Format ramki ethernet: rodzaje, wersja początkowa i wewnętrzne modyfikacje

W zależności od standardu, format ramki (frame) Ethernet ma strukturę, zawierającą więcej lub mniej pól informacyjnych o wzorcu sieciowym. Podczas transmisji danych rozmiar ramki od 64 do 1 518 bajtów odpowiada za prawidłowe uformowanie reguły i pomyślne przekazanie informacji do odbiorcy.

Protokół został stworzony w latach 70. przez znanych producentów komputerów, takich jak DEC, Intel i Xerox. Pierwotnie nazywany DIX Ethernet, później został nazwany Thick Ethernet ze względu na użycie kabla koncentrycznego. W późnych latach 80-tych został uaktualniony do Ethernet Frame 2 z większą ilością funkcji i prędkości. Mniej więcej w tym samym czasie IEEE tworzyło standardy dla sieci internetowych. W tym czasie skokowo przyspieszała: od 10 do 100 Mbit/s, potem 1 Gbit/s, a dziś 10 Gbit/s w IEEE 802.3AE.

Definicja formatu ramki

Ethernet jest protokołem z wyboru w sieciach LAN, reprezentujących grupę połączonych ze sobą urządzeń znajdujących się stosunkowo blisko siebie w ograniczonym obszarze. Istnieją czynniki, które odróżniają lokalne od globalnych sieci internetowych:

1. Mniejszy zasięg geograficzny.
2. Zasoby do pracy przy dużych szybkościach transmisji danych.
3. Wysokie przepustowości od 100 Mbit/s do 10 Gbit/s, które są wykorzystywane w zmodernizowanych sieciach.
4. Do podłączenia urządzeń nie jest wymagana linia dzierżawiona ani dostawca usług internetowych.
5. Sieć LAN może być małym projektem dla biura lub pracownika zdalnego.

Aby wiedzieć, jakie rodzaje ramek Ethernetowych istnieją, trochę historii. Ethernet został pierwotnie opracowany do pracy na długim kablu koncentrycznym, który łączył wszystkie komputery w sieci. Ten typ nazywany jest autobusem. Gdy jedna stacja transmitowała dane, wszystkie pozostałe je odbierały. Zaprojektowano go przy założeniu, że każdy usłyszy audycje na kawałku drutu użytego do połączenia. Stąd pojęcia "wire segment" i "broadcast domain".

Domena rozgłoszeniowa obejmuje wszystkie przewody i komputery, które słyszą się wzajemnie, gdy jeden z komputerów nadaje. Segment przewodu to kawałek przewodu służący do połączenia dwóch urządzeń. Ponieważ sieci ethernetowe składają się z domen rozgłoszeniowych, nie ma sygnału zegarowego, co często ma miejsce w przypadku łączenia łańcuchowego.

Zamiast tego systemy muszą określić, czy przewód jest w użyciu, oraz jeśli nie, przesyłają wystarczającą ilość informacji, aby stacja zdalna mogła je prawidłowo zsynchronizować. Mechanizm ten, w połączeniu z możliwością wykrywania innych komputerów próbujących uzyskać dostęp do połączenia przewodowego, stanowi sformalizowany protokół zwany CSMA/CD carrier-standard multiple access detection.

W modelu OSI ramka znajduje się w warstwie łącza danych i odpowiada za bezbłędną transmisję oraz rozdzielenie strumienia bitów na bloki. Pierwsza wersja Ethernetu I była oparta na 16-bitowych polach. Nowoczesny format ramki Ethernet został po raz pierwszy użyty w ramach Ethernet II, zanim Institute of Electrical and Electronics Engineers opracował standard IEEE 802.3, z których pierwszy był 3raw w 1983 roku.

Elementy sieci LAN

Sieć LAN jest tradycyjnym medium łączącym użytkowników i wykorzystującym zasoby w postaci danych, aplikacji i innych funkcji z urządzeniami wejścia i wyjścia, takimi jak kamery, komputery PC, telewizory i drukarki. Jedną z ich najważniejszych funkcji jest zapewnienie komunikacji z innymi. Przez bramy domyślne, jak również routery i urządzenia peryferyjne WAN. LAN służy jako punkt wejścia do globalnej sieci, która zapewnia wiele zasobów i łączność z partnerami, sprzedawcami i dostawcami w formacie ramki Ethernet.

