Кадр Ethernet: определение и варианты формата кадра

В сети Ethernet устройства обмениваются данными с помощью пакетов. Они содержат, помимо прочего, кадр Ethernet, который разделен на несколько наборов данных. Эти записи состоят из двоичного кода, содержащего важную информацию, такую как адреса, управляющая информация, данные полезной нагрузки и контрольные суммы.

В зависимости от стандарта Ethernet, кадры Ethernet структурируются по-разному и могут содержать больше или меньше полей данных, в зависимости от сетевого протокола.

В модели OSI кадр находится на канальном уровне и отвечает за безошибочную передачу и разделение битового потока на блоки. Первая версия Ethernet (Ethernet I) была основана на 16-битных полях данных без определенных байтов. Современные кадры Ethernet впервые использовались в структуре Ethernet II, до того как IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике) разработал стандартный протокол IEEE 802.3 (первый IEEE 802.3raw) в 1983 году.

После технического прогресса структура кадров несколько раз адаптировалась, чтобы кадры могли нести более определенные данные. В формате IEEE 802.3 были созданы базовый кадр MAC и кадр SNAP для процесса мультиплексирования и для идентификационных данных, связанных с производителем. Для развития виртуальных локальных сетей кадр Ethernet II и кадр Ethernet IEEE 802.3 были разработаны как «тегированные» варианты. Эти метки содержат управляющие данные, которые могут назначить кадр определенной виртуальной локальной сети.

Кадр Ethernet должен иметь размер не менее 64 байт, чтобы работало обнаружение коллизий, и может иметь максимальный размер 1 518 байт. Пакет начинается с преамбулы, которая управляет синхронизацией между отправителем и получателем, и «разделителя стартового кадра» (SFD), который определяет кадр. Оба значения представляют собой битовые последовательности в формате «10101010 …», в котором собственно кадр содержит информацию об адресах источника и назначения (формат MAC), управляющую информацию (в случае Ethernet II поле типа, позднее спецификацию длины), за которой следует запись передаваемых данных. Контрольная последовательность кадра (FCS) — это код обнаружения ошибок, который закрывает кадр (за исключением преамбулы и SFD). Пакет завершается «межкадровым зазором», который определяет паузу в передаче 9,6 мкс.

Ethernet II использует классическую структуру кадра с полем типа («Type»), которое определяет различные протоколы сетевого уровня. В модели OSI сетевой уровень важен для соединения и предоставления сетевых адресов. В более поздних форматах кадров поле типа было заменено спецификацией длины.

Кадр Ethernet II был определен в 1982 году и стал основой для всех последующих разработок кадров. Однако этот формат до сих пор пользуется большой популярностью, прежде всего потому, что он предоставляет полю данных наибольшее пространство (до 1 500 байт).

Эта грубая версия пакета 802.3, получившая неудачное название «Ethernet 802.3», была выпущена компанией Novell до широкого распространения стандартов IEEE 802.3 и популярного протокола IPX/SPX, что, к сожалению, привело к частой путанице со стандартом IEEE. В связи с этим Novell добавила к названию слово «raw». В отличие от классической модели Ethernet II, этот кадр определяет точное окончание последовательности битов для SFD. Это идентифицирует пакет данных как стандарт 802.3 для приемника. Кадры 802.3raw не содержат идентификатора протокола, поскольку они пригодны только для Novell IPX. Кроме того, передаваемые данные всегда имеют префикс из 2 байтов, которые всегда состоят из единиц. Это единственный способ отличить «сырой» кадр от других кадров семейства 802.3.

Кадр IEEE 802.3raw может быть использован только для протокола IPX, поскольку в поле type отсутствует идентификатор протокола. Название «IEEE 802.3raw» также немного вводит в заблуждение, поскольку Novell использовала название протокола без привлечения IEEE к разработке кадра. Использование этого фрейма означает дополнительную работу для пользователя, поскольку между устройствами могут возникнуть проблемы совместимости. С 1993 года компания Novell сама рекомендовала стандарт «Ethernet 802.2», который использовал кадр IEEE 802.3, чтобы избежать вероятности путаницы с «сырым» кадром.

Эта стандартизированная версия кадра Ethernet 802.3 может определять до 256 совместимых протоколов, при этом важная информация о протоколе интегрирована в поле данных. Кроме того, включены «точка доступа службы назначения» (DSAP) и «точка доступа службы источника» (SSAP). Новое поле управления определяет «Логическое звено» (LLC) протокола. Эта точка обеспечивает прозрачность процедур обмена данными и может контролировать поток данных.

Ethernet IEEE 802.3 на сегодняшний день является самой популярной и широко используемой структурой кадров локальных сетей. Однако некоторые сети и протоколы требуют больше места для специфической информации. Поэтому существуют варианты кадра IEEE 802.3, которые предоставляют дополнительные блоки данных для специфической информации, среди них расширение SNAP и тег VLAN.

Поле SNAP («Sub Network Access Protocol») полезно для определения более 256 протоколов. Для этого 2 байта отводятся под номер протокола. Кроме того, производитель может включить уникальный идентификатор (3 байта). В отличие от своих предшественников, SNAP также обеспечивает обратную совместимость с Ethernet II. Здесь твердо определены DSAP, SSAP и Control.

Благодаря новому пространству для информации о протоколе, IEEE 802.3 SNAP является чрезвычайно универсальным и делает возможной совместимость между множеством различных протоколов в сети. Однако место для фактических данных немного меньше.

Тегированные кадры содержат так называемый тег VLAN для их отнесения к виртуальной локальной сети (VLAN), которая разделяет структуру сети на физический и логический уровни. Это означает, что с помощью виртуальных локальных сетей можно реализовать подсети без установки оборудования. При этом подсеть является виртуальной, а не физически реализованной. Для идентификации кадров Ethernet в пределах VLAN требуется поле «Tag». На физическом уровне сети VLAN работают через коммутаторы.

В модели OSI VLAN работает на канальном уровне (уровень 2) и контролирует управление потоком данных. С помощью VLAN сети могут стать более эффективными благодаря разделению на подсети. За информацию, которую обрабатывает коммутатор, отвечают тегированные кадры. В кадре Ethernet II поле «Tag» реализуется перед полем «Type» и использует 4 байта. Это увеличивает минимальный размер кадров Ethernet II на 4 байта.

Теги VLAN также могут быть установлены в наиболее популярном сегодня формате кадра IEEE 802.3. В этом кадре поле «Tag» использует 4 байта и реализуется до спецификации длины. Минимальный размер кадра увеличивается с 4 байт до 68 байт.