Какое поле присутствует в заголовке кадра Ethernet

Обновлено: 03.07.2024

Краткое описание Ethernet, IEEE 802.3, формата или структуры кадра данных, а также того, как кадры данных Ethernet отправляются по локальным сетям, глобальным сетям и т. д.

Ethernet, IEEE 802.3 определяет форматы кадров или структуры кадров, которые разрабатываются на уровне MAC стека протоколов. Они позволяют отправлять данные в требуемое место назначения в локальной сети, глобальной сети или любой другой используемой системе. Они также позволяют идентифицировать источник обратных сообщений.

По сути, одна и та же структура кадра используется для различных вариантов Ethernet, хотя в структуру кадра внесены некоторые изменения для повышения производительности системы, если это потребуется.

Из-за высоких скоростей и разнообразия используемых носителей этот базовый формат иногда необходимо адаптировать для удовлетворения индивидуальных требований системы передачи, но это по-прежнему указывается в поправке/обновлении для данного варианта Ethernet.

Однако для большей части данных, отправляемых по локальным сетям, глобальным сетям и т. д., используются стандартные форматы кадров Ethernet.

Формат кадра данных Ethernet MAC

Основной фрейм Ethernet, используемый сегодня, называется фреймом Ethernet типа II. Это формат кадра, разработанный элементами стека уровня 2, который затем передается на физический уровень уровня 1, чтобы поместить его в формат для отправки.

Формат уровня 2 состоит из основных элементов фрейма данных, но без некоторых заголовков, необходимых для фактической отправки общих данных.

Его формат можно увидеть на диаграмме ниже.

Основной формат кадра Ethernet уровня 2

Формат пакета полезной нагрузки Ethernet

Для отправки данных по каналу Ethernet, будь то в локальной сети, глобальной сети или другом канале передачи данных, необходимо добавить некоторые дополнительные элементы к базовому кадру данных MAC, чтобы данные можно было передавать.

Дополнительные элементы относятся к синхронизации и подготовке приемника к приему кадра данных.

Основной общий формат кадра Ethernet

Базовый фрейм состоит из семи элементов, разделенных на три основные области:-

Заголовок
- Преамбула / SFD: — этот элемент в заголовке добавляется частью уровня 1 стека протоколов. Это позволяет приемнику синхронизироваться и знать, что кадр данных будет отправлен.
  - Преамбула (PRE). Это семь байтов, состоящих из чередующихся единиц и нулей, которые информируют принимающие станции о начале кадра, а также о включении синхронизации.< /li>
  - Разделитель начала кадра (SFD). Он состоит из одного байта и содержит чередующийся шаблон из единиц и нулей, но заканчивается двумя единицами.
  - Проверочная последовательность кадров (FCS) — это поле имеет длину четыре байта. Он содержит 32-битную проверку циклическим избыточным кодом (CRC), которая генерируется для полей DA, SA, длины/типа и данных.
  После самого фрейма данных Ethernet имеется межкадровый промежуток не менее 12 байтов данных. Это действует как разделитель, гарантирующий, что получатель знает, что кадр завершен, прежде чем будут отправлены какие-либо дополнительные данные.
  
  Полудуплексная передача
  
  Полудуплекс — это сценарий, при котором данные можно передавать в обоих направлениях вдоль линии, но только в одном направлении за раз.
  
  Полудуплексный режим менее эффективен, чем полный дуплекс, но упрощает систему с точки зрения аппаратного обеспечения и т. д. по сравнению с полным дуплексом, поскольку в каждый момент времени обрабатывается только одно направление передачи.
  
  Этот метод доступа включает использование CSMA/CD и был разработан, чтобы позволить нескольким станциям совместно использовать одну и ту же транспортную среду без необходимости коммутации, сетевых контроллеров или назначенных временных интервалов. Каждая станция может определить, когда она может передавать, и сеть является самоорганизующейся.
  
