Как и на производстве, кадры в сети Ethernet решают все. Они служат вместилищем для всех высокоуровневых пакетов, поэтому, чтобы понять друг друга, отправитель и получатель должны использовать один и тот же тип кадров Ethernet. К счастью (или к сожалению), кадры могут быть всего четырех разных форматов, и к тому же не сильно отличающихся друг от друга. Более того, базовых форматов кадров существует всего два (в английской терминологии их называют "raw formats") - Ethernet_II и Ethernet_802.3, причем они отличаются назначением всего одного поля.

Современные компьютерные сети гетерогенны по своей природе, а сетевые протоколы третьего уровня используют зачастую разные типы кадров Ethernet. Так, в старых версиях NetWare 3.х компании Novell базовым форматом по умолчанию является Ethernet_802.3, а не 802.2 или SNAP, как это предусмотрено стандартами IEEE, причем, кроме нее, этот формат больше никто не применяет. С выходом NetWare 4.х протоколы IPX/SPX используют по умолчанию стандартные кадры Ethernet_802.2, а с планируемым переводом IntranetWare на протоколы TCP/IP эта сетевая ОС будет, возможно, работать по умолчанию с кадрами Ethernet_SNAP, так как именно этот формат применяется в новейших реализациях TCP/IP. Вообще говоря, пакеты протоколов IPX/SPX могут передаваться с помощью кадров любых типов, поэтому - а также потому, что тип Ethernet_802.3 используется исключительно Novell, - в этом уроке мы будем рассматривать кадры Ethernet преимущественно с точки зрения сетей NetWare.

ETHERNET II

Несмотря на то что мы привычно называем стандарт 802.3 именем Ethernet, это не совсем правильно, так как последнее название является торговой маркой Xerox, Intel и Digital, чья технология послужила прототипом этого столь популярного стандарта. Формат Ethernet_II соответствует оригинальному формату кадров Ethernet и имеет следующий вид.

Как и всякий кадр, Ethernet_II начинается с семибайтной преамбулы, состоящей из чередующихся единиц и нулей, и однобайтного начального ограничителя кадра, в котором два младших бита равны 112, а не 102, как остальные биты в преамбуле и ограничителе. Однако, если быть более точным, в Ethernet_II преамбула не разделяется на собственно преамбулу и начальный ограничитель кадра - и это является одним из отличий Ethernet от IEEE 802.3, хотя весьма несущественным, можно сказать, схоластическим, тем более что очень часто преамбула вообще рассматривается как часть физического механизма синхронизации передающей и принимающей стороны, а не как часть кадра (поэтому на рисунках мы не будет обозначать преамбулу и начальный ограничитель).

Собственно заголовок кадра состоит из шестибайтного поля адреса получателя (Destination Address), шестибайтного поля адреса отправителя (Source Address) и двухбайтного поля типа протокола (Frame Type) (см. Рисунок 1). При передаче каждого байта адреса младшие биты (крайние справа) передаются первыми. В адресе получателя первый передаваемый бит (бит 0 байта 0) указывает тип адреса - обычный или групповой. Таким образом, нечетный первый байт адреса получателя означает, что кадр предназначен группе станций. Разновидностью многоадресной передачи является широковещательная передача. В этом случае все биты адреса получателя задаются равными 1.

Рисунок 1.

Базовые пакеты Ethernet II и IEEE 802.3 имеют одинаковую структуру. Их различие - в назначении 13-го и 14-го байтов: поля типа протокола и длины кадра соответственно. Совместное использование разных форматов кадров в одном сегменте Ethernet возможно благодаря тому, что тип протокола характеризуется числом, большим 0x05FE.

Однако поле адреса отправителя должно содержать адрес конкретной станции-отправителя.

В случае обычных адресов первые три байта служат для идентификации производителя сетевой платы, а последние три байта составляют уникальный номер конкретной платы. Так, первые три байта адреса популярных сетевых плат производства 3Com выражаются следующим числом - 02608С в шестнадцатеричной системе счисления (далее для обозначения чисел в шестнадцатеричной системе счисления мы будем использовать обозначение 0x, т. е. идентификатор 3Com будет иметь вид 0x02608C). Адрес получателя называется также физическим или MAC-адресом.

