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Ethernet-Frame

Was ist der Ethernet-Frame?

Innerhalb eines Ethernet-Netzwerks tauschen Geräte untereinander Datenpakete aus. Zu den Inhalten dieser Pakete gehört auch der Ethernet-Frame. Dieser ist in mehrere Datensätze gegliedert. Die Datensätze bestehen aus einem Binärcode, der Informationen über Adressen, Nutzdaten, Steuerinformationen und Prüfsummen enthält. Während der Übertragung der Daten ist der Ethernet-Frame für die Regelsetzung und eine erfolgreiche Übermittlung zuständig. Ein Frame kann zwischen 64 Byte und 1518 Byte groß sein, abhängig von der Menge der zu übertragenden Daten.

Im OSI-Model befindet sich der Ethernet-Frame auf der Sicherungsebene. Diese ist für eine fehlerfreie Übertragung zuständig und trennt den Datenstrom in Frames auf. Die erste Version des Ethernet (Ethernet I) verwendete noch 16 Bit große Datenfelder ohne definierte Bytes. Modernere Frames wurden erstmals in der Ethernet-II-Struktur eingesetzt. Ab 1983 wurde Ethernet dann vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) als Standardprotokoll (IEEE 802.3) weiterentwickelt. Erst wurde es als IEEE 802.3raw bezeichnet.

Ethernet-Frame im Ethernet II

Ein Ethernet-Frame muss mindestens eine Größe von 63 Byte haben, damit die Kollisionserkennung greift und darf maximal 1.518 Byte groß sein. Das Datenpaket fängt immer mit einer Präambel an, die eine Synchronisation zwischen Sender und Empfänger herstellt und einem “Start Frame Delimiter” (SFD), welcher den Frame definiert. Im hauptsächlichen Frame befinden sich Informationen zur Ziel- und Quelladresse (MAC), Steuerinformationen (Type-Feld) und danach folgt der Datensatz. Die “Frame Check Sequence” (FCS) schließt den Frame dann mit einer Prüfsumme. Das Datenpaket wird von einem “Inter Frame Gap” abgeschlossen, der eine 9,6 Millisekunden lange Sendepause festlegt.

Ethernet II nutzt die klassische Framestruktur. Diese beinhaltet das Type-Field, mit dem verschiedene Protokolle auf der Vermittlungsschicht definiert werden. Im OSI-Modell dient die Vermittlungsschicht der Schaltung von Verbindung und der Bereitstellung von Netzwerkadressen. Das Type-Field wurde in darauffolgenden Frame-Formaten mit einer Längenangabe ersetzt. Obwohl der Ethernet-II-Frame bereits 1982 entwickelt wurde, ist er auch heute noch sehr beliebt, da er dem Datenfeld mit 1.500 Byte den meisten Platz einräumt.

Ethernet-Frame im Ethernet 802.3raw

Diese Version wurde von der Firma Novell entwickelt, bevor der Standard IEEE 802.3 definiert wurde. Unglücklicherweise nannte die Firma Novell ihre Version 802.3, was zu Verwechselungen geführt hat. Daher wurde später der Zusatz “raw” hinzugefügt. Im Vergleich zur Ethernet-II-Struktur ist hier für den SFD ein genaues Ende der Bitfolge definiert. Somit wird das Paket vom Empfänger als 802.3-Standard erkannt. Das Type-Field entfällt dafür und an dessen Stelle steht eine Längenangabe. Außerdem stehen vor den Daten immer 2 Byte, die aus Einsen bestehen. So kann ein “raw”-Frame von den anderen Frames des 802.3-Standards unterschieden werden.

Der IEEE 802.3raw-Frame ist allerdings nur im IPX-Protokoll nutzbar, da durch den Wegfall des Type-Fields auch die Protokollerkennung fehlt. Die Nutzung kann daher zu Kompatibilitätsproblemen zwischen den Geräten führen.

