Ethernet-Frame: Definition und Varianten des Rahmenformats

In einem Ethernet-Netzwerk teilen Geräte untereinander Datenpakete, die auch Ethernet-Pakete genannt werden. Deren Inhalt ist u. a. das Ethernet-Frame (im Deutschen auch oft als Datenframe bezeichnet), das sich wiederum in mehrere Datensätze gliedert. Diese Datensätze bestehen aus Binärcode, der wichtige Informationen liefert, darunter Adressen, Steuerinformationen, Nutzdaten und Prüfsummen.

Je nach Ethernet-Standard sind Ethernet-Frames unterschiedlich aufgebaut und enthalten u. U. mehr oder weniger Datenfelder, abhängig vom Netzwerkprotokoll.

Definition Ethernet-Frame

Bei der Übertragung von Daten über Ethernet ist das Ethernet-Frame hauptverantwortlich für die korrekte Regelsetzung und erfolgreiche Übermittlung von Datenpaketen. Versendete Daten über Ethernet werden vom Frame sozusagen getragen. Ein Ethernet-Frame ist zwischen 64 Byte und 1518 Byte groß, abhängig von der Größe der zu transportierenden Daten.

Im OSI-Modell befindet sich der Frame auf der Sicherungsschicht, die für die fehlerfreie Übertragung verantwortlich ist und trennt den Bitdatenstrom in Blöcke bzw. Frames auf. Die erste Version des Ethernets (Ethernet I) basierte noch auf 16 Bit großen Datenfeldern ohne definierte Bytes. Moderne Ethernet-Frames kamen erstmals in der sogenannten Ethernet-II-Struktur zum Einsatz, bevor Ethernet ab 1983 vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) im Standardprotokoll IEEE 802.3 weiterentwickelt wurde (erst IEEE 802.3raw).

Im Zuge des technischen Fortschritts wurde die Framestruktur mehrmals angepasst, damit die Frames mehr fest definierte Informationsdaten tragen konnten. So entstanden im IEEE-802.3-Format der Basic-MAC-Frame und der SNAP-Frame für das Multiplexverfahren und für herstellerbezogene Identifikationsdaten. Für die Entwicklung des VLAN wurden der Ethernet-II-Frame und der Ethernet-IEEE-802.3-Frame als „tagged“-Varianten erarbeitet, d. h. sie verfügen über ein spezielles Tag. Dieses enthält Steuerungsdaten, die den Frame einem bestimmten VLAN zuordnen können.

Ethernet II

Ein Ethernet-Frame muss standardmäßig mindestens 64 Byte groß sein, damit die Kollisionserkennung funktioniert, und kann maximal 1.518 Byte groß sein. Das Paket beginnt immer mit einer Präambel, die die Synchronisation zwischen Sender und Empfänger regelt und einem „Start Frame Delimiter“ (SFD), der das Frame definiert. Beide Informationen sind eine Bitfolge im Format 10101010… Im eigentlichen Frame finden sich Informationen zu Ziel- und Quelladressen (MAC-Format) und Steuerinformationen (im Fall von Ethernet II das Type-Field, später eine Längenangabe), dann folgt der zu übermittelnde Datensatz. Eine „Frame Check Sequence“ (FCS) schließt als Prüfsumme das gesamte Frame (ausgenommen Präambel und SFD). Das Paket wird von einem „Inter Frame Gap“ abgeschlossen, der eine 9,6 µs lange Sendepause festlegt.

Ethernet II benutzt die klassische Framestruktur, die das sogenannte Type-Field („Typ“) beinhaltet, womit verschiedene Protokolle der Vermittlungsschicht definiert werden. Im OSI-Modell ist die Vermittlungsschicht (auch „Network Layer“) wichtig für die Schaltung von Verbindungen und die Bereitstellung von Netzwerkadressen. Das Type-Field wurde in späteren Frame-Formaten durch eine Längenangabe ersetzt.

Hinweis

Im Type-Field wird in Ethernet II festgelegt, welche Vermittlungsprotokolle zum Einsatz kommen. Das ist wichtig für die Segmentierung des Datenstroms und für die Vermeidung von Datenstaus.

Das Ethernet-II-Frame wurde 1982 definiert und bildet den Grundstein für die darauffolgend entwickelten Frames. Allerdings erfreut sich das Format noch heute großer Beliebtheit, vor allem weil es dem eigentlichen Datenfeld den meisten Platz einräumt (bis zu 1.500 Byte).

Ethernet 802.3raw

Diese vermeintliche Rohversion des 802.3-Pakets brachte die Firma Novell vor der flächendeckenden Etablierung des IEEE-802.3-Standards zusammen mit dem populären IPX/SPX-Protokoll heraus und nannte es unglücklicherweise „Ethernet 802.3“, was zu häufigen Verwechslungen mit dem Standard des IEEE führte. Daher fügte Novell den Zusatz „raw“ hinzu. Im Gegensatz zum klassischen Ethernet-II-Modell ist in diesem Frame für die SFD erstmals ein genaues Ende der Bitfolge definiert. Dadurch wird das Datenpaket vom Empfänger als 802.3-Standard identifiziert. Dafür entfällt das Type-Field, an dessen Stelle eine Längenangabe steht. So enthält diese Art Frame keine Protokollkennung, da dieser ohnehin nur für IPX von Novell brauchbar ist. Zudem werden den zu übermittelnden Daten stets 2 Byte vorangestellt, die immer aus Einsen bestehen. Das ist die einzige Möglichkeit, einen „raw“-Frame von anderen Frames der 802.3-Familie zu unterscheiden.