Вообще говоря, адрес получателя идентифицирует непосредственного, а не конечного получателя, например маршрутизатор в сети Ethernet. Конечный получатель идентифицируется с помощью высокоуровневых протоколов. В случае TCP/IP - это IP-адрес станции и TCP- или UDP-порт процесса на данной станции.

Поле типа протокола идентифицирует высокоуровневый протокол, такой как IP, AppleTalk и т. д., контейнером для пакета которого служит кадр. Ниже мы приводим значения поля типа протокола для некоторых распространенных сетевых протоколов:

Internet Protocol (IP) - 0x0800; Address Resolution Protocol (ARP) - 0x0806; AppleTalk - 0x809B; Xerox Network System (XNS) - 0x0600; NetWare IPX/SPX - 0x8137.

Следующее поле кадра служит собственно для передачи полезной информации (на уровне кадра к полезной нагрузке мы относим такую служебную информацию высокоуровневых протоколов, как заголовок пакета и т. п.).

В отличие от служебных полей, поле данных имеет переменную длину, причем оно не может быть короче 46 байт и длиннее 1500 байт. Таким образом, общая длина кадра без учета преамбулы и начального ограничителя кадра находится в диапазоне от 64 до 1518 байт. В случае, когда реальный объем передаваемых данных меньше 46 байт (например, для эмуляции терминала часто передается всего один символ, вводимый с клавиатуры), поле данных дополняется до минимального размера заполнителем. Байт заполнения может вставляться, даже если объем передаваемых данных более 46 байт. По предложению Novell, в случае нечетного количества байт драйвер сетевой платы добавляет еще один. Это сделано потому, что некоторые старые маршрутизаторы не понимают кадры нечетной длины.

Последнее поле в кадре - это четырехбайтное поле контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS). Значение этого поля вычисляется на основе содержимого заголовка и данных (вместе с заполнителем, но без учета преамбулы и ограничителя) с помощью 32-разрядного циклического избыточного кода (Cyclic Redundancy Code, CRC-32) по следующей формуле (в двоичной системе счисления):

контрольная последовательность = MOD(данные/полином)

В Ethernet порождающим полиномом служит многочлен x 32 +x 26 +x 23 +x 23 +x 22 +x 16 +x 12 +x 11 +x 10 +x 8 +x 7 +x 5 +x 4 +x 2 +x+1. Данный код позволяет обнаружить 99,999999977% всех ошибок в сообщениях длиной до 64 байт! Таким образом, вероятность того, что принимающая станция воспримет испорченный кадр как целый, практически равна нулю.

После приема кадра принимающая станция заново вычисляет контрольную последовательность и сравнивает полученный результат с содержимым поля FCS. В случае несовпадения пакет считается испорченным и игнорируется.

БАЗОВЫЙ ФОРМАТ КАДРА 802.3

Определяемый спецификацией 802.3 формат кадра практически идентичен своему предшественнику за исключением того, что поле типа протокола имеет смысл длины кадра. На первый взгляд это неизбежно должно привести к путанице, когда кадры Ethernet_II и Ethernet_802.3 передаются между станциями в одном сегменте. Однако на практике эти кадры не представляет труда отличить друг от друга. Как мы уже говорили, длина поля данных не превышает 1500 байт, поэтому, в соответствии с принятыми соглашениями, тип высокоуровневого протокола задается большим, чем 0х05FE (1518 в шестнадцатеричной системе счисления - полная длина кадра), благо двухбайтное поле может принимать 65 536 разных значений. Таким образом, если значение поля между адресом отправителя и данными меньше или равно 1518, то это кадр 802.3, в противном случае - это кадр Ethernet_II.

Другое небольшое отличие между Ethernet и 802.3 состоит в классификации групповых адресов. В отличие от Ethernet, спецификация 802.3 подразделяет групповые адреса на имеющие глобальное и локальное значение. Однако это разделение редко используется на практике. (О третьем незначительном отличии - в преамбуле - мы говорили выше.)

