Ethernet/Frame

Ethernet Formate

Es gibt vier Typen von Ethernet-Frames.

• Ethernet-Version I (nicht mehr benutzt, Definition 1980 durch Konsortium DEC, Intel und Xerox).
• Der Ethernet-Version-2- oder Ethernet-II-Frame, der sogenannte DIX-Frame (Definition 1982 durch das Konsortium DEC, Intel und Xerox).

Seit 1983 entsteht der Standard IEEE 802.3, dieser definiert zwei weitere Frame-Formate:

1. IEEE 802.3 3.1.a Basic MAC frame
2. IEEE 802.3 3.1.b Tagged MAC frame

• definiert das 16-bit-Feld nach den MAC-Adressen als Type/Length-Feld.
• Ethernet ist quasi ein Synonym für diesen Standard.

Ethernet Version 2

Das heute ausschließlich verwendete Ethernet-Datenblockformat

Ethernet-Version-2 Frame

Ethernet Version 2 Tagged

Ethernet-II Standard mit 802.1Q VLAN-Tag

Ethernet 802.3 Raw (Novell)

802.3raw, die vermeintliche Rohversion des 802.3-Pakets

Ethernet IEEE 802.3 Basic

Neu sind „DSAP“ und „SSAP“, ersetzt Type-Field

Ethernet 802.3 Tagged

Ethernet-II nach IEEE 802.3 (mit 802.1Q VLAN-Tag)

• das Ethernetframe ist auf der Sicherungsschicht (Schicht 2) des OSI-Modells.

Aufbau nach IEEE 802.3

• Ethernet überträgt die Daten seriell, beginnend jeweils mit dem untersten, niederwertigsten Bit (der „Einerstelle“) eines Bytes.
• Bytes der breiteren Felder werden als BigEndians übertragen (Byte mit der höheren Wertigkeit zuerst).
• Das erste Bit eines Frames ist das Multicast-Bit (Multicastadressen: meist das erste Byte mit einer ungeraden Zahl).

Präambel und Start Frame Delimiter (SFD)

Präambel

• Datenpräambel oder Präambel ist ein Signal, das in einem Rechnernetz übertragenen Nachrichten vorangestellt wird.
• Besteht aus einer sieben Byte langen, alternierenden Bitfolge („101010…1010“).
• Dient zur Bit-Synchronisation der Netzwerkgeräte.

SFD (Start Frame Delimiter)

• Folgt auf die Präambel.
• Besteht aus einer festen Bitsequenz „1010 1011“.
• Kennzeichnet den Beginn des Frames (dient als Startmuster).
• Dient dem Empfänger als Zeichen für den beginnenden Frame-Anfang.

Ziel- und Quell-MAC-Adresse

Allgemeines

• Die Quelladresse identifiziert den Sender, die Zieladresse den Empfänger.
• Diese Adresse kann auch eine Multicast- oder Broadcast-Adresse sein.
• Gekaufte Netzwerkkarten haben eine weltweit eindeutige MAC-Adresse, die global von einem Konsortium und der Herstellerfirma verwaltet wird.

Aufbau

• MAC-Adressen werden traditionell als Hex-Zahlen dargestellt, die mit Doppelpunkten getrennt sind, z. B. „08:00:01:EA:DE:21“.
• Quell- und Ziel-Mac-Adressen haben eine Länge von sechs Bytes (48 Bit).
• Zwei Bit der MAC-Adresse werden zu ihrer Klassifizierung verwendet.

Klassifizierung

• Dabei wird entschieden:
  • ob Unicast- oder Broadcast-/Multicast-Adresse.
  • ob die MAC-Adresse (46 Bit) global oder lokal administriert werden.

Weiteres zu MAC-Adressen: MAC-Adresse

VLAN-Tag (TPID/TCI)

• Im Tagged-MAC-Frame (IEEE 802.1Q) folgen vier Bytes als VLAN-Tag.

Weiteres zu VLAN: VLAN

Typ-Feld (Ether-Type)

• Ethertype beschreibt das Format bzw. das Protokoll zur Interpretation des Datenblocks.
  • Zulässige Werte für Ethertype werden von der IEEE administriert (beschränkt sich auf die Vergabe neuer Ethertype-Werte).
  • Gibt Auskunft über das verwendete Protokoll der nächsthöheren Schicht innerhalb der Nutzdaten.
• Die Werte sind größer als 0x0600 (sonst ist das ein Ethernet-I-frame mit Längenfeld in dieser Position).
• Ist ein VLAN-Tag vorhanden, darf das daran anschließende Typ-Feld nicht 0x8100 sein (0x8100 ist zur Kennzeichnung eines VLAN-Tags reserviert).

