5.1. Технология Ethernet и MAC-адресация
5.1. Технология Ethernet и MAC-адресация
Ethernet (IEEE 802.3) — доминирующая технология локальных сетей. Работает на канальном уровне OSI. Современные сети используют коммутируемый Ethernet (switched Ethernet) в топологии «звезда».
5.1.1. Структура кадра Ethernet II
| Поле | Размер | Назначение |
|---|---|---|
| Preamble + SFD | 8 байт | Синхронизация приёмника |
| MAC назначения (Destination) | 6 байт | Адрес получателя (unicast, multicast, broadcast) |
| MAC источника (Source) | 6 байт | Адрес отправителя |
| Type / Length | 2 байта | Тип протокола верхнего уровня (0x0800 = IPv4) |
| Данные (Payload) | 46–1500 байт | Полезная нагрузка (IP-пакет) |
| FCS (Frame Check Sequence) | 4 байта | Контрольная сумма CRC для обнаружения ошибок |
5.1.2. MAC-адрес
MAC-адрес — 48-битный физический адрес сетевого интерфейса, записывается в формате XX:XX:XX:XX:XX:XX (шесть октетов в шестнадцатеричной записи). Первые 3 октета — OUI (идентификатор производителя), назначается IEEE. Пример: 00:1A:2B:3C:4D:5E.
- Unicast — адрес одного интерфейса (младший бит первого октета = 0).
- Multicast — группа получателей (младший бит = 1).
- Broadcast —
FF:FF:FF:FF:FF:FF, все узлы в broadcast-домене.
5.1.3. Протокол ARP
ARP (Address Resolution Protocol) сопоставляет известный IP-адрес с MAC-адресом в пределах локального сегмента. Процесс:
- Узел формирует ARP-запрос: «Кому принадлежит IP 192.168.1.1?» (broadcast).
- Владелец IP отвечает ARP-reply со своим MAC.
- Запись сохраняется в ARP-таблице (кэш) на ограниченное время.
5.1.4. CSMA/CD и современный Ethernet
Классический Ethernet 10BASE5/10BASE2 использовал CSMA/CD (обнаружение коллизий). В современных сетях с полнодуплексными коммутаторами коллизии практически исключены — каждый порт коммутатора образует отдельный домен коллизий.
Контрольные вопросы
- Каков минимальный и максимальный размер поля данных в кадре Ethernet?
- Как определить по MAC-адресу, является ли он broadcast?
- Зачем нужен ARP, если уже есть IP-адресация?
- Что произойдёт, если запись в ARP-таблице устарела?
5.1.5. Скорости Ethernet (IEEE 802.3)
| Обозначение | Скорость | Среда | Примечание |
|---|---|---|---|
| 10BASE-T | 10 Мбит/с | UTP Cat3+ | Исторический |
| 100BASE-TX | 100 Мбит/с | UTP Cat5+ | Fast Ethernet |
| 1000BASE-T | 1 Гбит/с | UTP Cat5e+ | Стандарт офиса |
| 10GBASE-T | 10 Гбит/с | UTP Cat6a | Серверные, СХД |
| 1000BASE-SX/LX | 1 Гбит/с | Оптоволокно | Магистрали зданий |
5.1.6. Таблица коммутации (CAM) и обучение коммутатора
Коммутатор изучает MAC-адреса источников входящих кадров и записывает их в CAM-таблицу (Content Addressable Memory) с привязкой к порту. При неизвестном MAC назначения — flooding (рассылка на все порты VLAN, кроме входящего). Записи имеют время жизни (aging time), обычно 300 с. Переполнение CAM — вектор атаки (MAC flooding).
5.1.7. Gratuitous ARP и Proxy ARP
Gratuitous ARP — узел объявляет свой IP→MAC без запроса (при смене MAC или takeover IP). Proxy ARP — маршрутизатор отвечает на ARP за другой подсети, если клиенты настроены без маски подсети (legacy). В современных сетях Proxy ARP обычно отключён.
5.1.8. Jumbo frames и MTU
Стандартный MTU Ethernet — 1500 байт полезной нагрузки. Jumbo frames (9000 байт) снижают нагрузку на CPU при передаче больших объёмов в дата-центре, но требуют одинакового MTU на всём пути — иначе фрагментация IP или отбрасывание пакетов.
5.1.9. Ошибки и контроль целостности
Поле FCS (CRC-32) позволяет обнаружить повреждённые кадры; такие кадры отбрасываются. Счётчики CRC errors на порту — признак плохого кабеля, несогласования дуплекса или электромагнитных помех. Runts и giants — кадры меньше минимума или больше максимума.
5.1.10. Практический пример чтения MAC
Адрес 00:50:56:C0:00:08: OUI 00:50:56 — VMware (виртуальный адаптер). Младший бит первого октета 00 (чётный) — unicast. Адрес 01:00:5E:xx:xx:xx — multicast IPv4 (маппинг в диапазон 224.0.0.0/4).
Дополнительные вопросы для самопроверки
- Как коммутатор поступает с кадром на неизвестный MAC назначения?
- Почему jumbo frames не используют в обычном офисном Интернете?
- Что указывает на проблему физического уровня в статистике порта?