Frame Ethernet: definizione e varianti del formato frame

In una rete Ethernet, i dispositivi condividono pacchetti di dati, noti anche come pacchetti Ethernet. Essi contengono tra le altre cose il frame Ethernet, che a sua volta è suddiviso in diversi set di dati. Questi record sono costituiti da un codice binario, che fornisce informazioni importanti quali indirizzi, informazioni di controllo e checksum.

A seconda dello standard Ethernet, i frame Ethernet sono strutturati in modo diverso e possono contenere più o meno campi di dati, in base al protocollo di rete.

Definizione

Quando si trasmettono dati via Ethernet il frame Ethernet è il principale responsabile della corretta regolamentazione e trasmissione efficace dei pacchetti di dati. I dati inviati via Ethernet sono trasportati per così dire dal frame. Un frame Ethernet è compreso tra 64 e 1518 byte, in relazione alla dimensione dei dati da trasportare.

Nel modello OSI il frame si trova sul livello di collegamento responsabile della trasmissione senza errori e separa il flusso di bit in blocchi o frame. La prima versione di Ethernet (Ethernet I) era ancora basata su campi di dati a 16 bit senza byte definiti. I moderni frame Ethernet sono stati utilizzati per la prima volta nella cosiddetta struttura Ethernet II prima che Ethernet venisse ulteriormente sviluppata dall’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) nel protocollo IEEE 802.3 standard del 1983 (prima IEEE 802.3raw).

Per quanto riguarda i progressi tecnici, la struttura del frame è stata adattata più volte in modo che i frame potessero contenere dati di informazioni più definiti. Pertanto nel formato IEEE 802.3 il frame MAC di base e il frame SNAP sono stati creati per il metodo multiplex e per i dati di identificazione relativi al produttore. Per lo sviluppo della VLAN il frame Ethernet II e il frame IEEE 802.3 Ethernet sono stati sviluppati come varianti “tagged”, il che significa che dispongono di uno speciale tag. Esso contiene dati di controllo che possono assegnare il frame a una VLAN specifica.

Ethernet II

Un frame Ethernet deve avere di default una dimensione di almeno 64 byte per consentire un rilevamento delle collisioni e può avere un massimo di 1.518 byte. Il pacchetto inizia sempre con un preambolo che controlla la sincronizzazione tra mittente e ricevente e uno “Start Frame Delimiter” (SFD) che definisce il frame. Entrambe le informazioni sono una sequenza di bit nel formato 10101010…

Nel frame relativo ci sono informazioni sugli indirizzi di destinazione e della sorgente (formato MAC) e informazioni di controllo (nel caso di Ethernet II il campo “Tipo”, in seguito una specifica della lunghezza), seguiti dal record di dati da trasmettere. Una “Frame Check Sequence” (FCS) chiude l’intero frame come checksum (tranne il preambolo e l’SFD). Il pacchetto è completato da un “Inter Frame Gap” che imposta una pausa di trasmissione di 9,6 µs.

Ethernet II utilizza la classica struttura del frame, che include il cosiddetto campo “type” (tipo), che definisce vari protocolli del livello di rete. Nel modello OSI il livello di rete è importante per la connessione e la fornitura di indirizzi di rete. Il campo “tipo” è stato sostituito da una specifica di lunghezza nei formati frame successivi.

N.B.

Nel campo “tipo”, Ethernet II determina i protocolli di commutazione utilizzati. Ciò è importante per segmentare il flusso di dati e prevenire gli inceppamenti dei dati stessi.

Il frame Ethernet II è stato definito nel 1982 e costituisce la base per i frame sviluppati successivamente. Tuttavia il formato gode ancora di grande popolarità, soprattutto perché offre il maggiore spazio al campo dati effettivo (fino a 1.500 byte).

Ethernet 802.3raw

Questa versione grezza del pacchetto 802.3 è stata messa in evidenza dall’azienda Novell prima della diffusione dello standard IEEE 802.3 insieme al popolare protocollo IPX/SPX e lo ha chiamato sfortunatamente “Ethernet 802.3”, con conseguente frequente confusione con lo standard IEEE. Pertanto Novell ha aggiunto “raw”.

A differenza del classico modello Ethernet II, questo frame definisce per la prima volta una fine esatta della sequenza di bit per l’SFD. In questo modo il destinatario identifica il pacchetto di dati come standard 802.3. A tale scopo il campo del tipo viene omesso e al suo posto compare l’indicazione della lunghezza. Pertanto questo tipo di frame non contiene alcun identificatore di protocollo, in quanto è comunque utilizzabile solo per IPX di Novell. Inoltre i dati da trasmettere sono prefissati sempre a 2 byte, che consistono sempre di unità. Questo è l’unico modo per distinguere un frame “raw” da altri frame della famiglia 802.3.