  Протокол CSMA/CD, используемый для Ethernet и множества других приложений, делится на три категории. Первый — Контроль несущей. Здесь каждая станция прослушивает сеть на наличие трафика и может определить, когда сеть тихая. Во-вторых, это аспект множественного доступа, когда станции могут сами определять, следует ли им передавать. Последним элементом является элемент Collision Detect. Даже если станции могут обнаружить, что сеть свободна, все же возможно, что две станции начнут передачу практически одновременно. Если это произойдет, то два набора передаваемых данных столкнутся. Если это произойдет, то станции смогут обнаружить это и прекратят передачу. Затем они откладываются на случайное количество времени перед попыткой повторной передачи. Случайная задержка важна, поскольку она не позволяет двум станциям начать передачу вместе во второй раз.
  
  Примечание. В соответствии с разделом 3.3 стандарта IEEE 802.3 каждый октет кадра Ethernet, за исключением FCS, передается младшим битом первым.
  
  Полный дуплекс
  
  Полный дуплекс — это схема, при которой передача разрешена в обоих направлениях одновременно, и это основная дуплексная схема, используемая для локальных сетей, глобальных сетей и т. д.
  
  Полный дуплекс обеспечивает гораздо более высокую скорость передачи данных, поскольку системе не нужно ждать, пока завершится передача в другом направлении. Полный дуплекс в настоящее время используется практически для всех передач Ethernet, что обеспечивает гораздо более высокие общие скорости передачи данных. Хотя в Ethernet могут быть определенные ограничения на использование полного дуплекса, теперь он стал стандартом и предлагает гораздо более высокий уровень эффективности
  
  MAC Ethernet контролирует использование полудуплексного/полного дуплекса и определяет, допустимо ли это для любого заданного сценария. Полнодуплексный режим допустим только для двухточечных соединений, и его гораздо проще реализовать, чем использование подхода CSMA/CD, а также он обеспечивает гораздо более высокую пропускную способность при использовании сети.
  
  Стоит отметить, что современные локальные сети, глобальные сети и т. п. состоят из множества двухточечных соединений, которые связаны между собой коммутаторами, концентраторами, маршрутизаторами и т. д. Ethernet.
  
  Не только нет необходимости планировать передачи, когда другие передачи не ведутся, поскольку в канале только две станции, но и при использовании полнодуплексного канала можно осуществлять передачу на полной скорости в обоих направлениях, тем самым удваивая скорость передачи. эффективная пропускная способность.
  
  Адреса Ethernet
  
  Каждой сетевой интерфейсной плате Ethernet, NIC присваивается уникальный идентификатор, называемый MAC-адресом. Он назначается производителем карты, и каждый производитель, который соответствует стандартам IEEE, может подать заявку в регистрационный центр IEEE на диапазон номеров для использования в своих продуктах.
  
  MAC-адреса формируются в соответствии с принципами двух нумерационных пространств на основе расширенных уникальных идентификаторов, EUI, управляемых Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE): EUI-48, который заменяет устаревший термин MAC-48 (48 бит адреса) и более длинный EUI-64 (64-битные адреса).
  
  С точки зрения их использования и работы может возникнуть некоторая путаница между IP-адресами и MAC-адресами. IP-адреса связаны с сетевыми приложениями и программным обеспечением TCP/IP, а MAC-адрес связан с конкретным оборудованием или сетевым адаптером.
  
  На самом деле ARP-протокол, называемый протоколом разрешения адресов, преобразует IP-адрес в MAC-адрес. ARP можно сравнить с паспортом, который получает данные с IP-адреса через реальное компьютерное оборудование.
  
  MAC-адрес обычно запрограммирован в аппаратном обеспечении, поэтому его нельзя изменить. Поскольку MAC-адрес назначается сетевой карте, он перемещается вместе с компьютером. Даже если интерфейсная карта переместится в другое место по всему миру, пользователь может связаться, поскольку сообщение отправляется на определенный MAC-адрес.
  
  Кадры Ethernet, дуплексная схема и адресация — все это ключевые элементы общей системы адресации Ethernet. Кадры Ethernet гарантируют, что данные отформатированы стандартным образом, чтобы система могла понять, что это такое и как с этим обращаться. Дуплексная схема гарантирует, что передача происходит упорядоченно, а MAC-адреса являются ключом к пониманию того, куда идут данные и откуда они поступают, будь то в локальной сети, глобальной сети или любых других данных. используется канал передачи..
  
