Frame

Ein Frame (deutsch: Datenrahmen) ist die Protokolldateneinheit (PDU) auf der Sicherungsschicht (Layer 2) des OSI-Modells. Frames bilden die Grundlage für die zuverlässige Datenübertragung zwischen direkt benachbarten Netzwerkknoten innerhalb eines lokalen Netzwerksegments. Während die physikalische Schicht (Layer 1) nur rohe Bits überträgt, strukturiert Layer 2 diese Bits in logische Datenblöcke - die Frames.

Was ist ein Frame?

Stell dir einen Frame wie einen Briefumschlag vor: Er enthält die eigentlichen Daten (den Brief), eine Absender- und Empfängeradresse sowie Kontrollmechanismen, die sicherstellen, dass der Inhalt unbeschädigt ankommt. Im Netzwerk übernimmt der Frame genau diese Aufgabe - er verpackt die Nutzdaten und fügt alle notwendigen Informationen hinzu, damit Netzwerkgeräte wie Switches die Daten korrekt weiterleiten können.

Der Begriff "Framing" beschreibt den Prozess, bei dem die Sicherungsschicht den kontinuierlichen Bitstrom aus der physikalischen Schicht in abgegrenzte, verarbeitbare Einheiten aufteilt. Dies ermöglicht die Erkennung, wo ein Datenblock beginnt und endet, sowie die Fehlerprüfung für jeden einzelnen Frame.

Frame vs. Paket: Der Unterschied

In der Netzwerkkommunikation werden die Begriffe Frame und Paket oft verwechselt, obwohl sie unterschiedliche OSI-Schichten betreffen. Ein Frame gehört zur Sicherungsschicht (Layer 2) und verwendet MAC-Adressen zur Adressierung. Ein Paket hingegen ist die PDU der Vermittlungsschicht (Layer 3) und arbeitet mit IP-Adressen.

Wenn ein Router ein Datenpaket weiterleitet, bleibt das IP-Paket intakt, während der Frame bei jedem Hop neu erstellt wird. Das Paket wird also in einen neuen Frame "verpackt", der zur nächsten Netzwerkstrecke passt. So kann ein IP-Paket auf dem Weg vom Sender zum Empfänger in verschiedenen Frame-Typen transportiert werden - erst als Ethernet-Frame im LAN, dann vielleicht als PPP-Frame über eine WAN-Verbindung.

Aufbau eines Frames

Obwohl sich die genaue Struktur je nach Protokoll unterscheidet, folgen alle Frames einem ähnlichen Grundaufbau mit drei Hauptkomponenten: Header, Payload und Trailer.

Header (Kopfbereich)

Der Header enthält die Steuerinformationen für die Übertragung. Die wichtigsten Bestandteile sind die Ziel-MAC-Adresse (an welches Gerät soll der Frame?) und die Quell-MAC-Adresse (von welchem Gerät kommt er?). Je nach Frame-Typ können weitere Felder hinzukommen, etwa ein Type-Feld (das angibt, welches Protokoll in den Nutzdaten steckt) oder ein Längenfeld.

Payload (Nutzlast)

Die Payload enthält die eigentlichen Daten, die übertragen werden sollen - typischerweise ein Paket der höheren Schicht (z.B. ein IPv4- oder IPv6-Paket). Die maximale Größe der Payload wird durch die MTU (Maximum Transmission Unit) des Netzwerks bestimmt. Bei Ethernet beträgt die Standard-MTU 1500 Byte.

Trailer (Abschlussbereich)

Der Trailer enthält die Frame Check Sequence (FCS), eine Prüfsumme zur Fehlererkennung. Der Sender berechnet diese Prüfsumme über alle Frame-Inhalte und hängt sie an. Der Empfänger führt dieselbe Berechnung durch und vergleicht das Ergebnis. Stimmen die Werte nicht überein, wird der Frame als beschädigt erkannt und verworfen.

Frame-Typen in der Praxis

Verschiedene Netzwerktechnologien verwenden unterschiedliche Frame-Formate. Hier sind die wichtigsten Frame-Typen, die du in der IT-Praxis antreffen wirst:

Ethernet-Frame (IEEE 802.3)

Der Ethernet-Frame ist der mit Abstand häufigste Frame-Typ in lokalen Netzwerken. Er wird durch den IEEE 802.3-Standard definiert. Die gängigste Variante ist Ethernet II (auch DIX-Ethernet genannt), die ein Type-Feld zur Kennzeichnung des Protokolls in der Payload verwendet (z.B. 0x0800 für IPv4).

Struktur eines Ethernet-II-Frames:

WLAN-Frame (IEEE 802.11)

WLAN-Frames sind deutlich komplexer als Ethernet-Frames, da die drahtlose Übertragung zusätzliche Informationen erfordert. Der IEEE 802.11-Standard definiert drei Frame-Kategorien: Management-Frames (z.B. für die Verbindungsherstellung), Control-Frames (z.B. für Bestätigungen) und Data-Frames (für Nutzdaten).