Dzisiejsze sieci LAN mogą obsługiwać różne obwody konsumenckie, od małego biura z kilkoma urządzeniami podłączonymi do Internetu, do obwodów łączących wiele budynków i tysiące użytkowników. Grupa zdalnych pracowników i użytkowników mobilnych jest postrzegana jako przedłużenie sieci korporacyjnej dzięki wykorzystaniu wirtualnych linii prywatnych VPN. Program zapewni przejrzysty dostęp do scenariusza, w którym interakcja i obsługa użytkownika jest bardzo podobna do bezpośredniego połączenia z korporacyjną siecią LAN.

Typowe komponenty: punkty końcowe, komputery PC, serwery, telefony IP, konsole wideo i urządzenia sieciowe stanowiące skonsolidowany punkt połączenia. Na przykład switch, routery do łączenia różnych sieci w jedną strukturę, a czasem bardziej tradycyjne huby jako media współdzielone. Częścią takiej konstrukcji są również karty sieciowe i kable.

Struktura ramki Ethernet

W tym formacie wszystkie maszyny mogą wykryć kanał i stwierdzić obecność sygnałów z innych nadajników. Dzięki temu mogą wykrywać kolizje, co czyni ramkę częścią protokołu detekcji. Komputery PC w tym czasie będą wykonywać przelewy według losowego timera, który jest inny dla każdej maszyny.

Tworzy to funkcjonalne środowisko, które zapewnia dobrą wydajność w dłuższym okresie czasu. Niektóre modele mogą być funkcjonalne, ale ze złym projektem obwodu, np. duża domena kolizyjna ze zbyt dużą liczbą maszyn korzystających z tego samego kanału. Zwiększy to prawdopodobieństwo jednoczesnych transmisji i ewentualnych kolizji, co z kolei spowoduje ogólny spadek wydajności. Inne problemy związane są z wadliwym sprzętem, który wysyła do sieci ramki z błędami. Dlatego kolejną ważną funkcją każdego protokołu warstwy 2 jest kadrowanie.

Ramka ethernetowa to kontener przenoszący bity, które są przesyłane przez sieć z formatem pola. Na przykład, Ethernet 2 i IEEE 802.3 reprezentuje sekwencję bitów używanych do synchronizacji dwóch komunikujących się urządzeń oraz sekwencję kontroli używanych do integralności, jak również adresy docelowe i źródłowe - adres MAC.

Komunikacja w sieci LAN

Innym ważnym pojęciem w komunikacji Ethernet i LAN jest ilość danej transmisji. W unicast jest tylko jedno miejsce docelowe, adres docelowy, który reprezentuje pojedynczą maszynę. Jest to najbardziej typowe podejście, a adres MAC jest unikalnym identyfikatorem, który jest używany do wysyłania takich ramek. Jeśli protokoły i aplikacje wysyłałyby je do wszystkich urządzeń w sieci, to stosuje się rozgłaszanie.

Broadcast - miejsce docelowe, które jest obsługiwane przez wszystkie urządzenia. Jest to przydatne dla protokołów takich jak ARP, które żądają konwersji IP na MAC bez informacji o właścicielu IP.

Multicast znajduje się w samym środku pomiędzy unicastem a broadcastem. Nie jest to jeden lub wszystkie cele - jest to po prostu określona grupa. Innymi słowy, jeśli maszyny należą do grupy, to dana transmisja lub pakiet będzie przeznaczony dla tej grupy. Jest to bardziej dynamiczne, ponieważ maszyny dołączają i opuszczają grupy szybko i sprawnie. Przykład aplikacji multicast: wideokonferencje, e-learning i inne multimedia o szerokim zasięgu użytkownika.

