Кадры LAN и WAN

ЛЕКЦИЯ Кадры LAN и WAN Кадр. Адрес уровня 2. Кадры LAN и WAN. Кадр Ethernet. Кадр PPP. Беспроводной кадр 802.11.Физический уровень OSI. Протокол Ethernet. Принцип работы Ethernet. Подуровни LLC и MAC. Обнаружение коллизий/CSMA .MAC-адрес: идентификация Ethernet. Структура MACадресов. Обработка кадров. Атрибуты кадра Ethernet. Инкапсуляция Ethernet. Размер кадра Ethernet.MAC-адреса и шестнадцатеричная система счисления. Представления рассылки.MAC-адрес MAC-адресов. широковещательной MAC-адрес рассылки. одноадресной MAC-адрес многоадресной рассылки. 1 1 КАДР Хотя многие протоколы канального уровня описывают кадры канального уровня, каждый тип кадра состоит из трех основных компонентов: − заголовок; − данные; − концевик. Все протоколы канального уровня инкапсулируют протокольный блок данных (PDU) уровня 3 в пределах поля данных конкретного кадра. Как показано на рисунке 1, хрупкая среда требует больше возможностей контроля. При этом безопасная среда, как показано на рисунке 2, требует меньше мер контроля. Рисунок 1 2 Рисунок 2 Заголовок Заголовок кадра содержит управляющую информацию, определяемую протоколом канального уровня для используемой логической топологии и среды передачи данных. Управляющая информация кадра уникальна для каждого типа протокола. Она используется протоколом уровня 2 и предоставляет функциональные возможности, требуемые коммуникационной средой. Поле начала кадра: показывает начало кадра. Поля адресов источника и назначения: указывает узлы источника и назначения в среде. Поле типа: отображает сервис верхнего уровня, который содержится в кадре. Различные протоколы канального уровня могут использовать разные поля из указанных выше. Например, к полям заголовка кадра другого протокола уровня 2 могут относиться также следующие. Поле приоритета и качества обслуживания (QoS): отображает отдельный вид коммуникационных услуг, подлежащий обработке. Поле управления логическим соединением: используется для установки логической связи между узлами. Поле управления физическим каналом: используется для установления соединения. Поле управления потоком: используется для запуска и остановки потока данных по среде. Поле управления перегрузками: отображает перегрузки в среде. Поскольку назначение и функции протоколов канального уровня связаны с конкретными топологиями и средами передачи данных, нужно отслеживать каждый протокол, чтобы получать ясную картину его структуры 3 кадра. По мере рассмотрения протоколов в данном курсе мы подробнее изучим структуру кадра. Адрес уровня 2 В отличие от логических адресов уровня 3, которые являются иерархическими, физические адреса не указывают, в какой сети находится устройство. Более того, физический адрес является уникальным адресом устройства. Если устройство переходит в другую сеть или подсеть, оно продолжит функционировать с тем же физическим адресом уровня 2. Адрес, который принадлежит устройству и не является иерархическим, не может указывать местоположение устройства в больших сетях или в сети Интернет. Это так же сложно, как искать один конкретный дом в целом мире, зная лишь номер дома и название улицы. Однако физический адрес можно использовать для обнаружения устройства в ограниченной зоне. Если данные должны перейти в другой сегмент сети, необходимо промежуточное устройство, например, маршрутизатор. Маршрутизатор должен принять кадр на основе физического адреса и деинкапсулировать кадр для просмотра иерархического адреса или IP-адреса. На рисунке 3 выделены требования адреса уровня 2 для коллективного доступа и двухточечных топологий. 4 Рисунок 3 Концевик Протоколы канального уровня добавляют концевик в конец каждого кадра. Концевик используется для того, чтобы определить, есть ли в принятом кадре ошибки. Этот процесс называется обнаружением ошибок и реализуется путем размещения специальных кодов (битовых последовательностей) в концевике кадра. Обнаружение ошибок добавляется на канальном уровне, т. к. сигналы в среде могут быть подвержены помехам, искажениям или потерям, которые изменят значения битов, представленных сигналами. Такие коды (коды обнаружения и исправления ошибок) вычисляются по специальным математическим алгоритмам. Передающий узел вычисляет специальный код на основе содержания кадра. Этот код называется CRC-кодом (Cyclic redundancy check code — циклическим избыточным кодом). Это значение размещено в поле контрольной последовательности кадра (FCS) и вычисляется на основе содержимого кадра. Нажмите на рисунке поля «FCS» и «Остановка кадра», чтобы получить подробные сведения. 