В соответствии с эталонной моделью OSI, каждый протокольный блок данных содержит (инкапсулирует) пакеты вышележащих протоколов своего стека. Протокол 802.3 описывает метод доступа к среде передачи - нижний подуровень канального уровня, и для него вышележащим протоколом является протокол логического

управления каналом (Logical Link Control, LLC) - верхний подуровень канального уровня. Таким образом, согласно требованиям стандарта, поле данных должно содержать заголовок LLC. В ранних версиях NetWare компания Novell проигнорировала этот заголовок и стала помещать пакеты IPX/SPX непосредственно за полем длины кадра, и поле данных начиналось так же, как и обычный заголовок IPX, с двух байтов, состоящих из единиц (число 0xFFFF). Иными словами, Novell использовала кадры просто в качестве контейнера.

В принципе применение базового формата кадра 802.3 без служебной информации верхнего подуровня канального уровня позволяет Novell несколько сократить накладные расходы в расчете на кадр. Однако выигрыш невелик, а в гетерогенной среде применение нестандартного формата ведет к проигрышу, так как маршрутизатор или сетевая плата вынуждены проверять дополнительные поля для определения типа пакета. Это послужило одним из побудительных мотивов, почему начиная с версии 4.0 Novell перешла по умолчанию на стандартный формат Ethernet_802.2. Другой причиной было то, что использование базовых кадров Ethernet_802.3 делало невозможным применение таких опций защиты, как подпись пакетов, из-за того, что поле контрольной суммы пакета было фиксированным и равным 0хFFFF, чтобы кадр Ethernet_802.3 можно было отличить от других типов кадров.

ДВА СТАНДАРТНЫХ ФОРМАТА

Спецификации IEEE предусматривают всего два стандартных формата - 802.2 и 802.2 SNAP, причем второй является естественным расширением первого. Как уже говорилось, стандартный кадр должен содержать в поле данных служебную информацию логического управления каналом, а именно однобайтное поле точки доступа к сервису для получателя (Destination Service Access Point, DSAP), однобайтное поле точки доступа к сервису для отправителя (Source Service Access Point, SSAP) и однобайтное управляющее поле (см. Рисунок 2). Назначением номеров точек доступа к сервису (Service Access Point, SAP) занимается IEEE, и он выделил следующие номера:

Поля DSAP и SSAP служат для определения вышележащего протокола и, как правило, содержат одно и то же значение. Управляющее поле обычно задается равным 0x03 (в соответствии с протоколом LLC это означает, что соединение на канальном уровне не устанавливается).

Протокол доступа к подсети (Sub-Network Access Protocol, SNAP) был разработан с целью увеличения числа поддерживаемых протоколов, так как однобайтные поля SAP позволяют поддерживать не более 256 протоколов. Формат Ethernet_SNAP предусматривает дополнительное пятибайтное поле для идентификации протокола (Protocol Identification, PI) внутри поля данных, причем значения двух последних байтов этого поля совпадают со значениями поля протокола в Ethernet_II в случае, если кадры содержат пакеты одного и того же высокоуровневого протокола, например они равны 0x8137 для NetWare.

АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМАТА КАДРА

Отличить один формат кадра Ethernet от другого не представляет большого труда, и сделать это можно с помощью следующего простого алгоритма (см. Рисунок 3). Сначала драйвер должен проверить значение поля типа протокола/длины кадра (13-й и 14-й байты в заголовке). Если записанное там значение превышает 0x05FE (максимально возможная длина кадра), то это кадр Ethernet_II.

(1x1)

Рисунок 3.

Для определения типа кадра Ethernet сначала необходимо проверить значение поля после адреса отправителя, а затем первых двух байтов поля данных.

Если нет, следует продолжить проверку. Если первые два байта равны 0xFFFF, то это формат Ethernet_802.3 для NetWare 3.х. В противном случае это стандартный формат кадра 802.2, и нам остается только выяснить, какой из двух - обычный (Ethernet_802.2) или расширенный (Ether-net_SNAP). В случае Ethernet_SNAP значение первого, впрочем, как и второго, байта в поле данных равняется 0xAA. (Значение третьего байта равняется 0x03, но это проверять излишне.)