Adresy MAC są związane z dostawcą sprzętu. IEEE definiuje zakresy, aby zapewnić unikalność, co pozwala na ich modyfikację dla określonych celów. Składa się on z 24-bitowego niepowtarzalnego identyfikatora podmiotu (OUI), który identyfikuje producenta sprzętu, niezależnie od tego, czy jest to karta sieciowa lub porty routera. W tych 24 bitach są 2 bity o określonym znaczeniu:

1. Określa, czy istnieją połączenia typu broadcast czy multicast. Bit adresu zarządzanego jest zwykle używany przy zmianie adresu MAC.
2. 24-bitowy adres stacji, który jest regulowany i zarządzany przez konkretnego sprzedawcę sprzętu.

Standardy sieci LAN

Ethernet z perspektywy OSI odnosi się do warstwy łącza danych i ma specyfikacje w warstwie fizycznej. Na przykład sieci Ethernet 1-gigabitowy i 10-gigabitowy będą miały specyfikacje w warstwie fizycznej i będą się odwoływać do technologii światłowodowej i złączy w celu zapewnienia wyższych prędkości. Protokół podzielony jest na 2 podwarstwy: kontrolowanie dostępu do środowiska oraz definiowanie adresu MAC jako formy identyfikacja dla urządzeń w sieci Ethernet. Podwarstwa, która zarządza logicznym łączem danych, będzie komunikować się z wyższymi warstwami, gdy komponenty przetwarzają każdy pakiet, będą one odwoływać się do CSMA/CD.

Formaty ramek Ethernet 2 zapewniają adresowanie MAC i metodę dostępu zwaną CSMA/CD lub collision detection multiple access system. Jest to metoda punkt-punkt, która dzięki unikalnej technologii działa dla sieci Ethernet i pozwala wszystkim maszynom na jednoczesną transmisję, w dowolnym czasie, bez priorytetu, ponieważ każdy ma równy dostęp i jest częścią protokołu dostępu wielokrotnego.

Klasyczny model VLAN

Ramka Ethernet II, znana również jako ramka V2, to najczęściej spotykany w Internecie. Obecnie większość aplikacji TCP/IP takich jak HTTP, FTP, SMTP i POP3 przenosi pakiety w następujący sposób.

Format ramki warstwy fizycznej Ethernet II.

Ramki znakowane zawierają znacznik VLAN przypisany do VLAN (VLAN), dzieląc strukturę na warstwę fizyczną i warstwę logiczną. Oznacza to, że dzięki VLAN-om podsieci mogą być realizowane bez instalacji sprzętowej. Pole Tag jest wymagane do identyfikacji ramek w sieci VLAN. W warstwie fizycznej sieci VLAN działają poprzez przełączniki.

W modelu OSI, VLAN działa w warstwie 2 łącza danych i kontroluje przepływ danych. Dzięki sieciom VLAN, sieci mogą stać się bardziej wydajne poprzez podział na podsieci. Ramki oznaczone flagami odpowiadają za informacje, które przełącznik przetwarza. Pole Tag jest wstawiane przed polem Type i wykorzystuje 4 bajty, aby zwiększyć minimalny rozmiar ramki Ethernet o 4 bajty.

Synchronizacja komunikacji 802.3

Proces synchronizacji realizowany jest przez strumień bitów, który umożliwia nadajnikowi i odbiornikowi synchronizację łącza. Preambuła jest zmiennym wzorem binarnych 56 jedynek i zer. Po preambule następuje natychmiast separator ramki startowej:

1. Separatorem początkowym jest zawsze 10101011 i jest używany do wskazania początku informacji.
2. Docelowy adres MAC odbierający dane. Kiedy karta (NIC) nasłuchuje na kablu, sprawdza to pole dla własnego MAC.
3. Źródłowy MAC maszyny wysyłającej.
4. Długość ramki w bajtach. Chociaż to pole może zawierać dowolną wartość od 0 do 65 534, rzadko przekracza 1500 dla większości komunikacji szeregowej. Sieci zazwyczaj wykorzystują urządzenia szeregowe do dostępu do Internetu.
5. dane do wypełnienia (aka Payload).
6. Dane są wstawione tutaj. To tutaj umieszczany jest nagłówek IP i inne informacje, jeśli używany jest IP over Ethernet. To pole zawiera informacje o IPX w przypadku korzystania z IPX/SPX (Novell).
7. W sekcji Format ramki Ethernet 802 3 znajdują się cztery specyficzne pola: DSAP - destination service access point, SSAP - Poiont service access source, CTRL - control bits for Ethernet communication, NLI - network layer interface.
8. FCS - zawiera sekwencję kontrolną ramki, która jest obliczana przy użyciu cyklicznej kontroli nadmiarowej (CRC) i umożliwia wykrycie błędów oraz odrzucenie ramki, jeśli wydaje się ona uszkodzona.