5 Когда кадр прибывает на узел места назначения, узел вычисляет значение CRC кадра. Принимающий узел сравнивает эти два значения CRC. Если значения совпадают, то считается, что кадр получен без потерь. Если значение CRC отличается от значения CRC, рассчитанного на принимающем узле, то кадр сбрасывается. Таким образом, поле «FCS» используется, чтобы выявить наличие ошибок при передаче и приёме кадра. Механизм обнаружения ошибок, осуществляемый с помощью поля «FCS», обнаруживает большинство ошибок, полученных в среде. Кадры LAN и WAN В сети на основе стека протоколов TCP/IP все протоколы уровня 2 модели OSI работают по IP на уровне 3 OSI. Однако фактически используемый протокол уровня 2 зависит от логической топологии сети и реализации на физическом уровне. С учетом широкого спектра физических средств передачи данных, используемых в различных топологиях в сетях, используется еще больше протоколов уровня 2. Каждый протокол осуществляет управление доступом к среде передачи данных для указанных логических топологий уровня 2. Это означает, что при реализации этих протоколов несколько различных сетевых устройств могут выступать в качестве узлов, которые работают на канальном уровне. К таким устройствам относятся сетевой адаптер или сетевые интерфейсные платы (NIC) на компьютерах, а также интерфейсы на маршрутизаторах и коммутаторах уровня 2. Протокол уровня 2, используемый для конкретной топологии сети, определяется технологией, которая используется для реализации этой топологии. Технология, в свою очередь, определяется размером сети (с точки зрения количества узлов и географической территории) и сервисами, предоставляемыми в этой сети. 6 Технологии локальных сетей обычно используют высокую пропускную способность, которая может поддерживать много узлов. Локальные сети функционируют на сравнительно небольшой территории (в одном здании или комплексе зданий), и высокая плотность пользователей делает эту технологию очень рентабельной. Однако использование высокой пропускной способности обычно не настолько рентабельно для глобальных сетей, которые охватывают обширные территории (например, города или целые области). Стоимость физических каналов для обширных территорий и технологий, используемых для передачи сигналов по этим территориям, обычно приводит к низкой пропускной способности. Разница в пропускной способности требует использования различных протоколов для локальных и глобальных сетей. К распространённым протоколам канального уровня относятся: − Ethernet; − протокол «точка-точка» (протокол PPP); − беспроводной доступ 802.11. Среди других протоколов, рассматриваемых в учебной программе CCNA, — протокол высокоуровневого управления каналом передачи данных (HDLC) и технология ретрансляции кадров (FrameRelay), изображенный на рисунке 4. 7 Рисунок 4 Кадр Ethernet Ethernet — это основная технология локальных сетей. Это семейство сетевых технологий, которые регламентируются стандартами IEEE 802.2 и 802.3. Стандарты Ethernet регламентируют как протоколы второго уровня, так и технологии первого уровня. Ethernet — это наиболее используемая технология локальной сети, которая поддерживает пропускную способность данных со скоростью 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с (1000 Мбит/с) или 10 Гбит/с (10 000 Мбит/с). Основной формат кадра и подуровни IEEE уровней 1 и 2 модели OSI не меняются во всех формах Ethernet. Однако способы обнаружения и отправки информации в среду могут меняться в зависимости от различных реализаций. Кадр PPP Ещё один протокол канального уровня — это двухточечный протокол, или протокол «точка-точка» (PPP). PPP — это протокол, используемый для передачи кадров между двумя узлами. В отличие от многих протоколов 8 канального уровня, которые определены инженерными организациями, стандарт PPP определяется документами, имеющими статус стандартов. Двухточечный протокол PPP был разработан как протокол глобальной сети и остаётся протоколом для внедрения многих глобальных сетей, основанных на последовательных каналах передачи данных. Протокол PPP можно использовать в различных физических средах передачи данных, включая витые пары, оптоволоконные линии