Ethernet

Ethernet ist eine Technik für kabelgebundene Datennetze

Beschreibung

Definition

• Eine Technik, die Software und Hardware für kabelgebundene Datennetze spezifiziert.
• Beschreibt, wie Netzwerkgeräte Datenpakete so formatieren und übertragen können, dass andere Geräte im gleichen lokalen oder Standort-Netzwerksegment sie erkennen, empfangen und verarbeiten können.
• Ursprünglich für lokale Netzwerke gedacht (daher auch LAN-Technik).
• Ermöglicht Datenaustausch in Form von Datenframes zwischen den in einem lokalen Netz (LAN) angeschlossenen Geräten.

Ethernet im TCP/IP-Protokollstapel

Definiert Technik für kabelgebundene Datennetze

• Software: Protokolle usw.
• Hardware: Kabel, Verteiler, Netzwerkkarten usw.

Ursprünglich für lokale Datennetze (LANs) gedacht

• daher auch als LAN-Technik bezeichnet

Datenaustausch mit Frames

• zwischen den in einem lokalen Netz (LAN) angeschlossenen Geräten (Computer, Drucker und dergleichen)
• siehe Ethernet/Frame

Übertragungsraten

Spezifiziert

• 1, 10 Megabit/s
• 100 Megabit/s (Fast Ethernet)
• 1000 Megabit/s (Gigabit-Ethernet)
• 2,5, 5, 10, 25, 40, 50, 100, 200 und 400 Gigabit/s spezifiziert,

In Entwicklung

• 800 Gigabit/s und 1,6 Terabit/s

Ausdehnung

In seiner ursprünglichen Form erstreckt sich das LAN dabei nur über ein Gebäude; Ethernet-Standard-Varianten über Glasfaser haben eine Link-Reichweite von bis zu 80 km, proprietäre auch mehr.

Die Ethernet-Protokolle umfassen Festlegungen für Kabeltypen und Stecker sowie für Übertragungsformen (Signale auf der Bitübertragungsschicht, Paketformate).

• Im OSI-Modell ist mit Ethernet sowohl die physische Schicht (OSI Layer 1) als auch die Data-Link-Schicht (OSI Layer 2) festgelegt.

Ethernet entspricht weitestgehend der IEEE-Norm 802.3.

• Es wurde ab den 1990ern zur meistverwendeten LAN-Technik und
• hat andere LAN-Standards wie Token Ring verdrängt
• oder zu Nischenprodukten für Spezialgebiete gemacht
  • ARCNET in Industrie- und Fertigungsnetzen
  • FDDI in hoch verfügbaren Netzwerken,

Basis für höhere Protokolle auf OSI-Layser 3

• TCP/IP
• AppleTalk
• DECnet
• IPX/SPX

Für Anwendungen, in denen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Kommunikation gestellt werden, kommt Echtzeit-Ethernet zum Einsatz.

Ethernet ist heute der verbreitetste Standard für lokale Netze (LANs)

Viele Hersteller unterstützen diese Art von Netzwerken mit Hard- und Software

MAC-Adresse

• Jede Ethernet-Schnittstelle, also die Netzwerkkarte oder der fest eingebaute Anschluss, ist mit einer weltweit einmaligen Identifikationsnummer ausgestattet
• der MAC-Adresse (für Media Access Control, einer der beiden Bestandteile der OSI-Netzzugangsschicht).
• Es handelt sich um eine 48 Bit lange Zahl, die in sechs hexadezimalen Blöcken zwischen 0 und 255 (00 bis FF hex) geschrieben wird, zum Beispiel 00-A0-C9-E8-5F-64.

siehe MAC-Adresse

Frames

Die Datenpakete – auf der Netzzugangsschicht Frames genannt – werden mit den MAC-Adressen der sendenden und der empfangenden Station versehen und in der Regel an alle Stationen im Segment versandt.