ЗА КАДРОМ

Разные протоколы используют разные форматы кадров (см. Таблицу 1). Однако число последних не так уж велико, и их несложно отличить один от другого. К тому же протокол TCP/IP выдвигается на доминирующую позицию не только в глобальных, но и в локальных сетях, поэтому даже Novell решила отказаться от своего протокола IPX/SPX в пользу TCP/IP в следующей версии NetWare. Это означает, что в большинстве случаев администратору сети не придется беспокоиться о том, какой формат кадров Ethernet используется. Однако, как показывает опыт, унаследованные технологии живут довольно долго, так что знание форматов кадров может представлять не только теоретический, но и практический интерес.

ТАБЛИЦА 1 - ПРОТОКОЛЫ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ТИПЫ КАДРОВ

Сетевые технологии

Статья получилась довольно объёмная, рассмотренные темы - форматы Ethenet фреймов, границы размеров L3 Payload, эволюция размеров Ethernet заголовков, Jumbo Frame, Baby-Giant, и много чего задето вскользь. Что-то вы уже встречали в обзорной литературе по сетям передачи данных, но со многим, однозначно, не сталкивались, если глубоко не занимались изысканиями.

Начнём с рассмотрения форматов заголовков Ethernet фреймов в очереди их появления на свет.

Форматы Ehternet фреймов.

1) Ethernet II

Рис. 1

Preamble – последовательность бит, по сути, не являющаяся частью ETH заголовка определяющая начало Ethernet фрейма.

DA (Destination Address) – MAC адрес назначения, может быть юникастом, мультикастом, бродкастом.

SA (Source Address) – MAC адрес отправителя. Всегда юникаст.

E-TYPE (EtherType) – Идентифицирует L3 протокол (к примеру 0x0800 – Ipv4, 0x86DD – IPv6, 0x8100- указывает что фрейм тегирован заголовком 802.1q, и т.д. Список всех EtherType - standards.ieee.org/develop/regauth/ethertype/eth.txt)

Payload – L3 пакет размером от 46 до 1500 байт

FCS (Frame Check Sequences) – 4 байтное значение CRC используемое для выявления ошибок передачи. Вычисляется отправляющей стороной, и помещается в поле FCS. Принимающая сторона вычисляет данное значение самостоятельно и сравнивает с полученным.

Данный формат был создан в сотрудничестве 3-х компаний – DEC, Intel и Xerox. В связи с этим, стандарт также носит название DIX Ethernet standard . Данная версия стандарта была опубликована в 1982г (первая версия, Ehernet I – в 1980г. Различия в версиях небольшие, формат в целом остался неизменным). В 1997г. году данный стандарт был добавлен IEEE к стандарту 802.3, и на данный момент, подавляющее большинство пакетов в Ethernet сетях инкапсулированы согласно этого стандарта.

2) Ethernet_802.3/802.2 (802.3 with LLC header)

Рис. 2

Как вы понимаете, комитет IEEE не мог смотреть спокойно, как власть, деньги и женщины буквально ускользают из рук. Поэтому, занятый более насущными проблемами, за стандартизацию технологии Ethernet взялся с некоторым опозданием (в 1980 взялись за дело, в 1983 дали миру драфт, а в 1985 сам стандарт), но большим воодушевлением. Провозгласив инновации и оптимизацию своими главными принципами, комитет выдал следующий формат фрейма, который вы можете наблюдать на Рисунке 2.

Первым делом обращаем внимание на то, что “ненужное” поле E-TYPE преобразовано в поле Length, которое указывало на количество байт следующее за этим полем и до поля FCS. Теперь, понять у кого длинее можно было уже на втором уровне системы OSI. Жить стало лучше. Жить стало веселее.

Но, указатель на тип протокола 3его уровня был нужен, и IEEE дало миру следующую инновацию - два поля по 1 байту - Source Service Access Point(SSAP ) и Destination Service Access Point (DSAP ). Цель, таже самая, – идентифицировать вышестоящий протокол, но какова реализация! Теперь, благодаря наличию двух полей в рамках одной сессии пакет мог передаваться между разными протоколами, либо же один и тот же протокол мог по разному называться на двух концах одной сессии. А? Каково? Где ваше Сколково?