и спутниковые передачи, а также виртуальные соединения. Протокол соответствия PPP использует требованиям многоуровневую различных типов архитектуру. сред передачи Для данных двухточечный протокол устанавливает между двумя узлами логические соединения, которые называются сеансами. Также протокол PPP предоставляет двум узлам возможности согласования параметров в сеансе PPP. К этим параметрам относятся аутентификация, сжатие и использование многоканального подключения (использование нескольких физических соединений). Беспроводной кадр 802.11 Стандарт IEEE 802.11 использует те же управление логическим каналом 802.2 и схему адресацию 48 бит, что и другие локальные сети стандарта 802. Однако существует много различий на подуровне MAC и физическом уровне. В беспроводной среде требуется учитывать некоторые особенности. Поскольку какое-либо физическое подключение отсутствует, в передачу данных могут вмешаться внешние факторы. Кроме того, сложно контролировать доступ. Чтобы справиться с этими проблемами, беспроводные стандарты имеют дополнительные методы контроля. Стандарт IEEE 802.11 обычно называют Wi-Fi. Это система ассоциативного доступа, которая использует множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA/CA). Процесс CSMA/CA определяет случайные процедуры отсрочки передачи для всех 9 узлов, которые ожидают передачи. Поэтому передача становится возможной только после освобождения среды. Узлам приходится ждать некоторое время, что значительно снижает вероятность коллизий. К другим сервисам, поддерживаемым сетями 802.11, относятся аутентификация, связь (подключение к беспроводному устройству) и конфиденциальность (шифрование). Кадр 802.11 содержит следующие поля, он изображен на рисунке 5. Рисунок 5 Поле версии протокола: используемая версия кадра 802.11. Поля типа и подтипа: определяет одну из трёх функций и подфункций кадра — контроль, данные и управление. В распределительную систему: поставьте единицу для групп кадров, адресованных для системы распределения (устройствами в беспроводной структуре). От системы распределения: поставьте единицу для групп кадров, покидающих распределительную систему. 10 Больше фрагментов: поставьте единицу для кадров, которые имеют дополнительный фрагмент. Поле повторной попытки: поставьте единицу, если кадр является повторной передачей предыдущего кадра. Поле управления энергопотреблением: поставьте единицу, чтобы показать, что узел находится в режиме энергосбережения. Поле больше данных: поставьте единицу, чтобы показать узлу в режиме энергосбережения, что для этого узла предназначено больше кадров. Поле протокола шифрования беспроводной связи (WEP): поставьте единицу, если кадр содержит информацию, зашифрованную в целях безопасности. Поле порядка: поставьте единицу в кадре данных, который использует строго упорядоченные данные (не требуется изменять порядок). Поле продолжительности/идентификатора: в зависимости от типа кадра приводится либо время в микросекундах, необходимых для передачи кадра, либо идентификатор связи для станции, которая передала кадр. Поле адреса назначения: MAC-адрес целевого узла в сети. Поле адреса источника: MAC-адрес узла отправителя. Поле адреса получателя: МAC-адрес, который идентифицирует беспроводное устройство, являющееся получателем кадра. Поле номера фрагмента: отображает номер для каждого фрагмента кадра. Поле номера последовательности: отображает номер последовательности, присвоенный кадру. Повторно передаваемые кадры определяются двойными последовательными номерами. Поле адреса передатчика: МAC-адрес, который идентифицирует беспроводное устройство, передающее кадр. Поле основного текста кадра: содержит информацию для передачи. Для кадров данных это IP-пакет. 