Typfeld	Protokoll
0x0800	IP Internet Protocol, Version 4 (IPv4)
0x0806	Address Resolution Protocol (ARP)
0x0842	Wake on LAN (WoL)
0x8035	Reverse Address Resolution Protocol (RARP)
0x809B	AppleTalk (EtherTalk)
0x80F3	Appletalk Address Resolution Protocol (AARP)
0x8100	VLAN Tag (VLAN)
0x8137	Novell Internetwork Packet Exchange (IPX)
0x8138	Novell
0x86DD	IP Internet Protocol, Version 6 (IPv6)
0x8847	MPLS Unicast
0x8848	MPLS Multicast
0x8863	PPP over Ethernet PPPoE Discovery
0x8864	PPP over Ethernet PPPoE Session
0x8870	Jumbo Frames
0x888E	802.1X Port Access Entity
0x8892	Echtzeit-Ethernet PROFINET
0x88A2	ATA over Ethernet ATA over Ethernet Coraid AoE
0x88A4	Echtzeit-Ethernet (EtherCAT)
0x88A8	Provider Bridging
0x88AB	Echtzeit-Ethernet Ethernet Powerlink (Ethernet POWERLINK)
0x88B8	IEC61850 Generic Object Oriented Substation Events (GOOSE)
0x88CC	Link Layer Discovery Protocol (LLDP)
0x88CD	Echtzeit-Ethernet Sercos III
0x88E1	HomePlug AV
0x88E5	MACsec
0x8906	Fibre Channel over Ethernet
0x8914	FCoE Initialization Protocol (FIP)
0x8947	GeoNetworking protocol

Nutzdaten

• auch Payload genannt.
• Pro Datenblock können maximal 1500 Bytes an Nutzdaten übertragen werden.
• Die Nutzdaten werden von dem unter Type angegebenen Protokoll interpretiert.
• Die Datenbytes werden in aufsteigender Byte-Reihenfolge verschickt.
• Jumbo Frames, Super Jumbo Frames und Jumbogramme erlauben auch größere Datenblöcke, diese Spezialmodi bewegen sich aber offiziell abseits von Ethernet (beziehungsweise IEEE 802.3).

Jumbo Frames

• bezeichnet nicht standardisierte und übergroße Frames.
• Frames länger als die Standardgröße (IEEE 802.3), werden als Jumbo Frames bezeichnet.

Maximum Transmission Unit (MTU)

• beschreibt die maximale Paketgröße eines Protokolls der Vermittlungsschicht (gemessen in Oktetten (Bytes)).
• die Maximum Transmission Unit (MTU) kann ohne Fragmentierung in den Frame eines Netzes der Sicherungsschicht (Schicht 2) übertragen werden.

maximale Größe eines Frames der Sicherungsschicht

• Maximale Rahmengröße = Größte MTU aller benutzten Protokolle der Vermittlungsschicht + Größe der Sicherungsschichtheader

Padding-Feld (PAD-Feld)

• Wird verwendet um den Ethernet-Frame auf die Minimalgröße von 64 Byte zu bringen.
• Wichtig bei alten Übertragungsverfahren, um Kollisionen in der sogenannten Collision-Domain sicher zu erkennen.
• Präambel und SFD (8 Bytes) werden bei der Mindestlänge des Frames nicht mitgezählt (ein VLAN-Tag schon).
• Ein PAD-Feld wird somit erforderlich, wenn als Nutzdaten weniger als 46 bzw. 42 Bytes (ohne bzw. mit 802.1Q-VLAN-Tag) zu übertragen sind.
• Das in Type angegebene Protokoll muss dafür sorgen, dass diese als Pad angefügten Bytes (auch „Padding Bytes“ genannt) nicht interpretiert werden (üblicherweise eine eigene Nutzdaten-Längenangabe).

Frame Check Sequence (FCS)

Allgemeines

• Das FCS-Feld stellt eine 32-Bit-CRC-Prüfsumme dar.
• Die FCS wird über dem eigentlichen Frame berechnet, also beginnend mit der Ziel-MAC-Adresse und endend mit dem PAD-Feld.
• Die Präambel, der SFD und die FCS selbst sind nicht in der FCS enthalten.

