою пристроїв, підключених до інтернету, до схем, що поєднують кілька будівель і тисячі користувачів. Група віддалених співробітників і мобільні користувачі розглядаються як розширення корпоративної мережі за рахунок використання віртуальних приватних ліній VPN. Схема забезпечить прозорий доступ до сценарію, в якому взаємодія з користувачем, і його робота буде дуже схожим на пряме підключення до локальної мережі підприємства. Типові компоненти: кінцеві точки, ПК, сервери, IP-телефони, відео консолі і мережеві пристрої, які забезпечують об'єднане місце для з'єднання. Наприклад, комутатори, маршрутизатори для з'єднання різних мереж в одну структуру, а іноді і більш традиційні центри в якості загальних засобів масової інформації. Мережеві карти і кабелі також є частиною такої конструкції.

Структура кадру Ethernet

У цьому форматі всі машини можуть визначати канал і встановлювати наявність сигналів від інших передавачів. Це дозволяє їм виявляти колізії, що робить кадр частиною протоколу виявлення. ПК в цей час будуть планувати передачу у відповідності з випадковим таймером, який відрізняється для кожної машини. Це створює функціональну середу, яка в довгостроковій перспективі забезпечує хорошу продуктивність. Деякі моделі можуть бути функціональними, але з поганим дизайном схеми, наприклад, великий домен колізій з дуже великою кількістю машин, що використовують один і той же канал. Це збільшить імовірність одночасної передачі та можливих зіткнень, що, в свою чергу, призведе до загального зниження продуктивності. Інші проблеми пов'язані з несправним обладнанням, яке відправляє в мережу кадри помилок. Тому наступною важливою функцією будь-якого протоколу рівня 2 є кадрування. Кадр Ethernet - це контейнер переносить біти, які передаються у мережі, що володіють форматом полів. Наприклад, Ethernet 2 і IEEE 802.3 представляють послідовність бітів, що використовуються для синхронізації двох взаємодіючих пристроїв і послідовності перевірки, які використовуються для цілісності, а також адреси одержувача та джерела - MAC-адресу.

Спілкування всередині локальної мережі

Ще одна важлива концепція у зв'язку Ethernet LAN - це обсяг певної передачі. У одноадресних є лише один пункт призначення - адреса одержувача, що представляє одну машину. Це найбільш типовий підхід, а MAC-адреса - унікальний ідентифікатор, який використовується для відправки таких кадрів. Якщо протоколи і додатки будуть відправляти їх на всі пристрої в мережі, то використовуються широкомовна розсилка.

Трансляція - пункт призначення, який обробляється усіма пристроями. Це зручно для таких протоколів, як ARP, запитувачів перетворення IP-адрес в MAC без інформації про власника IP. Багатоадресна передача знаходиться прямо посередині між одноадресних і широкомовної передачами. Це не один і не всі пункти призначення – це просто конкретна група. Іншими словами, якщо машини належать групі, то певна передача або пакет будуть призначені саме їй. Це більш динамічно, тому що машини приєднуються і залишають групи швидко і ефективно. Приклад багатоадресного додатка: відеоконференція, електронне навчання та інші мультимедіа з широким охопленням користувачів. MAC-адреси пов'язані з постачальником устаткування. IEEE визначає діапазони, щоб гарантувати унікальність, які дозволяють їх модифікацію для певних цілей. Він складається з 24-бітного унікального ідентифікатора організації або OUI, який ідентифікує виробника обладнання, будь то мережева карта або порти маршрутизатора. У цих 24-біт є 2 біти з особливим значенням: Зазначення того, чи є широкомовні або многоадресные підключення. Біт керованого адреси зазвичай використовується при зміні MAC. 24-розрядний адреса станції, який регулюється і координується конкретним постачальником обладнання.

