Структура кадра данных. Стандарты Ethernet

Структура кадра данных. Стандарты Ethernet

Введение в технологию Ethernet

Ethernet  - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт технологии сети.

Особенности:

• работает с коаксиальным кабелем, витой парой, оптическими кабелями;
• топология – шина, звезда;
• метод доступа – CSMA/CD.

Введение в технологию Ethernet

• Архитектура сетевой технологии Ethernet фактически объединяет целый набор стандартов, имеющих как общие черты, так и отличия.

Введение в технологию Ethernet

• Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet Switching For Local Computer Networks». Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных вычислительных сетей. Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован  30 сентября 1980 года .

Дальнейшее развитие технологии Ethernet:

• 1982-1993 разработка 10Мбит/с Ethernet;
• 1995-1998 разработка Fast Ethernet;
• 1998-2002 разработка GigaBit Ethernet;
• 2003-2007 разработка 10GigaBit Ethernet;
• 2007-2010 разработка 40 и 100GigaBit Ethernet;
• 2010 по сей день разработка Terabit Ethernet.

MAC адрес

• На уровне MAC, который обеспечивает доступ к среде и передаче кадра, для идентификации сетевых интерфейсов узлов сети используются регламентированные стандартом уникальные 6-байтовые адреса, называемые MAC-адресами. Обычно MAC-адрес записывается в виде шести пар шестнадцатеричных цифр, разделенных тире или двоеточиями, например 00-29-5E-3C-5B-88. Каждый сетевой адаптер имеет MAC-адрес.

Структура MAC-адреса Ethernet

• первый бит MAC-адреса получателя называется битом I/G (individual/group или широковещательным). В адресе источника он называется индикатором маршрута от источника (Source Route Indicator);
• второй бит определяет способ назначения адреса;
• три старших байта адреса называются защитным адресом (Burned In Address, BIA) или уникальным идентификатором организации (Organizationally UniqueIdentifier, OUI);
• за уникальность младших трех байт адреса отвечает сам производитель.

MAC адрес

• Некоторые сетевые программы, в частности wireshark, могут сразу отображать вместо кода производителя - название фирмы производителя данной сетевой карты.

Формат кадра технологии Ethernet

В сетях Ethernet существует 4 типа фреймов (кадров):

• кадр 802.3/LLC (или кадр Novell802.2),
• кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3),
• кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II),
• кадр Ethernet SNAP.
• На практике в оборудовании EtherNet используется только один формат кадра, а именно кадр EtherNet DIX, который иногда называют кадром  Ethernet II  по номеру последнего стандарта DIX.

• Первые два поля заголовка отведены под адреса: DA (Destination Address) – MAC-адрес узла назначения; SA (Source Address) – MAC-адрес узла отправителя. Для доставки кадра достаточно одного адреса – адреса назначения, адрес источника помещается в кадр для того, чтобы узел, получивший кадр, знал, от кого пришел кадр и кому нужно на него ответить.
• Поле T (Type) содержит условный код протокола верхнего уровня, данные которого находятся в поле данных кадра, например шестнадцатеричное значение 08-00 соответствует проколу IP. Это поле требуется для поддержки интерфейсных функций мультиплексирования и демультиплексирования кадров при взаимодействии с протоколами верхних уровней.
• Поле данных. Если длина пользовательских данных меньше 46 байт, то это поле дополняется до минимального размера байтами заполнения.
• Поле контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт контрольной суммы. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32.

Формат кадра технологии Ethernet

• Кадр Ethernet DIX (II) не отражает разделения канального уровня Ethernet на уровень MAC и уровень LLC: его поля поддерживают функции обоих уровней, например интерфейсные функции поля T относятся у функциям уровня LLC, в то время как все остальные поля поддерживают функции уровня MAC.
• Рассмотрим формат кадра Ethernet II на примере перехваченного пакета с помощью сетевого анализатора Wireshark

Формат кадра технологии Ethernet

Формат кадра технологии Ethernet

• Обратите внимание, что так как MAC адрес состоит из кода производителя и номера интерфейса, то сетевой анализатор сразу преобразует код производителя в название фирмы-изготовителя.
• Таким образом в технологии EtherNet в качестве адреса назначения и адреса получателя выступают MAC адреса.

