Канальный уровень сетевой модели OSI

5.2. Форматы кадров канального уровня

В локальных и глобальных сетях на канальном уровне используются различные протоколы и различные форматы кадров. В локальных сетях основным протоколом канального уровня является Ethernet и совместимые с ним. В глобальных соединениях "точка-точка" наиболее распространенным является протокол Point-to-Point Protocol - PPP. В беспроводных сетях технологий 802.11 используется метод множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением (избежанием) коллизий (CSMA/CA).

Формат кадра Ethernet

Формат кадров канального уровня практически одинаков для всех Ethernet совместимых технологий. Технология Ethernet предусматривает кадры четырех форматов, которые незначительно отличаются друг от друга. Один из форматов кадра (802.3) подуровня МАС приведен на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Формат кадра 802.3 подуровня МАС

Разделитель кадров, позволяющий определить начало кадра и обеспечить синхронизацию между передатчиком и приемником, представлен преамбулой и начальным ограничителем кадра (Start of Frame Delimiter - SFD). Преамбула кадра состоит из семи байт 10101010, необходимых для вхождения приемника в режим синхронизации. Начальный ограничитель - 10101011 отмечает начало кадра. В некоторых форматах все 8 байт, которые перечислены, называются преамбулой.

Формат кадра включает поля физических адресов узла назначения (DA - Destination Address) и узла источника (SA - Source Address). В технологиях Ethernet физические адреса получили название МАС-адресов. МАС-адреса содержат 48 двоичных разрядов и отображаются в шестнадцатеричной системе одной из следующих форм: 00-19-D1-93-7E-BC, 00:19:D1:93:7E:BC, 0019.D193.7EBC. МАС-адреса являются "плоскими" не иерархическими.

В локальных сетях адресация сообщений производится на основе МАС-адресов, которые "прошиты" в ПЗУ сетевых карт конечных узлов и на интерфейсах сетевых элементов. При запуске компьютера МАС-адрес из ПЗУ копируется в оперативную память ОЗУ. В современной аппаратуре программаторы позволяют изменять МАС-адреса, что снижает эффективность фильтрации трафика на основе МАС-адресов, т.е. снижает информационную безопасность.

Адрес, состоящий из всех единиц FF-FF-FF-FF-FF-FF, является широковещательным адресом (broadcast), когда передаваемая в кадре информация предназначена всем узлам локальной сети.

Младшие 24 разряда МАС-адреса (6 шестнадцатеричных разрядов) задают уникальный номер оборудования, например, номер сетевой карты. Старшие 24 разряда физического МАС-адреса, называемые уникальным идентификатором организации (OUI), присваиваются производителю оборудования институтом IEEE. Израсходовав все МАС-адреса, задаваемые младшими 24 разрядами, производитель оборудования должен получить новый идентификатор OUI от IEEE. Несмотря на то, что в МАС-адресе выделена старшая и младшая части, он считается, в отличие от IP-адреса, плоским (не иерархическим).

Поле L ( рис. 5.3) определяет длину поля данных Data, которое может быть от 46 до 1500 байт. Если поле данных меньше 46 байт, то оно дополняется до 46 байт.

В настоящее время часто используется формат кадра стандарта Ethernet-II, в котором вместо поля L задается поле типа Т, где указан протокол сетевого уровня. Например, при использовании на сетевом уровне протокола IPv4 шестнадцатеричное значение поля Т будет 0?0800. В случае передачи кадра протокола ARP значение поля Т - 0?0806. Остальные поля кадра Ethernet-II идентичны кадру стандарта 802.3.

Поле контрольной суммы (FCS - Frame Check Sequence) длиной в 4 байта позволяет определить наличие ошибок в полученном кадре, за счет использования алгоритма проверки на основе циклического кода CRC.

Таким образом, минимальный размер кадра с учетом адресного поля (12 байт), поля L/T (2 байта) и поля контрольной суммы FCS (4 байта) составляет 64 байта, а максимальный размер - 1518 байт. С учетом преамбулы минимальный размер кадра - 72 байта.

При использовании широко известных технологий виртуальных локальных сетей (Virtual Local Area Network - VLAN) в формате кадра необходимо задать изменения, определяемые протоколом 802.1Q: идентификатор VLAN (12 бит), индикатор формата (1 бит), приоритет (3 бита) и идентификатор протокола (2 байта), итого 4 дополнительных байта. Поэтому максимальный размер кадра, определяемый стандартом IEEE 802.3ac, составляет 1522 байта. Дополнительные 4 байта заголовка вставляются между полем адреса источника и полем L/T ( рис. 5.4).

Рис. 5.4. Формат кадра VLAN (802.3ac)

Когда сетевое устройство принимает кадр, размер которого меньше минимального или больше максимального, то устройство отбрасывает такой кадр, поскольку считает, что кадр искажен в результате коллизии или воздействия помех.

Формат кадра протокола "точка-точка" РРР

Для связи между двумя узлами в сетях широко используется протокол "точка-точка" (Point-to-Point Protocol - РРР), формат кадра которого приведен на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Формат кадра протокола РРР

Кадр начинается с флага 01111110. Поскольку сеть ограничена двумя узлами, то в кадре задается широковещательный адрес узла назначения 11111111 размером в 1 байт, поскольку в двухточечном соединении кадр, переданный одним узлом, в любом случае попадет на другой узел. По этой же причине не задается адрес узла-источника. В поле управления длиной 1 байт задан код 00000011. Поле протокола длиной в 2 байта идентифицирует протокол вышележащего уровня. Поле данных содержит пакет, определенный в поле протокола. Поле контрольной суммы (FCS) длиной 2 или 4 байта позволяет обнаруживать ошибки в полученном кадре.

Короткий заголовок кадра РРР позволяет эффективно использовать пропускную способность канала. Протокол РРР позволяет производить аутентификацию узлов, обменивающихся данными. Протокол РРР широко используется как в локальных, так и в глобальных сетях.

Формат кадра беспроводной локальной сети

В технологиях беспроводных сетей стандарта 802.11, называемых также Wi-Fi (Wireless Fidelity),используется формат кадра, изображенный на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Формат кадра стандарта 802.11

Также как в сетях Ethernet в сетях Wi-Fi на уровне управления логическим каналом LLC используется протокол 802.2. В формате кадра используются МАС-адрес назначения DA и МАС-адрес источника SA по 48 двоичных разряда. Концевик кадра содержит контрольную сумму FCS для проверки принятого кадра на наличие ошибок.

Обмен сообщениями в сетях Wi-Fi обычно производится через промежуточные устройства (беспроводные точки доступа). Поэтому в формате кадра 802.11 дополнительно предусмотрены:

• поле адреса приемника (Receiver Address - RA), которое содержит МАС-адрес беспроводного устройства, являющегося непосредственным получателем кадра;
• поле адреса передатчика (Transmitter Address - TA), которое содержит МАС-адрес беспроводного устройства, передавшего кадр.

Поле управления кадром содержит информацию о версии протокола, типе кадра (контроль, управление, данные), о наличии дополнительных фрагментов кадров, о шифровании данных, и другую информацию.

Поле Длительность/Идентификатор используется по-разному, в зависимости от типа кадра. В этом поле указывается либо время, требуемое для передачи кадра, либо идентификатор станции, передавшей кадр.

Поле управления последовательностью размером в 2 байта состоит из двух частей: первые 4 бита задают номер фрагмента кадра; оставшиеся 12 бит задают номер последовательности, который был присвоен кадру.

В кадрах могут передаваться данные (пакет IP) или служебная информация, размещаемые в поле основного текста кадра (Frame Body).