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Ethernet [ˈi:θənɛt] ist eine kabelgebundene Datennetztechnik für lokale Datennetze (LANs). Sie ermöglicht den Datenaustausch in Form von Datenrahmen zwischen allen in einem lokalen Netz (LAN) angeschlossenen Geräten (Computer, Drucker und dergleichen). Fast Ethernet ist eine Weiterentwicklung von Ethernet, die bei 100 Mbit/s arbeitet. Nur in seiner traditionellen Ausprägung erstreckt sich das LAN dabei nur über ein Gebäude. Ethernet-Technik verbindet heute per Glasfaser oder Funk auch Geräte über weite Entfernungen. Ethernet umfasst Festlegungen für Kabeltypen und Stecker, beschreibt die Signalisierung für die Bitübertragungsschicht und legt Paketformate und Protokolle fest. Aus Sicht des OSI-Modells spezifiziert Ethernet sowohl die physikalische Schicht (OSI Layer 1) als auch die Data-Link-Schicht (OSI Layer 2). Ethernet ist weitestgehend in der IEEE-Norm 802.3 standardisiert. Es wurde ab den 1990ern zur meistverwendeten LAN-Technik und hat alle anderen LAN-Standards wie Token Ring verdrängt oder wie beispielsweise ARCNET in Industrie- und Fertigungsnetzen oder FDDI in hoch verfügbaren Netzwerken zu Nischenprodukten für Spezialgebiete gemacht. Ethernet kann die Basis für Netzwerkprotokolle, z. B. AppleTalk, DECnet, IPX/SPX oder TCP/IP, bilden.
GeschichteEthernet wurde ursprünglich am Xerox Palo Alto Research Center (PARC) entwickelt. Eine weitverbreitete Geschichte besagt, dass Ethernet 1973 erfunden wurde, als Robert Metcalfe ein Memo über das Potenzial von Ethernet an seine Vorgesetzten schrieb. Er leitete das Protokoll von dem an der Universität von Hawaii entwickelten funkbasierten ALOHAnet ab. Daher auch der Name Ethernet (englisch für „Äther“, der nach historischen Annahmen das Medium zur Ausbreitung von (Funk-)Wellen wäre). Metcalfe selbst sagt, dass Ethernet über mehrere Jahre entwickelt worden sei und sich daher kein Anfangszeitpunkt festmachen ließe. Ursprünglich war es also ein firmenspezifisches und nicht standardisiertes Produkt. Diese erste Version des Ethernet arbeitete noch mit 3 Mbit/s. 1976 veröffentlichten Metcalfe und sein Assistent David Boggs einen Artikel (siehe Grafik) mit dem Titel Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks. Robert Metcalfe verließ Xerox 1979, um die Benutzung von Personal Computern und LANs zu fördern, und gründete die Firma 3Com. Er überzeugte erfolgreich DEC, Intel und Xerox, mit ihm zusammenzuarbeiten, um Ethernet zum Standard zu machen. Ihre erste Ethernet-Version 1 wurde ab 1980 vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) in der Arbeitsgruppe 802 weiterentwickelt. Ursprünglich war nur ein LAN-Standard für Übertragungsraten zwischen 1 und 20 Mbit/s geplant. Ebenfalls 1980 kam noch eine sogenannte „Token-Access-Methode“ hinzu. Ab 1981 verfolgte das IEEE dann drei verschiedene Techniken: CSMA/CD (802.3), Token Bus (802.4) und Token Ring (802.5), wovon die letzten beiden bald in einer wahren Flut von Ethernet-Produkten untergingen. 3Com wurde dabei ein großes Unternehmen. Die Arbeiten am Cheapernet-Standard (10Base2) wurden im Juni 1983 veröffentlicht. Zur gleichen Zeit begann die Arbeit an den Spezifikationen für Ethernet-on-Broadband (10Broad36) und für das StarLAN (1Base5). Als 1985 der Ethernet-Standard auch als internationaler Standard ISO/DIS 8802/3 veröffentlicht wurde, wurde er binnen kurzer Zeit von über 100 Herstellerfirmen unterstützt. 1986 begannen einige kleinere Firmen mit der Übertragung von Daten im Ethernet-Format auf Vierdrahtleitungen. Danach verstärkte das IEEE seine Aktivitäten in den Gebieten Ethernet-on-Twisted Pair, was 1991 zu einem Standard wurde, sowie Ethernet auf Glasfaserleitungen, was 1992 zu den 10BaseF-Standards (F für Fibre-Optics) führte. Mitte der 90er Jahre kam es zu einem Tauziehen um den Nachfolge-Standard; auf der einen Seite standen AT&T und HP, die eine technisch elegantere Lösung nach IEEE 802.12 (100BaseVG) anstrebten, auf der anderen Seite standen die Hersteller der Fast Ethernet Alliance, bestehend aus ca. 35 namhaften Firmen wie Bay Networks, 3Com, Intel, SUN, Novell usw., die 100 Mbit/s nach dem altbewährten IEEE 802.3-Standard propagierten. Letztendlich wurde 1995 der 100 Mbit/s-Standard für Ethernet auf