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.

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

Шаблон технологии Ethernet, написан в доке IEEE 802,3. Это единственное описание кадра формата уровня MAC. В сети Ethernet реализован только один тип кадра канального уровня, заголовок которого есть множество заголовков подуровней MAC и LLC что есть некой .

• Ethernet DIX/Ethernet II , появился в 1980 году в результате совместной роботы трех фирм Xerox, Intel и Digital которые представил версию 802,3в качестве международного стандарта;
• Комитет принял 802,3 и немного переделал его. Так появились 802,3/LLC, 802,3/802,2 или Novell 802,2 ;
• Raw 802,3 или Novell 802,3 — созданы для ускорения работы своего стека протоколов в сетях Ethernet;
• Ethernet SNAP является итогом комитета 802,2 которые приведен к общему стандарту и стал гибок к будущим возможным добавлением полей;

Сегодня сетевое аппаратное и программное обеспечение умеют работать со всеми форматами кадров, и распознавание кадров работает автоматически что уменьшает и одним из . Форматы кадров показано на рис.1.

Рисунок 1

Кадр 802.3/LLC

Заголовок этого кадра объединяет поля заголовком кадров IEEE 802,3 и 802,2. Стандарт 802,3 состоит из:

• Поле преамбулы — называется полем синхронизирующих байтов — 10101010. В манчестерском кодировании этот код модифицируется в физической среде в сигнал с частотой 5 МГц.
• Начальный ограничитель кадра — является одним байтом 10101011. Это поле указывает на то, что следующий байт — это первый байт заголовка кадра.
• Адрес назначения — это поле может быть длиной 6 или 2 байта. Обычно это поле используют для MAC-адреса в 6 байт.
• Адрес источника — это поле которое содержит 6 или 2 байта MAC-адреса узла отправителя. Первый бит всегда является — 0.
• Длина — поле которое имеет размер 2 байта, и содержит длину поля данных в кадре.
• Поле данных — поле может иметь от 0 до 1500 байт. Но если вдруг данные занимают меньше 46 байт, то используется поле заполнителя , который дополняет поле до 46 байт.
• Поле заполнителя — Обеспечивает заполнение поля данных, если там вес меньший 46 байт. Нужен для корректной работы механизму обнаружений коллизий.
• Поле контрольной последовательности кадра — в этом поле записывается контрольная сума размером в 4 байта. Используется алгоритм CRC-32/

Этот кадр есть кадр подуровня MAC, в его поле данных влажуется кадр подуровня LLC с удаленными флагами в конце и начала кадра который передается через .

Кадр Raw 802.3/Novell 802,3

Раньше этот кадр был протоколом сетевого уровня в ОС MetWare. Но теперь, когда нужда в идентификации протокола верхнего уровня отпала, то кадр был инкапсулирован в кадр MAC кадра LLC.

Кадр Ethernet DIX/Ethernet II

Этот кадр имеет структуру, которая похожа на структуру Ras 802,3. Но 2-байтовое поле длины здесь имеет назначения поля типа протокола. Указывает тип протокола верхнего уровня, вложившей свой пакет в поле данных этого кадра. Различают эти кадры по длине поля, если значении меньше 1500 то это поле длины, если больше — то типа.

Кадр Ethernet SNAP

Кадр появился в результате устранения разнобоя в кодировках типов протоколов. Протокол используется также в протоколе IP при инкапсуляции следующих сетей: Token Ring, FDDI, 100VC-AnyLan. Но при передаче IP пакетов через Ethernet протокол использует кадры Ethernet DIX.

Протокол IPX

Этот протокол может использовать все четыре типа кадра Ethernet. Он определяет тип по проверки отсутствия или наличия поля LLC. Также за полями DSAP/SSAP. Если значение полей равны 0хАА, то это кадр SNAP иначе это 802,3/LLC.

Выделим три главных элемента стандарта: формат кадра, систему сигнализации между рабочими станциями при осуществлении передачи данных по протоколу CSMA/CD и набор физических сред: коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель.