Ablauf

• Wird ein Paket beim Sender erstellt, wird eine CRC-Berechnung über die Bitfolge durchgeführt und die Prüfsumme an den Datenblock angehängt.
• Der Empfänger führt nach dem Empfang die gleiche Berechnung aus.
• Stimmt die empfangene nicht mit der selbst berechneten Prüfsumme überein, geht der Empfänger von einer fehlerhaften Übertragung aus, und der Datenblock wird verworfen.

Berechnung

• Zur Berechnung der CRC-32-Prüfsumme werden die ersten 32 Bits der Mac-Adresse invertiert und das Ergebnis der Prüfsummenberechnung wird ebenfalls invertiert (Vermeidung des Nullproblems).
• In üblichen CRC-Implementierungen als rückgekoppelte Schieberegister werden Datenbits in übertragener Reihenfolge, also vom LSB (least significant bit) zum MSB (most significant bit), durch ein Schieberegister geschickt, das aber selbst vom LSB aus beschickt wird.
• In Schieberichtung steht damit das MSB der CRC zuerst zur Verfügung und gerät auch in Abweichung zu allen anderen Daten zuerst auf die Leitung.
• Wird nun der Datenstrom beim Empfänger inklusive empfangenem CRC-Wert in das Schieberegister geschrieben, enthält die CRC im fehlerfreien Fall den Wert Null.
• Ein von Null abweichender Wert deutet auf einen Übertragungsfehler hin.
• Durch die Invertierung der ersten 32 Bit und der CRC-Summe ist das Ergebnis nicht mehr Null.
• Wenn kein Übertragungsfehler aufgetreten ist, dann enthält das Schieberegister immer dieselbe Zahl, auch Magic Number genannt.
• Beim Ethernet lautet die Magic Number 0xC704DD7B.

Mindestgröße der Frames

Ein Frame muss mindestens 64 Byte groß sein

• 68 Byte bei Tagged
• Minimale Slot-Time zur Erkennung von Kollisionen
• Andernfalls werden Bit ergänzt

Standard	Mindestgröße Daten
Ethernet II	46 Bytes
Ethernet 802.3	42 Bytes

VLAN 802.1q (tagged)

Standard	Mindestgröße Daten
Ethernet Version 2.0 tagged	46 Bytes
IEEE 802.3 tagged	46 Bytes

Formate der Ethernet-Datenübertragungsblöcke und das Typfeld

Historische Formate

Es gibt vier Typen von Ethernet-Datenblöcken (englisch Vorlage:Lang):

• Ethernet-Version I (nicht mehr benutzt, Definition 1980 durch Konsortium DEC, Intel und Xerox)
• Der Ethernet-Version-2- oder Ethernet-II-Datenblock (englisch ethernet II frame), der sogenannte DIX-Frame (Definition 1982 durch das Konsortium DEC, Intel und Xerox).

Seit 1983 entsteht der Standard IEEE 802.3.

• Ethernet ist quasi ein Synonym für diesen Standard.

IEEE 802.3 definiert zwei Frame-Formate:

• IEEE 802.3 3.1.a Basic MAC frame
• IEEE 802.3 3.1.b Tagged MAC frame

Der ursprüngliche Xerox-Version-1-Ethernet-Datenblock hatte ein 16-bit-Feld, in dem die Länge des Datenblocks hinterlegt war.

• Da diese Länge für die Übertragung der Frames nicht wichtig ist, wurde es vom späteren Ethernet-II-Standard als Ethertype-Feld verwendet.
• Das Format von Ethernet I mit dem Längenfeld ist jetzt Teil des Standards 802.3.

Das Ethernet-II-Format verwendet die Bytes 13 und 14 im Frame als Ethertype.

• Auf ein Längenfeld wie im Ethernet-I-Frame wird verzichtet.
• Die Länge eines Frames wird nicht durch einen Zahlenwert, sondern durch die bitgenaue Signalisierung des Übertragungsendes übermittelt.
• Die Länge des Datenfeldes bleibt wie bei Ethernet I auf 1500 Bytes beschränkt.
• Auch das Ethernet-II-Format ist jetzt Teil des Standards 802.3, nur die Ethertypen mit Zahlenwerten kleiner als 1500 sind weggefallen, weil jetzt die Zahlenwerte kleiner gleich 1500 in diesem Feld als Länge interpretiert werden und gegen die tatsächliche Länge geprüft werden.