Bestreben der Fast Ethernet Alliance gemäß IEEE 802.3u verabschiedet, etwa gleichzeitig mit dem Standard für ein Wireless-LAN mit der Bezeichnung 802.11. Inzwischen nehmen die Arbeiten am 10-Gigabit-Ethernet und am Ethernet in the First Mile (EFM) statt des reinen Inhouse-Betriebs bereits Universitäts- und Stadtnetze ins Visier. BitübertragungsschichtEthernet 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. Dies stellt sicher, dass alle Systeme in einem Ethernet unterschiedliche Adressen haben. Ethernet überträgt die Daten auf dem Übertragungsmedium dabei im so genannten Basisbandverfahren, d. h. in digitalem Zeitmultiplex. CSMA/CD-AlgorithmusEin Algorithmus mit dem Namen „Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection“ (CSMA/CD) regelt den Zugriff der Systeme auf das gemeinsame Medium. Es ist eine Weiterentwicklung des ALOHAnet-Protokolls, das in den 1960er-Jahren auf Hawaii zum Einsatz kam. In der Praxis funktioniert dieser Algorithmus bildlich wie eine Party, 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 wagen. Damit die Kollision festgestellt und eine Sendewiederholung initiiert werden kann, müssen die Datenframes abhängig von der Leitungslänge eine bestimmte Mindestlänge haben. Diese ergibt sich aus der physikalischen Übertragungsgeschwindigkeit (allgemeine Lichtgeschwindigkeit) und der Übertragungsrate. Bei einer Übertragungsrate von 10 Mbit/s und einer maximalen Entfernung von 2,5 km zwischen zwei Stationen ist eine Mindestlänge von 64 Byte (14 Byte Header, 46 Byte Nutzdaten, 4 Byte CRC) vorgeschrieben. Kleinere Datenframes müssen entsprechend aufgefüllt werden. Für eine Übertragungsrate mit 100 Mbit/s ist eine maximale Segmentlänge von 100m und 4 Repeater erlaubt. Damit können zwei Stationen bis zu einer Distanz von 500m direkt verbunden werden. Auch wenn die Norm IEEE 802.3 den Namen „CSMA/CD“ im Titel hat, spielt diese Form der Kollisionsauflösung heute nur mehr in geringem Maße eine Rolle. Die meisten Netzwerke werden heute im Vollduplex-Modus betrieben, bei dem Switches für die Zugriffsauflösung sorgen und keine Kollisionen mehr entstehen können. Trotzdem blieb das Frameformat, insbesondere der Frame Header und die für die Kollisionserkennung vorgeschriebene minimale Frame-Länge, bis hinauf zu 10-GBit-Ethernet unverändert. Broadcast und SicherheitIn den ersten Ethernetimplementierungen wurde die gesamte Kommunikation auf einem Kabel abgewickelt, an das alle Arbeitsstationen angeschlossen waren. 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- (deutsch: Rundruf)-Nachrichten an alle angeschlossenen Systeme zu senden. Bei TCP/IP beispielsweise verwendet das ARP-Protokoll 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 mitschneiden kann. Eine mögliche Abhilfe ist der Einsatz von Kryptographie (Verschlüsselung) 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 Hubs zur Bildung von Multi-Segment- Ethernet-Netzen ändert hier nichts, weil alle Datenpakete in alle Segmente repliziert werden. In modernen Ethernetnetzen werden Switches eingesetzt. Durch diese wird ein Ethernet in Segmente zerlegt, in denen jeweils nur ein Endgerät zu finden ist. Switches ermöglichen gleichzeitiges Senden und Empfangen für jedes Endgerät. Switches befördern die Datenpakete in der Regel direkt vom Sender zum Empfänger – allen anderen Teilnehmern wird das Paket nicht zugestellt. Broadcast- (deutsch: Rundruf-) und Multicast-Nachrichten werden an alle angeschlossenen Systeme gesendet. Der Sicherheitsmangel wird durch die Einrichtung einer geswitchten Umgebung verringert, aber 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 ARP-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. VerbesserungenEthernet in seinen frühen Ausprägungen (z. B. 10Base5, 10Base2) mit einem von mehreren Geräten gemeinsam als Übertragungsmedium genutzten Kabel (shared medium) funktioniert gut, solange das Verkehrsaufkommen relativ zur nominalen Bandbreite niedrig ist. Da die Chance für Kollisionen proportional mit der Anzahl der Sender (englisch „transmitter“) und der zu sendenden Datenmenge ansteigt, tritt oberhalb von 50 % Auslastung vermehrt ein als Congestion (Verstopfung) bekanntes Phänomen auf, wobei regelrechte Staus entstehen und eine vernünftige Arbeit mit