Замечание: В жизни же это мало пригодилось и SSAP/DSAP значения обычно совпадают. К примеру SAP для IP – 6, для STP - 42 (полный список значений - standards.ieee.org/develop/regauth/llc/public.html)

Не давая себе передышки, в IEEE зарезервировали по 1 биту в SSAP и DSAP. В SSAP под указание command или response пакета, в DSAP под указание группового или индивидуального адреса (см. Рис. 6). В Ethernet сетях эти вещи распространения не получили, но количество бит в полях SAP сократилось до 7, что оставило лишь 128 возможных номера под указание вышестоящего протокола. Запоминаем этот факт, к нему мы ещё вернёмся.

Было уже сложно остановиться в своём стремлении сделать лучший формат фрейма на земле, и в IEEE фрейм формате появляется 1 байтное поле Control . Отвечающее, не много, не мало, за Connection-less или же Connection-oriented соединение!

Выдохнув и осмотрев своё детище, в IEEE решили взять паузу.

Замечание : Рассматриваемые 3 поля - DSAP, SNAP и Control и являются LLC заголовком.

3) «Raw» 802.3

Рис. 3

Данный «недостандарт» явил в мир Novell. Это были лихие 80-ые, все выживали, как могли, и Novell не был исключением. Заполучив ещё в процессе разработки спецификации стандарта 802.3/802.2, и лёгким движением руки выкинув LLC заголовок, в Novell получили вполне себе неплохой фрейм формат (с возможность измерения длины на втором уровне!), но одним существенным недостатком – отсутствием возможности указания вышестоящего протокола. Но, как вы уже могли догадаться, работали там ребята не глупые, и по здравому размышлению выработали решение – «а обратим ка мы свои недостатки в свои же достоинства», и ограничили этот фрейм-формат исключительно IPX протоколом, который сами же и поддерживали. И задумка хорошая, и план был стратегически верный, но, как показала история, не фортануло.

4) 802.3 with SNAP Header.

Время шло. В комитет IEEE приходило осознание того, что номера протоколов и деньги кончаются. Благодарные пользователи засыпали редакцию письмами, где 3-х байтный LLC заголовок ставился в один ряд с такими великими инновациями человечества, как оборудование собаки 5ой ногой, или же с рукавом, который можно использовать для оптимизации женской анатомии. Выжидать дальше было нельзя, настало время заявить о себе миру повторно.

Рис. 4

И в помощь страждущим от нехватки номеров протоколов (их всего могло быть 128 – мы упоминали), IEEE вводит новый стандарт фрейма Ethernet SNAP (Рис. 4). Основное нововведение - добавление 5-ти байтного поля Subnetwork Access Protocol (SNAP), которое в свою очередь состоит из двух частей – 3х байтного поля Organizationally Unique Identifier (OUI) и 2х байтного Protocol ID (PID) - Рис. 5.

Рис. 5

OUI или же vendor code – позволяет идентифицировать пропиетарные протоколы указанием вендора. К примеру, если вы отловите WireShark`ом пакет PVST+, то в поле OUI увидите код 0x00000c, который является идентификатором Cisco Systems (Рис. 6).

Рис. 6

Замечание: Встретить пакет с инкапсуляцией в формат фрейма 802.3 SNAP довольно легко и сейчас – это все протоколы семейства STP, протоколы CDP, VTP, DTP.

Поле PID это, по сути, то же поле EtherType из DIX Ethernet II - 2 байта под указание протокола вышестоящего уровня. Так как ранее, для этого использовались DSAP и SSAP поля LLC заголовка, то для указания того, что тип вышестоящего протокола нужно смотреть в поле SNAP, поля DSAP и SSAP принимают фиксированное значение 0xAA (также видно на Рис. 6)

Замечание: При использовании для переноса IP пакетов формата фрейма LLC/SNAP, IP MTU снижается с 1500 до 1497 и 1492 байт соответственно.

По заголовкам в формате фрейма в принципе всё. Хотел бы обратить внимание на ещё один момент в формате фрейма – размер payload. Откуда взялся этот диапазон - от 46 до 1500 байт?

Размер L3 Payload.

