Коммутация 2-го и 3-го уровней

Существуют два метода коммутации фреймов данных — коммутация 2-го уровня и коммутация 3-го уровня. Коммутация состоит в получении приходящего фрейма на одном интерфейсе и отправке его через другой интерфейс. Для отправки пакета мар­шрутизаторы используют коммутацию 3-го уровня, в то время как коммутаторы ис­пользуют для этого коммутацию 2-го уровня.

Различие между коммутацией 2-го и 3-го уровней состоит в типе информации, со­держащейся внутри фрейма и используемой для определения нужного выходного ин­терфейса. При коммутации 2-го уровня фреймы коммутируются на основе МАС-адресов, а при коммутации 3-го уровня фреймы коммутируются на основе информа­ции сетевого уровня.

В отличие от коммутации 3-го уровня, коммутация 2-го уровня не использует содер­жащуюся в пакете информацию сетевого уровня, а использует МАС-адрес пункта назначения, содержащийся внутри фрейма. Если он известен, то информация посылается по МАС-адресу пункта назначения. Коммутация 2-го уровня создает и поддерживает таблицу коммутации, в которой фиксируются МАС-адреса каждого порта или интерфейса.

Если коммутатору 2-го уровня не известен МАС-адрес пункта назначения, то про­изводится широковещательная рассылка фрейма по всем портам сети для выяснения этого адреса. Если в результате такой рассылки фрейм достигает пункта назначения, то соответствующее устройство отсылает его обратно с указанием своего МАС-адреса, который добавляется коммутатором в его таблицу коммутации.

Адреса 2-го уровня задается производителем коммуникационного устройства. Эти уникальные адреса состоят из двух частей — кода производителя (manufacturing code, MFG) и уникального идентификатора. Каждому производителю его MFG-код назна­чается Институтом инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE). Уникальный идентификатор устройства задается про­изводителем. Во всех сетях, кроме сетей системной сетевой архитектуры (Systems Network Architecture, SNA), пользователь не имеет или имеет мало возможностей вли­ять на адресацию 2-го уровня, потому что адреса 2-го уровня для конкретного устрой­ства являются фиксированными, в то время как адреса 3-го уровня могут быть изме­нены. Адреса 2-го уровня образуют плоское (с отсутствием иерархии) адресное про­странство, в котором каждый адрес уникален.

МАС-адресация

МАС-адреса в сети Ethernet используются для уникальной идентификации от­дельных устройств. Каждое устройство (ПК, маршрутизатор, коммутатор и т.д.), имеющее Ethernet-интерфейс к сети LAN, должно иметь МАС-адрес, в противном случае другие устройства не смогут обмениваться с ним данными. МАС-адрес имеет длину 48 битов и записывается в виде 12-ти шестнадцатеричных цифр. Первые шесть шестнадцатеричных цифр, задаваемых IEEE, идентифицируют производите­ля или продавца устройства и, таким образом, включают в себя уникальный иденти­фикатор организации (Organizationally Unique Identifier — OUT). Остальные шесть ше­стнадцатеричных цифр включают в себя серийный номер интерфейса или другое значение, задаваемое конкретным производителем. МАС-адреса иногда называют прошитыми (Burned-In Address — BIA), поскольку они записаны в постоянной па­мяти (Read-Only Memory — ROM) интерфейса или устройства и копируются в опе­ративную память (Random-Access Memory — RAM) при инициализации сетевого адаптера NIC. На рис. показан формат МАС-адреса.

Рис. 10.

 

Без МАС-адресов сеть LAN представляла бы собой лишь группу изолированных компьютеров, и доставка Ethernet-фреймов была бы невозможной. Вследствие этого на канальном уровне к данным верхних уровней добавляются заголовок (header), со­держащий МАС-адрес устройства, и концевик (trailer). Заголовок и концевик содержат

управляющую информацию, предназначенную для канального уровня устройства, которому направляется фрейм. Данные верхних уровней инкапсулируются в заголо­вок и концевик канального уровня.