• Jede Station überprüft daraufhin, ob die Daten für sie bestimmt sind.
• Im Übrigen kann man Ethernet-Schnittstellen auch in den »Promiscuous Mode« schalten, in dem sie ohne Unterschied alle Daten entgegennehmen.
• Auf diese Weise kann der gesamte Datenverkehr in einem Netzsegment überwacht werden.

Die MAC-Adresse wird normalerweise nicht über das jeweilige Teilnetz hinaus weiterverbreitet.

Ausnahmen

Das im weiteren Verlauf des Kapitels beschriebene IPX/SPX-Protokoll verwendet die MAC-Adresse auch für die Adressierung auf der Netzwerkschicht, und die IP-Weiterentwicklung IPv6 benutzt die MAC-Adresse als Teil der 128 Bit langen IP-Adresse.

Nach außen ergäbe ihre Verwendung auch keinen Sinn, da das nächste Teilnetz auf einer Route womöglich noch nicht einmal zum Ethernet-Standard gehört.

Namensherkunft

• Kompositum aus ether (englisch für Äther), das Medium zur Ausbreitung von Funkwellen, und net (englisch für Netz).
• Begriff entstand um 1973 am Xerox Forschungszentrum.

Verwendung

• zum Kommunizieren mehrerer Computer, Drucker, Scanner und dergleichen unter- oder miteinander.
• zum Anbinden von zentralen Speichersystemen, Überwachungssystemen, ...
• für Daten- und Nachrichtenverkehr.
• Die am meisten verwendete Netzwerktechnik (Basis für einen Großteil der Netzwerkkarten).

Ethernet Formate

siehe Ethernet/Frame

Medientypen

siehe Ethernet/Medien

Entwicklung

siehe Ethernet/Entwicklung

Data-Link-Layer

Ethernet basiert auf der Idee, dass die Teilnehmer eines LANs Nachrichten durch Hochfrequenz übertragen, allerdings nur innerhalb eines gemeinsamen Leitungsnetzes.

• Jede Netzwerkschnittstelle hat einen global eindeutigen 48-Bit-Schlüssel, der als MAC-Adresse bezeichnet wird.
• Tatsächlich werden MAC-Adressen teilweise mehrfach ausgegeben, aber die Hersteller versuchen durch geografische Trennungen lokale Kollisionen zu vermeiden.
• Da MAC-Adressen modifizierbar sind, muss man darauf achten, keine doppelten Adressen im selben Netz zu verwenden, da es sonst zu Fehlern kommt.
• Ethernet überträgt die Daten auf dem Übertragungsmedium im sogenannten Basisbandverfahren und in digitalem Zeitmultiplex.

CSMA/CD-Algorithmus

Ein Algorithmus mit dem Namen „Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection“ (CSMA/CD) regelt den Zugriff der Systeme auf das gemeinsame Medium.

• Weiterentwicklung des ALOHAnet-Protokolls, das in den 1970er-Jahren auf Hawaii zum Einsatz kam.

In der Praxis funktioniert dieser Algorithmus bildlich wie eine Diskussionsrunde ohne Moderator, auf der alle Gäste ein gemeinsames Medium (die Luft) benutzen, um miteinander zu sprechen.

• Bevor sie zu sprechen beginnen, warten sie höflich darauf, dass der andere Gast zu reden aufgehört hat.
• Wenn zwei Gäste zur gleichen Zeit zu sprechen beginnen, stoppen beide und warten für eine kurze, zufällige Zeitspanne, bevor sie einen neuen Anlauf versuchen.

Die Stelle, die Daten senden möchte, lauscht also auf dem Medium (Carrier Sense), ob es bereits belegt ist und sendet erst, wenn die Leitung frei ist.

• Da zwei Stellen gleichzeitig zu senden anfangen können, kann es trotzdem zu Kollisionen kommen, die dann festgestellt werden (Collision Detection), woraufhin beide Stellen noch kurz ein „Störung-Erkannt“-Signalmuster erzeugen, dann mit dem Senden aufhören und eine zufällige Zeit warten, bis sie einen erneuten Sendeversuch starten.
• Hierzu muss ein Sender während des Sendens zugleich auf dem Medium lauschen, ob ein anderer Sender mit ihm kollidiert.
• Daher sind Medien ungeeignet für CSMA/CD, wenn eine hohe Sendeleistung notwendig ist und einem sehr schwachen Empfangssignal gegenübersteht, das dann „untergeht“.

siehe CSMA/CD

Broadcast und Sicherheit

In den ersten Ethernetimplementierungen wurde die gesamte Kommunikation über einen gemeinsamen Bus, der in Form eines Koaxialkabels realisiert war, abgewickelt.

