Unter der Bezeichnung Ethernet fasst man eine Familie von Netztechnologien zusammen. Diesen gemeinsam sind die Adressierung, das Rahmenformat und die Zugriffskontrolle auf das Übertragungsmedium. Ethernet wurde in den siebziger Jahren im PARC (Palo Alto Research Center), dem Forschungslabor der Firma Xerox, entwickelt. Später wurde daraus in Zusammenarbeit mit den Firmen DEC und Intel ein offener Standard. Dieser wiederum bildete die Grundlage für den offiziellen IEEE-802.3-Standard.
IEEE (sprich Eye-triple-E) ist das Akronym für Institute of Electrical and Electronics Engineers. Von dieser Organisation (www.ieee.org) werden neben vielen anderen Aktivitäten Standards entwickelt.
Die dreistellige Zahl im Namen eines IEEE-Standards bezeichnet das allgemeine Thema. Die Nummer 802 umfasst diverse Standards für Local and Metropolitan Area Networks (LAN/MAN). Durch die Zahl hinter dem Punkt (Part) wird der Standard genauer bezeichnet. Die Gruppe 802.3 beispielsweise trägt den Titel CSMA/CD Access Method und 802.11 spezifiziert Wireless LANs. Einzelne Standards innerhalb einer Gruppe werden durch angehängte Buchstaben oder Ziffern sowie eine Jahreszahl unterschieden (zum Beispiel 802.11g-2003, 802.15.3-2003). Der Standard IEEE-802.3 umfasst also eine ganze Familie von Techniken. Die jeweiligen Namen werden nach dem Schema
<Datenrate><Übertragungsverfahren><Segmentlänge oder Kabeltyp>
gebildet. So bezeichnet 10Base5 eine Variante mit 10 Mbit/s Basisband-Übertragung und einer maximalen Segmentlänge von 500 Metern.
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Teil 1 |
Ethernet |
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Teil 2 |
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Adressen
Die Adressen für Ethernet bestehen aus sechs Bytes. Üblich ist die Angabe der einzelnen Bytes mit je zwei Hex-Zeichen, getrennt durch Doppelpunkte. Führende Nullen werden oft weggelassen. Das Programm ipconfig gibt die Adresse mit allen Nullen und Bindestrichen aus.
Beispiele:
8:34:3e:0:55:a2
00-D1-59-6B-88-63
Jeder Rechner – oder genauer jede Netzwerkkarte – in der Welt, hat eine eindeutige Ethernet-Adresse. Diese enthält einen Anfangsteil, der den Hersteller kennzeichnet. Das erste Bit hat eine besondere Bedeutung. Ist es gesetzt, handelt es sich nicht um eine individuelle Adresse, sondern um die einer ganzen Gruppe von Rechnern (Multicast). Der Extremfall ist eine Adresse, die nur Einsen enthält. Mit dieser Adresse (Broadcast) werden alle Rechner gleichzeitig angesprochen.
Rahmenformat
Die Rahmen im Standard IEEE-802.3 haben folgendes Format:
8 Byte | 6 | 6 | 2 | 46-1500 | 4 |
|---|---|---|---|---|---|
Präambel | Zieladresse | Quelladresse | Länge | Daten | CRC |
Die Präambel enthält im Wesentlichen eine Folge von abwechselnden Nullen und Einsen. Sie erlaubt den Empfängern die Synchronisation auf den Rahmen. Anschließend folgen die Adressen von Ziel(en) und Sender. Bei IEEE-802.3 gibt das nächste Feld die Größe der darauf folgenden Daten an.
Dabei gelten eine Mindestgröße von 46 Byte und eine maximale Größe von 1500 Byte. Im ursprünglichen Ethernet-Standard enthält dieses Feld eine Kennung für den Rahmentyp. Wenn man sich für die Typkennzeichnung auf Werte größer als 1500 beschränkt, können beide Rahmentypen ohne Verwechslungsgefahr parallel verwendet werden. Nach den Daten folgen noch die Prüfbits einer 32-Bit-CRC.
Diese Darstellung ist etwas vereinfacht, denn die Realität ist ein wenig komplizierter, und es gibt mehrere Ausprägungen von 802.3-Rahmen. Auf die Details gehen wir nicht näher ein. Es sei lediglich erwähnt, dass die ersten drei Bytes der Nutzlast als Information für die so genannte Logical Link Control (LLC) gemäß IEEE-802.2 dienen.
Medienzugriff
Ethernet wurde für die gemeinsame Nutzung eines Mediums durch viele Stationen (Rechner) entwickelt (Mehrfachzugriffsnetz). Der erste Vorläufer war ein Funknetz zwischen den Hawaii-Inseln mit dem Namen Aloha. In diesem Fall war die Atmosphäre das gemeinsam genutzte Medium. Bei Ethernet war es ursprünglich ein Kabel, das die Rechner in einer Bustopologie verband.