Дополнительные форматы кадров

• Ethernet II (DIX) : Наиболее распространенный формат. Поле Type указывает на протокол верхнего уровня.
• IEEE 802.3 LLC : Включает подзаголовок LLC для управления логическим соединением.
• IEEE 802.3 SNAP : Расширение LLC для поддержки протоколов, не совместимых с IEEE.
• Кадры с тегами VLAN  (IEEE 802.1Q): Добавляют 4 байта для идентификации VLAN и приоритета 

Стандарты технологии Ethernet

Физические спецификации технологии Ethernet включают следующие среды передачи данных.

• 10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма (1дм=2,54см), называемый «толстым» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
• 10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
• 10Base-T - кабель на основе не экранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP), категории 3,4,5.
• 10Base-F - волоконно-оптический кабель.

Число 10 обозначает номинальную битовую скорость передачи данных стандарта, то есть 10Мбит/с а слово «Base» - метод передачи на одной базовой частоте. Последний символ обозначает тип кабеля.

Основные стандарты Ethernet

• Таблица: Эволюция стандартов Ethernet

Стандарт

Год

10Base5

10Base2

1983

Скорость

Кабель

1985

10Base-T

10 Мбит/с

Макс. длина сегмента

Толстый коаксиал

10 Мбит/с

100Base-TX

1990

1995

Тонкий коаксиал

1000Base-T

10 Мбит/с

500 м

185 м

1999

10GBASE-T

100 Мбит/с

Витая пара (UTP)

UTP Cat 5

2006

1 Гбит/с

100 м

40GBASE-T

UTP Cat 5e/6

100GBASE-SR4

10 Гбит/с

100 м

2010

UTP Cat 6a/7

2010

100 м

40 Гбит/с

100 Гбит/с

100 м

UTP Cat 8

Оптоволокно

30 м

100 м

Ключевые изменения в технологиях:

• Переход от коаксиала к витой паре и оптоволокну : Улучшена помехоустойчивость, надежность и возможность дуплексной передачи.
• Увеличение скоростей : От 10 Мбит/с до 100 Гбит/с и выше.
• Изменение топологии : От «общей шины» к «звезде» с использованием коммутаторов

Физический уровень и кодирование

• Метод доступа CSMA/CD : Использовался в ранних версиях Ethernet на коаксиальном кабеле для обнаружения коллизий. В современных сетях с коммутаторами он не требуется  5 .
• Кодирование данных : Например, манчестерское кодирование для 10Base-T, PAM-5 для Gigabit Ethernet 

Практическое значение для сетевых администраторов

Понимание структуры кадра и стандартов Ethernet критически важно для сетевых и системных администраторов. Это основа для: 

• Проектирования сетей : Выбор подходящих стандартов и оборудования под задачи организации.
• Диагностики проблем : Анализ кадров (например, с помощью Wireshark) для выявления ошибок, коллизий или несанкционированного доступа.
• Обеспечения безопасности : Настройка VLAN, фильтрация по MAC-адресам, защита от широковещательных штормов.
• Оптимизации производительности : Настройка MTU, контроль загрузки сети.
• Совместимости оборудования : Понимание стандартов помогает правильно подбирать устройства (коммутаторы, маршрутизаторы, сетевые карты).

Пример из практики:

Если кадр меньше 64 байт («карлик»), это может указывать на коллизию или программную ошибку. Администратор должен проверить сеть на наличие проблем.