Формат кадра Ethernet

На рис. 7-2 показан формат кадра Ethernet. Поля имеют следующие назначения:
— Преамбула: 7 байт, каждый из которых представляет чередование единиц и нулей 10101010. Преамбула позволяет установить битовую синхронизацию на приемной стороне.
— Ограничитель начала кадра (SFD, start frame delimiter): 1 байт, последовательность 10101011. указывает, что далее последуют, информационные поля кадра. Этот байт можно относить к преамбуле.
— Адрес назначения (DA, destination address): 6 байт, указывает МАС-адрес станции (МАС-адреса станций), для которой (которых) предназначен этот кадр. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast).
— Адрес отправителя (SA, source address): б байт, указывает МАС-адрес станции, которая посылает кадр.
— Поле типа или длины кадра (Т or L, type or length): 2 байта. Существуют два базовых формата кадра Ethernet (в английской терминологии raw formats -сырые форматы) -EthernetII и IEEE 802.3 (рис. 7.2), причем различное назначение у них имеет именно рассматриваемое поле. Для кадра EthernetII в этом поле содержится информация о типе кадра. Ниже приведены значения в шестнадцатеричной системе этого поля для некоторых распространенных сетевых протоколов: 0х0800 для IP, 0х0806 для ARP, 0х809В для AppleTalk, 0х0600 для XNS, и 0х8137 для IPX/SPX. С указанием в этом поле конкретного значения (одного из перечисленных) кадр приобретает реальный формат, и в таком формате кадр уже может распространяться по сети.
— Для кадра IEEE 802,3 в этом поле содержится выраженный в байтах размер следующего поля — поля данных (LLC Data). Если эта цифра приводит к общей длине кадра меньше 64 байт, то за полем LLC Data добавляется поле Pad. Для протокола более высокого уровня не возникает путаницы с определением типа кадра, так как для кадра IEEE 802.3 значение этого поля не может быть больше 1500 (0x05DC). Поэтому, в одной сети могут свободно сосуществовать оба формата кадров, более того, один сетевой адаптер может взаимодействовать с обоими типами посредством стека протоколов.
— Данные (LLC Data): поле данных, которое обрабатывается подуровнем LLC. Сам по себе кадр IEEE 802.3 еще не окончательный. В зависимости от значений первых нескольких байт этого поля, могут быть три окончательных формата этого кадра IEEE 802.3:
— Ethernet_802.3 (не стандартный, в настоящее время устаревающий формат, используемый Novell) — первые два байта LLC Data равны 0xFFFF;
— EthernetSNAP (стандартный IEEE 802.2 SNAP формат, которому отдается наибольшее предпочтение в современных сетях, особенно для протокола TCP/IP) — первый байт LLC Data равен 0хАА;
— Ethernet_802.2 (стандартный IEEE 802.2 формат, используется фирмой Novell в NetWare 4.0) — первый байт LLC Data не равен ни 0xFF (11111111), ни 0хАА (10101010).

Дополнительное поле (pad — наполнитель) — заполняется только в том случае, когда поле данных невелико, с целью удлинения длины кадра до минимального размера 64 байта — преамбула не учитывается. Ограничение снизу на минимальную длину кадра необходимо для правильного разрешения коллизий.

Контрольная последовательность кадра (FCS, frame check sequence): 4-байтовое поле, в котором указывается контрольная сумма, вычисленная с использованием циклического избыточного кода по полям кадра, за исключением преамбул SDF и FCS.

Рис. 7.2. Два базовых MAC формата кадра Ethernet

Основные варианты алгоритмов случайного доступа к среде

Протокол CSMA/CD определяет характер взаимодействия рабочих станций в сети с единой общей для всех устройств средой передачи данных. Все станции имеют равноправные условия по передаче данных. Нет определенной последовательности, в соответствии с которой станции могут получать доступ к среде для осуществления передачи. Именно в этом смысле доступ к среде осуществляется случайным образом. Реализация алгоритмов случайного доступа представляется значительно более простой задачей, чем реализация алгоритмов детерминированного доступа. Поскольку в последнем случае требуется или специальный протокол, контролирующий работу всех устройств сети (например, протокол обращения маркера, свойственный сетям Token Ring и FDDI), или специальное выделенное устройство-мастер концентратор, который в определенной последовательности предоставлял бы всем остальным станциям возможность передавать (сети Arcnet, 100VG AnyLAN).

