Cosa è un Frame Ethernet? Come è composto?
Ethernet Frame e CSMA/CD.
Un “Fame Ethernet” è un pacchetto di dati che viene utilizzato per trasmettere informazioni all’interno di una rete Ethernet. Immaginalo come una busta che contiene dati da inviare a un altro dispositivo sulla stessa rete. Ma cosa contiene un classico Frame Ethernet ?
Preambolo e start-of-frame (SoF)
Il preambolo è usato per portare il serializzatore/deserializzatore ricevente alla velocità ottimale e bloccarlo sulla tempistica dei bit del frame ricevuto. Nella maggior parte dei casi oggi, questo può essere fatto con un solo byte lasciando altri sei byte disponibili per trasferire le informazioni proprietarie dell’utente tra gli switch. Un byte SoF è usato per segnalare l’inizio del frame.
Il campo preambolo è un campo di 7 ottetti (o 7 byte) che è usato per permettere al circuito PLS di raggiungere la sua sincronizzazione stabile con la tempistica del frame ricevuto. Il campo delimitatore di inizio frame è la sequenza 10101011. Segue immediatamente lo schema del preambolo e indica l’inizio di un frame.
Il campo sequenza di controllo del frame contiene un valore di controllo di ridondanza ciclica (CRC) di 4 ottetti (32 bit). Questo valore è calcolato in funzione del contenuto dell’indirizzo sorgente, indirizzo destinazione, tipo e dati.
Un frame Ethernet non valido è definito come uno che soddisfa almeno una delle seguenti condizioni:
(i) il frame non ha un numero intero di ottetti di lunghezza;
(ii) i bit di un frame in arrivo (escluso il campo FCS stesso) non generano un valore CRC identico a quello ricevuto;
(iii) la lunghezza del frame è più corta della dimensione minima del frame.
Indirizzo MAC (Media Access Control) di destinazione
Ogni endpoint nella rete Ethernet ha un indirizzo chiamato indirizzo MAC. L’indirizzo MAC di destinazione è usato dagli switch Ethernet per determinare come inoltrare i pacchetti attraverso la rete.
Indirizzo MAC sorgente nel Frame Ethernet
L’indirizzo MAC sorgente è anche inviato in ogni intestazione di frame che è usato per supportare l’apprendimento degli indirizzi nello switch. Per esempio, quando un nuovo endpoint si unisce alla rete, può iniettare un frame con un MAC di designazione sconosciuta. Ogni switch trasmetterà poi questo frame su tutte le porte. Guardando l’indirizzo sorgente MAC e il numero di porta su cui il frame è arrivato, lo switch può imparare dove inviare i futuri frame destinati a questo nuovo indirizzo MAC.
Virtual local area network tag (opzionale)
Le VLAN sono state inizialmente sviluppate per permettere alle aziende di creare più reti virtuali all’interno di una rete fisica al fine di affrontare questioni come la sicurezza, la scalabilità della rete e la gestione della rete. Per esempio, il dipartimento di contabilità potrebbe voler avere una VLAN diversa dal dipartimento di ingegneria in modo che i pacchetti rimangano nel proprio dominio VLAN all’interno della rete fisica più grande. Il tag VLAN è di 12 bit, e fornisce fino a 4096 diverse LAN virtuali. Contiene anche informazioni sulla priorità del frame. Forniremo maggiori informazioni sul tag VLAN .
Ethertype
Questo campo può essere usato per fornire la dimensione del carico utile o il tipo di carico utile.
Payload
Il payload è il dato che viene trasportato dalla sorgente alla destinazione. In molti casi, il payload è un frame di livello 3 come un frame TCP/IP.
CRC (sequenza di controllo del frame)
Ogni frame può essere controllato per i dati corrotti usando un CRC.
Key : Frame Ethernet
CSMA/CD
L’algoritmo CSMA p-persistente prende un approccio moderato tra CSMA non-persistente e 1-persistente.
L’algoritmo genera un valore (P), ovvero la probabilità di trasmissione dopo aver rilevato che il mezzo è inattivo.