Стандарти ЛВС

Ethernet з точки зору OSI відноситься до канального рівня і має специфікації на фізичному рівні. Наприклад, 1 Гб і 10 Гбіт Ethernet будуть мати специфікації на фізичних рівнях і посилання на оптоволоконні технології та з'єднувачі для забезпечення більш високих швидкостей. Протокол розділений на 2 підрівня: управління доступом до середовища і визначення MAC-адреси як форми ідентифікації для приладів в мережі Ethernet. Підрівень, керуючий логічним каналом, буде взаємодіяти з верхніми рівнями, коли компоненти обробляють кожен пакет, вони будуть посилатися на CSMA/CD.
Формати кадрів технології Ethernet 2 забезпечують адресацію по MAC і метод доступу, званий CSMA/CD або системою множинного доступу з виявленням зіткнень. Це точковий метод, який завдяки унікальній технології працює для Ethernet і дозволяє всім машинам передавати сигнали одночасно, в будь-який час без пріоритетів, так як всі мають рівний доступ і є частиною протоколу множинного доступу.

Класична модель VLAN

Кадр Ethernet II, також відомий як V2 є найбільш поширеним в інтернеті. В даний час більшість додатків TCP/IP, таких як HTTP, FTP, SMTP і POP3 переносять пакети наступним способом. Формат фізичного рівня кадр мережі Ethernet II.

Поле



Довжина



Опис



Міжкадровий зазор



Мінімум 12 байт



Міжкадровий проміжок між двома кадрами не потрібно. Це означає, що пристрій має чекати налаштований період часу перед відправкою іншого кадру. Він гарантує, що одержувач достатньо часу для обробки прийнятого кадру до іншого, що дозволяє виконувати такі процеси, як параметри покажчика буфера або оновлення статистики. Стандарти Ethernet встановлюють мінімальну довжину кадру Ethernet 12 байтів. Інтерфейси можуть GE зменшити розрив до 64 біт. Інтерфейси 10GE можуть скоротити інтервал до 40 біт



Преамбула



7 байт



Преамбула має бути 101010101010101010101010 101010101010101010101010 10101010 (у двійковому форматі), всього 7 байтів

Позначені кадри містять тег VLAN для призначення віртуальної локальної мережі (VLAN), що розділяє структуру на фізичний і логічний рівні. Це означає, що з допомогою VLAN підмережі можуть бути реалізовані без встановлення апаратного забезпечення. Для ідентифікації кадрів VLAN потрібно полі Tag. На фізичному рівні VLAN працюють через комутатори. У моделі OSI VLAN працює на канальному рівні 2 і управляє потоком даних. З VLAN мережі можуть стати більш ефективними, будучи розділеними на підмережі. За інформацію, яку обробляє комутатор, відповідають позначені кадри. У полі Tag впроваджується перед полем Type і використовує 4 байта, що збільшує мінімальний розмір кадру Ethernet на 4 байти.