• An diesen wurden alle Arbeitsstationen abhängig vom Kabeltyp entweder per T-Stück oder „Invasivstecker“ (auch Vampirklemme, Vampirabzweige oder Vampire Tap genannt) angeschlossen.
• Jede Information, die von einem Computer gesendet wurde, wurde auch von allen empfangen.
• Die über Ethernet verbundenen Geräte müssen ständig Informationen ausfiltern, die nicht für sie bestimmt sind.

Diese Tatsache kann genutzt werden, um Broadcast- (Rundruf-Nachrichten) an alle angeschlossenen Systeme zu senden

• Bei TCP/IP beispielsweise verwendet das ARP einen derartigen Mechanismus für die Auflösung der Schicht-2-Adressen.
• Diese Tatsache ist auch ein Sicherheitsproblem von Ethernet, da ein Teilnehmer mit bösen Absichten den gesamten Datenverkehr auf der Leitung mitprotokollieren kann.
• Eine mögliche Abhilfe ist der Einsatz von Kryptografie (Kryptografie) auf höheren Protokollebenen.
• Die Vertraulichkeit der Verkehrsbeziehungen (wer tauscht mit wem in welchem Umfang wann Daten aus?) ist aber so nicht zu schützen.

Der Einsatz von (Repeater) Hubs zur Bildung von Multi-Segment-Ethernet-Netzen ändert hier nichts, weil alle Datenpakete in alle Segmente repliziert werden.

In moderneren Ethernetnetzen wurden zur Aufteilung der Kollisions-Domänen zunächst Bridges, heute Switches eingesetzt.

• Durch diese wird ein Ethernet in Segmente zerlegt, in denen jeweils nur eine Untermenge an Endgeräten zu finden ist.
• Werden ausschließlich Switches verwendet, so kann netzweit im Full-Duplex-Modus kommuniziert werden, das ermöglicht das gleichzeitige Senden und Empfangen für jedes Endgerät. Über Switches werden Datenpakete in der Regel direkt vom Sender zum Empfänger befördert – unbeteiligten Teilnehmern wird das Paket nicht zugestellt.
• Broadcast- (deutsch: Rundruf-) und Multicast-Nachrichten hingegen werden an alle angeschlossenen Systeme gesendet.

Das erschwert das Ausspionieren und Mithören, der Sicherheitsmangel wird durch die Einrichtung einer „geswitchten“ Umgebung allerdings nur verringert und nicht behoben.

• Zusätzlich zu den Broadcast-Meldungen werden auch die jeweils ersten Pakete nach einer Sendepause – dann, wenn der Switch die Ziel-MAC-Adresse (noch) nicht kennt – an alle angeschlossenen Systeme gesendet.
• Dieser Zustand kann auch böswillig durch MAC-Flooding herbeigeführt werden.
• Pakete können auch böswillig durch MAC-Spoofing umgeleitet werden.

Die Sicherheit des Betriebs im Sinne der störungsfreien Verfügbarkeit von Daten und Diensten beruht auf dem Wohlverhalten aller angeschlossenen Systeme.

• Beabsichtigter oder versehentlicher Missbrauch muss in einer Ethernetumgebung durch Analyse des Datenverkehrs aufgedeckt werden (LAN-Analyse).
• Switches stellen vielfach statistische Angaben und Meldungen bereit, die Störungen frühzeitig erkennbar werden lassen bzw. Anlass geben zu einer detaillierteren Analyse.