Откуда взялось нижнее ограничение, знает, пожалуй, каждый, кто хотя бы читал первый курикулум CCNA. Данное ограничение является следствием ограничения в размер фрейма в 64 байта (64 байта – 14 байт L2 заголовок - 4 байта FCS = 46 байт) накладываемого методом CSMA/CD – время требуемое на передачу 64 байт сетевым интерфейсом является необходимым и достаточным для определения коллизии в среде Ethernet.
Замечание: В современных сетях, где возникновение коллизий исключено, данное ограничение уже не актуально, но требование сохраняется. Это не единственный «аппендикс» оставшийся с тех времен, но о них поговорим в другой статье.

А вот откуда взялись эти пресловутые 1500 байт, вопрос сложнее. Я нашел следующее объяснение - предпосылок на введение верхнего ограничения размера фрейма было несколько:

• Задержка при передаче – чем больше фрейм, тем дольше длится передача. Для ранних сетей, где Collision домен не ограничивался портом, и все станции должны были ждать завершения передачи, это было серьёзной проблемой.
• Чем больше фрейм, тем больше вероятность того что фрейм при передаче будет поврежден, что приведет к необходимости повторной передачи, и все устройства в collision домене будут вынуждены опять ожидать.
• Ограничения, накладываемые памятью используемой под интерфейс буферы – на тот момент (1979г) увеличение буферов значительно удорожало стоимость интерфейса.
• Ограничение, вносимое полем Length/Type – в стандарте закреплено, что все значения выше 1536 (от 05-DD до 05-FF.) указывают на EtherType, соответственно длина должна быть меньше 05-DC. (У меня правда есть подозрение, что это скорее следствие, чем предпосылка, но вроде инфа от разработчиков стандарта 802.3)

Итого, в стандарте 802.3 размер фрейма ограничивался 1518 байтами сверху, а payload 1500 байтами (отсюда и дефолтный размер MTU для Ethernet интерфейса).

Замечание: Фреймы меньше 64 байт называются Runts, фреймы больше 1518 байт называются Giants. Просмотреть кол-во таких фреймов полученных на интерфейсе можно командой show interface gigabitEthernet module/number и show interface gigabitEthernet module/number counters errors. Причём до IOS 12.1(19) в счётчики шли как фреймы с неверным, так и верным CRS (хотя вторые не всегда дропались – зависит от платформы и условий). А вот начиная с 12.1.(19) отображаются в этих счётчиках только те runt и giant фреймы, которые имеют неверный CRS, фреймы меньше 64 байт, но с верным CRS (причина возникновения обычно связана с детегированием 802.1Q или источником фреймов, а не проблемами физического уровня) с этой версии попадают в счётчик Undersize, дропаются они, или же форвардятся дальше, зависит от платформы.

Эволюция размеров Ethernet заголовков.

С развитием технологий и спецификаций линейки IEEE 802 претерпевал изменения и размер фрейма. Основные дальнейшее изменения размера фрейма (не MTU!):

• 802.3AC - увеличивает максимальный размер фрейма до 1522 – добавляется Q-tag – несущий информацию о 802.1Q (VLAN tag) и 802.1p (биты под COS)
• 802.1AD - увеличивает максимальный размер фрейма до 1526, поддержка QinQ
• 802.1AH (MIM) – Provider Bridge Backbone Mac in Mac + 30 байт к размеру фрейма
• MPLS – увеличиваем размер фрейма на стек меток 1518 + n*4, где n – количество меток в стеке.
• 802.1AE – Mac Security, к стандартным полям добавляются поля Security Tag и Message Authentication Code + 68 байт к размеру фрейма.

Все эти фреймы увеличенного размера группируются под одни именем – Baby-Giant frames. Негласное верхнее ограничение по размерам для Baby-Giant – это 1600 байт. Современные сетевые интерфейсы будут форвардить эти фреймы, зачастую, даже без изменения значения HW MTU.

Отдельно обратим внимание на спецификации 802.3AS - увеличивает максимальный размер фрейма до 2000 (но сохраняет размер MTU в 1500 байт!). Увеличение приходится на заголовок и трейлер. Изначально увеличение планировалось на 128 байт – для нативной поддержки стандартом 802.3 вышеперечисленных расширений, но в итоге сошлись на 2х тысячах, видимо, чтобы два раза не собираться (или как говорят в IEEE – this frame size will support encapsulation requirements of the foreseeable future). Стандарт утвержден в 2006 году, но кроме как на презентациях IEEE, я его не встречал. Если у кого есть что добавить здесь (и не только здесь) – добро пожаловать в комменты. В целом тенденция увеличения размера фрейма при сохранении размера PAYLOAD, порождает у меня в голове смутные сомнения в правильности выбранного направления движения.