Синхронізація зв'язку 802.3

Процес синхронізації виконується потоком бітів, який дозволяє передавача і приймача синхронізувати зв'язок. Преамбула являє собою чергується зразок двійкових 56 одиниць і нулів. За преамбулою відразу слід роздільник початкових кадрів: Стартовий роздільник - завжди 10101011 і використовується для вказівки почала інформації. MAC-адреса призначення, отримує дані. Коли карта (NIC) прослуховує провід, перевіряє це поле на наявність власного MAC. Вихідний MAC передавальної машини. Довжина кадру в байтах. Хоча це поле може містити будь-яке значення від 0 до 65534 воно рідко перевищує 1500 для більшості послідовних з'єднань. Мережі, як правило, використовують послідовні пристрої для доступу в інтернет. Дані заповнення (aka Payload). Дані вставлені тут. Це місце, де розміщуються IP-заголовок та інша інформація, якщо використовується IP через Ethernet. Це поле містить інформацію про IPX, якщо застосовують IPX/SPX (Novell). У розділі заповнення формату кадру Ethernet 802 3 є чотири конкретних поля DSAP - точка доступу до служби призначення, SSAP - джерело доступу до послуги Poiont, CTRL - біти управління для зв'язку Ethernet, NLI - інтерфейс мережевого рівня. FCS - містить послідовність перевірки кадру, яка розраховується з використанням перевірки циклічним надлишковим кодом (CRC) та дозволяє виявляти помилки і відхиляти кадр, якщо він здається пошкодженим. Ця версія пакета 802.3 отримала невдале назва «Ethernet 802.3», була випущена компанією Novell до широкого впровадження стандартів IEEE 802.3 і популярного IPX/SPX, що, на жаль, призвело до частої плутанині зі стандартом. На відміну від класичної моделі Ethernet II, кадр визначає точне закінчення бітової послідовності для SFD. Це ідентифікує пакет даних, як стандарт 802.3 для одержувача. Кадри raw 802.3 не містять ідентифікатор протоколу, оскільки вони можуть застосовуватися тільки для Novell IPX. Крім того, інформація, що передається завжди має префікс 2 байти, які складаються з одиниць. Це єдиний спосіб відрізнити «необроблений» кадр від інших в сімействі 802.3. IEEE 802.3 raw можна використовувати тільки для протоколу IPX, оскільки відсутній ідентифікатор поля кадру Ethernet. Назва IEEE 802.3 raw також трохи вводить в оману, оскільки Novell вжила ім'я без залучення IEEE при розробці кадру. Застосування цього кадру означає додаткову роботу для користувача, тому що можуть виникнути проблеми сумісності між пристроями. Починаючи з 1993 року, Novell рекомендувала стандарт Ethernet 802.2 у якому використовувався IEEE 802.3 щоб уникнути ймовірності плутанини з «необроблених» кадром.

Нові функції - DSAP і SSAP

Для стандартизації структури 802.3 введені нові функції - DSAP і SSAP, які замінюють поле і поле управління, що містить кадр LLC. Ця версія визначає до 256 сумісних протоколів з важливою інформацією, інтегрованої в поле даних. Нове поле управління встановлює «логічний зв'язок» (LLC). Цей момент забезпечує прозорість процедур спільного використання медіа і може контролювати інформаційний потік. DSAP, або точка доступу до служби призначення, являє собою 1-байтове поле, яке просто діє, як покажчик на буфер пам'яті приймаючої станції. Він повідомляє NIC, який поміщати інформацію. Ця функціональність вкрай важлива в ситуаціях, коли користувачі використовують кілька стеків протоколів. SSAP, або точка доступу до сервісу джерела, аналогічна DSAP і вказує джерело процесу відправлення. Класична структура кадру Ethernet 802.3 SNAP зі спеціальної особливістю є полем SNAP для визначення більш 256 протоколів. Номери їх надають 2 байти, крім того, виробник може інтегрувати унікальний ідентифікатор (3 байти). На відміну від своїх попередників, SNAP також забезпечує зворотну сумісність з Ethernet II. DSAP, SSAP і Control чітко визначені. Завдяки нещодавно доданого простору для інформації 802.3 SNAP надзвичайно універсальний і робить можливою сумісність між різними протоколами. Тим не менш простір для фактичних даних у нього трохи менше. Класична структура кадру Ethernet 802.3 з тегами. Поле тега містить важливу інформацію для інтеграції VLAN. Теги VLAN також можуть бути встановлені в найбільш популярному сучасному форматі кадру IEEE 802.3. В цьому кадрі поле Tag використовує 4 байти і реалізується до специфікації довжини. Мінімальний розмір кадру тепер збільшено з 4 до 68. Огляд: блоки кадрів Ethernet. Зверніть увагу на таблицю.

Структурний елемент



Розмір кадру Ethernet, байт



Функція



PreambleStart обмежувач кадру (SFD)



8



Синхронізація послідовності receiversBit, яка ініціює кадр



Адреса призначення (MAC)



6



Апаратний адресу мережного адаптера призначення



Вихідний адреса (MAC)



6



Апаратний адресу вихідного мережевого адаптера



Тег



4



Додатковий тег VLAN для інтеграції в мережі VLAN (IEEE 802.1 q)



Тип



2



Ethernet II: маркування протоколів рівня 3



Довжина



2



Довжина інформації про записи



Точка доступу до послуги призначення (DSAP)



1



Індивідуальний адресу точки доступу до послуги



Точка доступу до вихідної службі (SSAP)