11 Поле FCS: содержит 32-разрядный циклический избыточный код (CRC-код) кадра. Заключение Уровень доступа к сети на основе стека протоколов TCP/IP эквивалентен канальному уровню OSI (уровень 2) и физическому уровню (уровень 1). Физический уровень OSI позволяет передавать по сетевой среде биты, из которых состоит кадр канального уровня. Физические компоненты — это электронные аппаратные устройства, средства передачи данных, а также другие блоки соединения, которые передают и переносят сигналы для представления битов. Все аппаратные компоненты, такие как сетевые адаптеры (NIC), интерфейсы и блоки соединения, кабельные материалы и конструкции кабелей, указаны в стандартах, относящихся к физическому уровню. Стандарты физического уровня направлены на три функциональные области: физические компоненты, метод кодирования кадра и способ передачи сигналов. Использование соответствующих средств передачи данных является важной частью сетевого взаимодействия. Без надлежащего физического подключения, как проводного, так и беспроводного, взаимодействия между двумя устройствами не произойдёт. Проводное взаимодействие осуществляется с помощью медных и оптоволоконных кабелей. В сетях используются три основных типа медных кабелей: незащищённые витые пары (UTP), защищённые витые пары (STP) и коаксиальный кабель. UTP-кабель — наиболее распространённая среда передачи данных на основе медного провода. Оптоволоконные кабели приобрели большую популярность благодаря их способности объединять сетевые устройства инфраструктуры. Их применение позволяет передавать данные на большие расстояния при более 12 высокой пропускной способности (скорости передачи данных), чем при использовании других сетевых средств передачи данных. В отличие от медных проводов, оптоволоконный кабель может передавать сигналы при более низком показателе ослабления, а также он абсолютно устойчив к воздействию электромагнитных и радиочастотных помех. Все протоколы канального уровня инкапсулируют протокольный блок данных (PDU) уровня 3 в пределах поля данных конкретного кадра. Однако структура кадра и полей, содержащихся в заголовке и концевике, отличается в зависимости от протокола. Введение Физический уровень OSI позволяет передавать по сетевой среде биты, из которых состоит кадр канального уровня. В настоящее время Ethernet является основной во всем мире технологией для локальных сетей. Ethernet функционирует на канальном и физическом уровнях. Стандарты протоколов Ethernet определяют многие аспекты сетевого обмена данными, включая формат и размер кадра, интервал отправки и кодирование. Когда подключенные к сети Ethernet узлы отправляют сообщения, они форматируют их в соответствии со стандартами макета кадра. Кадры также называются протокольными блоками данных (PDU). Поскольку технология Ethernet состоит из стандартов на этих более низких уровнях, принцип её работы можно лучше всего понять применительно к модели OSI. Модель OSI отделяет функциональные возможности канального уровня адресации, формирования кадров и доступа к среде передачи данных от стандартов физического уровня такой среды. Стандарты Ethernet регламентируют как протоколы второго уровня, так и технологии первого уровня. Несмотря на то, что технические требования Ethernet поддерживают различные среды, полосы пропускания и другие 13 варианты уровней 1 и 2, основной формат кадра и схема адреса будут одинаковыми для всех разновидностей Ethernet. 2 ПРОТОКОЛ ETHERNET 2.1 Принцип работы Ethernet. Подуровни LLC и MAC На сегодняшний день Ethernet является наиболее широко используемой технологией локальных сетей. Ethernet функционирует на канальном и физическом уровнях. Это семейство сетевых технологий, которые регламентируются стандартами IEEE 802.2 и 802.3. Технология Ethernet поддерживает передачу данных на скоростях: − 10 Мбит/с; − 100 Мбит/с; − 1000 Мбит/с (1 Гбит/с); − 10 000 Мбит/с (10 Гбит/с); − 40 000 Мбит/с (40 Гбит/с); − 100 000 Мбит/с (100 Гбит/с). Как показано на рисунке 6, стандарты Ethernet регламентируют как протоколы уровня 2, так и технологии уровня 1. Для протоколов второго уровня, как и в случае со всеми стандартами группы IEEE 802, технология Ethernet полагается на работу этих двух отдельных подуровней канального уровня, а также на подуровни управления логическим каналом (LLC) и MAC. Подуровень LLC Подуровень LLC технологии Ethernet обеспечивает связь между верхними и нижними уровнями. Как правило, это происходит между сетевым программным обеспечением и аппаратным обеспечением устройства. Подуровень LLC использует данные сетевых протоколов, которые обычно представлены в виде пакета IPv4, и добавляет управляющую информацию, 14 чтобы помочь доставить пакет к узлу назначения. LLC используется для связи с верхними уровнями приложений и перемещает пакет для доставки на нижние уровни. Подуровень MAC MAC представляет собой более низкий подуровень канального уровня. MAC реализуется аппаратно — обычно в сетевой интерфейсной плате компьютера. Спецификации содержатся в стандартах IEEE 802.3. На рисунке 7 приведен список общих стандартов IEEE Ethernet. Рисунок 6 Как показано на рисунке, подуровень MAC Ethernet выполняет две основные задачи: − инкапсуляция данных; − управление доступом к среде передачи данных. 