Единица данных на втором уровне
Когда IP-пакет нужно передать по проводу до соседнего устройства, его помещают в контейнер канального уровня. Для проводных сетей это чаще всего кадр Ethernet. Кадр существует только в пределах одного сегмента: каждый маршрутизатор на пути снимает старый кадр и создаёт новый под следующий переход. Пакет при этом остаётся тем же, а вот адреса в кадре меняются.
Это важный момент для понимания сетей. IP-адрес получателя указывает конечную цель, а MAC-адрес в кадре указывает только ближайший следующий узел.
Поля кадра по порядку
Кадр начинается с преамбулы и признака начала кадра. Это служебные байты для синхронизации приёмника, и большинство программ их не показывают. Затем идут MAC-адрес получателя и MAC-адрес отправителя по шесть байт каждый. Далее двухбайтовое поле: оно содержит либо тип вложенного протокола, например код для IPv4 или IPv6, либо длину данных.
Потом расположена полезная нагрузка, обычно IP-пакет. В конце стоит четырёхбайтовая контрольная последовательность кадра, вычисляемая по алгоритму CRC. Получатель пересчитывает её, и при несовпадении кадр молча отбрасывается. Ошибку в таком случае исправляют уже верхние уровни, например повторной отправкой в TCP.
Размеры и жёсткие границы
Минимальная длина кадра составляет 64 байта без преамбулы, и если данных мало, их дополняют пустыми байтами. Ограничение связано с механизмом обнаружения коллизий в ранних сетях. Максимальный размер полезной нагрузки в стандартном Ethernet равен 1500 байт, именно отсюда берётся привычное значение MTU. Вместе с заголовком и контрольной суммой кадр получается немного больше.
Бывают и так называемые джамбо-кадры с нагрузкой до примерно девяти тысяч байт. Их включают в хранилищах и серверных сетях, но все устройства на пути должны поддерживать одинаковый размер, иначе возникают трудноуловимые потери.
Как кадр связан с MAC-адресами и ARP
Прежде чем отправить кадр, компьютер должен знать MAC-адрес соседа. Если известен только IP, узнать соответствие помогает протокол ARP. Для адресов вне локальной сети в поле получателя ставится MAC шлюза, а не удалённого сервера. Именно поэтому в анализаторе пакетов кадры при обращении к любому сайту идут на один и тот же MAC вашего роутера.
Коммутатор читает поле адреса получателя и по своей таблице решает, в какой порт направить кадр. Широковещательный адрес, состоящий из одних единиц, означает «всем в сегменте».
Кадры в Wi-Fi и другие отличия
Беспроводная сеть использует свой формат кадра, у которого до четырёх адресных полей и другие служебные данные, потому что эфир общий и нужно учитывать точку доступа. Но для верхних уровней это скрыто: точка доступа преобразует кадры между беспроводным и проводным форматами.
Посмотреть поля можно захватом на интерфейсе в анализаторе: в развёрнутой строке видно источник, назначение и тип. Обратите внимание, что VLAN-метка при её наличии добавляет ещё четыре байта в заголовок.
Что показывает кадр при диагностике
Анализ кадров помогает там, где верхние уровни выглядят исправными. Если в захвате видны повторяющиеся ARP-запросы без ответа, устройство не находит соседа или шлюз. Если у кадров разные MAC-адреса отправителя для одного IP, вероятен конфликт адресов или подмена. Большое число кадров с ошибками контрольной суммы говорит о плохом кабеле, разъёме или помехах.
Счётчики ошибок доступны и без анализатора: на управляемых коммутаторах и в статистике сетевого адаптера видны принятые, отброшенные и повреждённые кадры. Если счётчик CRC растёт при нормальной нагрузке, стоит поменять патч-корд, проверить обжим и длину линии, которая для витой пары не должна превышать сотню метров.
Расхождения в размерах встречаются в описаниях, поэтому уточним: 1500 байт относятся к полезной нагрузке, а полный кадр вместе с адресами, полем типа и контрольной суммой равен 1518 байт, а с тегом VLAN 1522. Преамбулу в это число не включают. Если видите в документации оба значения, речь просто о разных способах счёта.
В сетях с туннелями или дополнительными заголовками полезная нагрузка уменьшается, и MTU приходится снижать, иначе крупные пакеты начнут теряться.
В целом полезно помнить простое правило: если проблема видна уже на уровне кадров, менять настройки приложений бессмысленно, сначала стоит устранить причину внизу, будь то кабель, порт или конфликт адресов.