Вычислительные сети

Кадры (фреймы) канального уровня Кадр (frame) — это основная единица данных на канальном уровне модели OSI. Он представляет собой структурированную оболочку, в которую инкапсулируется пакет сетевого уровня для передачи по физическому каналу связи между двумя непосредственно подключенными узлами. Общая структура кадра Несмотря на различия в конкретных реализациях, большинство кадров канального уровня имеют схожую логическую структуру, состоящую из трех основных частей: Заголовок (Header): Содержит управляющую информацию, необходимую для доставки и обработки кадра. Полезная нагрузка (Payload/Data): Содержит инкапсулированный пакет сетевого уровня (например, IP-пакет). Трейлер (Trailer): Содержит информацию для проверки целостности данных, обычно поле контрольной суммы. +------------------+------------------+------------------+ | Заголовок | Полезная нагрузка | Трейлер | | (Управляющая инф.)| (Пакет L3) | (Проверка ошибок)| +------------------+------------------+------------------+ Ключевые компоненты заголовка и их функции Заголовок кадра содержит поля, которые реализуют основные функции канального уровня. Компонент Функция Примеры значений/форматов Адрес назначения (Destination Address) Идентифицирует получателя кадра на локальном сегменте сети. MAC-адрес (6 байт): AA:BB:CC:11:22:33 (Unicast), 01:00:5E:xx:xx:xx (Multicast), FF:FF:FF:FF:FF:FF (Broadcast). Адрес источника (Source Address) Идентифицирует отправителя кадра. MAC-адрес (6 байт): 00:11:22:33:44:55. Идентификатор протокола (Protocol Identifier) Указывает, какому протоколу сетевого уровня принадлежит полезная нагрузка. Это позволяет получателю корректно передать данные на следующий уровень. EtherType (2 байта): 0x0800 (IPv4), 0x86DD (IPv6), 0x0806 (ARP). В формате IEEE 802.3 это поле может указывать длину данных. Управление доступом к среде (MAC Control) Специфичные для технологии поля для управления передачей (например, приоритет, управление потоком). В Ethernet: не используется в базовом формате. В других протоколах могут быть флаги начала/конца кадра или токены. Трейлер: обнаружение ошибок Трейлер кадра почти всегда содержит одно ключевое поле: Последовательность проверки кадра (Frame Check Sequence, FCS): Это поле содержит значение контрольной суммы, вычисленное для всего кадра (обычно для заголовка и полезной нагрузки). Наиболее распространенным алгоритмом является Циклический избыточный код (Cyclic Redundancy Check, CRC). Как работает: Отправитель вычисляет CRC и помещает его в FCS. Получатель, получив кадр, самостоятельно вычисляет CRC для принятых данных и сравнивает результат со значением в FCS. Результат: Если значения совпадают, кадр считается целым. Если не совпадают, кадр был поврежден при передаче и отбрасывается. Это гарантирует, что на сетевой уровень поступают только проверенные и целые данные. Конкретные примеры форматов кадров Ethernet II (DIX) — самый распространенный формат Этот формат используется в подавляющем большинстве современных Ethernet-сетей. Поле Размер Описание Преамбула 7 байт Последовательность 10101010... для синхронизации приемника. SFD (Start Frame Delimiter) 1 байт 10101011 — маркер начала кадра. Destination MAC Address 6 байт Адрес получателя. Source MAC Address 6 байт Адрес отправителя. EtherType 2 байта Идентификатор протокола верхнего уровня (L3). Data (Payload) 46–1500 байт Инкапсулированный пакет (например, IP). FCS 4 байта CRC-32 для обнаружения ошибок. Межкадровый интервал (IFG) 12 байт Пауза между кадрами. MTU (Maximum Transmission Unit): Максимальный размер поля данных — 1500 байт. Минимальный размер кадра: 64 байта (включая MAC-адреса, EtherType и FCS, но без преамбулы и SFD). Это требование связано с работой CSMA/CD в старых сетях. Максимальный размер кадра: 1518 байт (без преамбулы и SFD). IEEE 802.3 (с LLC/SNAP) Этот формат был разработан комитетом IEEE и использует подуровень LLC для идентификации протокола. [image: 1771177660665-5a0820bb-f395-46b5-9a10-eb67e7253160-image.webp] Поле Размер Описание … (Преамбула, SFD, MAC-адреса) … То же, что и в Ethernet II. Length 2 байта Длина поля данных в байтах (не более 1500). LLC Header 3 байта Поля DSAP (Destination Service Access Point), SSAP (Source SAP) и Control. SNAP Extension 5 байт (Опционально) Для эмуляции EtherType. Содержит OUI (Organizationally Unique Identifier) и Protocol ID. Data (Payload) … Инкапсулированный пакет. FCS 4 байта CRC-32. Отличие от Ethernet II: Поле после MAC-адресов указывает длину, а не тип. Тип протокола определяется внутри заголовка LLC/SNAP. Совместимость: Современные устройства легко различают два