Замечание: Немного в стороне от перечисленного обосновался FCoE фрейм – размер фрейма до 2500 байт, зачастую, эти фреймы называются mini-jumbo. Для их саппорта необходимо включать поддержку jumbo-frame.

И последний «бастард» Ethernet это Jumbo Frame (хотя если перевести Jumbo, то вырисовывается скорее Ходор – отсылка к Game of Thrones). Под это описание попадают все фреймы превосходящие размером стандарт в 1518 байт, за исключением рассмотренных выше. Jumbo пакеты никак не отражены в спецификациях 802.3 и поэтому реализация остаётся на совести каждого конкретного вендора. Тем не менее, Jumbo фреймы существуют столько же, сколько существует Ethernet. Определено это следующим:

1. Выгода соотношения Payload к заголовкам. Чем больше это соотношение, тем эффективней мы можем использовать линии связи. Конечно здесь разрыв будет не такой как в сравнении с использованием пакетов в 64 байт и 1518 байт для TCP сессий. Но свои 3-8 процентов, в зависимости от типа трафика выиграть можно.
2. Значительно меньшее количество заголовков генерирует меньшую нагрузку на Forwading Engine, также и на сервисные Engine. К примеру, frame rate для 10G линка загруженного фреймами по 1500 байт равен 812 744 фреймов в секунду, а тот же линк загруженный Jumbo фреймами в 9000 байт генерирует фрейм рейт всего лишь в 138 587 фрейм в секунду. На рисунке 7 приведены график из отчёта Alteon Networks (ссылка будет внизу статьи) утилизации CPU и гигабитного линка, в зависимости от типа используемого размера фрейма.
3. Увеличение TCP Throughput при изменении размера MTU -

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.

Detection - CSMA/CD ). Все компьютеры сети имеют доступ к общей шине через встроенный в каждый компьютер сетевой адаптер , используя полудуплексный режим передачи. Схема подключения компьютеров по коаксиальному кабелю приведена на рис.6.1 .

Рис. 6.1.

Станции на традиционной локальной сети Ethernet могут быть соединены вместе, используя физическую шину или звездную топологию, но логическая топология - всегда шинная. Под этим мы подразумеваем, что среда (канал) разделена между станциями и только одна станция одновременно может использовать ее. Также подразумевается, что все станции получают кадр , посланный станцией (широковещательная передача). Адресованный пункт назначения сохраняет кадр , в то время как остальные отбрасывают ее. Каким образом в этой ситуации мы можем убедиться, что две станции не используют среду в одно и то же время? Ответ: если их кадры столкнутся друг с другом. CSMA/CD разработан, чтобы решить эту проблему согласно следующим принципам:

1. Каждая станция имеет равное право на среду (коллективный доступ).
2. Каждая станция, имеющая кадр для того, чтобы послать его, сначала "слушает" (отслеживает) среду. Если в среде нет данных, станция может начать передачу (слежение за несущей частотой).
3. Может случиться, что две станции, следящие за средой, находят, что она не занята, и начинают посылать данные. В этом случае возникает конфликт, называемый коллизией.