Verbesserungen

Switching

Shared Medium

• Ethernet in seinen frühen Ausprägungen (z. B. 10BASE5, 10BASE2), mit einem von mehreren Geräten gemeinsam als Übertragungsmedium genutzten Kabel (collision domain/shared medium – im Unterschied zu dem späteren geswitchten Ethernet), funktioniert gut, solange das Verkehrsaufkommen relativ zur nominalen Bandbreite niedrig ist.
• Da die Wahrscheinlichkeit für Kollisionen proportional mit der Anzahl der Sender (englisch „transmitter}}“) und der zu sendenden Datenmenge ansteigt, tritt oberhalb einer Auslastung von 50 % vermehrt ein als Congestion (Stau) bekanntes Phänomen auf, wobei Kapazitätsüberlastungen entstehen und somit eine gute Effizienz der Übertragungsleistung innerhalb des Netzwerks verhindert wird.

Switches

Um dieses Problem zu lösen und die verfügbare Übertragungskapazität zu maximieren, wurden Switches entwickelt (manchmal auch als Switching Hubs}}, Bridging Hubs oder MAC bridges bezeichnet), man spricht auch von Switched Ethernet.

• Switches speichern Pakete/Frames zwischen und beschränken damit die Reichweite der Kollisionen (die Kollisionsdomäne) auf die an dem entsprechenden Switchport angeschlossenen Geräte.
• Bei Twisted-Pair- oder Glasfaser-Verkabelung können Verbindungen zwischen zwei Geräten (Link) außerdem im Vollduplex-Modus (FDX) betrieben werden, wenn beide Geräte dies unterstützen (dies ist dann die Regel).

Switched Ethernet

Wenn (alle) Hubs/Repeater aus einem Netzwerk entfernt und durch vollduplex-fähige Komponenten ersetzt werden, spricht man von einem (pure) switched Ethernet, bei dem es keine Halbduplex-Links und damit auch keine Kollisionen mehr gibt.

• Die Verwendung von Switches ermöglicht also eine kollisionsfreie Kommunikation im FDX-Modus, d. h., Daten können gleichzeitig gesendet und empfangen werden, ohne dass es zu Kollisionen kommt.
• Trotz kollisionsfreier Bearbeitung kann es jedoch zu Paketverlusten kommen, etwa wenn zwei Sender jeweils die Bandbreite beanspruchen, um zu einem gemeinsamen Empfänger Datenpakete zu senden.
• Der Switch kann zwar Pakete kurzzeitig puffern, wenn der Empfänger aber nicht über die doppelte Bandbreite verfügt oder der Datenfluss nicht verlangsamt werden kann, muss er bei Überlauf des Puffers Daten verwerfen, so dass sie nicht zugestellt werden können.

Ethernet flow control

siehe Ethernet flow control

Umwandlung in einen Datenstrom

Nachdem der Datenstrom als Folge von Bytes bereitgestellt wurde, werden nun abhängig vom physischen Medium und der Übertragungsrate ein oder mehrere Bit in einen Leitungscode kodiert, um einerseits die physischen Eigenschaften des Mediums zu berücksichtigen und andererseits dem Empfänger eine Taktrückgewinnung zu ermöglichen.

• So wird, je nach Code, die erlaubte Frequenz-Bandbreite nach unten (Gleichspannungsfreiheit) und oben limitiert.

In übertragungsfreien Zeiten, also zwischen zwei Frames, kommt es definitionsgemäß zu Ruhepausen („Inter-Frame-Spacing“) mit einer gewissen Mindestlänge.

• Bei physischem Halbduplex-Modus schaltet sich in dieser Zeit der Sender ab, um anderen Stationen auf dem geteilten Medium Zugriff zu ermöglichen.
• Bei moderneren Medientypen mit physischem Vollduplex-Modus wird eine Trägerschwingung aufrechterhalten, die dem Empfänger ein schnelleres Aufsynchronisieren auf den Datenstrom ermöglicht.
• Außerdem können in der sendefreien Zeit Out-of-Band-Informationen zwischen den Stationen ausgetauscht werden.