15 Рисунок 7 Инкапсуляция данных Процесс инкапсуляции данных включает в себя сборку кадра перед его отправкой и разборку кадра после его получения. При формировании кадра на уровне MAC к PDU сетевого уровня добавляются заголовок и концевик. Инкапсуляция данных обеспечивает три основных функции. Разделение кадра. Процесс формирования кадров предоставляет важные разделители, которые используются для определения группы битов, составляющих кадр. Этот процесс обеспечивает синхронизацию между передающими и получающими узлами. Адресация. Процесс инкапсуляции также обеспечивает адресацию канального уровня. Каждый заголовок Ethernet, добавляемый в кадр, содержит физический адрес (MAC-адрес), посредством которого кадр доставляется к узлу назначения. Обнаружение ошибок. Каждый кадр Ethernet содержит концевик с циклическим контролем по избыточности (CRC) содержимого кадра. После приёма кадра получающий узел создаёт CRC для сравнения с аналогичным 16 параметром в кадре. Если эти два расчета CRC совпадают, кадр может считаться полученным без ошибок. Использование кадров помогает при передаче битов, так как они помещаются в среду передачи данных, а также при группировании битов на принимающем узле. Управление доступом к среде передачи данных Второй функцией подуровня MAC является управление доступом к среде передачи данных. Управление доступом к среде передачи данных отвечает за размещение кадров в этой среде и удаление из нее кадров. Судя по названию этой функции, она позволяет управлять доступом к среде передачи данных. Этот подуровень напрямую взаимодействует с физическим уровнем. Основная множественным логическая доступом; топология Ethernet следовательно, среда — это шина передачи с данных используется всеми узлами (устройствами) в одном сегменте сети. Ethernet — это способ ассоциативного доступа организации сети. Следует помнить, что метод ассоциативного доступа (или недетерминированный метод) означает, что любое устройство может постоянно предпринимать попытку передать данные в общей среде при наличии у него таких данных для отправки. При этом если несколько устройств в одной среде начнут вместе передавать информацию (подобно тому, как два человека попытаются разговаривать одновременно), то возникнет конфликт при передаче данных, который приведёт к их повреждению и невозможности дальнейшего использования. Чтобы не допустить подобной ситуации, Ethernet задействует метод множественного доступа с контролем несущей (CSMA) для управления общим доступом узлов, который изображен на рисунке 8. 17 Рисунок 8 Обнаружение коллизий/CSMA При обнаружении коллизий/CSMA (CSMA/CD) устройство проверяет среду на наличие в ней сигнала данных. Если этот сигнал отсутствует, указывая на то, что среда передачи не загружена, устройство передаёт данные. Если позже обнаруживаются сигналы о том, что в то же время передачу данных осуществляло другое устройство, передача данных на всех устройствах прерывается и переносится на другое время. Для использования этого метода были разработаны традиционные формы Ethernet. В современных сетях широкое применение технологий коммутации позволило практически полностью исключить первоначальную потребность в CSMA/CD для локальных сетей. Почти все проводные соединения между устройствами в современных локальных сетях являются полнодуплексными, т. е. способность устройства одновременно отправлять и принимать данные. Это означает, что, несмотря на то, что сети Ethernet разрабатывались с учетом использования технологии CSMA/CD, современные промежуточные устройства позволяют устранить коллизии, и процессы, обеспечиваемые CSMA/CD, в действительности уже не требуются. 