Ta wersja 802.3, trafnie nazwany "Ethernet 802.3", została wydana przez firmę Novell przed powszechnym przyjęciem standardów IEEE 802.3 oraz popularny IPX/SPX, co niestety skutkowało częstym myleniem go ze standardem. W przeciwieństwie do klasycznego modelu Ethernet II, ramka określa dokładny koniec sekwencji bitów dla SFD.

To identyfikuje pakiet danych jako standard 802.3 dla odbiornika. 802 ramki.3raw nie zawiera identyfikatora protokołu, ponieważ może być używany tylko dla Novell IPX. Dodatkowo przesyłana informacja jest zawsze poprzedzona 2 bajtami, które składają się z jedynek. Tylko w ten sposób można odróżnić "surową" klatkę od innych w 802.3.

IEEE 802.3raw może być używany tylko dla protokołu IPX, ponieważ nie ma identyfikatora pola ramki Ethernet. Nazwa IEEE 802.3raw jest również nieco mylący, ponieważ Novell użył nazwy bez użycia IEEE, kiedy zaprojektował ramkę.

Korzystanie z tej ramki oznacza dodatkową pracę dla użytkownika, ponieważ mogą wystąpić problemy z kompatybilnością między urządzeniami. Począwszy od 1993 r. Novell zalecał stosowanie standardu Ethernet 802.2, który wykorzystywał IEEE 802.3 aby uniknąć możliwości pomylenia z kadrem "surowym".

Nowe funkcje - DSAP i SSAP

Aby ujednolicić 802.3 framework, wprowadzono nowe funkcje - DSAP i SSAP - zastępujące pole typu i pole kontrolne zawierające ramkę LLC. Wersja ta definiuje do 256 kompatybilnych protokołów z ważnymi informacjami zintegrowanymi w polu danych. Nowe pole kontrolne definiuje "łącze logiczne" (LLC). Ten punkt zapewnia przejrzystość procedur udostępniania mediów i może kontrolować przepływ informacji.

DSAP, czyli destination service access point, to 1-bajtowe pole, które działa po prostu jako wskaźnik do bufora pamięci stacji odbiorczej. Informuje on NIC, w którym miejscu należy umieścić informacje. Ta funkcjonalność jest krytyczna w sytuacjach, gdy użytkownicy korzystają z wielu stosów protokołów. SSAP, czyli punkt dostępu do usługi źródłowej, jest podobny do DSAP i wskazuje źródło procesu wysyłania.

Struktura klasycznej ramki Ethernet 802.3 SNAP z cechą specjalną to pole SNAP umożliwiające zdefiniowanie więcej niż 256 protokołów. Numery zapewniają 2 bajty; dodatkowo sprzedawca może wprowadzić unikalny identyfikator (3 bajty). W przeciwieństwie do swoich poprzedników, SNAP zapewnia również kompatybilność wsteczną z Ethernet II.

DSAP, SSAP i kontrola są jasno określone. Z niedawno dodanym miejscem na informacje 802.3, SNAP jest niezwykle uniwersalny i umożliwia interoperacyjność między różnymi protokołami. Ma jednak nieco mniej miejsca na rzeczywiste dane.

Struktura klasycznej ramki Ethernet 802.3 z metkami. Pole Tag zawiera ważne informacje dla integracji VLAN.

Znaczniki VLAN mogą być również ustawiane w najpopularniejszych, nowoczesnych sieciach IEEE 802.3. W tej ramce pole Tag wykorzystuje 4 bajty i jest realizowane do długości specyfikacji. Minimalny rozmiar ramki został zwiększony z 4 do 68.