IEEE 802.3 definiert das 16-bit-Feld nach den MAC-Adressen als Type/Length-Feld.

• Mit der Konvention, dass Werte zwischen 0 und 1500 auf das originale Ethernet-Format hindeuteten und höhere Werte den EtherType angeben, wurde die Koexistenz der Standards auf demselben physischen Medium ermöglicht.
• Die zulässigen Werte für Ethertype werden von IEEE administriert.
• Diese Verwaltung beschränkt sich auf die Vergabe neuer Ethertype-Werte.
• IEEE nimmt bei der Neuvergabe Rücksicht auf bereits für Ethernet II vergebene Ethertype-Werte, dokumentiert diese aber nicht.
• So kommt es vor, dass zum Beispiel der Wert 0x0800 für IP-Daten in der IEEE-Dokumentation der Ethertype-Werte fehlt.
• Ethertype beschreibt das Format bzw.
• das Protokoll zur Interpretation des Datenblocks.
• Das LLC-Feld und ein eventuelles SNAP-Feld sind bereits Teil des MAC-Frame-Datenfeldes.

Im Tagged-MAC-Frame werden vier Bytes mit dem QTAG-Präfix nach der Quell-MAC-Adresse eingeschoben.

• Dieses Feld wird durch den Standard 802.1Q definiert und ermöglicht bis zu 4096 virtuelle lokale Netzwerke (VLANs) auf einem physischen Medium.
• Die erlaubte Gesamtlänge des Mac-Frames wird auf 1522 Bytes verlängert, die Länge des Datenfeldes bleibt auf 1500 Bytes beschränkt.

IEEE 802.3 Tagged MAC Frame

Datenframe

Das heute fast ausschließlich verwendete Ethernet-Datenblockformat Ethernet-II nach IEEE 802.3 (mit 802.1Q VLAN-Tag)

Aufbau

Ethernet überträgt die Daten seriell, beginnend jeweils mit dem untersten, niederwertigsten Bit (der „Einerstelle“) eines Bytes.

• Das bedeutet, dass beispielsweise das Byte 0xD5 als Bitsequenz (links nach rechts) „10101011“ auf die Reise geht.
• Die Bytes der breiteren Felder werden als BigEndians übertragen, d. h. mit dem Byte mit der höheren Wertigkeit zuerst.
• Beispielsweise wird die MAC-Adresse im Bild 0x0040F6112233 in dieser Reihenfolge als „00 40 F6 11 22 33“ übertragen.
• Da das erste Bit eines Frames das Multicast-Bit ist, haben Multicastadressen ein erstes Byte mit einer ungeraden Zahl, z. B. 01-1B-19-00-00-00 für IEEE 1588.

Eine Abweichung betrifft die FCS (Frame Check Sequence, CRC): Da sämtliche übertragenen Bits durch den CRC-Generator vom LSB zum MSB geschoben werden, muss das höchstwertige Bit des höchstwertigen Bytes der CRC an vorderster Stelle übertragen werden.

• Ein errechneter CRC-Wert von 0x8242C222 wird somit als „41 42 43 44“ an die übertragenen Datenbytes als FCS-Prüfsumme zur Übertragung angehängt.

Im Gegensatz zum Ethernet-Frame befindet sich bei manchen anderen LAN-Typen (beispielsweise Token Ring oder FDDI) in einem Frame das höchstwertige Bit eines Bytes an erster Stelle.

• Das bedeutet, dass beim Bridging zwischen einem Ethernet-LAN und einem anderen LAN-Typ die Reihenfolge der Bits eines jeden Bytes der MAC-Adressen umgekehrt werden muss.

Die Präambel und SFD

Die Präambel besteht aus einer sieben Byte langen, alternierenden Bitfolge „10101010…10101010“, auf diese folgt der Start Frame Delimiter (SFD) mit der Bitfolge „10101011“.