18 Тем не менее, для беспроводных соединений в среде локальной сети возможность возникновения таких коллизий всё еще необходимо учитывать. Устройства в беспроводной локальной сети используют метод доступа к среде передачи данных с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA/CA). Контроль несущей и предотвращение коллизий (CSMA/CA) При использовании CSMA/CA устройство проверяет среду передачи данных на наличие в ней сигнала данных. Если среда не загружена, данное устройство отправляет по среде уведомление о намерении использовать её для передачи данных. Затем устройство отправляет данные. Этот способ используется беспроводными сетевыми технологиями стандарта 802.11. MAC-адрес: идентификация Ethernet Как уже упоминалось ранее, основная логическая топология Ethernet — это шина с множественным доступом. Каждое сетевое устройство подключено к одной и той же общей среде передачи данных, и все узлы получают все передаваемые кадры. Проблема заключается в том, что если все устройства принимают все кадры, как каждое отдельное устройство может определить, является ли оно запланированным получателем, без дополнительной необходимости в обработке и декапсуляции кадра для достижения IP-адреса? Ситуация усложняется ещё больше в крупных сетях с высоким объёмом трафика, в которых пересылается значительное количество кадров. Структура MAC-адресов MAC-адреса должны быть уникальными в глобальном масштабе. Значение MAC-адреса — это непосредственный результат применения правил, которые разработаны институтом IEEE для поставщиков, чтобы обеспечить глобальные уникальные адреса для каждого устройства Ethernet. В соответствии с этими правилами каждый поставщик, который занимается 19 реализацией Ethernet-устройств, должен быть зарегистрирован в IEEE. IEEE присваивает поставщику 3-байтный (24-битный) код, который называется уникальным идентификатором организации (OUI). Институт IEEE требует от поставщиков соблюдения двух простых правил, как показано на рисунке 9. Все MAC-адреса, назначаемые сетевой интерфейсной плате или другому устройству Ethernet, должны в обязательном порядке использовать этот идентификатор OUI поставщика в виде первых 3 байтов. Всем MAC-адресам с одним и тем же идентификатором OUI должно быть присвоено уникальное значение (код производителя или серийный номер), которое указывается в виде последних 3 байтов. Рисунок 9 2.2 Обработка кадров MAC-адрес часто называется аппаратным адресом (BIA), поскольку исторически сложилось так, что он записывается в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) на сетевой интерфейсной плате. Это означает, 20 что адрес вносится в чип ПЗУ на аппаратном уровне, и его изменение с помощью программного обеспечения невозможно. MAC-адреса присваиваются рабочим станциям, серверам, принтерам, коммутаторам и маршрутизаторам — любому устройству, которое должно отправлять или получать данные в сети. Все устройства, подключённые к локальной сети Ethernet, имеют интерфейсы с использованием MAC-адресов. Различные производители оборудования и программного обеспечения могут представлять MAC-адрес в разных шестнадцатеричных форматах. Форматы адресов могут иметь примерно следующий вид: − 00-05-9A-3C-78-00; − 00:05:9A:3C:78:00; − 0005.9A3C.7800. При запуске компьютера сетевая плата вначале копирует MAC-адрес из ПЗУ в ОЗУ. Если устройство пересылает сообщение в сеть Ethernet, оно добавляет к пакету информацию заголовка. Информация заголовка содержит MAC-адреса источника и назначения. Исходное устройство отправляет данные по сети. 3 АТРИБУТЫ КАДРА ETHERNET 3.1 Инкапсуляция Ethernet С момента создания Ethernet в 1973 г. стандарты технологии совершенствовались, появлялись её более быстрые и гибкие версии. Развитие Ethernet с течением времени — одна из основных причин популярности технологии. Скорость ранних версий Ethernet была сравнительно низкой, всего 10 Мбит/с. Современные версии сети Ethernet работают со скоростью 10 гигабит в секунду и выше. На канальном уровне структура кадра практически идентична для всех скоростей Ethernet. Структура кадра Ethernet добавляет заголовки и 21 концевики вокруг PDU третьего уровня для последующей инкапсуляции отправляемого сообщения. Как заголовок, так и концевик Ethernet имеют несколько разделов информации, которые используются протоколом Ethernet. Каждый раздел кадра называется полем. Существуют два стиля формирования кадров Ethernet: − стандарт Ethernet IEEE 802.3, который несколько раз обновлялся в соответствии с новыми технологиями; − стандарт Ethernet DIX, который теперь называется Ethernet II. Различия между стилями формирования кадров минимальны. Наиболее существенным различием между этими двумя стандартами является добавление в стандарте 802.3 начала разделителя кадра (SFD) и изменение поля «Тип» на поле «Длина». Ethernet II — это формат кадра Ethernet, используемый в сетях TCP/IP. 3.2 Размер кадра Ethernet Оба стандарта Ethernet II и IEEE 802.3 определяют минимальный размер кадра как 64 байта, а максимальный — 1518 байт. К этому количеству относятся все байты, начиная с поля «MAC-адрес назначения» и заканчивая полем «Контрольная последовательность кадра (FCS)». Поля «Преамбула» и «Начало разделителя кадра (SFD)» при описании размера кадра не включаются. Любой кадр с длиной менее 64 байт считается «фрагментом коллизии», или «карликовым кадром», и автоматически отклоняется принимающими станциями. 