Besonders ist, dass WLAN-Frames bis zu vier MAC-Adressfelder enthalten können. Dies ist notwendig, weil die Kommunikation über Access Points läuft und sowohl die Adressen der Endgeräte als auch der Access Points benötigt werden.

PPP-Frame (Point-to-Point Protocol)

PPP-Frames werden für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet, etwa bei DSL-Verbindungen (PPPoE) oder VPN-Tunneln. Da nur zwei Geräte direkt verbunden sind, ist keine komplexe Adressierung nötig. PPP-Frames enthalten stattdessen Protokollinformationen und unterstützen Authentifizierung sowie Kompression.

Wichtige Konzepte beim Framing

MTU und Fragmentierung

Die MTU (Maximum Transmission Unit) gibt die maximale Größe der Nutzdaten in einem Frame an. Bei Ethernet sind das standardmäßig 1500 Byte. Wenn ein IP-Paket größer ist als die MTU, muss es auf Layer 3 fragmentiert werden. Die resultierenden Fragmente werden dann jeweils in eigene Frames verpackt. Jumbo-Frames mit MTUs von 9000 Byte oder mehr werden in Rechenzentren eingesetzt, um den Overhead zu reduzieren.

Mindestgröße und Padding

Ethernet-Frames müssen eine Mindestgröße von 64 Byte haben (ohne Präambel). Dies ist für die Kollisionserkennung bei CSMA/CD notwendig: Ein Frame muss lang genug sein, damit eine Kollision erkannt werden kann, bevor die Übertragung abgeschlossen ist. Sind die Nutzdaten kleiner als 46 Byte, wird der Frame mit Padding (Füllbytes) aufgefüllt.

VLAN-Tagging

Der IEEE 802.1Q-Standard erweitert Ethernet-Frames um ein 4-Byte-Tag für VLAN-Informationen. Dieses Tag wird zwischen Quell-MAC-Adresse und Type-Feld eingefügt und enthält die VLAN-ID sowie Prioritätsinformationen (QoS). Switches nutzen diese Information, um Frames dem richtigen virtuellen Netzwerk zuzuordnen.

PDUs auf verschiedenen OSI-Schichten

Jede Schicht des OSI-Modells hat ihre eigene Bezeichnung für die Dateneinheit. Das Verständnis dieser Terminologie hilft dir, Netzwerkprobleme zu analysieren und Fachgespräche zu führen:

Bei der Datenübertragung wandern die Daten von oben nach unten durch die Schichten (Enkapsulierung): Die Transportschicht erstellt ein Segment, das in ein IP-Paket verpackt wird, das wiederum in einen Frame eingebettet wird. Beim Empfänger läuft der Prozess umgekehrt (Dekapsulierung).

Frame-Verarbeitung im Netzwerk

Wenn ein Switch einen Frame empfängt, liest er die Ziel-MAC-Adresse aus dem Header. Anhand seiner MAC-Adresstabelle (CAM-Tabelle) entscheidet er, an welchen Port der Frame weitergeleitet werden soll. Ist die Adresse nicht bekannt, sendet der Switch den Frame an alle Ports außer dem Empfangsport (Flooding). Gleichzeitig lernt er die Quell-MAC-Adresse und ordnet sie dem Eingangsport zu.

Bei der Fehlerbehandlung prüft jedes empfangende Gerät die FCS-Prüfsumme. Ist ein Frame beschädigt, wird er stillschweigend verworfen - die Sicherungsschicht fordert keine Neuübertragung an. Diese Aufgabe überlässt sie höheren Protokollen wie TCP, die End-zu-End-Zuverlässigkeit bieten.

Frames analysieren mit Wireshark

Mit Netzwerkanalyse-Tools wie Wireshark kannst du Frames in Echtzeit aufzeichnen und untersuchen. Das Tool zeigt dir die einzelnen Header-Felder, die Payload und hilft beim Debugging von Netzwerkproblemen. Für IT-Auszubildende ist das Arbeiten mit Wireshark eine praktische Methode, um die Theorie mit der Praxis zu verbinden.

# Wireshark starten und Ethernet-Interface auswählen
# Filter für bestimmte MAC-Adresse:
eth.addr == aa:bb:cc:dd:ee:ff

# Filter für Broadcast-Frames:
eth.dst == ff:ff:ff:ff:ff:ff

# Filter für VLAN-Tagged Frames:
vlan

Quellen und weiterführende Links

• IEEE 802.3 Ethernet Standard - Offizielle Spezifikation
• IEEE 802.11 Wireless LAN Standard - WLAN-Frame-Spezifikation
• RFC 1661 - Point-to-Point Protocol - PPP-Spezifikation
• Elektronik-Kompendium: Ethernet-Frame - Detaillierte Erklärung
• Wireshark - Netzwerkanalyse-Tool