Der IEEE-802.3raw-Frame ist nur für das IPX-Protokoll verwendbar, weil die Protokollkennung des Type-Fields fehlt. Der Name „IEEE 802.3raw“ ist zudem leicht irreführend, weil Novell sich des Protokollnamens bediente, ohne die IEEE an der Entwicklung des Frames zu beteiligen. Die Verwendung dieses Frames bedeutet Mehraufwand für den Nutzer, weil es zwischen Geräten zu Kompatibilitätsproblemen kommen kann. Novell selbst empfiehlt seit 1993 für seine Netware das „Ethernet 802.2“-Format – hinter dem sich nichts anderes als das unten aufgeführte IEEE-802.3-Frame verbirgt (man wollte eine Verwechslungsgefahr mit dem „raw“-Frame ausschließen). Außerdem unterstützt Novell mittlerweile auch den offiziellen IEEE-802.3-Standard.

Ethernet IEEE 802.3

Diese standardisierte Version des Ethernet-802.3-Frames kann wiederum bis zu 256 kompatible Protokolle definieren. Ferner sind wichtige Protokollinformationen nun im Datenfeld integriert. Zudem sind die Felder „Destination Service Access Point“ (DSAP) und „Source Service Access Point“ (SSAP) enthalten. Das neue Control-Feld definiert den „Logical Link“ (LLC) des Protokolls. Dieser Punkt sichert die Transparenz der Verfahren zur Medienteilung. Außerdem werden hier u. a. Informationen zur Steuerung des Datenflusses gespeichert.

Ethernet IEEE 802.3 ist heute die mit Abstand beliebteste und am weitesten verbreitete LAN-Framestruktur. Manche Netzwerke und Protokolle erfordern allerdings mehr Platz für bestimmte Informationen. Daher gibt es Varianten des IEEE-802.3-Frames, die zusätzliche Datenblöcke für spezielle Informationen bereithalten, darunter die SNAP-Erweiterung und das VLAN-Tag.

Ethernet IEEE 802.3 SNAP

Das SNAP-Feld (Subnetwork Access Protocol) ist praktisch, um mehr als nur 256 Protokolle zu definieren. Dafür werden 2 Byte für die Protokollnummer bereitgestellt. Außerdem kann der Hersteller einen einzigartigen Identifier (3 Byte) integrieren. SNAP sichert im Gegensatz zu den Vorgängern auch die Abwärtskompatibilität zu Ethernet II. DSAP, SSAP und Control sind hier fest definiert.

Durch den neu hinzugewonnen Platz für Protokollinformationen ist IEEE 802.3 SNAP äußerst vielseitig und ermöglicht die Kompatibilität zwischen vielen verschiedenen Protokollen in einem Netzwerk. Dafür fällt der Platz für die eigentlichen Daten etwas geringer aus.

VLAN 802.1q – Ethernet II Tagged und IEEE 802.3 Tagged

Getaggte Frames enthalten ein sogenanntes VLAN-Tag, damit sie einem Virtual Local Area Network (VLAN) zugeordnet werden können. VLAN trennt die Netzwerkstruktur auf in physikalische und logische Ebenen. Das bedeutet, dass mithilfe von VLANs Teilnetze realisiert werden können, ohne weitere Hardware einzubauen: Das Teilnetz ist also virtuell und nicht physisch realisiert. Für die Identifikation von Ethernet-Frames innerhalb eines VLAN ist das „Tag“-Feld notwendig. Auf physikalischer Ebene funktionieren VLANs über Switches.

Im OSI-Schichtmodell arbeitet VLAN auf der Sicherungsschicht (Schicht 2) und steuert somit die Datenflusskontrolle. Mit VLAN können effizientere Netzwerke erarbeitet werden, indem es ein Netzwerk in Teilnetze gliedert. Für die Informationen, die der Switch verarbeitet, sind die getaggten Frames zuständig. Im Ethernet-II-Frame wird das „Tag“-Feld vor dem „Type“-Feld implementiert und belegt 4 Byte. Dadurch erhöht sich auch die Mindestgröße des Ethernet-II-Frames um 4 Byte.

VLAN-Tags können natürlich auch im heute populärsten Frame-Format IEEE 802.3 eingebaut werden. In diesem Frame wird das „Tag“-Feld mit einer Größe von 4 Byte vor der Längenangabe implementiert. Die Mindestgröße des Frames erhöht sich damit um 4 Byte auf 68 Byte.

Übersicht: Ethernet-Frame-Bausteine

Baustein Größe Funktion
(Präambel Start Frame Delimiter (SFD)) (8 Byte) Synchronisation der Empfänger, Bitfolge, die das Frame einleitet
Zieladresse (MAC) 6 Byte Hardware-Adresse des Ziel-Netzwerkadapters
Quelladresse (MAC) 6 Byte Hardware-Adresse des Quell-Netzwerkadapters
Tag 4 Byte Optionales VLAN-Tag für die Einbindung in VLAN-Netzwerke (IEEE 802.1q)
Type 2 Byte Ethernet II: Kennzeichnung von Schicht-3-Protokollen
Länge 2 Byte Längeninformation über den Datensatz
Destination Service Access Point (DSAP) 1 Byte Individuelle Adresse des angesprochenen Dienstzugangspunktes
Source Service Access Point (SSAP) 1 Byte Quelladresse des aussendenden Geräts
Control 1 Byte Definiert den LLC-Frame (Logical Link)
SNAP 5 Byte Feld für die Definition des Organizationally Unique Identifier (OUI) des Herstellers und die Protokollnummer (wie „Type“)
Daten 44–1.500 Byte (Grenzen abhängig von Framestruktur) Zu übermittelnde Daten
Frame Check Sequence (FCS) 4 Byte Prüfsumme, die den gesamten Frame berechnet
(Inter Frame Gap (IFS)) - Sendepause von 9,6 µs

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