3.3 Кадр Ethernet: введение Основными полями кадра Ethernet являются следующие. Поля «Преамбула» и «Начало разделителя кадра». Поля «Преамбула» (7 байт) и «Начало разделителя кадра (SFD)», которое также называется 22 «Начало кадра» (1 байт), используются для синхронизации отправляющих и получающих устройств. Эти первые 8 байт кадра необходимы для привлечения внимания получающих узлов. По существу, первые несколько байт сообщают получателям о необходимости приготовиться к поступлению нового кадра. Поле «MAC-адрес назначения». Это поле (6 байт) является идентификатором для предполагаемого получателя. Как вы помните, этот адрес используется уровнем 2, чтобы помочь устройствам определить, адресован ли кадр именно им. Адрес в кадре сравнивается с MAC-адресом в устройстве. В случае совпадения устройство принимает кадр. Поле «MAC-адрес источника». Это поле (6 байт) определяет сетевую плату или интерфейс, отправившие кадр. Поле «Длина». В любом стандарте IEEE 802.3, используемом до 1997 года, поле «Длина» определяет точную длину поля данных кадра. Позже оно используется как часть контрольной последовательности кадра (FCS), чтобы обеспечить правильность получения сообщения. В других случаях это поле используется, чтобы описывать, какой протокол более высокого уровня присутствует. Поле «Данные». Это поле (46—1500 байт) содержит инкапсулированные данные из более высокого уровня, который является универсальным PDU уровня 3, или, что используется чаще, — пакетом IPv4. Длина всех кадров должна быть не менее 64 байт. Поле «Контрольная последовательность кадра». Поле «Контрольная последовательность кадра (FCS)» (4 байта) используется для обнаружения ошибок в кадре. В нём используется циклический контроль избыточности (CRC). Отправляющее устройство включает в себя результаты циклического контроля избыточности в поле FCS кадра. 23 4 MAC ETHERNET 4.1 MAC-адреса и шестнадцатеричная система счисления Использование MAC-адресов является одним из наиболее важных аспектов технологии локальной сети Ethernet. MAC-адреса используют шестнадцатеричную систему счисления. Шестнадцатеричный — это слово, которое используется и как существительное, и как прилагательное. При использовании отдельно (как существительное) оно означает шестнадцатеричную систему счисления. Шестнадцатеричная система счисления обеспечивает удобный способ для представления двоичных значений. Подобно тому, как десятичный формат является системой счисления с основанием 10, а двоичный — с основанием 2, шестнадцатеричный формат представляет собой систему счисления с основанием 16. В системе счисления с основанием 16 используются цифры от 0 до 9 и буквы от A до F. На рисунке 10 показаны соответствующие десятичные и шестнадцатеричные значения для двоичного кода 0000—1111. Нам проще представить значение в виде одной шестнадцатеричной цифры, чем в виде четырёх двоичных битов. 24 Рисунок 10 Если 8 бит (байт) — это общепринятая бинарная группа, двоичный код 00000000—11111111 может быть представлен в шестнадцатеричной системе исчисления в качестве диапазона 00–FF. Чтобы заполнить 8-битное представление, всегда отображаются ведущие нули. Например, двоичное значение 0000 1010 показано в шестнадцатеричной системе как 0A. Представление шестнадцатеричных значений Шестнадцатеричное значением, которое значение располагается обычно после представлено в (например, 0x73) 0x тексте или подстрочного индекса 16. В остальных, более редких случаях, за ним может располагаться H (например, 73H). Однако, поскольку подстрочный текст не распознаётся в командной строке или средах программирования, перед техническим представлением шестнадцатеричных значений стоит «0x» (нулевой Х). Так, приведённые выше примеры будут отображаться как 0x0A и 0x73 соответственно. Шестнадцатеричная система счисления используется