Przegląd: Bloki ramki Ethernet. Uwaga na stół.

Nagłówek łącza danych

Standard nagłówka transmisji - "Offset 0-5: adres docelowy. Pierwsze sześć bajtów rozmiaru ramki Ethernet tworzy adres docelowy. Wskazuje, do którego adaptera wysyłana jest ramka danych. Adres docelowy wskazuje komunikat nadawczy, który ma być odczytany przez urządzenia odbiorcze. Pierwsze trzy bajty miejsca przeznaczenia są specyficzne dla dostawcy i dostawcy. Format przeznaczenia jest taki sam we wszystkich implementacjach Ethernet.

Następne sześć bajtów tworzy adres źródłowy, standardowo jest to "Offset 6-11: adres źródłowy". Wskazuje, z którego adaptera została wysłana wiadomość. Podobnie jak w przypadku przeznaczenia, pierwsze trzy bajty wskazują dostawcę karty. Format źródła jest taki sam we wszystkich implementacjach Ethernetowych.

Bajty 13 i 14 zawierają długość danych w ramce bez uwzględnienia preambuły, 32-bitowego CRC, DLC lub samego pola długości. Nie może być krótszy niż całkowita długość 64 bajtów. Po nagłówku kanału nadawczego następuje nagłówek kontroli kanału logicznego, który jest opisany w specyfikacji IEEE 802.2.2. Celem nagłówka LLC jest zapewnienie "dziury w suficie" warstwy łącza danych. Poprzez określenie, do którego bufora pamięci adapter umieszcza ramkę, nagłówek LLC pozwala wyższym warstwom wiedzieć, gdzie znaleźć dane.

Po SAP "Offset 17: control byte", jest jednobajtowe pole kontrolne, które określa typ ramki LLC. Po nim następuje nagłówek 802.2 to od 43 do 1,497 bajtów, zwykle składające się z nagłówka wysokiego poziomu, takiego jak TCP/IP lub IPX, a następnie właściwych danych użytkownika.

FCS: ostatnie 4 bajty odczytywane przez adapter to sekwencja kontrolna ramki lub CRC. Gdy napięcie na przewodzie powróci do zera, adapter sprawdza ostatnie 4 bajty, które otrzymał z sumą kontrolną wygenerowaną przez złożony wielomian. Jeśli obliczona suma kontrolna nie odpowiada wartości w ramce, jest ona odrzucana i nie trafi do buforów pamięci w stacji.

Porównanie 802.11 vs 802.3

Jedną z różnic pomiędzy ramkami bezprzewodowymi 802.3 Ethernet i 802.11 to rozmiar ramy. 802 ramki.3 mają maksymalny rozmiar ramki Ethernet 1518 bajtów z ładunkiem 1500 bajtów. Jeśli ramka jest 802.3 oznakowane 802.1Q dla VLAN i priorytetu użytkownika, maksymalna wartość 802.3 ramka to 1522 bajty z ładunkiem danych 1504 bajty.

802.3 mają tylko adresy źródłowe (SA) i docelowe (DA) w nagłówku warstwy 2. 802.11 mają do czterech pól w nagłówku MAC i używają tylko trzech pól adresu MAC (4 w środowisku WDS).

Norma 802.11 jest w stanie transportować format ramki Fast Ethernet z ładunkiem MSDU. Jego wysokość to 2304 bajty. Adresowanie MAC używane przez ramki 802.11 ramek jest znacznie bardziej złożony niż ramki Ethernetowe. W zależności od tego, czy ruch odbywa się w standardzie 802.11 ramka jest uplink lub downlink, definicja każdego z czterech pól MAC w nagłówku warstwy 2 ulegnie zmianie.

Struktura ramki Ethernet IEEE 802.3 jest najbardziej popularny i szeroko stosowany w sieci LAN obecnie. Jednak niektóre protokoły wymagają więcej lokalizacje dla informacje szczegółowe. W związku z tym istnieją warianty ramki IEEE 802.11, które dostarczają dodatkowych bloków danych dla konkretnych informacji, w tym rozszerzenia SNAP i tagu VLAN.