  Базовая структура кадра Ethernet определена в стандарте IEEE 802.3. Однако для расширения основных возможностей протокола используются несколько дополнительных форматов кадров Ethernet. Ранние версии структуры фреймов были сравнительно медленными.
  
  Последние версии Ethernet работают со скоростью 10 гигабит в секунду. Это самая быстрая версия Ethernet. На канальном уровне структура кадра практически одинакова для всех скоростей Ethernet.
  
  Что находится в трейлере и заголовке кадра Ethernet
  
  Структура фрейма добавляет заголовки и трейлеры вокруг блока данных протокола уровня 3 (PDU) для инкапсуляции сообщения. Ethernet-II — это формат кадра, используемый в сетях TCP/IP. Он начинается с Преамбулы, которая работает на физическом уровне.
  
  Заголовок Ethernet содержит исходный и целевой адреса управления доступом к среде, после чего присутствует полезная нагрузка кадра. Последнее поле — это CRC (циклическая проверка избыточности), которое используется для обнаружения ошибки. На рисунке ниже показана структура и поля фрейма.
  
  Минимальный размер кадра Ethernet составляет 64 байта, а максимальный размер кадра — 1518 байт. Сюда входят все байты от поля MAC-адреса назначения до поля последовательности проверки кадра (FCS), за исключением поля преамбулы. Поле Преамбула не включается в описание размера кадра.
  
  Каждые кадры длиной менее 64 байтов считаются «кратким кадром/кратким пакетом» или «фрагментом конфликта», и принимающие станции автоматически отбрасывают эти кадры, а кадры с данными более 1 500 байт считаются гигантские кадры». Если кадр меньше или больше указанного выше размера, принимающее устройство отбрасывает и отбрасывает кадры.
  
  Поля преамбулы и SFD
  
  Это поле преамбулы имеет 7 байтов, а поле Start Frame Delimiter (SFD) — 1 байт. Разделитель начального кадра (SFD), также называемый началом кадра (1 байт), и поле преамбулы (7 байт).
  
  Отправляющие и принимающие узлы и устройства используют оба поля для синхронизации. Первые восемь байтов кадра привлекают внимание принимающих узлов. Эти первые несколько байтов сообщают получателям о необходимости подготовиться к приему нового кадра.
  
  Поле MAC-адреса назначения
  
  Поле MAC-адреса назначения содержит 6 байтов, идентификатор получателя. Сравнивается адрес в кадре и MAC-адрес устройства. Если есть совпадение, устройство принимает кадр. MAC-адрес может быть одноадресным, многоадресным или широковещательным.
  
  Поле MAC-адреса источника
  
  Исходный MAC-адрес, адрес управления доступом к среде исходящей сетевой карты. Это 6-байтовое поле идентифицирует исходное устройство. Это должен быть индивидуальный адрес.
  
  Поле типа эфира
  
  Размер этого поля составляет 2 байта, и он идентифицирует протокол верхнего уровня, инкапсулированный во фрейме. Общие значения в шестнадцатеричном формате: 0x800 для IPv4, 0x86DD для IPv6 и 0x806 для ARP.
  
  Поле данных
  
  Это поле содержит исходные инкапсулированные данные с более высокого уровня. Размер этого поля составляет от 46 до 1500 байт. Все кадры должны иметь длину не менее 64 байт. Если инкапсулированный пакет имеет небольшой размер, дополнительные биты, называемые заполнителями, увеличивают размер кадра до этого минимального размера.
  
  Последовательность проверки кадров (FCS)
  
  Последовательность проверки кадра (4 байта) обнаруживает ошибки в кадре. Он использует проверку циклическим избыточным кодом (CRC). Отправляющее устройство включает результаты проверки циклическим избыточным кодом (CRC) в поле контрольной последовательности кадра (FCS) кадра.
  
  Принимающее устройство получает кадр и генерирует проверку циклическим избыточным кодом (CRC) для поиска ошибок. Если расчеты совпадают, ошибки нет.
  
  Вычисления, которые не совпадают, указывают на то, что данные изменились, поэтому кадр отбрасывается. Изменение данных может быть результатом нарушения электрических сигналов, которые представляют биты.
  
  В этом учебном пособии подробно объясняются формат, части и типы фрейма Ethernet. Узнайте, что содержит фрейм Ethernet и как интерпретировать формат Ethernet.
  