Протокол заставляет станцию продолжать следить за линией после того, как передача началась. Если есть конфликт , то все станции его обнаруживают, каждая передающая станция передает сигнал сбоя в работе, чтобы уничтожить данные линии, и после этого каждый раз ждет различное случайное время для новой попытки. Случайные времена предотвращают одновременную повторную посылку данных. Перед началом передачи узел должен убедиться, что несущая среда не занята, признаком чего является отсутствие на ней несущей частоты. Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра определенного формата. Предположим, что узлу 2 требуется передать кадр узлу N. Обнаружив, что среда свободна, узел 2 начинает передачу кадра ( рис. 6.2), которая предваряется преамбулой (preamble) , состоящей из 7 байт вида 10101010, и байта начала кадра (Start of Frame Delimiter - SFD) вида 10101011. Эти комбинации нужны приемнику для вхождения в побитовый и кадровый синхронизм с передатчиком. Кадр заканчивается полем последовательности контроля кадра ( FCS - Frame Check Sequence ) длиной 4 байта (на рис. 6.2 не показано). Сигналы передатчика распространяются по кабелю в обе стороны, и все узлы распознают начало передачи кадра. Только узел N опознает свой собственный адрес (МАС- адрес назначения) в начале кадра и записывает его содержимое в свой буфер для обработки. Из принятого кадра определяется адрес источника (МАС- адрес источника), которому следует выслать кадр -ответ. Получатель пакета на 3-м уровне определяется в соответствии с полем Тип протокола (Protocol Type) : значение 0х0800 - адрес модуля IP , 0806 - адрес модуля ARP . Минимальное и максимальное значения длины поля для протоколов верхних уровней - 46 и 1500 байт соответственно. Порядок передачи бит кадра: слева направо / снизу вверх ( рис. 6.2), цифрами обозначены длины полей кадра в байтах.

Любой узел при наличии кадра к передаче и занятой среды вынужден ждать ее освобождения. Признаком окончания передачи является пропадание несущей частоты. После окончания передачи кадра все узлы должны выдержать технологическую паузу 9,6 мкс, чтобы привести сетевые адаптеры в исходное состояние и предотвратить повторный захват среды одним и тем же узлом.

Рис. 6.2.

Иногда возникают ситуации, когда один узел уже начал передачу, но другой узел еще не успел это обнаружить и также начинает передачу своего кадра. Такая ситуация захвата свободной среды более чем одним узлом называется коллизией . Механизм разрешения коллизии состоит в следующем ( рис. 6.3):

Рис. 6.3.

Если уровень принимаемого сигнала не превышает порогового значения, то узел продолжает передачу, если же превышает, то узел прекращает передачу кадра и посылает в сеть специальную 32-битную jam -комбинацию (сигнал коллизии) с нерегламентированной последовательностью, просто приводящей к повышению уровня сигнала в локальной сети из-за увеличения амплитуды импульсов манчестерского кода суммарного сигнала. После этого узел, обнаруживший коллизию, делает случайную паузу и затем снова может повторить попытку передачи кадра. Число повторных попыток не может превысить 16. Если же и после 16-й попытки кадр вызвал коллизию, то он отбрасывается. При большом количестве узлов вероятность коллизии возрастает, и пропускная способность сети Ethernet падает, т.к. сеть все большее время занята обработками коллизий и отбрасыванием кадров. Три фактора определяют работу CSMA/CD : минимальная длина кадра, скорость передачи данных и домен конфликта.

Станции нужно ждать определенное время, чтобы убедиться, что на линии нет никаких данных, - это время равно минимальной длине кадра, разделенной на скорость передачи (время, которое требуется, чтобы передать кадр минимальной длины), и пропорционально времени, необходимому для первого бита, чтобы пройти максимальное сетевое расстояние ( домен конфликта). Другими словами, мы имеем:

Минимальная длина кадра/Скорости передачи пропорциональна Домен конфликта/Скорость Распространения

В традиционной Локальной сети Ethernet , минимальная длина кадра - 520 битов, скорость передачи - 10 Mбит/с, скорость распространения - почти равна скорости света, и домен конфликта - около 2500 метров.

Рис. 6.5.

• Преамбула . Преамбула кадров содержит 7 байтов (56 битов) чередующихся нулей и единиц, которые приводят в готовность систему для приема прибывающего кадра и подготавливают ее для синхронизации с помощью тактовых импульсов. Преамбула фактически добавляется на физическом уровне и не является (формально) частью кадра.
• Ограничитель начала кадра (SFD - Start Frame Delimiter). Поле SFD (1 байт: 10101011) отмечает начало кадра и указывает станции на окончание синхронизации. Последние два бита - 11 (две единцы) - сигнал, что следующее поле - адрес получателя.
• Адрес получателя (DA - Destination Address) . Поле DA насчитывает 6 байтов и содержит физический адрес станции пункта назначения или промежуточного звена.
• Исходный адрес (SA -