Ethernet-Frame im IEEE 802.3

Die standardisierte Version 802.03 ist mit bis zu 256 Protokollen kompatibel. Außerdem sind wichtige Protokollinformationen in einem Datenfeld integriert. Die Felder “Destination Service Access Point” (DSAP) und “Source Service Access Point ” (SSAP) wurden hinzugefügt. Das neu definierte Control-Feld enthält den Logical Link (LLC) des Protokolls. Das sichert die Transparenz der Verfahren zur Medienteilung. Zusätzlich werden Informationen über die Steuerung des Datenflusses gespeichert.

Ethernet 802.3 ist die am weitesten verbreitete LAN-Struktur. Es gibt jedoch Protokolle und Netzwerke, die mehr Platz für bestimmte Information voraussetzen. Dafür gibt es Varianten mit zusätzlichen Datenblöcken, wie die SNAP-Erweiterung und das VLAN-Tag.

Ethernet IEEE 802.3 SNAP

Das SNAP-Feld (Subnetwork Access Protocol) ermöglicht die Definition von mehr als 256 Protokollen. Dafür stehen 2 Byte für eine Protokollnummer bereit. Zusätzlich kann ein einzigartiger Identifier mit 3 Byte integriert werden. Außerdem ist SNAP auch Abwärtskompatibel zum Ethernet II. Durch den Zusatz der Protokollinformationen ist SNAP sehr vielseitig. Es ist möglich eine Kompatibilität zwischen vielen unterschiedlichen Protokollen herzustellen, die in einem Netzwerk arbeiten. Der Platz für die hauptsächlichen Daten ist dafür etwas geringer.

VLAN (802.1q) – Ethernet II- und IEEE 802.3- tagged

Ein getagter Ethernet-Frame enthält ein VLAN-Tag. Dies dient der Zuordnung zu einem Virtual Local Area Network (VLAN). Dieses trennt die Netzstruktur auf in eine logische- und eine physikalische Ebene. Dadurch lassen sich Teilnetze erstellen, ohne dass zusätzlich Hardware beschafft werden muss. Diese Teilnetze sind also virtuell. Damit ein Ethernet-Frame innerhalb eines VLAN identifiziert werden kann, ist das Tag-Feld notwendig. Physikalisch läuft das VLAN über Switches.

In der OSI-Struktur fungiert das VLAN auf dem Layer 2 (Sicherungsebene) und steuert die Datenflusskontrolle. Durch die Gliederung in Teilnetze können effizientere Netzwerke gebildet werden. Für die vom Switch verarbeiteten Informationen sind getaggte Frames zuständig. Im Ethernet II wird das Tag-Feld vor dem Type-Feld integriert und hat eine Größe von 4 Byte. Das erhöht auch die Mindestgröße des Ethernet-II-Frames um 4 Byte.

Im Standard IEEE 802.3 wird das Tag-Feld vor der Längenangabe integriert und hat ebenfalls eine Größe von 4 Byte, was die Mindestgröße des Frames auf 68 Byte anhebt.

Übersicht der Ethernet-Frame Bausteine

Start Frame Delimiter (SFD):

8 Byte – Synchronisiert den Empfänger und leitete den Frame ein

Zieladresse (MAC):

6 Byte – Hardware-Adresse des Ziels

Quelladresse (MAC):

6 Byte – Hardware-Adresse des Senders

Tag:

4 Byte – Optionales Tag für die Einbindung in VLAN-Netze (IEEE 802.1q)

Type:

2 Byte – Kennzeichnung der Layer 3 Protokolle im Ethernet II

Länge:

2 Byte – Längeninformationen des Datensatzes

Destination Service Access Point (DSAP):

1 Byte – Adresse des Dienstzugangspunkts

Source Service Access Point (SSAP):

1 Byte – Quelladresse des sendenden Endgeräts

Control:

1 Byte – Definiert den Logical Link (LLC)

SNAP:

5 Byte – Definiert den Organizationally Unique Identifer (OUI) des Herstellers und die Protokollnummer

Daten:

44 – 1.500 Byte – Enthält die zu übermittelnden Daten

Frame Check Sequence (FCS):

4 Byte – Berechnet mit einer Prüfsumme den kompletten Frame
Inter Frame Gap (IFS): Leitet eine Sendepause von 9,6 Millisekunden ein

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