  Что такое кадр Ethernet?
  
  Кадр Ethernet — это часть данных вместе с информацией, необходимой для транспортировки и доставки этой части данных. В сетевых эталонных моделях, таких как; В модели семи уровней OSI и TCP/IP кадр Ethernet определяется на уровне канала передачи данных.
  
  Формат Ethernet
  
  Кадр Ethernet состоит из трех частей. заголовок Ethernet (преамбула, SFD, пункт назначения, источник и тип), инкапсулированные данные (данные и заполнение) и трейлер Ethernet (FCS).
  
  На следующем изображении показан пример кадра Ethernet.
  
  Заголовок Ethernet
  
  Заголовок Ethernet содержит пять полей; Преамбула, SFD, пункт назначения, источник и тип. Давайте подробно разберем каждое поле.
  
  Поле преамбулы
  
  Поле преамбулы имеет длину 7 байт. Он содержит строку из 7 байт. Каждый байт попеременно хранит 1 и 0, чтобы получить шаблон «10101010». Байты преамбулы помогают принимающему устройству идентифицировать начало кадра Ethernet.Когда устройство получает 7 непрерывных байтов одного и того же шаблона (10101010), оно предполагает, что входящие данные являются фреймом Ethernet, и блокирует входящий битовый поток.
  
  Поле SFD
  
  Поле SFD (разделитель начального кадра) имеет длину 1 байт. Он содержит строку из 1 байта. Этот байт также хранит тот же шаблон, за исключением последнего бита. В последнем бите хранится 1 вместо 0. На следующем изображении показаны оба поля с соответствующими байтами соответственно.
  
  Байт SFD указывает принимающему устройству, что следующий байт является MAC-адресом назначения кадра Ethernet.
  
  MAC-адрес назначения
  
  Это поле имеет длину 6 байт. Он содержит MAC-адрес целевого устройства. MAC-адрес имеет длину 6 байт или 48 бит (1 байт = 8 бит, 6x8 = 48 бит). Для удобства обычно записывается как 12-значное шестнадцатеричное число (например, 0000.0A12.1234).
  
  MAC-адрес назначения позволяет принимающему устройству определить, предназначен ли ему входящий кадр или нет. Если кадр не предназначен для принимающего устройства, принимающее устройство отбрасывает этот кадр.
  
  Исходный MAC-адрес
  
  Это поле также имеет длину 6 байт. Он содержит MAC-адрес исходного устройства. Это помогает принимающему устройству идентифицировать исходное устройство. На следующем изображении показан пример обоих типов адресов во фрейме.
  
  Тип поля
  
  Это поле имеет длину 2 байта. В этом поле хранится информация о протоколе верхнего уровня (сетевого уровня).
  
  Уровень канала передачи данных исходного компьютера подготавливает, упаковывает и загружает кадр Ethernet в носитель. Уровень канала передачи данных целевого компьютера выбирает кадр Ethernet из носителя. После выбора кадра Ethernet канальный уровень целевого компьютера распаковывает, обрабатывает и передает этот кадр Ethernet на верхний уровень для дальнейшей обработки.
  
  Если на верхнем (сетевом) уровне целевого компьютера работает несколько протоколов, уровень канала передачи данных не сможет передать полученный кадр на верхний уровень, поскольку он не знает, какому протоколу передать полученный кадр. .
  
  Чтобы узнать больше о том, как слои обмениваются данными и обрабатывают данные, изучите это руководство.
  
  Поле типа решает эту проблему. Это поле позволяет компьютеру-отправителю вставлять информацию о протоколе верхнего уровня. С помощью этой информации канальный уровень компьютера назначения может легко определить протокол верхнего уровня, которому он должен передать полученный кадр.
  
  Современные реализации локальных сетей в основном используют протокол IP на сетевом уровне. Существует два варианта протокола IP; IPv4 и IPv6. Если поле типа имеет значение IP или ox800, кадр несет данные протокола IPv4. Если поле типа имеет значение IPv6 или 0x86dd, фрейм содержит данные протокола IPv6.
  
  На следующем изображении показан пример поля типа для обоих вариантов IP.
  