Der gemeinsame Zugriff (Medienzugriffssteuerung, engl. Media Access Control MAC) wird über die Methode CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) geregelt. Das Grundprinzip ist einfach: Jede Station kann feststellen, ob die Leitung momentan frei ist (Carrier Sense). Wenn eine Station einen Rahmen senden möchte und die Leitung frei ist, beginnt sie sofort mit der Übertragung.
Die Übertragungsdauer ist durch die maximale Datenmenge von 1500 Bits begrenzt. Wie bei einer Bustopologie üblich, hören alle Stationen permanent die Leitung ab. Wenn sie einen Rahmen entdecken, der für sie bestimmt ist, übernehmen sie ihn.
Kollisionen
Jede Station entscheidet selbstständig, wann sie senden will. Dadurch kann es passieren, dass zwei Stationen in der Annahme, dass die Leitung frei ist, gleichzeitig anfangen zu senden. Die beiden Rahmen kollidieren auf der Leitung und werden damit unbrauchbar. Die Stationen erkennen die Kollision (Collision Detection), brechen die Übertragung ab und schicken ein 32 Bit langes Stausignal.
Nach einiger Zeit versuchen die Stationen erneut, ihre Rahmen zu schicken. Um zu verhindern, dass wieder beide Stationen gleichzeitig anfangen zu senden, wird die Wartezeit jetzt zufällig variiert. Im ersten Wiederholungsversuch beträgt sie 51,2 µs, und jede Station entscheidet zufällig, ob sie 0 µs oder 51,2 µs wartet. Falls es erneut zu einer Kollision kommt, verdoppelt sich die maximale Wartezeit, und jede Station wartet zufällig für 0, 51,2, 102,4 oder 153,6 µs.
Dieses Verfahren der Verdopplung der Wartezeit (exponential backoff) wird bis zu einer gegebenen Maximalzahl von Versuchen angewandt. Im Versuch i wählt jede Station zufällig eine Wartezeit aus der Menge 0, 51,2, 2, ..., (2^i - 1) x 51,2 aus. In der Praxis wird allerdings i nicht größer als 10, und nach 16 erfolglosen Versuchen bricht der Netzwerkadapter mit einer Fehlermeldung ab.
Mit dieser Strategie werden einerseits Sendekonflikte zwischen zwei oder einigen wenigen Stationen schnell geklärt. Andererseits löst sich auch in dem Fall, dass viele Stationen gleichzeitig senden wollen, nach einigen Verdoppelungen der Gesamtwartezeit der Stau rasch auf.
Grenzwerte
Aus der CSMA/CD-Strategie ergeben sich Grenzwerte für die erlaubte maximale Laufzeit und die Rahmengröße. Betrachten wir dazu als Beispiel den extremen Fall zweier Stationen A und B an den entgegengesetzten Enden der Leitung. Die Station A sendet einen Rahmen. Der Rahmen erreicht nach der Latenz T die Station B. Für B war bis zu diesem Moment die Leitung frei. Im ungünstigsten Fall hat Station B daher unmittelbar, bevor dieser Rahmen bei ihr eintrifft, selbst mit einer Übermittlung begonnen. Die Station B entdeckt sofort den Konflikt und bricht daraufhin die Übertragung ab.
Allerdings dauert es wiederum die Zeit T, bis der von B begonnene Rahmen bei A eintrifft. Damit A seinen Rahmen noch zurücknehmen kann, darf A zu diesem Zeitpunkt noch nicht mit der Übertragung fertig sein. In Summe muss daher die Übertragung eines Rahmens stets mindestens die längste RTT 2T innerhalb des Netzes dauern. Die minimale Übertragungsverzögerung muss die Beziehung
erfüllen. Bei der Übertragungsrate 10 Mbit/s und einer minimalen Rahmengröße von 64 Bytes beziehungsweise 512 Bits ergibt sich als maximale RTT 51,2 µs. Erhöht man die Übertragungsrate beispielsweise auf 100 Mbit/s, so reduziert sich die maximale RTT bei gleichen Rahmen auf 5,12 µs.
Physikalische Eigenschaften
In der ursprünglichen Form wird Ethernet über ein Koaxialkabel (10Base5) in Bustopologie betrieben. Das Kabel hat eine maximale Länge von 500 Metern. Direkt an den Kabeln werden Transceiver angebracht (Mindestabstand 2,5 Meter), von denen aus Kabeln zu den Rechnern führen. Als preisgünstige Alternative wird dünneres Koaxialkabel (10Base2) verwendet, bei dem eine Abzweigung über ein T-Stück realisiert wird. Zwei Kabelsegmente lassen sich über einen Repeater verbinden.