10Base-5

• Кабель используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 500м. Станция подключаться к кабелю через приемопередатчик - трансивер. Трансивер соединяется с сетевым адаптером разъема DB-15 интерфейсным кабелем AUI. Требуется наличие терминаторов на каждом конце, для поглощения распространяющихся по кабелю сигналов.
• Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей:
• Стандарт сетей на коаксиальном кабеле разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети в 500*5=2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть не нагруженные сегменты.

10Base-2

• Кабель используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 185 м. Для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор.
• Также используется правило 5-4-3.

10Base-T

• Образует звездообразную топологию на основе концентратора, концентратор осуществляет функцию повторителя и образует единый моноканал, максимальная длина сегмента 100м. Конечные узлы соединяются с помощью двух витых пар. Одна пара для передачи данных от узла к концентратору - Tx, а другая для передачи данных от концентратора к узлу – Rx. Правила «4-х хабов» для сетей на основе витой пары: В стандарте сетей на витой паре определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов». Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети на основе витой пары составляет 5*100 = 500 м (максимальная длина сегмента 100м).

10Base-F

• Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T
• Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Мах длина сегмента 1000м, мах число хабов 4, при общей длине сети не более 2500 м.
• Стандарт 10Base-FL незначительное улучшение стандарта FOIRL. Мах длина сегмента 2000 м. Максимальное число хабов 4,а максимальная длина сети - 2500 м.
• Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Мах число хабов 5, мах длина одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Таблица. Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet

• При рассмотрении правила «5-4-3» или «4-х хабов», в случае появления на пути распространения по кабелям воображаемого сигнала устройства типа «свич», расчет топологических ограничений начинается с нуля.

Пропускная способность сети Ethernet

• Пропускная способность оценивается через количество кадров либо количество байт данных, передаваемых по сети за единицу времени. Если в сети не происходят коллизии, максимальная скорость передачи кадров минимального размера(64 байта) составляет 14881 кадров в секунду. При этом полезная пропускная способность для кадров Ethernet II – 5.48 Мбит/с.
• Максимальная скорость передачи кадров максимального размера (1500 байт) составляет 813 кадров в секунду. Полезная пропускная способность при этом составит 9.76 Мбит/с.

Структура кадра Ethernet

Кадр — это блок данных протокола канального уровня, передаваемый по линии связи.

Кадры Ethernet делятся на:

• Информационные кадры  (для передачи данных).
• Сигнальные кадры  (для управления аппаратурой)

Структура кадра Ethernet

• Передаваемый через сеть кадр Ethernet включает следующие поля (они входят в кадр в указанном порядке): преамбула, признак начала кадра, заголовок кадра, данные (пакет протокола 3-го уровня) и поле CRC.
• Преамбула имеет длину 7 байт (56 бит) и битовое значение из чередующихся нулей и единиц: “10101010 . . . 10”.
• Признак начала кадра имеет длину 1 байт (8 бит) и значение “1010101011”.
• Заголовок кадра имеет длину 14 байт, его структура рассматривается ниже.
• Данными является пакет протокола более высокого (3-го) уровня, его длина не должна превышать 1500 байт и не может быть меньше 46 байт. Если реальная длина пакета 3-го уровня меньше 46, этот пакет перед его инкапсуляцией в кадр дополняется до 46 байт.

Структура кадра Ethernet

• Поле CRC (Cyclic Redundancy Code) ― циклический код избыточности) имеет длину 4-байтного слова и формируется в процессе передачи поля данных путем циклического суммирования последовательности слов поля данных (с переносом возникающих разрядов переполнения для суммирования значений младшего разряда).

Структура кадра Ethernet

• Отметим, что поля преамбулы и признака начала кадра входят в состав кадра, передаваемого через среду передачи, но отбрасываются принимающей стороной. Их длина не входит в длину принятого кадра. Эти поля предназначены для синхронизации получателя кадра с его отправителем и определения “точки начала собственно кадра”.