Однако сеть со случайным доступом имеет один, пожалуй главный, недостаток — это не совсем устойчивая работа сети при большой загруженности, когда может проходить достаточно большое время, прежде чем данной станции удается передать данные. Виной тому-коллизии, которые возникают между станциями, начавшими передачу одновременно или почти одновременно. При возникновении коллизии передаваемые данные не доходят до получателей, а передающим станциям приходится повторно возобновлять передачу.

Дадим определение: множество всех станций сети, одновременная передача любой пары из которых приводит к коллизии, называется коллизионным доменом (collision domain). Из-за коллизии (конфликта) могут возникать непредсказуемые задержки при распространении кадров по сети, особенно при большой загруженности сети (много станций пытаются одновременно передавать внутри коллизионного домена, > 20-25), и при большом диаметре коллизионного домена (> 2 км). Поэтому при построении сетей желательно избегать таких экстремальных режимов работы.

Проблема построения протокола, способного наиболее рационально разрешать коллизии, и оптимизирующего работу сети при больших загрузках, была одной из ключевых на этапе формирования стандарта Ethernet IEEE 802.3. Первоначально рассматривались три основных подхода в качестве кандидатов для реализации стандарта случайного доступа к среде (рис. 7.3): непостоянный, 1-постоянный и р-постоянный.

Рис. 7.3. Алгоритмы множественного случайного доступа (CSMA) и выдержка времени в конфликтной ситуации (collision backoff)

Непостоянный (nonpersistent) алгоритм. При этом алгоритме станция, желающая передавать, руководствуется следующими правилами.

1. Прослушивает среду, и, если среда свободна (т.е. если нет другой передачи или нет сигнала коллизии), передает, в противном случае — среда занята -переходит к шагу 2.
2. Если среда занята, ждет случайное (в соответствии с определенной кривой распределения вероятностей) время и возвращается к шагу 1.

Использование случайного значения ожидания при занятой среде уменьшает вероятность образования коллизий. Действительно, предположим в противном случае, что две станции практически одновременно собрались передавать, в то время, как третья уже осуществляет передачу. Если первые две не имели бы случайного времени ожидания перед началом передачи (в случае, если среда оказалась занятой), а только прослушивали среду и ждали, когда она освободится, то после прекращения передачи третьей станцией первые две начали бы передавать одновременно, что неизбежно приводило бы к коллизиям. Таким образом, случайное ожидание устраняет возможность образования таких коллизий. Однако неудобство этого метода проявляется в неэффективном использовании полосы пропускания канала. Поскольку может случиться, что к тому моменту, когда среда освободится, станция, желающая передавать, еще будет продолжать ожидать некоторое случайное время, прежде чем решится прослушивать среду, поскольку перед этим уже прослушивала среду, которая оказалась занятой. В итоге канал будет простаивать какое-то время, даже если только одна станция ожидает передачи.

1-постоянный (1-persistent) алгоритм. Для сокращения времени, когда среда не занята, мог бы использоваться 1-постоянный алгоритм. При этом алгоритме станция, желающая передавать, руководствуется следующими правилами.

1. Прослушивает среду, и, если среда не занята, передает, в противном случае переходит к шагу 2;
2. Если среда занята, продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не освободится, и, как только среда освобождается, сразу же начинает передавать.

Сравнивая непостоянный и 1-постоянный алгоритмы, можно сказать, что в 1-постоянном алгоритме станция, желающая передавать, ведет себя более «эгоистично». Поэтому, если две или более станций ожидают передачи (ждут, пока не освободится среда), коллизия, можно сказать, будет гарантирована. После коллизии станции начинают решать, что им делать дальше.

Р-постоянный (p-persistent) алгоритм. Правила этого алгоритма следующие:
1. Если среда свободна, станция с вероятностью р сразу же начинает передачу или с вероятностью (1-р) ожидает в течение интервала времени Т. Интервал Т обычно берется равным максимальному времени распространения сигнала из конца в конец сети;
2. Если среда занята, станция продолжает прослушивание до тех пор, пока среда не освободится, затем переходит к шагу 1;
3. Если передача задержана на один интервал Т, станция возвращается к шагу 1.