LAN-сети спецификаций Ethernet и 802.3 являются широковещательными. Это означает, что все станции сети видят все проходящие по сети фреймы, и каждая станция должна исследовать каждый фрейм, для того чтобы выяснить, не является ли она требуемым пунктом назначения этого фрейма.

В сети Ethernet в случае, когда устройству требуется отправить данные другому устройству, оно может открыть маршрут коммуникации к другому устройству, ис­пользуя свой МАС-адрес. Когда устройство-отправитель посылает данные в сеть, эти данные включают в себя МАС-адрес требуемого пункта назначения. По мере того, как эти данные перемещаются по сетевой среде, адаптер NIC каждого устрой­ства, к которому они поступают, проверяет, не совпадает ли его МАС-адрес с адре­сом пункта назначения, содержащимся во фрейме данных. Если такого соответствия нет, то адаптер отбрасывает этот фрейм. Если же такое соответствие имеется, то адаптер NIC проверяет адрес получателя в заголовке фрейма, для того чтобы удосто­вериться в правильности адресации пакета. При поступлении данных на требуемую станцию ее адаптер делает их копию, удаляет заголовок и концевик и передает их компьютеру для обработки протоколами более высокого уровня, такими, как IP и TCP.

 

Формат кадра Ethernet

 

Рис. 11

 

На рис. 11 показан формат кадра Ethernet. Поля имеют следующие назначения:

• Преамбула: 7 байт, каждый из которых представляет чередование единиц и нулей 10101010. Преамбула позволяет установить битовую синхронизацию на приемной сто­роне.

• Ограничитель начала кадра (SFD, start frame delimiter): 1 байт, последовательность 10101011, указывает, что далее последуют информационные поля кадра. Этот байт можно относить к преамбуле.

• Адрес назначения (DA, destination address): 6 байт, указывает МАС-адрес станции (МАС-адреса станций), для которой (которых) предназначен этот кадр. Это может быть един­ственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещатель­ный адрес (broadcast).

• Адрес отправителя (SA, source address): 6 байт, указывает МАС-адрес станции, которая посылает кадр.

• Поле типа или длины кадра (Т or L, type or length): 2 байта. Существуют два базовых формата кадра Ethernet (в английской терминологии raw formats - сырые форматы) – Ethernet II и IEEE 802.3 (рис. 6), причем различное назначение у них имеет именно рассматриваемое поле. Для кадра Ethernet II в этом поле содержится информация о ти­пе кадра. Ниже приведены значения в шестнадцатеричной системе этого поля для неко­торых распространенных сетевых протоколов: 0x0800 для IP, 0x0806 для ARP, 0х809В для AppleTalk, 0x0600 для XNS, и 0x8137 для IPX/SPX. С указанием в этом поле конкрет­ного значения (одного из перечисленных) кадр приобретает реальный формат, и в та­ком формате кадр уже может распространяться по сети [1].

Для кадра IEEE 802.3 в этом поле содержится выраженный в байтах размер следующего поля - поля данных (LLC Data). Если эта цифра приводит к общей длине кадра меньше 64 байт, то за полем LLC Data добавляется поле Pad. Для протокола более высокого уровня не возникает путаницы с определением типа кадра, так как для кадра IEEE 802.3 значение этого поля не может быть больше 1500 (0x05DC). Поэтому, в одной сети могут свободно сосуществовать оба формата кадров, более того, один сетевой адаптер мо­жет взаимодействовать с обоими типами посредством стека протоколов.

• Данные (LLC Data): поле данных, которое обрабатывается подуровнем LLC. Сам по себе кадр IEEE 802.3 еще не окончательный. В зависимости от значений первых нескольких байт этого поля, могут быть три окончательных формата этого кадра IEEE 802.3.

• Дополнительное поле (pad - наполнитель) - заполняется только в том случае, когда по­ле данных невелико, с целью удлинения длины кадра до минимального размера 64 бай­та - преамбула не учитывается. Ограничение снизу на минимальную длину кадра необ­ходимо для правильного разрешения коллизий.

• Контрольная последовательность кадра (FCS, frame check sequence): 4-байтовое поле, в котором указывается контрольная сумма, вычисленная с использованием циклического избыточного кода по полям кадра, за исключением преамбул SDF и FCS.