для представления MAC-адресов Ethernet и IP-адресов версии 6. Шестнадцатеричные преобразования Числовые преобразования между десятичными и шестнадцатеричными значениями не вызывают затруднений, однако быстрое деление или умножение на 16 не всегда удобно. При необходимости такого преобразования обычно проще преобразовать десятичное или шестнадцатеричное значение в двоичное, а затем преобразовать двоичное значение либо в десятичное, либо шестнадцатеричное, по мере необходимости. Обладая определённым опытом, можно распознать шаблоны двоичных разрядов, совпадающих с десятичными и шестнадцатеричными значениями. На рисунке 11 такие шаблоны показаны для выбранных 8битных значений. 25 Рисунок 11 4.2 Представления MAC-адресов На узле Windows MAC-адрес адаптера Ethernet можно определить с помощью команды ipconfig /all. Обратите внимание — на рисунке 12 на дисплее отображается, что физический адрес (MAC-адрес) компьютера имеет вид 00-18-DE-C7-F3-FB. Если у вас есть соответствующие права доступа, вы можете выполнить эту операцию на своем компьютере. В зависимости от устройства и операционной системы вы увидите различные представления MAC-адресов, как показано на рисунке 13. Маршрутизаторы и коммутаторы Cisco используют форму XXXX.XXXX.XXXX, где X — это шестнадцатеричный символ. 26 Рисунок 12 Рисунок 13 4.3 MAC-адрес одноадресной рассылки В сети Ethernet разные MAC-адреса используются для одноадресной, многоадресной и широковещательной рассылки уровня 2. MAC-адрес одноадресной рассылки — это уникальный адрес, который используется при отправке кадра от одного передающего устройства к одному устройству назначения. В примере, приведённом на рисунке 14, узел с IP-адресом 192.168.1.5 (источник) запрашивает веб-страницу с сервера с IP-адресом 192.168.1.200. Для отправки и приёма одноадресного пакета в заголовке IP-пакета должен 27 указываться IP-адрес назначения. Кроме того, в заголовке кадра Ethernet должен присутствовать MAC-адрес назначения. IP-адрес и MAC-адрес — это данные для доставки пакета одному узлу. Рисунок 14 4.4 MAC-адрес широковещательной рассылки В пакете широковещательной рассылки содержится IP-адрес назначения, в узловой части которого присутствуют только единицы (1). Эта нумерация в адресе означает, что все узлы в локальной сети (домене широковещательной рассылки) получат и обработают пакет. Многие сетевые протоколы, в частности, DHCP и протокол разрешения адресов (ARP), используют широковещательные рассылки. Использование 28 широковещательных рассылок протоколом ARP для сопоставления адресов уровня 2 с уровнем 3 будет рассмотрено в этой главе немного позже. Как показано на рисунке 15, IP-адресу широковещательной рассылки требуется соответствующий MAC-адрес широковещательной рассылки в кадре Ethernet. В сетях Ethernet используется MAC-адрес широковещательной рассылки из 48 единиц, который в шестнадцатеричном формате выглядит как FF-FF-FF-FF-FF-FF. Рисунок 15 4.5 MAC-адрес многоадресной рассылки Адреса многоадресных рассылок позволяют исходному устройству рассылать пакет многоадресной группе группе, устройств. получают ее Устройства, IP-адрес. относящиеся Диапазон к адресов многоадресных рассылок IPv4 — от 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Поскольку адреса многоадресных рассылок соответствуют группам адресов (которые иногда называются группами узлов), они используются только как адресаты пакета. У источника всегда одноадресный адрес. 29 Адреса многоадресных рассылок используются, например, в играх с удалённым подключением, в которых участвуют несколько человек из разных мест. Кроме того, такие адреса используются при дистанционном обучении в режиме видеоконференции, когда несколько учащихся подключены к одному и тому же курсу. Как и в случае с адресами для одноадресной и широковещательной рассылки, IP-адресу для многоадресной рассылки требуется соответствующий MAC-адрес, чтобы фактически передавать кадры по локальной сети. MAC-адрес многоадресной рассылки — это особое значение, которое в шестнадцатеричном формате начинается с 01-00-5E. Остальная часть MAC-адреса многоадресной рассылки создаётся путем преобразования нижних 23 бит IP-адреса группы многоадресной рассылки в 6 шестнадцатеричных символов. Как показано на рисунке 16, в качестве примера используется шестнадцатеричный адрес многоадресной рассылки 01-00-5E-00-00-C8. 30 Рисунок 16 31