Структура кадра Ethernet

• Существует четыре стандарта заголовка кадра Ethernet, отличающихся использованием двух последних байт заголовка и наличием возможных дополнительных полей в заголовке. В наши задачи не входит рассмотрение всех этих стандартов, рассмотрим лишь наиболее распространенный из них ― стандарт Ethernet Type II. В этом стандарте заголовок кадра включает 3 поля, следующих в указанном порядке: MAC-адрес получателя, MAC-адрес отправителя и поле длина/тип (см. рис.1).

Структура кадра Ethernet

Структура кадра Ethernet

• Длина полей MAC-адресов, естественно, составляет по 6 байт и название этих полей само говорит о занесенных в них значениях. Двухбайтное поле длина/тип используется либо для указания кода протокола более высокого уровня (например, коды протоколов IP, ICMP, ARP), в рамках которого пересылается настоящий кадр, либо для указания значения длины кадра. Какое именно из двух этих значений реально передается в заголовке кадра определяется по простому правилу. Поскольку общая длина кадра не может превышать 1518 (14 байт заголовка + 1500 байт данных + 4 байта CRC), в качестве кодов протоколов более высокого уровня используются значения существенно превосходящие 1518 (в следующем параграфе вы узнаете, что в начало кадра могут добавляться дополнительные поля). Эти коды используются для определения протокола более высокого уровня, модулю реализации которого надо передать принятый в кадре пакет. В этом случае длина кадра просто подсчитывается автоматически (аппаратурой сетевой карты) .

Структура кадра Ethernet

• Отметим, что максимальное значение длины принимаемого кадра называется термином MTU (Maximum Transfer Unit ― максимальная единица передачи). В шинных сетях Ethernet значение MTU равно 1518. В коммутируемых сетях Ethernet при использовании специальных протоколов, расширяющих функциональные возможности этих сетей, требуемое значение MTU может быть больше.

  Базовая структура кадра IEEE 802.3

• Формат кадра включает следующие поля

Поле

Размер (байты)

Преамбула

Описание

7

SFD (Start Frame Delimiter)

1

Синхронизация приемопередатчиков (битовая последовательность 10101010).

Destination MAC

Начало кадра (10101011).

6

Source MAC

6

Length/Type

MAC-адрес получателя.

MAC-адрес отправителя.

2

Данные/Pad

46–1500

Длина данных или тип протокола (EtherType).

FCS (Frame Check Sequence)

Полезная нагрузка. Если данные

4

Контрольная сумма (CRC-32) для обнаружения ошибок.

Примечания:

• Минимальный размер кадра — 64 байта, максимальный — 1518 байт (без тегов VLAN).
• Поле  EtherType  определяет протокол верхнего уровня (например, IPv4 или IPv6).
• MAC-адреса  уникальны и назначаются производителям оборудования. Первый бит адреса указывает на тип: 0 — индивидуальный, 1 — групповой или широковещательный.

Стандарты Ethernet и их эволюция

• Стандарты Ethernet определяют физические среды передачи (коаксиал, витая пара, оптоволокно), скорости и методы кодирования. Основная организация, разрабатывающая стандарты, — IEEE 802.3

Заключение и направления для дальнейшего изучения

Ethernet — динамически развивающаяся технология. Современные тенденции включают:

• Увеличение скоростей (например, 200 Гбит/с и 400 Гбит/с).
• Использование Ethernet в промышленных сетях (Industrial Ethernet).
• Интеграция с беспроводными технологиями (например, 802.11 Wi-Fi)

Контрольные вопросы

• Перечислите поля базового кадра IEEE 802.3 и объясните их назначение.
• Чем отличается кадр Ethernet II от IEEE 802.3 LLC?
• Почему минимальный размер кадра Ethernet составляет 64 байта?
• Какие преимущества витая пара имеет перед коаксиальным кабелем?
• Какова роль поля EtherType?
• Назовите основные стандарты Ethernet для скоростей 1 Гбит/с и 10 Гбит/с.