  Поле данных и заполнения
  
  В этом поле хранятся инкапсулированные данные верхнего уровня. Размер этого поля ограничен от 46 байт (минимум) до 1500 байт (максимум). Из-за этого ограничения сетевой (верхний) уровень не может упаковывать больше или меньше данных в один пакет (инкапсулированные данные верхнего уровня). Если данных меньше минимального требования, добавляется заполнение. Если данные превышают максимальный предел, дополнительные данные упаковываются в следующий пакет.
  
  FCS (последовательность проверки кадров)
  
  Это поле имеет длину 4 байта. В этом поле хранится 4-байтовое значение, которое используется для проверки целостности полученного кадра. Устройство-отправитель берет все поля кадра, кроме поля FCS, и прогоняет их по алгоритму, известному как CRC (Cyclic Redundancy Check). Алгоритм CRC генерирует 4-байтовый результат, который помещается в это поле FCS.
  
  Когда целевое устройство получает кадр, оно берет те же поля и обрабатывает их по тому же алгоритму. Если результат совпадает со значением, хранящимся в поле FCS, кадр считается исправным и обрабатывается дальше. Если оба значения не совпадают, кадр считается неверным и удаляется.
  
  На этом уроке все. Если вам понравился этот урок, не забудьте поделиться им с друзьями в вашей любимой социальной сети.
  
  802.3 по существу совместим с OSI и определяет как физический, так и MAC-уровень. На скорости 10 Мбит/с 802.3 физический уровень состоит из верхнего подуровня сигнализации физического уровня ( PLS ) и нижнего подключения физической среды ( PMA ) подуровень . Подуровень PLS не зависит от среды и отвечает за генерацию и обнаружение Манчестерского кода, используемого всеми вариантами 10 Мбит/с, что обеспечивает передачу информации синхронизации вместе с данными. . Подуровень PMA реализуется функциональным блоком, называемым MAU (Medium Access Unit), который подключается непосредственно к среде, передает и принимает сигналы среды и идентифицирует коллизии. Интерфейс между подуровнями PMA и PLS известен как интерфейс модуля подключения ( AUI ). В 10Base5 MAU, известный как приемопередатчик, отделен от самой станции и подключен непосредственно к коаксиальному кабелю Ethernet. AUI в 10base5 представляет собой отводной кабель длиной до 50 м, по которому проходят пять витых пар, соединяющих сетевой адаптер станции (который реализует MAC и PLS) и приемопередатчик. Однако в 10Base2 и 10BaseT MAU и AUI сами по себе интегрированы в сетевую карту, которая затем напрямую подключается к среде.
  
  Как и подуровень PLS, подуровень MAC является общим для всех вариантов 10 Мбит/с 802.3, а его PDU или кадры имеют простую структуру, показанную на рис. 1.
  
  Рисунок 1 �� Структура кадра IEEE 802.3
  
  Преамбула состоит из семи байтов, имеющих форму 10101010, и используется получателем, чтобы позволить ему установить битовую синхронизацию (в эфире нет тактовой информации, когда ничего не отправляется) .
  
  Разделитель начального кадра представляет собой один байт 10101011, который является флагом кадра, указывающим начало кадра.
  
  MAC-адреса, используемые в стандарте 802.3, всегда имеют длину 48 бит, хотя в более ранних версиях Ethernet использовалось 16 бит. По соглашению, адреса Ethernet обычно указываются как последовательность из 6 байтов (в шестнадцатеричном формате), где каждый байт указывается с битами в обратном порядке (это любопытное расположение определяется порядком передачи). Отдельные адреса имеют старший значащий бит 0, многоадресные адреса имеют старший значащий бит 1 (таким образом, старший значащий байт указывается как xxxx xxx1). Адрес 48 «1s» является широковещательным для всех станций в локальной сети. Интересной особенностью является то, что отдельные адреса могут быть локальными или глобальными, со вторым старшим битом, равным 0 или 1, соответственно (поэтому старший старший байт xxxx xx0x является глобальным). Локальные адреса не имеют никакого значения, за исключением локальной установки Ethernet, но глобальные адреса уникальны: каждая система с интерфейсом Ethernet имеет уникальный глобальный адрес, встроенный в этот интерфейс. В принципе, любая станция может обращаться к любой другой в любой точке мира, но, конечно, это будет зависеть от довольно непрактичного интернет-уровня для идентификации цели и выполнения маршрутизации. В одном Ethernet такой проблемы нет, потому что кадр видят все станции и каждая может распознать свой адрес. Обратите внимание, что это адреса SAP наверху подуровня MAC, и именно на эти SAP Ethernet доставляет кадры: с точки зрения более высоких уровней это NPA.
  