И здесь возникает вопрос выбора наиболее эффективного значения параметра р. Главная проблема, как избежать нестабильности при высоких загрузках. Рассмотрим ситуацию, при которой n станций намерены передать кадры, в то время, как уже идет передача. По окончанию передачи ожидаемое количество станций, которые попытаются передавать, будет равно произведению количества желающих передавать станций на вероятность передачи, то есть пр. Если np > 1, то в среднем несколько станций будут пытаться передать сразу, что вызовет коллизию. Более того, как только коллизия будет обнаружена, все станции вновь перейдут к шагу 1, что вызовет повторную коллизию. В худшем случае, новые станции, желающие передавать, могут добавиться к n, что еще больше усугубит ситуацию, приведя, в конечном итоге, к непрерывной коллизии и нулевой пропускной способности. Во избежании такой катастрофы пр должно быть меньше единицы. Если же сеть подвержена возникновению состояний, когда много станций одновременно желают передавать, то необходимо уменьшать р. С другой стороны, когда р становиться слишком малым, даже отдельная станция может прождать в среднем (1 — р)/р интервалов Т, прежде чем осуществит передачу. Так если р=0,1, то средний простой, предшествующий передаче, составит 9Т.

Данные, передаваемые в сети Ethernet, разбиты на кадры. Так как существует несколько типов кадров, для того, что бы понять друг друга, отправитель и получатель должны использовать один и тот же тип кадра. Кадры могут быть четырех различных форматов, несколько отличающихся друг от друга. Базовых форматов кадров (raw formats) существует всего два – Ethernet II и Ethernet 802.3. эти форматы отличаются назначением всего одного поля.

Для успешной доставки информации получателю каждый кадр кроме данных должен содержать дополнительную служебную информацию: длину поля данных, физические адреса отправителя и получателя, тип сетевого протокола и т.д.

Существует четыре основных разновидности кадров Ethernet:

Ethernet Type II

Ethernet 802.3

Ethernet 802.2

Ethernet SNAP (SubNetwork Adress Protokol).

Рассмотрим поля, общие для всех четырех типов кадров:

Рис. 11.1 – Формат кадра Ethernet

Поля в кадре имеют следующее значение:

Поле «Преамбула» и «Признак начала кадра» . Предназначены для синхронизации отправителя и получателя. Преамбула представляет собой 7-байтовую последовательность единиц и нулей. Признак начала кадра имеет длину 1 байт. Эти поля не принимаются в расчет, при вычислении длинны кадра.

Поле «Адрес получателя» . Состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которому адресован данный кадр. Значения этого и следующего поля являются уникальными. Каждому производителю адаптеров Ethernet назначаются первые три байта адреса, а оставшиеся три байта определяет сам производитель. Например, для адаптеров фирмы 3Com физические адреса будут начинаться с 0020AF. Первый бит адреса получателя имеет специальное назначение, если он равен 0, то адрес конкретного устройства (только в этом случае первые три байта служат для идентификации производителя сетевой платы), а если 1 – широковещательный. Обычно в широковещательном адресе все оставшиеся биты тоже устанавливаются равными единице (FF FF FF FF FF FF).

Поле «Адрес отправителя» . Состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которое отправило данный кадр. Первый бит адреса отправителя всегда равен нулю.

Поле «Длинна/тип» . Может содержать длину или тип кадра в зависимости от используемого кадра Ethernet. Если поле зает длину, она указывается в двух байтах. Если тип – то поле указывает на тип протокола верхнего уровня, которому принадлежит данный кадр. Например, при использовании протокола IPX поле имеет значение 8137, а для протокола IP – 0800.

Поле «Данные» . Содержит данные кадра. Чаще всего эта информация необходима протоколам верхнего уровня. Данное поле не имеет фиксированного размера.

Поле «Контрольная сумма». Содержит результаты вычисления контрольной суммы всех полей за исключением преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы. Вычисление производится отправителем и добавляется в кадр. Аналогичная процедура вычисления производится и на устройстве получателя. В случае, если результат вычисления не совпадает со значением данного поля, предполагается, что произошла ошибка при передаче. В этом случае кадр считается испорченным и игнорируется.