• Diese Sequenz diente einst der Bit-Synchronisation der Netzwerkgeräte.
• Sie war für all jene Geräteverbindungen notwendig, die die Bit-Synchronisation nicht durch die Übertragung einer kontinuierlichen Trägerwelle auch in Ruhezeiten aufrechterhalten konnten, sondern diese mit jedem gesendeten Frame wieder neu aufbauen mussten.
• Das alternierende Bitmuster erlaubte jedem Empfänger eine korrekte Synchronisation auf die Bit-Abstände.
• Da bei einer Weiterleitung über Repeater (Hubs) jeweils ein gewisser Teil der Präambel verloren geht, wurde sie in der Spezifikation groß genug gewählt, dass bei maximaler Ausdehnung des Netzwerkes für den Empfänger noch eine minimale Einschwingphase übrig bleibt.

Die Bus-Netzwerkarchitekturen, die auf derartige Einschwingvorgänge angewiesen sind, werden heute kaum mehr verwendet, wodurch sich die Präambel, genauso wie das Zugriffsmuster CSMA/CD, die minimale und maximale Frame-Länge und der minimale Paketabstand (IFG, auch IPG) nur aus Kompatibilitätsgründen in der Spezifikation befinden.

• Genau genommen sind Präambel und SFD Paketelemente, die auf einer Ebene unterhalb des Frames und damit auch des MACs definiert sein sollten, damit ihre Verwendung vom konkreten physischen Medium abhinge.
• Moderne drahtgebundene Netzwerkarchitekturen sind stern- oder ringförmig und verwenden dauerhaft eingeschwungene (synchrone) Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Endteilnehmern und Netzwerkverteilern (Bridges bzw. Switches), die Paketgrenzen in anderer Form signalisieren und daher Präambel und SFD eigentlich unnötig machen.
• Andererseits ergeben sich durch IFGs und minimale Frame-Längen für Netzwerkverteiler auch gewisse maximale zu verarbeitende Paketraten, was deren Design vereinfacht.

Ziel- und Quell-MAC-Adresse

Die Zieladresse identifiziert die Netzwerkstation, die die Daten empfangen soll.

• Diese Adresse kann auch eine Multicast- oder Broadcast-Adresse sein.

Die Quelladresse identifiziert den Sender.

• Jede MAC-Adresse der beiden Felder hat eine Länge von sechs Bytes bzw. 48 Bit.

Zwei Bit der MAC-Adresse werden zu ihrer Klassifizierung verwendet.

• Das erste übertragene Bit und damit Bit 0 des ersten Bytes entscheidet, ob es sich um eine Unicast- (0) oder Broadcast-/Multicast-Adresse (1) handelt.
• Das zweite übertragene Bit und damit Bit 1 des ersten Bytes entscheidet, ob die restlichen 46 Bit der MAC-Adresse global (0) oder lokal (1) administriert werden.
• Gekaufte Netzwerkkarten haben eine weltweit eindeutige MAC-Adresse, die global von einem Konsortium und der Herstellerfirma verwaltet wird.
• Man kann aber jederzeit individuelle MAC-Adressen wählen und den meisten Netzwerkkarten über die Treiberkonfiguration zuweisen, in denen man für das Bit 1 den Wert (1) wählt und eben spezifikationsgemäß die restlichen 46 Bit lokal verwaltet und in der Broadcast-Domäne eindeutig hält.

MAC-Adressen werden traditionell als Abfolge von sechs zweistelligen Hex-Zahlen dargestellt, die mit Doppelpunkten getrennt sind, z. B.

• als „08:00:01:EA:DE:21“, was der Übertragungsreihenfolge am Medium entspricht.
• Die einzelnen Bytes werden beginnend mit dem LSB gesendet.

VLAN-Tag

Im Tagged-MAC-Frame nach IEEE 802.1Q folgen zusätzlich vier Bytes als VLAN-Tag.

• Die ersten beiden Bytes enthalten die Konstante 0x8100 (=802.1qTagType), die einen Tagged-MAC-Frame als solchen kenntlich machen.
• Von der Position her würde hier im Basic-MAC-Frame das Feld Ethertype stehen.
• Den Wert 0x8100 kann man damit auch als Ethertype für VLAN-Daten ansehen, allerdings folgt nach dem Tag noch der eigentliche Ethertype (s. u.).
• In den nächsten beiden Bytes (TCI Tag Control Information) stehen dann drei Bit für die Priorität (Class of Service, 0 niedrigste, 7 höchste Priorität), ein Bit Canonical Format Indicator (CFI), das für die Kompatibilität zwischen Ethernet und Token Ring sorgt (dieses 1-bit-Datenfeld zeigt an, ob die MAC-Adresse in einem anerkannten oder nicht anerkannten Format ist.
• Hat das gesetzte Bit eine 0, dann ist es nicht vorschriftsmäßig, bei einer 1 ist es vorschriftsmäßig.
• Für Ethernet-Switches ist es immer 0.
• Empfängt ein Ethernet-Port als CFI-Information eine 1, dann verbindet der Ethernet-Switch das Tagging-Frame nicht zu einem nicht-getaggten Port.), sowie 12 Bit für die VLAN-ID.
• An diesen VLAN-Tag schließt das ursprünglich an der Position des VLAN-Tags stehende Typ-Feld (EtherType) des eigentlichen Frames mit einem Wert ungleich 0x8100 (im Bild beispielsweise 0x0800 für ein IPv4-Paket) an.