  Поле Length/EtherType — единственное, которое отличается между 802.3 и Ethernet II. В 802.3 он указывает количество байтов данных в полезной нагрузке кадра и может принимать значения от 0 до 1500 байт. Кадры должны иметь длину не менее 64 байт, не включая преамбулу, поэтому, если поле данных короче 46 байт, оно должно быть компенсировано полем Pad. Причина указания минимальной длины связана с механизмом обнаружения столкновений. В CSMA/CD ни в коем случае нельзя допускать, чтобы станция считала, что она успешно передала кадр, если этот кадр действительно столкнулся с коллизией. В худшем случае потребуется удвоить максимальную задержку распространения по сети, прежде чем станция сможет убедиться, что передача прошла успешно. Если станция отправляет очень короткий кадр, она может закончить отправку и освободить эфир, не осознав, что произошла коллизия. Правила проектирования 802.3 определяют верхний предел максимальной задержки распространения в любой установке Ethernet, а минимальный размер кадра установлен более чем в два раза (64 байта занимает 51,2 мс для отправки на скорости 10 Мбит/с).
  
  С другой стороны, в Ethernet II это поле используется для указания типа полезной нагрузки, переносимой кадром. Например, 0800₁₆ означает полезную нагрузку IP. На самом деле наименьшее допустимое значение этого поля равно 0600₁₆, а поскольку наибольшее значение длины 802.3 равно 05DC₁₆, всегда можно отличить кадры Ethernet и 802.3. поэтому они могут сосуществовать в одной сети. 802.3 предназначался для использования с 802.2 LLC в качестве стандартной полезной нагрузки, последний использует 7-битный подадрес для указания типа протокола.Однако это несовместимо с 16-битным EtherType Ethernet II, поэтому было разработано расширение SNAP (протокол доступа к подсети). С расширенным заголовком SNAP PDU LLC может содержать 16-битный EtherType.
  
  Наконец, в поле Checksum используется полиномиальный код CRC-32.
  
  Чтобы отправить кадр, станция в сети 802.3 сначала прослушивает эфир (функция контроля несущей). Если эфир занят, станция откладывает, но после того, как текущая активность прекращается, она использует стратегию 1-persistent и будет ждать только короткую фиксированную задержку, промежуток между кадрами, прежде чем начало передачи. Если столкновения нет, передача завершится успешно. Однако, если обнаружена коллизия, передача кадра прекращается, и станция начинает посылать глушение сигнал, чтобы убедиться, что все остальные станции поняли, что произошло. Затем станция отключается на случайный интервал времени, прежде чем повторить попытку. Интервал отсрочки � вычисляется с использованием алгоритма, называемого усеченной двоичной экспоненциальной отсрочкой , который работает следующим образом.
  
  Станция всегда ожидает некоторое время, кратное 51,2 мс, известное как слот. Станция случайным образом выбирает номер из набора и ждет этого количества слотов. Если есть еще одно столкновение, он снова ждет, но на этот раз для числа, выбранного из . После k коллизий в одной и той же передаче он выбирает свой номер случайным образом из , пока k = 10, когда набор заморожен. После k = 16, так называемого предела количества попыток, блок MAC сдается и сообщает об ошибке вышестоящему уровню.
  
  Однако коллизия обычно приводит к созданию короткого искаженного пакета, называемого рантом . Рант — это просто часть пакета, которую успел передать первый отправитель до того, как произошла коллизия. Если соблюдаются правила построения Ethernet, рант будет легко идентифицирован, поскольку он будет короче минимума Ethernet (64 байта). Его CRC также будет неправильным. Пропуски являются обычным явлением и не вызывают особых проблем в отдельных сегментах Ethernet, но важно, чтобы они идентифицировались и фильтровались коммутатором, чтобы предотвратить их ненужную пересылку в другие сегменты.
  
  Читайте также: