Ethernet ramformat

För att nätverk ska kunna kommunicera på ett tillförlitligt sätt måste data organiseras i en tydlig struktur innan det överförs. På datalänksnivå sker detta genom att information från nätverksskiktet kapslas in i Ethernet-ramar.

Det finns flera standarder för Ethernet-ramar, där de mest använda är Ethernet II och IEEE 802.3. Båda fyller samma syfte, men skiljer sig åt i vissa detaljer, bland annat hur de tolkar fältet för Length/Type.

Förståelsen för dessa ramstandarder är viktig eftersom de används parallellt i dagens nätverk och ligger till grund för hur adressering, synkronisering och feldetektering hanteras på Datalänkskiktet.

Ethernet ramar

Ethernet bygger ramar genom att lägga en header och en trailer runt en PDU från Nätverkskiktet (t.ex. ett IPv4-paket). Både headern och trailern innehåller fält med styrinformation som används av Ethernet-protokollet.

Det finns två typer av inramning för Ethernet:

  • DIX Ethernet (den ursprungliga standarden, idag kallad Ethernet II)
  • IEEE 802.3 (som har uppdaterats flera gånger för att inkludera nya nätverksteknologier)

Skillnaderna mellan dessa två standarder är små. Den mest betydelsefulla är att IEEE 802.3 standarden införde ett Start Frame Delimiter (SFD), ibland även omnämnt som Start of Frame (SOF), och att fältet Type i Ethernet II även kunde användas som Length i 802.3. Detta illustreras i figuren nedan.

Ethernet-ramens fält:

  • Preamble och Start Frame Delimiter (SFD eller SOF) – Används för synkronisering mellan sändande och mottagande enheter. Dessa 8 byte används för att väcka mottagaren och signalera att en ny ram är på väg.
  • Destination MAC Address – Identifierar mottagaren. Adressen används på lager 2.
  • Source MAC Address – Identifierar den sändande enhetens nätverkskort (NIC).
  • Length/Type – Detta fält kan tolkas på två olika sätt:
    • Om värdet är ≤1500 (0x05DC) används det som Length för att ange datadelens storlek (IEEE 802.3).
    • Om värdet är ≥1536 (0x0600) används det som en Type-indikator som anger vilket protokoll som är inkapslat i ramen, t.ex. IPv4 eller IPv6 (Ethernet II).
  • Data – Innehåller den inkapslade PDU:n från ett högre skikt, exempelvis ett IPv4-paket. Om datan är mindre än 46 byte används padding för att fylla ut ramen till minimistorleken.
  • Frame Check Sequence (FCS) – Används för feldetektering. Ethernet använder en CRC (Cyclic Redundancy Check) som jämför avsändarens och mottagarens CRC-värden. Om de inte matchar kasseras ramen, eftersom det indikerar att data har skadats under transmissionen (t.ex. av elektriska störningar).

Observera:

  • Length/Type är alltså samma fält i ramen, men mottagaren avgör tolkningen genom att kontrollera värdet. Om det används som Type följer ramen Ethernet II-formatet.
  • Dessa två användningsområden kombinerades officiellt år 1997 i IEEE 802.3-standarden, eftersom båda var etablerade i praktiken. När en nod tar emot en ram måste den därför alltid undersöka fältets värde för att avgöra om det ska tolkas som Length (IEEE 802.3) eller Type (Ethernet II).

Ethernet ramstorlek

Både Ethernet II och IEEE 802.3 definierar:

  • Minsta ramstorlek: 64 byte (6 + 6 + 2 + 46 + 4)
  • Största ramstorlek: 1518 byte (6 + 6 + 2 + 1500 + 4)

Storleks angivelsen räknas från Destination MAC-fältet till och med FCS-fältet. Preamble och Start Frame Delimiter räknas inte in i ramstorleken.

År 1998 infördes standarden IEEE 802.3ac, som ökade den maximala ramstorleken till 1522 byte. Denna utökning gjordes för att stödja VLAN-taggar (802.1Q), som lägger till 4 byte i ramen.

Ogiltiga ramar

En Ethernet-ram består av en header på 18 byte (Destination MAC 6 + Source MAC 6 + Type/Length 2 + FCS 4) och minst 46 byte data, vilket tillsammans utgör den minsta tillåtna storleken på 64 byte.

Om en mottagen ram är kortare än 64 byte eller större än den maximalt tillåtna storleken betraktas den som ogiltig och kasseras. Sådana ramar kallas:

  • Runts – ramar kortare än 64 byte (för små). Dessa uppstår ofta vid kollisionsproblem eller på grund av felaktig hårdvara.
  • Giants – ramar större än den tillåtna maxstorleken (för stora).

Jumbo frames och liknande varianter

I moderna nätverk förekommer även så kallade jumbo frames, som inte är en officiell IEEE-standard men ofta stöds av switchar, routrar och nätverkskort. Jumbo frames kan vara upp till cirka 9000 byte, ibland ännu större beroende på leverantör. De används främst i datacenter och nätverk med stora lagringskapacitet (t.ex. iSCSI eller SAN), där stora datamängder överförs. Fördelen är minskad overhead per byte, vilket gör överföringen mer effektiv.

Förutom jumbo frames förekommer även Baby giants – ramar som är något större än den standardiserade maxstorleken (1518 byte eller 1522 byte med VLAN). De kan vara upp till runt 1600 byte och uppstår exempelvis vid tunnling eller extra etiketter/taggar.