Технология Ethernet и кабельные сети

05.05.2019

Рис. 1. Формат кадра Ethernet DIX (II)

Первые два поля заголовка отведены под адреса:

DA (Destination Address) - МАС-адрес узла назначения;

SA (Source Address) - МАС-адрес узла отправителя. Для доставки кадра достаточно одного адреса - адреса назначения; адрес источника помещается в кадр для того, чтобы узел, получивший кадр, знал, от кого пришел кадр и кому нужно на него ответить. Принятие решения об ответе не входит в компетенцию протокола Ethernet, это дело протоколов верхних уровней. Ethernet же только выполнит такое действие, если с сетевого уровня поступит соответствующее указание.

Поле Т (Туре, или EtherType) содержит условный код протокола верхнего уровня, данные которого находятся в поле данных кадра, например шестнадцатеричное значение 08-00 соответствует протоколу IP. Это поле требуется для поддержки интерфейсных функций мультиплексирования и демультиплексирования кадров при взаимодействии с протоколами верхних уровней.

Поле данных может содержать от 46 до 1500 байт. Если длина пользовательских данных меньше 46 байт, то это поле дополняется до минимального размера байтами заполнения. Эта операция требуется для корректной работы метода доступа Ethernet (он рассматривается в следующем разделе).

Поле контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт контрольной суммы. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32.

Кад р Ethernet DIX (II) не отражает разделения канального уровня Ethernet на уровень MAC и уровень LLC: его поля поддерживают функции обоих уровней, например интерфейсные функции поля Г относятся к функциям уровня LLC, в то время как все остальные поля поддерживают функции уровня MAC.

Существуют еще три стандартных формата кадра Ethernet:

Кадр 802.3/LLC является стандартом комитета IEEE 802 и построен в соответствии с принятым разбиением функций канального уровня на уровень MAC и уровень LLC. Поэтому результирующий кадр является вложением кадра LLC, определяемого стандартом 802.2, в кадр MAC, определяемого стандартом 802.3.
Кадр Raw 802.3, или Novell 802.3, появился в результате усилий компании Novell по ускорению разработки своего стека протоколов в сетях Ethernet.
Кадр Ethernet SNAP стал результатом деятельности комитета 802.2 по приведениюпредыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту и приданию кадру необходимой гибкости для учета в будущем возможностей добавления полей или изменения их назначения.

Как уже было сказано, в настоящее время оборудованием Ethernet используются только кадры Ethernet DIX (II). Остальные форматы кадров, в том числе кадр 802.3/LLC, попрежнему формально являющийся стандартным, вышли из употребления из-за более сложного формата, который оказался не нужен в условиях существования единой технологии канального уровня.

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:

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.
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.
Увеличение TCP Throughput при изменении размера MTU -

Поля кадра Преамбула (7 байтов) и Начальный разграничитель кадров (SFD) (1 байт) в Ethernet используются для синхронизации между передающим и принимающим устройствами. Эти первые восемь байтов фрейма используются, чтобы привлечь внимание узлов получения. По существу первые несколько байтов говорят получателям подготовиться принимать новый кадр.

Поле MAC-адрес Назначения

Поле MAC Адрес Назначения (6 байтов) является идентификатором для предполагаемого получателя. Как Вы можете вспомнить, этот адрес используется Уровнем 2, чтобы помочь устройствам в определении, адресуется ли им данный фрейм. Адрес во фрейме сравнивается с MAC-адресом устройства. Если адреса совпадают, устройство принимает фрейм.

Поле MAC-адрес Источника

Поле MAC Адрес Назначения (6 байтов) идентифицирует отправляющий NIC или интерфейс фрейма. Коммутаторы также используют этот адрес, чтобы добавить его к своим таблицам сопоставления. Роль коммутаторов будет обсуждаться позже в этой рубрике.

Поле Длина/Тип

Для любого стандарта IEEE 802.3, более раннего 1997 года, поле Длина определяет точную длину поля данных фрейма. Это позже используется позже в качестве части FCS, чтобы гарантировать, что сообщение было получено корректно. Если цель поля состоит в том, чтобы определить тип, как в Ethernet II, поле Тип описывает, какой реализуется протокол.

Эти два применения поля были официально объединены в 1997 в стандарте IEEE 802.3x, потому что оба применения были распространены. Поле Тип Ethernet II включается в текущее определение фрейма 802.3. Когда узел принимает кадр, он должен исследовать поле Длина, чтобы определить, какой протокол более высокого уровня в нем присутствует. Если значение двух октетов больше или равно, чем шестнадцатеричное число 0x0600 или десятичное число 1536, то содержимое поля Данные декодируется согласно обозначенному типу протокола. Если значение поля меньше или равно, чем шестнадцатеричное число 0x05DC или десятичное число 1500, поле Длина используется для указания использования формата кадра IEEE 802.3. Таким образом различаются кадры Ethernet II и 802.3.

Поля Данные и Набивка

Поля Данные и Набивка (46 - 1500 байтов) содержат инкапсулированные данные от более высокого уровня, который является типичным PDU Уровня 3, обычно, пакетом IPv4. Все фреймы должны быть по крайней мере 64 байта длиной. Если инкапсулируется пакет меньшего размера, используется Набивка, чтобы увеличить размер кадра до этого минимального размера.

IEEE поддерживает список общего назначения типов Ethernet II.

Сетевые технологии

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