Несоответствие форматов кадров Ethernet
Ethernet - одна из самых старых технологий локальных сетей, имеющая длительную историю развития, в которую внесли свой вклад различные компании и организации. В результате этого существует несколько модификаций даже такого основополагающего строительного блока протокола, как формат кадра. Использование различных форматов кадров может привести к полному отсутствию взаимодействия между узлами.
Всего имеется четыре популярных стандарта формата кадра Ethernet:
Кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);
Кадр стандарта 802.3(или кадр Novell 802.2);
Кадр Novell 802.3 (или кадр Raw 802.3);
Кадр Ethernet SNAP.
Кадр стандарта EthernetDIX , называемый также кадром EthernetII, разработан компаниями Digital, Xerox и Intel (первые буквы названия компаний и дали название этому варианту Ethernet) при создании первых сетей Ethernet. Всего было выпущено две версии фирменного стандарта Ethernet, поэтому последняя, вторая версия этого стандарта также иногда указывается при обозначении варианта протокола Ethernet и соответственно его формата кадра. Часто в литературе именно этот вариант формата кадра называют кадром Ethernet, оставляя для международного стандарта технологии EthernetIEEE 802.3 обозначение 802.3.
Кадр стандарта EthernetDIX имеет следующий формат:
Поля Destination и Source содержат 6-ти байтные МАС-адреса узла назначения и источника, а поле Type - двухбайтный идентификатор протокола верхнего уровня, который поместил свои данные в поле данных Data. Для поля Type существуют стандартные значения числовых идентификаторов для всех популярных протоколов, используемых в локальных сетях. Например, протокол IP имеет числовой идентификатор 0800 и т.п. Эти значения можно найти в постоянно обновляемом RFC (например, в RFC 1700), в котором указаны все конкретные числовые значения, применяемые в протоколах сети Internet.
В стандарте IEEEEthernet 802.3 определен формат кадра Ethernet, близкий к формату EthernetDIX, но имеющий некоторые отличия:
Одно из принципиальных отличий заключается в том, что вместо поля Type в нем используется поле Length (Длина), также имеющее размер в 2 байта, но содержащее длину поля данных в байтах.
Поле Type в стандарте 802.3 заменено двумя дополнительными полями - DSAP (Destination Service Access Point) и SSAP (Source Service Access Point). Поле DSAP указывает сервис (протокол), которому предназначаются данные, а поле SSAP обозначают сервис (протокол), который отправил эти данные. Назначение этих полей то же, что и поля Type, но наличие двух полей позволяет организовать передачу данных между протоколами разного типа (правда, на практике это свойство никогда не используется). Однобайтовый формат полей SAP не позволил использовать в них те же числовые обозначения идентификаторов протоколов, которые прижились для кадров EthernetDIX, поэтому каждый протокол верхнего уровня имеет сейчас два идентификатора - один используется при инкапсуляции пакета протокола в кадр EthernetDIX, а второй - при инкапсуляции в кадр Ethernet 802.3.
Еще одним отличием кадра IEEE 802.3 является однобайтовое поле Control (Управление), которое предназначено для реализации режима работы с установлением соединения. В поле Control должны помещаться номера кадров квитанций подтверждения доставки данных, необходимые для отработки процедур восстановления утерянных или искаженных кадров. На практике большинство операционных систем не использует этих возможностей кадра 802.3, ограничиваясь работой в дейтаграммном режиме (при этом значение поля Control всегда равно 03).
Так как стандарт IEEE делит канальный уровень на два подуровня - MAC и LLC, то иногда кадр Ethernet 802.3 также представляют как композиции двух кадров. Кадр МАС-уровня включает поля преамбулы, адресов назначения и источника, поле длины и поле контрольной суммы, а кадр LLC содержит поля DSAP, SSAP, Control и поле данных (которое из-за введения новых трех однобайтовых полей имеет максимальную длину на 3 байта меньше).
Кадр Novell 802.3, который также называют кадром Raw 802.3 (то есть «грубый» или «очищенный» вариант стандарта 802.3) представляет собой кадр МАС-уровня без полей уровня LLC:
Этот тип кадра длительное время успешно применялся компанией Novell в ее сетях NetWare. Отсутствие поля типа протокола верхнего уровня не создавало трудностей, так как в сетях Novell долгое время использовался только один протокол сетевого уровня - протокол IPX. В дальнейшем при переходе к многопротокольным сетям компания Novell стала использовать в качестве основного стандартный кадр IEEE 802.3 (который в документации Novell называется кадром 802.2 - номер стандарта на подуровень LLC).
Кадр EthernetSNAP (SubNetworkAccessProtocol) активно используется в сетях TCP/IP для достижения совместимости числовых идентификаторов протоколов с теми, которые используются в кадре EthernetDIX. Кадр EthernetSNAP определен в стандарте 802.2H и представляет собой расширение кадра IEEE 802.3 путем введения двух дополнительных полей: 3-х байтового поля OUI (OrganizationUnitIdentifier) и двухбайтового поля Type. Поле Type имеет тот же формат и то же назначение, что и поле Type кадра EthernetDIX. Поэтому числовые значения идентификаторов протоколов, помещаемые в это поле кадра EthernetSNAP, совпадают со значениями, используемыми в кадрах EthernetDIX, и в этом весь смысл введения дополнительных полей заголовка SNAP. В поле OUI указывается код организации, которая определяет стандартные значения для поля Type. Для протокола Ethernet такой организацией является комитет IEEE 802.3, и его код равен 00 00 00. Наличие поля OUI позволяет использовать заголовок SNAP не только для протокола Ethernet, но и для других протоколов, которые контролируются другими организациями.
Если оборудование или операционная система настроены на поддержку какого-то одного формата кадра Ethernet, то они могут не найти взаимопонимания с другим узлом, который в свою очередь поддерживает также один формат кадра Ethernet, но другого типа. Результатом попыток взаимодействия таких узлов будет отбрасывание поступающих кадров, так как неверная интерпретация формата приведет к неверной контрольной сумме кадра.
Многие современные операционные системы и коммуникационное оборудование умеют одновременно работать с различными типами кадров, распознавая их автоматически. Распознавание идет по значению 2-х байтового поля, расположенного за адресом источника. Это поле может быть полем Type или Length. Числовые идентификаторы протоколов выбраны так, что значение поля Type будет всегда больше 1500, в то время как поле Length всегда содержит значение меньше или равное 1500. Дальнейшее отделение кадров EthernetSNAP от IEEE 802.3 проводится на основании значения полей DSAP и SSAP. Если присутствует заголовок SNAP, то поля DSAP и SSAP всегда содержат вполне определенный числовой идентификатор, зарезервированный за протоколом SNAP.
Автоматическое распознавание типа кадра избавляет пользователей сети от неприятных проблем, однако та же ОС или маршрутизатор могут быть настроены на поддержку только одного типа протоколов, и в этом случае проблема несовместимости может проявляться.
Сетевые анализаторы и средства мониторинга умеют автоматически различать форматы кадров Ethernet. Для задания условий захвата кадров, содержащих пакеты определенных протоколов верхнего уровня, анализаторы позволяют пользоваться как числовыми идентификаторами этих протоколов для полей SAP (DSAP и SSAP), так и числовыми идентификаторами для поля Type (имеющим также название EtherType).
В сетях TokenRing и FDDI всегда используются кадры стандартного формата, поэтому в этих сетях не возникают проблемы, связанные с несовместимостью форматов кадров.
Стандарт на технологию Ethernet, описанный в документе 802.3, дает описание единственного формата кадра МАС-уровня. Так как в кадр МАС-уровня должен вкладываться кадр уровня LLC, описанный в документе 802.2, то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, образованный комбинацией заголовков МАС и LLC подуровней.
Тем не менее, на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются заголовки 4-х типов. Это связано с длительной историей развития технологии Ethernet до принятия стандартов IEEE 802, когда подуровень LLC не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок LLC не применялся.
Консорциум трех фирм Digital,IntelиXeroxв 1980 году представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандартаEthernet, но комитет 802.3 принял стандарт, отличающийся в некоторых деталях от предложенияDIX. Отличия касались и формата кадра, что породило существование двух различных типов кадров в сетиEthernet.
Еще один формат кадра появился в результате усилий компании Novellпо ускорению работы своего стека протоколов в сетяхEthernet.
И, наконец, четвертый формат кадра стал результатом деятельности комитета 802.2 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту.
Сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически.
Ниже приводится описание всех четырех модификаций заголовков кадров Ethernet (здесь под кадром понимается весь набор полей, которые относятся к канальному уровню, то есть поля MACиLLCуровней):
Кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2)
Кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3)
Кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II)
Кадр Ethernet SNAP
Форматы этих четырех типов кадров Ethernetприведены на рис.6.2.
Рис.6. 2 . Форматы кадров Ethernet.
Рис. 14.3. Форматы кадров Ethernet.
Кадр 802.3/llc
Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах IEEE802.3 и 802.2.
Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка:
Поле преамбулы ( Preamble ) состоит изсеми байтов синхронизирующих данных . Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов -10101010 . При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом с частотой 5 МГц.
Начальный ограничитель кадра (Start - of - frame - delimiter , SFD ) состоит из одного байта с набором битов10101011 . Появление этой комбинации бит является указанием на то, что следующий байт - это первый байт заголовка кадра.
Адрес назначения (Destination Address, DA) - 6 байт. Первый бит старшего байта адреса назначения являетсяпризнак ом того, являетсяадрес индивидуальным или групповым . Если0 , то адрес являетсяиндивидуальным ( unicast ), а если1 , то этогрупповой адрес ( multicast ). Групповой адрес сети может предназначаться всем узлам сети или же определенной группе узлов сети.Если адрес состоит из всех единиц, то есть имеет шестнадцатеричное представление0* FFFFFFFFFFFF , то он предназначенвсем узлам сети и называетсяшироковещательным адресом ( broadcast ) . В остальных случаях групповой адрес связан только с теми узлами, которые сконфигурированы (например, вручную) как члены группы, номер которой указан в групповом адресе.Второй бит старшего байта адреса определяетспособ назначения адреса - централизованный или локальный . Если этот бит равен0 (что бывает почти всегда в стандартной аппаратуреEthernet), тоадрес назначен централизованно , с помощью комитетаIEEE. КомитетIEEEраспределяет между производителями оборудования так называемыеорганизационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier , OUI ) . Этот идентификатор помещается в3 старших байта адреса (например, идентификатор 000081 определяет компаниюBay Networks) .За уникальность младших 3-х байт адреса отвечает производитель оборудования. Двадцать четыре бита , отводимые производителю для адресации интерфейсов его продукции, позволяют выпустить16 миллионов интерфейсов под одним идентификатором организации . Уникальность централизованно распределяемых адресов распространяется на все основные технологии локальных сетей -Ethernet,TokenRing,FDDIи т.д.
Внимание: В стандартахIEEEEthernetмладший бит байта изображается в самой левой позиции поля, а старший бит - в самой правой. Это нестандартный способ отображения порядка бит в байте соответствует порядку передачи бит в линию связи передатчикомEthernet.
Адрес источника ( Source Address , SA ) - 6-ти байтовое поле, содержащее адрес станции - отправителя кадра. Первый бит - всегда имеет значение 0.
Длина (Length, L ) . Двухбайтовоеполе длины определяет длину поля данных в кадре.
Кадр 802.3 является кадром MAС-подуровня, в соответствии со стандартом 802.2 в егополе данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра
DSAP адрес доступа к службе получателя ( Destination Service Access Point ) -1 байт.
SSAP адрес доступа службы отпрвителя (Source Service Access Point) - 1 байт.
Control поле управления – 1 байт в режимеLLC1 и 2 байта в режимеLLC2.
9. Поле данных ( Data ) может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется поле заполнения(Padding ) , чтобы дополнить кадр до минимально допустимого значения в 46 байт. Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 (в режимеLLC1) или 4 байт (в режимеLLC2), то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 (1796) байт.
10. Поле контрольной суммы ( frame Check Sequence , FCS ) - 4 байта, содержащие значение, которое вычисляется по определенному алгоритму CRC-32.
П – преамбула (8 байт):
· используется для синхронизации станций сети;
· содержит код 10101010 в первых семи байтах и код 10101011 в последнем байте.
АН – адрес назначения (6 байт):
· длина поля составляет 6 байт, но может быть 2 байта, если адрес установлен администратором ЛВС только для внутреннего пользования;
· старший (самый первый) бит в поле адреса (рис.3.21) указывает тип адреса (I/G – Individual/Group):
- 0 – адрес назначения является индивидуальным , т.е. кадр предназначен конкретной рабочей станции; в остальных разрядах поля адреса назначения указывается уникальный физический адрес (МАС-адрес) конкретной рабочей станции;
- 1 – адрес назначения является групповым , т.е. кадр предназначен группе рабочих станций (тогда в последующих разрядах указывается адрес конкретной группы рабочих станций), или широковещательным , если все остальные разряды равны 1, то есть кадр адресован всем рабочим станциям в ЛВС;
· второй бит в поле адреса указывает способ назначения адреса (U/L – Universal/Local):
- 0 – адрес является универсальным физическим адресом в ЛВС, т.е. адрес сетевого адаптера назначен централизованно комитетом IEEE, который распределяет между производителями сетевых адаптеров так называемые организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier, OUI), размещаемые в первых трех байтах адреса, а в следующих трех байтах помещается номер сетевого адаптера, присваиваемый производителем;
- 1 – адрес локальный , т.е. назначен администратором ЛВС и используется только в пределах этой сети.
АИ – адрес источника (6 байт):
· длина поля составляет 6 байт, но, как и адрес назначения, может иметь длину 2 байта;
· старший бит первого байта (поля I/G) всегда равен 0;
· не может содержать широковещательный адрес:
FF-FF-FF-FF-FF-FF.
Тип – тип протокола (2 байта):
· идентифицирует тип протокола более высокого уровня, используемого для его передачи или приема, и позволяющего множеству протоколов высокого уровня разделять ЛВС без вникания в содержимое кадров друг друга;
· примеры значений поля «тип», идентифицирующих различные протоколы:
IP (Internet Protocol) 080016
ARP (Adress Resolution Protocol) 080616
Reverse ARP 803516
Apple Talk 809B16
NetWare IPX/SPX 813716
(здесь индекс 16 – означает шестнадцатеричное число).
Данные – поле данных (46-1500 байт):
· может иметь длину от 46 до 1500 байт.
КС – контрольная сумма:
· содержит остаток избыточной циклической суммы (Cyclic Redundancy Checksum – CRC), вычисленной с помощью полиномов типа CRC-32 для всех полей кадра: АН+АИ+Тип+Данные (без преамбулы).
Таким образом, минимальная длина кадра Ethernet (без преамбулы) 64 байта, а максимальная – 1518 байтов.
Основные отличия этого кадра от кадра Ethernet II заключаются в следующем:
1) из восьмибайтового поля преамбулы П , которое стало длиной 7 байт, выделено однобайтовое поле НО – «Начальный ограничитель кадра», которое содержит код 10101011, указывающий на начало кадра;
2) вместо поля «Тип протокола» появилось двухбайтовое поле Д – «Длина», которое определяет длину поля данных в кадре; отсутствие поля «Тип протокола» обусловлено тем, что кадр 802.3/Novell соответствует только протоколу IPX/SPX и лишь этот протокол может работать с ним;
3) поле данных может содержать от 0 до 1500 байт , но если длина поля меньше 46 байт, то используется дополнительное поле Н – «Набивка», с помощью которого кадр дополняется до минимально допустимого значения в 46 байт, если поле данных меньше 46 байт.
Таким образом, длина кадра находится в диапазоне от 64 до 1518 байт, не считая преамбулы и признака начала кадра. Важной особенностью стандарта IEEE 802.3 является возможность передачи прикладным процессом данных длиной менее 46 байтов , благодаря тому, что кадр автоматически дополняется до нужного размера пустыми символами в поле «Набивка». В стандарте Ethernet II такие ситуации рассматриваются как ошибочные.
Кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2)
Кадр 802.3/LLC (802.3/802.2) содержит те же поля, что и Raw 802.3 (рис.3.23). Отличие состоит лишь в том, что в поле данных вставляется пакет подуровня управления логическим соединением LLC (без граничных флагов), содержащий в качестве заголовка три однобайтовых поля:
· DSAP (Destination Service Access Point) – точка доступа к услугам получателя (1 байт) определяет тип протокола верхнего (сетевого) уровня получателя кадра;
· SSAP (Source Service Access Point) – точка доступа к услугам источника (1 байт) определяет тип протокола верхнего (сетевого) уровня источника кадра;
· У – управление (1 или 2 байта) – содержит информацию для управления одним из трех сервисов, предоставляемых подуровнем LLC;
Поля DSAP , SSAP и У образуют заголовок пакета LLC .
Так как поле «Управление» пакета LLC имеет длину 1 (в режиме LLC1) или 2 байта (в режиме LLC2), то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 или 1496 байт соответственно.
Кадр Ethernet SNAP
Кадр Ethernet SNAP (SNAP – SubNetwork Access Protocol), протокол доступа к подсетям) предназначен для устранения разнообразия в форматах кадров и в кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Ethernet.
Структура кадра SNAP является развитием структуры кадра 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP , который находится за заголовком пакета LLC и включает в себя 2 поля:
· идентификатор организации (3 байта) содержит идентификатор той организации, которая контролирует коды протоколов, указываемые в поле «тип» (коды протоколов для ЛВС контролирует IEEE, который имеет идентификатор организации, равный 000000; если в будущем потребуются другие коды протоколов, то достаточно указать другой идентификатор организации, назначающей эти коды, не меняя старые значения кодов);
· тип (2 байта) – состоит из 2-х байт и соответствует полю «Тип» кадра Ethernet II, то есть в нем используются те же значения кодов протоколов более высокого сетевого уровня.
При этом 3 поля заголовка пакета LLC в кадре Ethernet SNAP имеют вполне конкретные значения:
· DSAP
· SSAP (1 байт) всегда содержит AA16 и указывает на то, что кадр имеет формат типа Ethernet SNAP;
· управление (1 байт) содержит число 0316.
Алгоритм определения типа кадра
Практически все сетевые адаптеры Ethernet могут работать со всеми четырьмя типами кадров, автоматически распознавая их.
Поскольку для кодирования типа протокола в двухбайтовом поле «Тип/Длина» указываются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500 или в шестнадцатеричной системе счисления 05DC16, кадры Ethernet II легко отличить от других типов кадров по значению этого поля. Затем проверяется наличие или отсутствие полей LLC, которые могут отсутствовать только в том случае, если за полем длины следует заголовок пакета IPX, а именно 2-байтовое поле заполненное единицами. Затем проверяются значения полей DSAP и SSAP: если они равны АА16, то это кадр Ethernet SNAP, в противном случае – кадр 802.3/LLC.
Протокол CSMA/CD
Битовый интервал – это интервал, соответствующий передаче одного бита, то есть это время между появлением двух последовательных бит.
Поскольку протокол CSMA/CD применяется в ЛВС Ethernet с пропускными способностями среды передачи данных 10 Мбит/с, 100 Мбит/с и 1 Гбит/с, использование понятия битового интервала позволяет обобщить описание протокола CSMA/CD для всех этих сетей.
При передаче данных согласно протоколу CSMA/CD станции выполняют следующие этапы.
1. Прослушивание до начала передачи.
2. Задержка передачи, если канал занят.
3. Начало передачи кадра, если канал свободен.
4. Передача кадра и прослушивание коллизий ..
Если коллизия возникла, но другие станции еще не обнаружили ее, они могут попытаться начать передачу. Кадры этих станций тогда будут вовлечены в новую коллизию. Для исключения такой ситуации вовлеченные в коллизию станции начинают передавать сигнал затора с тем, чтобы все остальные станции сегмента удостоверились в том, что линия занята. Сигнал затора – специальная последовательность из 32 бит, называемая jam-последовательностью . Станции, вовлеченные в коллизию, увеличивают на 1 свои счетчики числа попыток передачи . Станция считает, что она управляет сегментом кабеля, если ею уже передано более 64 байт . Коллизия, возникающая с кадром длиной более 64 байт, называется поздней коллизией , что обычно свидетельствует о некорректном монтаже кабельной системы, например, о том, что какой-то сегмент может быть длиннее, чем это определено спецификацией для данного типа кабельной системы.
5. Ожидание перед повторной передачей.
6. Повторная передача или прекращение работы.
При приёме данных станция, находящаяся в сети, должна выполнять следующие действия.
1. Просмотр поступающих кадров данных и обнаружение фрагментов.
2. Проверка адреса получателя.
3. Проверка целостности кадра данных.
Для того, чтобы избежать обработки искаженных при передаче по каналу или некорректно сформированных на передающей станции кадров, принимающая станция должна проверить:
· длину кадра: если кадр длиннее 1518 байт, он считается переполненным; переполненные кадры могут появляться в результате неисправностей сетевого драйвера;
· контрольную последовательность кадра с помощью циклического избыточного кода;
· если контрольная последовательность некорректна, проверяется выравненность кадра: все кадры должны содержать целое число байт (например, не 122,5 байт).
Если контрольная последовательность кадра некорректна, но кадр содержит целое число байт (корректно выровнен), считается, что имеет место ошибка контрольной последовательности.
Таким образом, проверка кадра принимающей станцией заключается в определении:
· является ли кадр фрагментом;
· не слишком ли велика его длина;
· ошибочна ли его контрольная последовательность;
· корректно ли он выровнен.
Если какая-либо проверка завершилась неудачей, кадр уничтожается
и его содержимое не передается для обработки протоколу сетевого уровня.
4. Обработка кадра.
Многосегментные ЛВС Ethernet. Условие корректности ЛВС. Расчёт времени двойного оборота (PDV). Расчёт уменьшения межкадрового интервала (PVV). Расчет показателей производительности ЛВС Ethernet. Достоинства и недостатки ЛВС Ethernet.
ЛВС Ethernet может объединять сегменты, построенные на основе разных типов кабелей: толстого или тонкого коаксиального кабеля, витой пары, волоконно-оптического кабеля. При этом количество сегментов в сети может превышать указанное ранее в соответствии с правилом «5-4-3» значение 5. Чтобы сеть Ethernet, состоящая из сегментов различной физической природы, работала корректно, необходимо выполнение четырех основных условий:
· количество станций в сети не более 1024;
· максимальная длина каждого сегмента не более величины,
определенной в соответствующем стандарте физического уровня (500 м и
185 м – соответственно для толстого и тонкого коаксиального кабеля;
100 м – для неэкранированной витой пары; 2000 м – для оптоволоконного кабеля);
· время двойного оборота сигнала (Path Delay Value, PDV) между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети не более 575 битовых интервала;
· сокращение межкадрового интервала (Path Variability Value, PVV) при прохождении последовательности кадров через все повторители должно быть не больше, чем 49 битовых интервала. Так как при отправке кадров конечные узлы обеспечивают начальное межкадровое расстояние в 96 битовых интервалов, то после прохождения повторителей оно должно быть не меньше, чем 96–49=47 битовых интервала.
Соблюдение этих требований обеспечивает корректность работы сети даже в тех случаях, когда нарушаются правила конфигурирования, определяющие максимальное количество повторителей и общую длину сети в 2500 м.
Условие корректности ЛВС
Для корректной работы сети Ethernet необходимо, чтобы станции всегда могли обнаружить коллизию, если она возникла в процессе передачи кадра. Если станция прекратит прослушивание среды передачи раньше, чем коллизия может произойти, передаваемый кадр будет потерян. Поэтому передающая станция должна обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ею кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра. Поскольку до начала передачи все станции сети прослушивают канал, то коллизия в худшем случае может возникнуть при передаче кадров между наиболее удаленными друг от друга станциями сети.
В сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов. Это связано с длительной историей развития технологии Ethernet, насчитывающей период существования до принятия стандартов IEEE 802, когда подуровень LLC не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок LLC не применялся.
Различия в форматах кадров могут приводить к несовместимости в работе аппаратуры и сетевого программного обеспечения, рассчитанного на работу только с одним стандартом кадра Ethernet. Однако сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически.
Ниже приводится описание всех четырех типов кадров Ethernet (здесь под кадром понимается весь набор полей, которые относятся к канальному уровню, то есть поля MAC и LLC уровней). Один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому ниже для каждого типа кадра приведено по нескольку наиболее употребительных названий:
кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2);
кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);
кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);
кадр Ethernet SNAP.
Форматы всех этих четырех типов кадров Ethernet приведены на рис. 10.3.
Кадр 802.3/LLC
Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах IEEE 802.3 и 802.2.
Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка (рис. 10.3; поле преамбулы и начальный ограничитель кадра на рисунке не показаны).
Поле преамбулы (Preamble) состоит из семи синхронизирующих байт 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом с частотой 5 МГц.
Начальный ограничитель кадра (Start-of-frame-delimiter, SFD) состоит из одного байта 10101011. Появление этой комбинации бит является указанием на то, что следующий байт - это первый байт заголовка кадра.
Адрес назначения (Destination Address, DA) может быть длиной 2 или 6 байт. На практике всегда используются адреса из 6 байт.
Адрес источника (Source Address, SA) - это 2- или 6-байтовое поле, содержащее адрес узла - отправителя кадра. Первый бит адреса всегда имеет значение 0.
Длина (Length, L) - 2-байтовое поле, которое определяет длину поля данных в кадре.
Поле данных (Data) может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, - чтобы дополнить кадр до минимально допустимого значения в 46 байт.
Поле заполнения (Padding) состоит из такого количества байт заполнителей, которое обеспечивает минимальную длину поля данных в 46 байт. Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется.
Поле контрольной суммы (Frame Check Sequence, PCS) состоит из 4 байт, содержащих контрольную сумму. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32.
Кадр 802.3 является кадром МАС-подуровня, поэтому в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. Формат кадра LLC был описан выше. Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 (в режиме LLC1) или 4 байт (в режиме LLC2), то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 или 1496 байт.
Рисунок 10.3. Форматы кадров Ethernet
Кадр Raw 802.3, называемый также кадром Novell 802.3, представлен на рис. 10.3. Из рисунка видно, что это кадр подуровня MAC стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC. Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных, - там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в ОС NetWare.
Кадр Ethernet DIX/Ethernet II
Кадр Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, имеет структуру (см. рис. 10.3), совпадающую со структурой кадра Raw 802.3. Однако 2-байтовое поле Длина(L) кадра Raw 802.3 в кадре Ethernet DIX используется в качестве поля типа протокола. Это поле, теперь получившее название Туре (Т) или EtherType, предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC - для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра.
Кадр Ethernet SNAP
Для устранения разнобоя в кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Ethernet, комитетом 802.2 была проведена работа по дальнейшей стандартизации кадров Ethernet. В результате появился кадр Ethernet SNAP (SNAP - Subnetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP (см. рис. 10.3) представляет собой расширение кадра 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP, состоящего из двух полей: OUI и Туре. Поле Туре состоит из 2-х байт и повторяет по формату и назначению поле Туре кадра Ethernet II (то есть в нем используются те же значения кодов протоколов). Поле OUI (Organizationally Unique Identifier) определяет идентификатор организации, которая контролирует коды протоколов в поле Туре. С помощью заголовка SNAP достигнута совместимость с кодами протоколов в кадрах Ethernet II, а также создана универсальная схема кодирования протоколов. Коды протоколов для технологий 802 контролирует IEEE, которая имеет OUI, равный 000000. Если в будущем потребуются другие коды протоколов для какой-либо новой технологии, для этого достаточно указать другой идентификатор организации, назначающей эти коды, а старые значения кодов останутся в силе (в сочетании с другим идентификатором OUI).
Подуровень управления доступом к среде
В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологий локальных сетей. Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во всех нижеперечисленных вариантах.
Сеть Ethernet
Историческая справка. Зарождение Ethernet
Манчестерский код
Ни в одной из версий Ethernet не применяется прямое двоичное кодирование бита 0 напряжением 0 В и бита 1 - напряжением 5В, так как такой способ приводит к неоднозначности. Если одна станция посылает битовую строку 00010000, то другая может интерпретировать ее как 10000000 или 01000000, так как они не смогут отличить отсутствие сигнала (0 В) от бита 0 (0 В). Можно, конечно, кодировать единицу положительным напряжением +1 В, а ноль - отрицательным напряжением -1 В. Но при этом все равно возникает проблема, связанная с синхронизацией передатчика и приемника. Разные частоты работы их системных часов могу привести к рассинхронизации и неверной интерпретации данных. В результате приемник может потерять границу битового интервала. Особенно велика вероятность этого в случае длинной последовательности нулей или единиц. Таким образом, принимающей машине нужен способ однозначного определения начала, конца и середины каждого бита без помощи внешнего таймера. Это реализуется с помощью манчестерского кодирования. В манчестерском коде каждый временной интервал передачи одного бита делится на два равных периода. Бит со значением 1 кодируется высоким уровнем напряжения в первой половине интервала и низким - во второй половине, а нулевой бит кодируется обратной последовательностью - сначала низкое напряжение, затем высокое. Такая схема гарантирует смену напряжения в середине периода битов, что позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком. Недостатком манчестерского кодирования является то, что оно требует двойной пропускной способности линии по отношению к прямому двоичному кодированию, так как импульсы имеют половинную ширину. Например, для того чтобы отправлять данные со скоростью 10 Мбит/с, необходимо изменять сигнал 20 миллионов раз в секунду.
Формат кадра Ethernet
Преамбула (8 байт). Ethernet-кадр начинается с 8-байтового поля преамбулы. В каждый из первых 7 байт преамбулы записывается значение 10101010, а в последний байт - значение 10101011. Первые 7 байт должны «разбудить» принимающие адаптеры и помочь им синхронизировать свои таймеры с часами отправителя. Как уже отмечалось, адаптер А должен передать кадр со скоростью 10 Мбит/с, 100 Мбит/с или 1 Гбит/с в зависимости от типа локальной Ethernet-сети. Однако поскольку ничего не бывает абсолютно точным в реальном мире, скорость передачи всегда будет несколько отличаться от номинала. Величина этого отклонения скорости другим адаптерам локальной сети заранее не известна. Таким образом, первые 62 бита преамбулы, представляющие собой чередующиеся нули и единицы, позволяют приемнику с достаточной точностью настроиться на скорость передатчика, а последние два разряда (две единицы подряд) сообщают адаптеру В, что преамбула закончилась и следом идет уже первый информационный байт поля кадра. Адаптер В понимает, что следующие 6 байт содержат адрес получателя.
Адрес получателя (6 байт). Это поле содержит LAN-адрес принимающего адаптера. Получив Ethernet-кадр с адресом получателя, отличным от собственного физического адреса или широковещательного адреса локальной сети, адаптер отбрасывает кадр. В противном случае он передает содержимое поля данных сетевому уровню.
Адрес отправителя (6 байт). Это поле содержит LAN-адрес адаптера, передающего кадр в локальную сеть. Поле типа (2 байта). Поле типа позволяет локальной Ethernet-сети «мультиплексировать» протоколы сетевого уровня. Чтобы понять, что это означает, вспомним, что хосты могут помимо протокола IP использовать и другие протоколы. В самом деле, любой хост может поддерживать несколько протоколов сетевого уровня - разные протоколы для разных приложений. По этой причине, получив Ethernet-кадр, адаптер В должен знать, какому протоколу сетевого уровня он должен передать (то есть демультиплексировать) содержимое поля данных. Каждому сетевому протоколу (например, IP, Novell IPX или AppleTalk) присвоен зафиксированный в стандарте номер. Обратите внимание, что поле типа аналогично полю протокола в дейтаграмме сетевого уровня и полю номера порта сегмента транспортного уровня. Все эти поля служат для связи протокола одного уровня с протоколом уровнем выше.
Поле данных (от 46 до 1500 байт). Это поле содержит IP-дейтаграмму. Максимальная единица передачи (Maximal Transfer Unit, MTU) в Ethernet-сети составляет 1500 байт. Это означает, что если размер IP-дейтаграммы превышает 1500 байт, тогда хост должен разбить ее на отдельные фрагменты (см. подраздел «Фрагментация IP-дейтаграмм» в разделе «Интернет-протокол» главы 4). Минимальный размер поля данных равен 46 байт. Это означает, что если размер IP-дейтаграммы меньше 46 байт, то данные, помещаемые в это поле, дополняются байтами-заполнителями. При этом сетевой уровень получает дейтаграмму от канального уровня с этими дополнительными байтами и отсекает все лишнее сам, ориентируясь на поле длины в заголовке IP-дейтаграммы. Вот почему на практике в WireShark мы иногда получали 6 нулевых байтов в приходящем пакете.
CRC (4 байта). Назначение поля CRC заключается в том, чтобы получающий адаптер мог определить, не исказился ли кадр при передаче, то есть обнаружить ошибки в кадре. Искажение битов в кадре может быть вызвано ослаблением сигнала в канале, скачками напряжения, наводками в кабелях и интерфейсных платах.
Минимальный размер кадра
Если кадр короткий, а расстояние между компьютерами большое, то отправитель может не обнаружить коллизии. Если отправитель закончит отсылать кадр до прихода сигнала о коллизии, то он подумает, что сигнал о коллизии относится не к нему.
Связь характеристик канала
Пусть M - минимальный размер кадра
P – пропускная способность канала
M/P – время записи кадра в канал
Связь между скоростью, длиной канала и минимальным размером кадра:
M/P > 2T, где T=L/c
P=10 Mb/s M=64 B тогда L<7680 м
P=10 Gb/s M=64 B тогда L<7,68 м
Между тем, кроме верхней границы размера поля данных очень важна и нижняя граница. Поле данных, содержащее 0 байт, вызывает определенные проблемы. Дело в том, что когда приемопередатчик обнаруживает столкновение, он обрезает текущий кадр, а это означает, что отдельные куски кадров постоянно блуждают по кабелю. Чтобы было легче отличить нормальные кадры от мусора, сети Ethernet требуется кадр размером не менее 64 байт (от поля адреса получателя до поля контрольной суммы включительно). Если в кадре содержится меньше 46 байт данных, в него вставляется специальное поле Pad, с помощью которого размер кадра доводится до необходимого минимума. Другой (и даже более важной) целью установки ограничения размера кадра снизу является предотвращение ситуации, когда станция успевает передать короткий кадр раньше, чем его первый бит дойдет до самого дальнего конца кабеля, где он может столкнуться с другим кадром. Эта ситуация показана на рис. 4.17. В момент времени 0 станция А на одном конце сети посылает кадр. Пусть время прохождения кадра по кабелю равно т. За мгновение до того, как кадр достигнет конца кабеля (то есть в момент времени т - е), самая дальняя станция В начинает передачу. Когда станция В замечает, что получает большую мощность, нежели передает сама, она понимает, что произошло столкновение. Тогда она прекращает передачу и выдает 48-битный шумовой сигнал, предупреждающий остальные станции. Примерно в момент времени 2т отправитель замечает шумовой сигнал и также прекращает передачу. Затем он выжидает случайное время и пытается возобновить передачу. Если размер кадра будет слишком маленьким, отправитель закончит передачу прежде, чем получит шумовой сигнал. В этом случае он не сможет понять, произошло это столкновение с его кадром или с каким-то другим, и, следовательно, может предположить, что его кадр был успешно принят. Для предотвращения такой ситуации все кадры должны иметь такую длину, чтобы время их передачи было больше 2т. Для локальной сети со скоростью передачи 10 Мбит/с при максимальной длине кабеля в 2500 м и наличии четырех повторителей (требование спецификации 802.3) (мое: вероятно L=2500*5, где 5 – максимальное количество участков кабеля между компьютерами) минимальное время передачи одного кадра должно составлять в худшем случае примерно 50 мкс, включая время на прохождение через повторитель, которое, разумеется, отлично от нуля. Следовательно, длина кадра должна быть такой, чтобы время передачи было по крайней мере не меньше этого минимума. При скорости 10 Мбит/с на передачу одного бита тратится 1000 не, значит, минимальный размер кадра должен быть равен 500 бит. При этом можно гарантировать, что система сможет обнаружить коллизии в любом месте кабеля. Из соображений большей надежности это число было увеличено до 512 бит или 64 байт. Кадры меньшего размера с помощью поля Pad искусственно дополняются до 64 байт. По мере роста скоростей передачи данных в сети минимальный размер кадра должен увеличиваться, или должна пропорционально уменьшаться максимальная длина кабеля. Для 2500-метровой локальной сети, работающей на скорости 1 Гбит/с, минимальный размер кадра должен составлять 6400 байт. Или же можно использовать кадр размером 640 байт, но тогда надо сократить максимальное расстояние между станциями сети до 250 м. По мере приближения к гигабитным скоростям подобные ограничения становятся все более суровыми.