Der VLAN-Tag wird als Folge von zwei Bytes „81 00“ übertragen.

• Die 16 Bit des TCI werden in gleicher Weise Big-Endian mit dem höheren Byte voran verschickt.

Das Typ-Feld (EtherType)

Das Typ-Feld gibt Auskunft über das verwendete Protokoll der nächsthöheren Schicht innerhalb der Nutzdaten.

• Die Werte sind größer als 0x0600 (ansonsten ist das ein Ethernet-I-frame mit Längenfeld in dieser Position).
• Der spezielle Wert 0x8100 zur Kennzeichnung eines VLAN-Tags ist im Wertevorrat von Type reserviert.
• Ist ein VLAN-Tag vorhanden, darf das daran anschließende Typ-Feld nicht 0x8100 sein.

Werte im Typfeld (EtherType) für einige wichtige Protokolle:

Typfeld	Protokoll
0x0800	IP Internet Protocol, Version 4 (IPv4)
0x0806	Address Resolution Protocol (ARP)
0x0842	Wake on LAN (WoL)
0x8035	Reverse Address Resolution Protocol (RARP)
0x809B	AppleTalk (EtherTalk)
0x80F3	Appletalk Address Resolution Protocol (AARP)
0x8100	VLAN Tag (VLAN)
0x8137	Novell IPX (alt)
0x8138	Novell
0x86DD	IP Internet Protocol, Version 6 (IPv6)
0x8847	MPLS Unicast
0x8848	MPLS Multicast
0x8863	PPPoE Discovery
0x8864	PPPoE Session
0x8870	Jumbo Frames (veraltet)
0x888E	802.1X Port Access Entity
0x8892	Echtzeit-Ethernet PROFINET
0x88A2	ATA over Ethernet Coraid AoE
0x88A4	Echtzeit-Ethernet EtherCAT
0x88A8	Provider Bridging
0x88AB	Echtzeit-Ethernet Ethernet POWERLINK
0x88B8	IEC61850 GOOSE
0x88CC	Link Layer Discovery Protocol LLDP
0x88CD	Echtzeit-Ethernet Sercos III
0x88E1	HomePlug AV
0x88E5	MACsec
0x8906	Fibre Channel over Ethernet
0x8914	FCoE Initialization Protocol (FIP)
0x8947	GeoNetworking protocol

In Ethernet-802.3-Frames kann zur Kompatibilität mit Ethernet I an Stelle des Typfeldes die Länge des Dateninhalts im DATA-Teil angegeben (Längenfeld) sein.

• Da das Datenfeld in keinem Ethernet Frame länger als 1500 Bytes sein darf, können die Werte 1536 (0x0600) und darüber als Protokolltypen (Ethertype) verwendet werden.
• Die Verwendung der Werte 1501 bis 1535 ist nicht spezifiziert. Die Verwendung als Länge ist praktisch vollständig verschwunden – um das Ende eines Frames zu signalisieren, verwenden alle Ethernet-Varianten entweder ein spezielles Steuersymbol (100 Mbit/s aufwärts) oder beenden den Trägertakt (10 Mbit/s).

Das Typ-Feld wird als Big-Endian-Byte-Folge interpretiert und mit dem höherwertigen Byte voran verschickt.

Nutzdaten

Pro Datenblock können maximal 1500 Bytes an Nutzdaten übertragen werden.

• Die Nutzdaten werden von dem unter Type angegebenen Protokoll interpretiert. So genannte Jumbo Frames, Super Jumbo Frames und Jumbogramme erlauben auch größere Datenblöcke, diese Spezialmodi bewegen sich aber offiziell abseits von Ethernet beziehungsweise IEEE 802.3.