La stazione controlla prima se il mezzo è inattivo, trasmette un frame con la probabilità P se è inattivo, e ritarda un’unità di tempo del massimo ritardo di propagazione con 1-P. Se il mezzo è occupato, la stazione continua ad ascoltare finché il canale è inattivo e ripete la stessa procedura quando il mezzo è inattivo. In generale, al carico più pesante, diminuire P ridurrebbe il numero di collisioni. Con un carico più leggero, aumentando P si eviterebbe il ritardo e si migliorerebbe l’utilizzo. Il valore di P può essere regolato dinamicamente in base al carico di traffico della rete.
CSMA/CD è il risultato dell’evoluzione di questi protocolli precedenti e l’aggiunta di due capacità ai protocolli CSMA. La prima capacità è l’ascolto durante la trasmissione; la seconda è la trasmissione della dimensione minima del frame per garantire che il tempo di trasmissione sia più lungo del ritardo di propagazione in modo che lo stato della trasmissione possa essere determinato. CSMA/CD rileva una collisione ed evita la trasmissione inutilizzabile di frame danneggiati.
Come funziona CSMA/CD ?
(1) Se il mezzo trasmissivo è inattivo, il frame viene trasmesso.
(2) Il mezzo viene ascoltato durante la trasmissione; se viene rilevata una collisione, viene inviato uno speciale segnale di disturbo per informare tutte le stazioni delle collisioni.
(3) Dopo un periodo di tempo casuale (back-off), c’è un tentativo di trasmissione con 1-persistente CSMA.
L’algoritmo di back-off utilizza il ritardo da 0 a 2 unità di tempo per i primi 11 tentativi e da 0 a 1023 unità di tempo per 12 a 16 tentativi.
La stazione trasmittente si arrende quando raggiunge il 16° tentativo.
Questo è l’algoritmo “sleal”e last-in first-out e richiede l’imposizione della dimensione minima del frame allo scopo di rilevare le collisioni. In linea di principio, la dimensione minima del frame è basata sul ritardo di propagazione del segnale sulla rete ed è diversa tra le reti a banda base e quelle a banda larga.
La rete a banda base utilizza la segnalazione digitale, e c’è solo un canale usato per la trasmissione, mentre la rete a banda larga utilizza la segnalazione analogica, e può avere più di un canale. Un canale è usato per la trasmissione, e un altro canale può essere usato per la ricezione. La rete a banda base ha due volte il ritardo di propagazione tra le stazioni più lontane della rete, e la rete a banda larga ha quattro volte il ritardo di propagazione dalla stazione al capo, con due stazioni vicine tra loro e il più lontano possibile dal “capo”. Il ritardo è il tempo minimo di trasmissione e può essere convertito nella dimensione minima del frame.
Dominio di collisione
Nel contesto delle reti Ethernet, il termine “dominio di collisione” si riferisce a una parte della rete in cui i dispositivi condividono il mezzo trasmissivo e possono quindi interferire tra loro durante la trasmissione dei dati. Questo concetto è particolarmente rilevante nelle reti Ethernet basate su topologie fisiche come il bus ed ad anello, ma è meno importante nelle moderne reti Ethernet basate su switch.
In un dominio di collisione, quando due o più dispositivi cercano di trasmettere dati contemporaneamente, si verifica una “collisione”. Quando ciò accade, i dati trasmessi diventano corrotti e devono essere ritrasmessi in un momento successivo. Questo comportamento è gestito tramite il protocollo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).
L’obiettivo nella progettazione di reti Ethernet è minimizzare il dominio di collisione, poiché le collisioni possono causare ritardi e inefficienze nella comunicazione. Questo è stato raggiunto principalmente attraverso l’uso di switch Ethernet, che creano segmenti separati della rete (domini di collisione) per ogni porta del dispositivo collegato. In questo modo, le collisioni sono limitate ai dispositivi collegati a una stessa porta del commutatore, riducendo notevolmente i problemi di collisione.
In sintesi, il dominio di collisione è un concetto fondamentale nelle reti Ethernet tradizionali, dove i dispositivi condividono un mezzo trasmissivo comune e possono interferire tra loro durante la trasmissione. Tuttavia, nelle moderne reti Ethernet basate su switch, questo concetto è meno rilevante grazie all’isolamento dei dispositivi in segmenti separati.