формата, анализируя значение этого 2-байтового поля. Значения больше 1500 (0x05DC) интерпретируются как EtherType (Ethernet II), а меньшие или равные — как длина (IEEE 802.3). PPP (Point-to-Point Protocol) — для выделенных линий PPP используется для прямого соединения двух узлов (например, через модем или последовательный порт). Поле Размер Описание Flag 1 байт 01111110 — маркер начала и конца кадра. Address 1 байт Обычно 11111111 (широковещательный адрес, так как соединение точка-точка). Control 1 байт Обычно 00000011 (ненумерованный информационный кадр). Protocol 1-2 байта Идентификатор протокола (например, 0x0021 для IPv4). Data (Payload) Переменный Инкапсулированный пакет. FCS 2 или 4 байта CRC для обнаружения ошибок. Flag 1 байт Маркер конца кадра. Особенность: Использует побайтовое “stuffing” (вставка дополнительных битов) для экранирования флагов внутри полезной нагрузки, чтобы избежать ложного определения границ кадра. Дополнительно Структура кадра напрямую определяется его функциями и ограничениями физической среды: Наличие MAC-адресов — следствие необходимости локальной адресации на канальном уровне. Поле EtherType/Length — следствие необходимости мультиплексирования/демультиплексирования различных протоколов сетевого уровня. Поле FCS — следствие необходимости обнаружения ошибок, вносимых шумом и помехами на физическом уровне. Минимальный размер кадра в Ethernet — следствие физических ограничений протокола CSMA/CD, который должен успеть обнаружить коллизию до окончания передачи кадра. Таким образом, кадр канального уровня — это не просто “обертка”, а сложная и продуманная структура данных, которая реализует все ключевые функции этого уровня, обеспечивая надежную и адресную доставку информации на локальном участке сети.

Bitrate и BER — базовые количественные характеристики физического уровня: первая описывает, с какой скоростью передаются биты, вторая — насколько надёжно они принимаются. Вместе они задают не только номинальную “скорость интерфейса”, но и реальную пригодность линии для передачи данных. Bitrate (скорость передачи бит) Определение Bitrate — скорость передачи цифровой информации, то есть количество бит, проходящих через физический канал связи за одну секунду. Единицы измерения: bit/s, kbit/s, Mbit/s, Gbit/s. Линейная и эффективная скорость Линейная скорость передачи (line rate) — общая скорость бит на линии, включая служебные биты, кодирование, выравнивание и т.п. Эффективная скорость передачи пользовательских данных (net data rate) — часть линейной скорости, приходящаяся на полезную нагрузку. Примеры Fast Ethernet: номинальный битрейт 100 Мбит/с, эффективная скорость полезных данных ≈ 94 Мбит/с. Gigabit Ethernet: номинальный битрейт 1 Гбит/с, эффективная скорость ≈ 940 Мбит/с. 10G Ethernet: номинальный битрейт 10 Гбит/с, полезная скорость ≈ 9,4 Гбит/с. Таблица примеров битрейта Технология Номинальный битрейт Типичная эффективная скорость Fast Ethernet 100 Мбит/с ~94 Мбит/с Gigabit Ethernet 1 Гбит/с ~940 Мбит/с 10G Ethernet 10 Гбит/с ~9,4 Гбит/с BER (Bit Error Rate / Bit Error Ratio) Определение BER — безразмерная величина, показывающая долю битов, принятых с ошибкой, по отношению к общему числу переданных бит. Обычно записывается в виде степени десяти: 10⁻³, 10⁻⁶, 10⁻⁹, 10⁻¹² и т.д. Интерпретация BER = 10⁻³ → примерно 1 ошибочный бит на 1000 переданных. BER = 10⁻⁶ → примерно 1 ошибочный бит на 1 000 000. BER = 10⁻¹² → примерно 1 ошибочный бит на 1 000 000 000 000. Таблица примеров BER BER Качество канала Типичная область применения 10⁻³ Низкое Плохой медный канал 10⁻⁶ Среднее Базовые электрические линии связи 10⁻⁹ Высокое Современные качественные линии 10⁻¹² Очень высокое Оптические телеком‑системы Взаимосвязь Bitrate и BER (с примерами) Пример 1: 1 Гбит/с, BER = 10⁻⁶ Битрейт: 1 000 000 000 бит/с. Ожидаемое число ошибочных бит в секунду: 1 000 000 000 × 10⁻⁶ = 1000 бит/с. Результат: заметное количество ошибок, требуется активная коррекция и ретрансляции, эффективная полезная скорость снижается. Пример 2: 10 Гбит/с, BER = 10⁻¹² Битрейт: 10 000 000 000 бит/с. Ожидаемое число ошибочных бит в секунду: 10 000 000 000 × 10⁻¹² = 0,01 бит/с (примерно 1 ошибочный бит в 100 секунд). Результат: ошибки очень редки, влияние на приложения минимально. Сводная таблица Битрейт BER Ошибочных бит в секунду (≈) Комментарий 1 Гбит/с 10⁻⁶ ~1000 Много ошибок, сильная коррекция 1 Гбит/с 10⁻⁹ ~1 Редкие ошибки 10 Гбит/с 10⁻¹² ~0,01 Почти не влияет на приложения Как тебе удобнее продолжить: разобрать рядом в таком же формате baud rate и bandwidth, чтобы собрать весь набор параметров физического уровня в одном конспекте?