Die Datenbytes werden in aufsteigender Byte-Reihenfolge verschickt.

PAD-Feld

Das PAD-Feld wird verwendet, um den Ethernet-Frame auf die erforderliche Minimalgröße von 64 Byte zu bringen.

• Das ist bei alten Übertragungsverfahren wichtig, um Kollisionen in der sogenannten Collision-Domain sicher zu erkennen.
• Präambel und SFD (8 Bytes) werden bei der erforderlichen Mindestlänge des Frames nicht mitgezählt, wohl aber ein VLAN-Tag.
• Ein PAD-Feld wird somit erforderlich, wenn als Nutzdaten weniger als 46 bzw. 42 Bytes (ohne bzw. mit 802.1Q-VLAN-Tag) zu übertragen sind.
• Das in Type angegebene Protokoll muss dafür sorgen, dass diese als Pad angefügten Bytes (auch „Padding Bytes“ genannt) nicht interpretiert werden, wofür es üblicherweise eine eigene Nutzdaten-Längenangabe bereithält.

FCS (Frame Check Sequence)

Das FCS-Feld stellt eine 32-Bit-CRC-Prüfsumme dar.

• Die FCS wird über den eigentlichen Frame berechnet, also beginnend mit der Ziel-MAC-Adresse und endend mit dem PAD-Feld.
• Die Präambel, der SFD und die FCS selbst sind nicht in der FCS enthalten.

Wenn ein Paket beim Sender erstellt wird, wird eine CRC-Berechnung über die Bitfolge durchgeführt und die Prüfsumme an den Datenblock angehängt.

• Der Empfänger führt nach dem Empfang die gleiche Berechnung aus.
• Stimmt die empfangene nicht mit der selbst berechneten Prüfsumme überein, geht der Empfänger von einer fehlerhaften Übertragung aus, und der Datenblock wird verworfen.
• Zur Berechnung der CRC-32-Prüfsumme werden die ersten 32 Bits der Mac-Adresse invertiert und das Ergebnis der Prüfsummenberechnung wird ebenfalls invertiert (Vermeidung des Nullproblems).

In üblichen CRC-Implementierungen als rückgekoppelte Schieberegister werden Datenbits in übertragener Reihenfolge, also vom LSB zum MSB, durch ein Schieberegister geschickt, das aber selbst vom LSB aus beschickt wird.

• In Schieberichtung steht damit das MSB der CRC zuerst zur Verfügung und gerät auch in Abweichung zu allen anderen Daten zuerst auf die Leitung.
• Wird nun der Datenstrom beim Empfänger inklusive empfangenem CRC-Wert in das Schieberegister geschrieben, enthält die CRC im fehlerfreien Fall den Wert Null.
• Ein von Null abweichender Wert deutet auf einen Übertragungsfehler hin.

Durch die Invertierung der ersten 32 Bit und der CRC-Summe ist das Ergebnis nicht mehr Null.

• Wenn kein Übertragungsfehler aufgetreten ist, dann enthält das Schieberegister immer dieselbe Zahl, auch Magic Number genannt.
• Beim Ethernet lautet sie 0xC704DD7B.

Reihenfolge der Bits und Bytes

Bei Ethernet werden Bytes (Oktette) grundsätzlich mit dem niederstwertigen Bit voran übertragen (mit Ausnahme der Frame Check Sequence).

• Viele schnellere Varianten übertragen allerdings keine einzelnen Bits, sondern Mehrbit-Symbole oder ganze Oktette in einem Schritt.
• Felder, die aus mehreren Bytes bestehen, werden grundsätzlich mit dem höchstwertigen Oktett voran übertragen.

Weblinks

1. Moderne LANs: IEEE 802.3ab 1000 BASE-T
2. Ethernet-Paketformate
3. Jürgen Plate: Grundlagen Computernetze. FH München
4. Charles Spurgeon’s Ethernet Web Site (englisch)
5. Projektseite der IEEE 802.3 Working Group (englisch)
6. Ethernet-Standards als PDF auf der IEEE-Download-Seite (englisch)
7. 10-Gigabit-Ethernet führt iSCSI und Fibre Channel zusammen
8. W. Schulte: Metro- / Carrier Ethernet (PDF; 709 kB) DHBW Stuttgart. In: Funkschau, 16, S. 14