Die moderne Form 10Base-T basiert auf verdrillten Kabelpaaren (twisted pair). Damit sind nur noch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen möglich. Mehrere Stationen werden dann auf einen mehrwegigen Repeater (Sternkoppler oder Hub; Englisch: Nabe, Mittelpunkt) geführt. Die einzelnen Kabeltypen sind in der Tabelle „Kabeltypen für 10 Mbit/s Ethernet“ zusammengestellt. Repeater und Hubs arbeiten auf Bitebene und leiten die Signale ohne Analyse der Adressen weiter. Dann bleibt – unabhängig von der technischen Realisierung – das Netz eine logische Einheit. Jede Nachricht wird über das gesamte Netz verteilt, so dass Kollisionen an beliebiger Stelle auftreten können. Das Netz bildet eine Kollisionsdomäne (collision domain).
Bezeichnung | Typ | Max. Länge | Bemerkung |
|---|---|---|---|
10Base5 | Dickes Koaxialkabel (ThickWire) | 500 m | Kabel wird für Anschlüsse (Transceiver) angebohrt |
10Base2 | Dünnes Koaxialkabel (ThinWire) | 200 m | Anschluss über T-Stück |
10Base-T | Verdrilltes Paar (Twisted pair) | 100 m | Punkt-zu-Punkt-Verbindungen |
10Base-F Glasfaser | 2000 m |
Performance-Optimierung
Einen höheren Datendurchsatz erreicht man durch Trennung eines Netzes in mehrere Teilnetze, die durch vermittelnde Geräte wie Switches oder Router verbunden sind. Diese Geräte leiten Pakete nur an die Teilnetze weiter, in denen sich die Zielknoten befinden. Dadurch werden die anderen Teilnetze von unnötigem Verkehr freigehalten. Der Durchsatz lässt sich dann durch geeignete Topologien weiter optimieren.
So ist es sinnvoll, Stationen die viel miteinander kommunizieren, an ein gemeinsames Teilnetz anzuschließen. Weiterhin können Stationen mit sehr hohem Datenaufkommen einen eigenen Port am Switch erhalten, so dass ihnen die Bandbreite exklusiv zur Verfügung steht. Eine Leistungssteigerung erreicht man auch durch Full-Duplex-Betrieb mit getrennten Kanälen für die beiden Richtungen.
Aufbauend auf dem Standard für 10 Mbit/s wurden mit 100 Mbit/s Fast Ethernet und 1000 Mbit/s Gigabit Ethernet zwei Nachfolgetechnologien mit höheren Bandbreiten entwickelt. Die beiden Verfahren benötigen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, wobei sowohl Twisted Pair als auch Lichtleiterkabel eingesetzt werden können. Die weit gehende Kompatibilität erleichtert die Migration bestehender Ethernet-Netze zu den höheren Datenraten.
Bewertung
Ethernet ist eine überaus erfolgreiche Technologie. Die Bandbreite wird zwar nicht optimal ausgenutzt, aber solange die Belastung nicht zu hoch ist (kleiner 30 Prozent), ist der Verlust durch die Kollisionen nicht störend.
Vorteilhaft ist die Einfachheit von Installation und Betrieb. Es ist kein Problem, Stationen einzufügen oder aus dem Netz zu nehmen. Auch der Ausfall einzelner Stationen hat in der Regel keine negativen Auswirkungen auf den Netzbetrieb. Durch das robuste Protokoll gibt es auch kaum Situationen, in denen eine einzelne Station durch Fehlfunktionen das ganze Netz in Mitleidenschaft zieht.
Für normale Computer-Anwendungen wie etwa Fileservice ist Ethernet gut geeignet. Schwierig sind zeitkritische Anwendungen, die enge Anforderungen an die Reaktionszeit stellen. Darunter fallen auch Applikationen wie etwa Telefonverbindungen, bei denen Schwankungen in der Laufzeit sich störend bemerkbar machen. Durch den zufälligen Charakter des Medienzugriffs gibt es keine Garantie, dass ein Rahmen innerhalb einer vorgegebenen Zeit sein Ziel erreicht. In der Praxis kann man diese Probleme weit gehend vermeiden, indem man das Netzwerk nicht zu stark belastet.
Ethernet ist die bei weitem am häufigsten eingesetzte LAN-Technologie. Die Tendenz geht zu immer höheren Datenraten, wobei aber stets noch die Kompatibilität mit den älteren Techniken gewahrt bleibt.
Ausblick
Im nächsten Teil der Serie betrachten wir Token Ring und drahtloses LAN. Außerdem werfen wir einen kurzen Blick auf andere Netztechnologien wie Token Bus, FDDI und Feldbusse.
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Teil 1 |
Ethernet |
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Teil 2 |
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