Минимально допустимая длинна всех четырех типов кадров Ethernet составляет 64 байта, а максимальна – 1518 байт. Так как на служебную информацию в кадре отводится 18 байт, то поле «Данные» может принимать значение от 46 до 1500 байт. Если передаваемые данные меньше допустимой длинны. Кадр будет автоматически дополняться до 46 байт. Эти ограничения на минимальную длину кадра введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения коллизий.

Рассмотрим более подробно форматы кадров различных типов. Тип кадра Ethernet II используется многими протоколами верхнего уровня, такими как TCP/IP, IPX и AppleTalk. Данный тип кадра был разработан такими фирмами как DEC, Intel и Xerox. Необходимо учитывать, что хотя данный тип кадра и является наиболее широко используемым, он не одобрен организациями IEEE и ISO. Формат данного типа кадра отличается от рассмотренного выше только тем, что в поле «Длинна/тип» всегда указывается тип протокола.

Сетевые операционные системы Novell Net Ware 2.x и 3.x (за исключением 3.12) по умолчанию используют кадр Ethernet 802.3. Хотя в названии этого кадра есть упоминание комитета IEEE, последний не имел никакого отношения к его разработке.

Данный тип кадра не содержит никакой информации о протоколе. Поле «Длинна/тип» всегда указывает длину кадра. В результате нет стандартных методов идентификации сетевого протокола, которому принадлежит данный кадр. Однако в соответствии с концепцией фирмы Novell, только протокол IPX может использоваться с данным типом кадров. Разработана специальная последовательность действий для определения того, что именно протокол IPX был инкапсулирован в кадр данного типа.

Проверяется поле «Длинна/тип». Если оно содержит значение между 0 и 1518 (05ЕЕ), то данное поле определяет длину кадра, а не тип протокола (то есть это кадр Ethernet 802.3, в противном случае – Ethernet II).

Проверяются следующие два байта за полем «Длинна/тип». Если они содержат FFFF, это означает, что кадр принадлежит протоколу IPX, так как заголовок этого протокола всегда начинается с FFFF.

В результате стандартизации сетей Ethernet подкомитетом IEEE 802.3 появился кадр Ethernet 802.2. этот кадр является базовым для операционных сиcтем Novell Net Ware 3.12 и 4.x. В данном типе кадра сразу же за полем адреса отправителя следует поле длинны, имеющее такое же назначение. кроме того, этот тип кадра содержит несколько дополнительных полей, рекомендованных IEEE 802.3. Эти поля располагаются за полем «Длинна/тип» и имеют следующее значение:

Поле «DSAP» указывает на используемый получателем протокол сетевого уровня. Размер поля составляет 1 байт (один бит в нем зарезервирован). Для протокола IPX значение поля равно E0, для протоколов IP – 06, для NetBIOS – F0.

Поле «SSAP» указывает на используемый отправителем протокол сетевого уровня. Размер поля составляет 1 байт (один бит из которого зарезервирован).

Поле «Контроль» указывает на тип сервиса, требуемый для сетевого протокола. Размер данного поля составляет 1 байт.

Формат кадра Ethernet 802.2 имеет некоторые недостатки, в частности он содержит нечетное число байт служебной информации. Это не совсем удобно для работы большинства сетевых устройств. Кроме того, для идентификации протокола сетевого уровня отводится 7 бит, что позволяет поддерживать всего 128 различных протоколов. Кадр Ethernet SNAP, являющийся развитием спецификации Ethernet 802.2 содержит следующие дополнительные поля:

Поле «Код организации» имеет длину три байта и содержит код организации (фирмы), которая присвоила значения поля «Идентификатор протокола». Если значение поля равно 000000, то поле «Идентификатор протокола» содержит значение, которое обычно помещается в поле «Длинна/тип», то есть идентификатор протокола верхнего уровня.

Поле «Идентификатор протокола» имеет длину два байта и идентифицирует протокол верхнего уровня, инкапсулированный в поле «Данные» кадра. При использовании протокола IPX это поле содержит значение 8137.

В совокупности эти два поля составляют дополнительное пяти байтовое поле для идентификации протокола. Это было сделано для увеличения числа поддерживаемых протоколов.