1



Вихідний адреса для надсилання пристрою



Контроль



1



Визначає кадр LLC (логічна посилання)



Унікального ідентифікатор



5



Поле для визначення організаційно унікального ідентифікатора (OUI) виробника та номеру протоколу (наприклад, «Типи» кадрів Ethernet)



Дані



44-1500 (обмеження залежно від структури кадру)



Дані для передачі



Фрейм перевірки послідовності (FCS)



4



Контрольна сума, яка обчислює весь кадр



Міжкадровий інтервал (IFS)



-



Перерва передачі 96 мкс

Заголовок каналу передачі даних

Стандарт заголовка передачі – «Зсув 0-5: адреса отримувача». Перші шість байтів розміру кадру Ethernet складають адресу одержувача. Він вказує, якому адаптера відправляється кадр даних. Цільова url-адреса вказує широкомовне повідомлення, яке читається приймаючими пристроями. Перші три байти призначення присвоюються IEEE постачальнику і залежать від нього. Формат призначення однаковий у всіх реалізаціях Ethernet. Наступні шість байтів складають адреса джерела, стандарт –«Зсув 6-11: адреса джерела». Він вказує, з якого адаптера було надіслано повідомлення. Як і в одержувача, перші три байти вказують постачальника карти. Формат джерела однаковий у всіх реалізаціях Ethernet. Байти 13 і 14 містять довжину даних в кадрі, не включаючи преамбулу, 32-бітний CRC, DLC або саме поле довжини. Він не може бути коротшим загальної довжини 64 байта. За заголовком каналу передачі слід заголовок управління логічним каналом, який описаний в специфікації IEEE 802.2. Метою заголовка LLC є надання «діри в стелі» рівня каналу передачі. Вказуючи, в якій буфер пам'яті адаптер поміщає кадр, заголовок LLC дозволяє верхнім рівням знати, де знайти дані. Наступний за SAP «Зсув 17: керуючий байт», є однобайтовым керуючим полем, яке визначає тип кадру LLC. Після заголовка 802.2 йде від 43 до 1497 байт, зазвичай складаються з заголовків верхнього рівня, таких як TCP/IP або IPX, а потім фактичних даних. FCS: останні 4 байти, які зчитує адаптер, є перевірочної послідовністю кадрів або CRC. Коли напруга на проводі повертається до нуля, адаптер перевіряє останні 4 байти, які він отримав, по контрольній сумі, яка генерує допомогою складного полінома. Якщо обчислена контрольна сума не збігається зі значенням в кадрі, вона відкидається і не досягає буферів пам'яті на станції.

Порівняння 80211 проти 802.3

Однією з відмінностей між бездротовими фреймами 802.3 Ethernet, 80211 є розмір кадру. Кадри 802.3 мають максимальний розмір кадру Ethernet 1518 байт з корисним навантаженням 1500 байт. Якщо кадри 802.3 позначені 802.1 Q VLAN і пріоритету користувача, максимальний розмір 802.3 становить 1522 байта з корисним навантаженням даних в 1504 байта. 802.3 мають тільки адреса джерела (SA) і призначення (DA) у заголовку рівня 2. 80211 мають до чотирьох полів у заголовку MAC і використовують тільки три поля MAC-адреси (4 в середовищі WDS). Стандарт 80211 здатний транспортувати формат кадру fast Ethernet з корисним навантаженням MSDU. Вона дорівнює 2304 байтам верхнього рівня. MAC-адреси, яка використовується кадрами 80211 набагато складніше, ніж з кадрами Ethernet. В залежності від того, чи є трафік 80211 висхідним або низхідним, визначення кожного з чотирьох полів MAC в заголовку рівня 2 зміниться. Структура кадру Ethernet IEEE 802.3 сьогодні є найпопулярнішою і широко використовуваною в локальній мережі. Однак деякі протоколи вимагають більше місця для конкретної інформації. Отже, існують варіанти кадру IEEE 80211 які надають додаткові блоки даних для конкретної інформації, в тому числі розширення SNAP і тег VLAN.