Bei manchen physischen Vollduplex-Medientypen wie beispielsweise 10BASE-T deaktiviert sich die Sendestation trotz exklusiven Zugriffs auf das Medium zwischen den Frames.

• Hier wird die sendefreie Zeit zur Out-of-Band-Signalisierung (Link-Pulse, Fast-Link-Pulse) der Link-Parameter genutzt.

Weiter Aspekte

Metro-Ethernet

Metro Ethernet Netze (MEN) sind ethernetbasierte Metropolitan Area Network (MAN) Netze, die auf Carriergrade-Ethernet basieren.

• Nachdem mit der Einführung ausgefeilter Glasfasertechniken die Längenbeschränkungen für Ethernet-Netze praktisch aufgehoben sind, gewinnt Ethernet auch bei Weitverkehrsnetzen wie den MAN an Bedeutung.
• MANs basieren vor allem auf Kundenseite auf kostengünstiger bekannter Technik und garantieren eine vergleichsweise hohe Effizienz bei geringer Komplexität.

Power over Ethernet

Ebenfalls zur Familie der Ethernet-Standards gehört IEEE 802.3af (IEEE 802.3 Clause 33).

• Das Verfahren beschreibt, wie sich Ethernet-fähige Geräte über das Twisted-Pair-Kabel mit Energie versorgen lassen.
• Dabei werden entweder die ungenutzten Adern der Leitung verwendet, oder es wird zusätzlich zum Datensignal ein Gleichstromanteil über die vier verwendeten Adern übertragen.
• Eine Logik stellt sicher, dass nur PoE-fähige Geräte mit Energie versorgt werden.
• Gemäß 802.3af werden entsprechend ausgelegte Geräte mit 48 V und bis zu 15,4 Watt versorgt.
• Bis zu 30 W bei 54 V erreicht der Ende 2009 ratifizierte Standard 802.3at oder PoE+. 2018 wurde die dritte Generation 4PPoE als 802.3bt verabschiedet, die über alle vier Leitungspaare Geräte mit bis zu 100 W versorgen kann.

siehe Power over Ethernet

Siehe auch

1. MAC-Adresse
2. VLAN
3. Patchkabel
4. Media Independent Interface, Teilkomponente in einem Fast-Ethernet-Chipsatz.
5. 5-4-3-Regel, Verschaltungsregel in einer Ethernet-Baumtopologie.
6. Fibre Channel over Ethernet, Übertragungsprotokoll für Fibre-Channel-Rahmen.
7. PHY (physikalische Schnittstelle), Schaltkreis zur Datencodierung zwischen digitalen und analogen Systemen.
8. TIA-568A/B, Standards für die Kontaktierung von RJ-45-Steckern und -Buchsen.
9. RJ45/48, genormte Stecker und Buchsen für Telekommunikationskabel.
10. BroadR-Reach, ein Ethernet-Physical-Layer-Standard für Connectivity-Anwendungen im Automobilbereich.

Verwandte Standards

Folgende Netzwerkstandards gehören nicht zum IEEE-802.3-Ethernet-Standard, unterstützen aber das Ethernet-Datenblockformat und können mit Ethernet zusammenarbeiten:

Standard	Beschreibung
WLAN (IEEE 802.11)	Eine Technik zur drahtlosen Vernetzung per Funktechnik auf kurzen Strecken (Distanzen sind von den örtlichen Gegebenheiten abhängig und vergleichbar mit LAN), anfänglich mit Übertragungsraten ab 1 Mbit/s, aktuell (2010) mit bis zu 600 Mbit/s.
VG-AnyLan (IEEE 802.12) oder 100BASE-VG	Ein früher Konkurrent zu 100-Mbit/s-Ethernet und 100-Mbit/s-TokenRing. Ein Verfahren das Multimedia-Erweiterungen besitzt und beispielsweise wie FDDI garantierte Bandbreiten kennt, es basiert auf einem Demand Priority genannten Zugriffsverfahren (Demand Priority Access Methode, kollisionsfrei, alle Zugriffe werden priorisiert vom Hub/Repeater zentral gesteuert), womit die Nachteile von CSMA eliminiert werden. 100BASE-VG läuft auch über Kategorie-3-Kabel, benutzt dabei aber vier Aderpaare. Federführend bei der Entwicklung waren Hewlett-Packard und AT&T beteiligt, kommerziell war VG-AnyLan ein Fehlschlag.
TIA 100BASE-SX	Von der Telecommunications Industry Association geförderter Standard. 100BASE-SX ist eine alternative Implementation von 100-Mbit/s-Ethernet über Glasfaser und ist inkompatibel mit dem offiziellen 100BASE-FX-Standard. Eine hervorstehende Eigenschaft ist die mögliche Interoperabilität mit 10BASE-FL, da es Autonegotiation zwischen 10 Mbit/s und 100 Mbit/s beherrscht. Die offiziellen Standards können das aufgrund unterschiedlicher Wellenlängen der verwendeten LEDs nicht. Zielgruppe sind Organisationen mit einer bereits installierten 10-Mbit/s-Glasfaser-Basis.
TIA 1000BASE-TX	stammt ebenfalls von der Telecommunications Industry Association. Der Standard war ein kommerzieller Fehlschlag, und es existieren keine Produkte, die ihn umsetzen. 1000BASE-TX benutzt ein einfacheres Protokoll als der offizielle 1000BASE-T-Standard, benötigt aber Cat-6-Kabel (Gegner behaupten, dieser primär von der Kabelindustrie geförderte Standard sei gar nicht zur Produktentwicklung gedacht gewesen, sondern ausschließlich dafür, um eine erste Anwendung für diese bis dahin mit keinerlei Vorteilen gegenüber Cat-5 ausgestattete Kabelklasse vorweisen zu können).
InfiniBand	ist ein bereits seit 1999 spezifiziertes schnelles Hochleistungsverfahren zur Überbrückung kurzer Strecken (über Kupferkabel bis zu 15 m). Es nutzt bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zur kostengünstigen und latenzarmen Datenübertragung (unter 2 µs) und schafft pro Kanal theoretische Datenübertragungsraten von bis zu 2,5 Gbit/s in beide Richtungen und in der neueren DDR-Variante 5 Gbit/s. Bei InfiniBand können mehrere Kanäle transparent gebündelt werden, wobei dann ein gemeinsames Kabel verwendet wird. Üblich sind vier Kanäle (4×) also 10 Gbit/s bzw. 20 Gbit/s. Haupteinsatzgebiet sind Supercomputer (HPC-Cluster) wie sie auch in der TOP500-Liste zu finden sind.

Links

Weblinks

1. https://de.wikipedia.org/wiki/Ethernet Ethernet Wikipedia
2. http://www.pinoy7.com/winnt/pt2_1.htm Brian Brown Network Topologies
3. https://networkencyclopedia.com/100basetx/ Networkencyclopedia 100Base-TX
4. Moderne LANs: IEEE 802.3ab 1000 BASE-T
5. Ethernet-Paketformate
6. Jürgen Plate: Grundlagen Computernetze. FH München
7. Charles Spurgeon’s Ethernet Web Site (englisch)
8. Projektseite der IEEE 802.3 Working Group (englisch)
9. Ethernet-Standards als PDF auf der IEEE-Download-Seite (englisch)
10. 10-Gigabit-Ethernet führt iSCSI und Fibre Channel zusammen
11. W. Schulte: Metro- / Carrier Ethernet (PDF; 709 kB) DHBW Stuttgart. In: Funkschau, 16, S. 14

Testfragen

Was ist Ethernet?

Die am weitesten verbreitete Technologie für lokale Netzwerke.

Warum ist die Frame Mindestgröße wichtig?

Um die minimale Slot-Time zur Erkennung einer Kollision zu erreichen.

• Somit werden keine Daten ergänzt.

Was ist ein Bus in der Datenverarbeitung?

Ein Bus ist ein System zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern über einen gemeinsamen Übertragungsweg

Testfrage 4

Antwort4

Testfrage 5

Antwort5