Форматы кадров технологии Ethernet и спецификации физической среды

by Евгений Живайкин
Форматы кадров технологии Ethernet и спецификации физической среды

Форматы кадров

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/Novell 802.3

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).

Спецификации физической среды

Еще первые сети Ethernet были реализованы на коаксиальном кабеле, который имел диаметр 0,5 дюйма. Схема доступа CSMA/CD и все остальные параметры остаются теми же для любой физической среды Ethernet 10 Мбит/с. На сегодня физические особенности технологии Ethernet включает следующие сферы транспортировки информации:

  • 10Base-5 — коаксиальный кабель, который имеет диаметр 0,5 дюйма а также волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина без повторителей — 500 м.
  • 10Base-T — кабель на экранированной витой паре (UTP). Создает звездообразную топологию на принципе роботы концентратора. Расстояние между конечным узлом и концентратором не больше 100 м.
  • 10Base-2 — коаксиальный кабель, который имеет диаметр 0,25 дюйма и волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина без повторителей 185 метров.
  • 10Base-F — это волоконно-оптический кабель. Принцип работы похож на 10Base-T, только есть пару вариантов этой спецификации. FOIRL до 1000 м, 10BaseFL и 10Base-FB до 2000 м.

Число 10 которое встречается в названиях топологий, показывает на битовую скорость транспортировки информации — 10 Мбит/с. Слово Base, это метод транспортировки данных на частоте 10 МГц. Последний символ указывает тип кабеля. изменения частоты может вызвать проблемы защиты информации в сетях.

Стандарт 10Base-5

Этот стандарт идентичен экспериментальной сети Ethernet фирмы Xeror. Компоненты такой топологии показаны на рис.1. Кабель реализован как моноканал для всех узлов. Сегмент кабеля должен не превышать 500 м (без повторителей) а так должен иметь заглушки сопротивлением 50 Ом, которые препятствуют возникновению отраженных сигналы. Если заглушек не будет, то в кабеле будут возникать стоячие волны, при этом одни узлы будут получать мощные сигналы, а другие — очень слабые. Станция подключается к кабелю с помощью приемопередатчика — трансивер. Трансивер может подключатся к кабелю методом прокалывания, который обеспечивает или физический контакт, или бесконтактный способ. Типы соединений должны быть описаны в политике безопасности предприятия.



Рисунок 1

Трансивер подсоединяется с сетевым адаптером кабеля AUI, который имеет длину до 50 м и имеет 4 витых пары. Подключение к одному сегменту допускается не больше 100, но при этом расстояние между трансиверами не должно быть меньше 2,5 м. На кабеле есть прям разметка с частота 2,5 м для подключения трансивера. Если подключать трансиверы на правильной длине, то влияние стоячих волн сводится к минимуму в кабеле и сетевом адаптере. Схема трансивера показана на рис.2. Если адаптер имеет неисправность, то в кабель будет подаваться непрерывная последовательность случайных сигналов. И при этом сеть будет заблокирована из-за одного неисправного трансивера, так как кабель это общая среда всех узлов. Для устранения такой особенности, на выходе трансивера ставится специальная схема, которая сравнивает время транспортировки кадра. Если превышается время транспортировки пакета, то схема отсоединяет передатчик от кабеля. Макс. время транспортировки кадра — 1221 мкс. А время неисправной передачи — 4000 мкс (4 мс). Эту функции еще называют — jabber-контролем.



Рисунок 2

Детектор коллизий выявляет наличие коллизий в кабеле по повышенному уровню постоянной характеристикой сигналов. Если эта характеристика превышает порог (1,5 В), то на кабель работает больше одного передатчика. Можно определить как один из методов защиты информации.

Развязывающие элементы — реализуют гальваническую развязку трансивера от других частей сетевого адаптер. Тем самым защищает от перепадов напряжения компьютер которые возникают на кабеле при повреждении или при угроз информационной безопасности в сетях.

Этот стандарт разрешает реализовывать в сети повторитель. Он служит для соединение в одну общую сеть нескольких частей кабеля что увеличивает общую длину сети. Он принимает сигналы из одной части и синхронно побитно повторяет их в другой части. Синхронизирует импульсы, синхронизирует мощность и улучшает форму. Стандарт разрешает реализовывать в сети не больше 4 повторителей и не больше 5 частей кабеля.

Правило реализации повторителей в этой сети называется правила 5-4-3, что обозначает 5 сегментов, 4 повторителя и 3 нагруженных сегмента.

Стандарт 10Base-2

Эта технология дешевле нежели предыдущая, при этом и меньшая длина сегментов — 185 м. Стандарт 10Base-2 похож на 10Base-5. но трансиверы соединены с сетевым адаптером, за счет того что гибкий и тонкий коаксиальный кабель может быть соединен сразу к выходу сетевой платы. Но при этом кабель затрудняет физическое перемещение компьютера. Реализация стандарта проще чем предыдущая, так как для соединение компьютеров нужно только сетевые адаптеры, терминаторы 50 Ом и Т-коннекторы. Однако кабель сильнее подвержен помехам.

Общим недостатком этих стандартов является отсутствие быстрых данных о состоянии моноканала. Для поиска отказавшего отрезка нужен специальный прибор — кабельный тестер.

Стандарт 10Base-Т

В этих сетях реализованы две неэкранированные витые пары. Конечные узлы устанавливают соединение с помощью двух витых пар по двухточечной схеме со специальным прибором — много портовым повторителем. На рис.3 показано схема работы трехпортового повторителя. Повторитель работает как и в предыдущих типах топологий.



Рисунок 3

Концентратор — многопортовой повторитель, или же называют — хаб. Концентратор реализует функцию повторителя на всех сегментах витых пар, что создается логическая общая шина. Он выявляет коллизию в сегменте когда одновременно передаются сигналы по нескольким R — входам и отправляет jam-последовательности на все Т — выходы.

Здесь реализовано правило 4-х хабов. Это правило идентичное правилу 5-4-3 по функциям. Реализует синхронизацию станций и распознавание коллизий. Для создания сети 10Base-T можно соединять концентраторы друг с другом иерархическим способом, это показано на рис.4. Петлевидная реализация соединений концентраторов запрещена. Не можно создавать параллельные линии связи между критическими концентраторами для резервирования линии. Резервирования возможно только при переводе одного из параллельных каналов в заблокированное состояние.



Рисунок 4

Существуют преимущества данной топологии над предыдущими, это разделение общего кабеля на отдельные кабельные отрезки которые подключены к центральному устройству. Также здесь реализована схема тестирования физической работоспособности двух отрезков витой пары которых соединяют порт повторителя и трансивер конечного узла. Эта схема имеет название тест связности и реализована на транспортировке каждых 16 мс специальных сигналов j, k манчестерского кода между приемником каждой витой пары и передатчиком. Главным преимуществом данной топологии является наличия активного устройства между конечными узлами, которое контролирует роботу этих узлов и может изолировать от сети плохо работающие узлы. Помехи при передачи данных могу возникать из-за:

Также скорость зависит и от многих внешних факторов:

  • коммутации каналов и пакетов;
  • характеристик проводных линий связи;
  • полос пропускания и пропускной способность;
  • метод обнаружения ошибок в сетях;
  • тип сети — seti_PDH или seti_dwdm.
  • методы защиты информации
June 17, 2018
by Евгений Живайкин