Il frame IEEE 802.3raw può essere utilizzato solo per il protocollo IPX poiché manca l’ID del protocollo del campo di tipo. Anche il nome “IEEE 802.3raw” è leggermente fuorviante perché Novell ha utilizzato il nome del protocollo senza coinvolgere l’IEEE nello sviluppo del frame. L’uso di questo frame significa lavoro extra per l’utente, poiché possono verificarsi problemi di compatibilità tra i dispositivi. Novell raccomanda sin dal 1993 per il suo NetWare il formato “Ethernet 802.2”, dietro al quale non si nasconde nient’altro che il menzionato frame IEEE 802.3 (si voleva evitare il rischio di fare confusione con il frame “raw”). Inoltre, Novel supporta ora anche lo standard IEEE 802.3 ufficiale.

Ethernet IEEE 802.3

Questa versione standardizzata dei frame Ethernet 802.3 può a propria volta definire fino a 256 protocolli compatibili. Inoltre, importanti informazioni sul protocollo sono ora integrati nel campo dati. Inoltre sono compresi i campi “Destination Service Access Point” (DSAP) e “Source Service Access Point” (SSAP). Il nuovo campo di controllo definisce il “Logical Link” (LLC) del protocollo. Questo punto garantisce la trasparenza dei processi di condivisione dei media. Inoltre qui vengono salvate, tra le altre cose, le informazioni sul controllo del flusso di dati.

Ethernet IEEE 802.3 è oggi la struttura di frame LAN di gran lunga più amata e più ampiamente utilizzata. Tuttavia alcune reti e protocolli richiedono più spazio per informazioni specifiche. Pertanto esistono varianti del frame IEEE 802.3 che forniscono blocchi di dati aggiuntivi per informazioni specifiche, tra cui l’estensione SNAP e il tag VLAN.

Ethernet IEEE 802.3 SNAP

Il campo SNAP (Subnetwork Access Protocol) è utile per definire più di 256 protocolli. Per questo vengono forniti 2 byte per il numero di protocollo. Inoltre il produttore può integrare un identificativo univoco (3 byte). A differenza dei suoi predecessori, SNAP garantisce anche la retrocompatibilità con Ethernet II. DSAP, SSAP e Control vengono qui definiti rigorosamente.

Con lo spazio appena aggiunto per le informazioni sul protocollo, IEEE 802.3 SNAP è estremamente versatile e consente la compatibilità tra molti protocolli diversi in una rete, ma lo spazio per i dati effettivi è leggermente inferiore.

VLAN 802.1q – Ethernet II Tagged e IEEE 802.3 Tagged

I frame contrassegnati contengono un cosiddetto tag VLAN per consentire loro di essere assegnati a un Virtual Local Area Network(VLAN). La VLAN separa la struttura della rete in livelli fisici e logici. Ciò significa che le VLAN possono essere utilizzate per implementare sottoreti senza dover installare hardware aggiuntivi: la sottorete è quindi virtuale e non realizzata fisicamente. Identificare i frame Ethernet all’interno di una VLAN richiede il campo “tag”. A livello fisico le VLAN funzionano attraverso gli switch.

Nel modello a strati OSI la VLAN opera sul livello di collegamento dati (livello 2) e gestisce in questo modo il controllo del flusso di dati. Con la VLAN è possibile creare reti più efficienti dividendo una rete in sottoreti. Delle informazioni gestite dallo switch sono responsabili i frame taggati. Nel frame Ethernet II il campo “Tag” è implementato prima del campo “Type” e occupa 4 byte. Ciò aumenta anche la dimensione minima del frame Ethernet di 4 byte.

Naturalmente i tag VLAN possono essere installati nel più diffuso formato di frame IEEE 802.3. in questo frame il campo “Tag” è implementato con una dimensione di 4 byte prima della specifica della lunghezza. La dimensione minima del frame aumenta di 4 byte fino a 68 byte.

In sintesi: componenti dei frame Ethernet

Componente Dimensioni Funzione/i
(PreamboloStart Frame Delimiter (SFD)) (8 byte) Sincronizzazione dei riceventiSequenza di bit che avvia il frame
Indirizzo di destinazione (MAC) 6 byte Indirizzo hardware della scheda di rete di destinazione
Indirizzo sorgente (MAC) 6 byte Indirizzo hardware della scheda di rete di origine
Tag 4 byte Tag VLAN opzionale per l’integrazione in reti VLAN (IEEE 802.1q)
Tipo 2 byte Ethernet II: etichettatura dei protocolli di livello 3
Lunghezza 2 byte Informazioni sulla lunghezza del record
Destination Service Access Point (DSAP) 1 byte Indirizzo individuale del punto di accesso al servizio indirizzato
Source Service Access Point (SSAP) 1 byte Indirizzo sorgente del dispositivo di invio
Controllo 1 byte Definisce il frame LLC (Logical Link)
SNAP 5 byte Campo per la definizione dell’Organizationally Unique Identifier (OUI) del produttore e del numero di protocollo (come “type”)
Dati 44–1.500 byte (limiti dipendono dalla struttura del frame) Dati da trasmettere
Frame Check Sequence (FCS) 4 byte Checksum che calcola l’intero frame
(Inter Frame Gap (IFS)) - Interruzione di trasmissione di 9,6 µs

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