dem Netzwerk nicht mehr möglich ist. Um dies zu lösen und die verfügbare Bandbreite zu maximieren, wurde das Switched Ethernet entwickelt. Im Switched Ethernet werden Hubs durch Switching Hubs (Switches) ersetzt, die die Collision Domain in mehrere kleinere Collision Domains (meist eine pro Peer) zerteilen, was die Anzahl an Kollisionen reduziert bzw. Kollisionen gänzlich vermeidet. Bei Verwendung von Switches ist auch eine Kommunikation im Full-Duplex-Modus möglich, d. h. Daten können gleichzeitig gesendet und empfangen werden. Für Full-Duplex-Betrieb ist aber eine entsprechend fähige Bitübertragungsschicht notwendig. Formate der Ethernet-Datenübertragungsblöcke und das TypfeldHistorische FormateEs gibt vier Typen von Ethernet-Datenblöcken (englisch ethernet frames):
Seit 1983 entsteht der Standard IEEE 802.3. Ethernet ist quasi ein Synonym für diesen Standard. IEEE 802.3 definiert zwei Frame-Formate:
Der ursprüngliche Xerox-Version-1-Ethernet-Datenblock hatte ein 16-bit-Feld, in dem die Länge des Datenblocks hinterlegt war. Da diese Länge für die Übertragung der Frames nicht wichtig ist, wurde es vom späteren Ethernet-II-Standard als Ethertype-Feld verwendet. Das Format von Ethernet I mit dem Längenfeld ist jetzt Teil des Standards 802.3. Das Ethernet-II-Format verwendet die Bytes 13 und 14 im Rahmen als Ethertype. Auf ein Längenfeld wie im Ethernet-I-Rahmen wird verzichtet. Die Länge eines Frames wird nicht durch einen Zahlenwert, sondern durch die bitgenaue Signalisierung des Übertragungsendes übermittelt. Die Länge des Datenfeldes bleibt wie bei Ethernet I auf 1500 Bytes beschränkt. Auch das Ethernet-II-Format ist jetzt Teil des Standards 802.3, nur die Ethertypen mit Zahlenwerten kleiner als 1500 sind weggefallen, weil jetzt die Zahlenwerte kleinergleich 1500 in diesem Feld als Länge interpretiert werden und gegen die tatsächliche Länge geprüft werden. IEEE 802.3 definiert das 16-bit-Feld nach den MAC-Adressen als Type/Length-Feld. Mit der Konvention, dass Werte zwischen 0 und 1500 auf das originale Ethernet-Format hindeuteten und höhere Werte den EtherType angeben, wurde die Koexistenz der Standards auf demselben physikalischen Medium ermöglicht. Die zulässigen Werte für Ethertype werden von IEEE administriert. Diese Verwaltung beschränkt sich auf die Vergabe neuer Ethertype-Werte. IEEE nimmt bei der Neuvergabe Rücksicht auf bereits für Ethernet II vergebene Ethertype-Werte, dokumentiert diese aber nicht. So kommt es vor, dass zum Beispiel der Wert 0x0800 für IP-Daten in der IEEE-Dokumentation der Ethertype-Werte fehlt. Ethertype beschreibt das Format bzw. das Protokoll zur Interpretation des Datenblocks. Das LLC-Feld und ein eventuelles SNAP-Feld sind bereits Teil des MAC-Frame-Datenfeldes. Im Tagged-MAC-Frame werden vier Bytes mit dem QTAG-Präfix nach der Quell-MAC-Adresse eingeschoben. Dieses Feld wird durch den Standard 802.1Q definiert und ermöglicht bis zu 4096 virtuelle lokale Netzwerke (VLANs) auf einem physikalischen Medium. Die erlaubte Gesamtlänge des Mac-Frames wird auf 1522 Bytes verlängert, die Länge des Datenfeldes bleibt auf 1500 Bytes beschränkt. IEEE 802.3 Tagged MAC FrameDatenframeBild:Etherframe.png Das heute fast ausschließlich verwendete Ethernet-Datenblockformat Ethernet-II nach IEEE 802.3 (mit 802.1Q VLAN-Tag) AufbauEthernet überträgt die Bits seriell grundsätzlich beginnend mit dem untersten, niedrigstwertigen Bit (der „Einerstelle“) eines Bytes. Das bedeutet, dass beispielsweise das Byte 0xD5 als Bitsequenz (links nach rechts) „10101011“ auf die Reise geht. Bytes eines breiteren Feldes werden mit dem höchstwertigen Byte voran übertragen, was beispielsweise beim Typ-Feld (Ethertype) deutlich wird: Der Typ 0x0800 wird so als Byte-Sequenz "08 00" bzw. als Bit-Sequenz „00010000 00000000“ übertragen. Im Gegensatz zum Ethernet-Frame befindet sich bei manchen anderen LAN-Typen (beispielsweise Token Ring, FDDI) in einem Frame das höchstwertige Bit eines Bytes an erster Stelle. Das bedeutet, dass beim Bridging zwischen einem Ethernet-Lan und einem anderen Lan-Typ die Reihenfolge der Bits eines jeden Bytes der MAC-Adressen umgekehrt werden muss. Eine Abweichung betrifft die FCS (Frame Check Sequence, CRC): Da sämtliche übertragenen Bits durch den CRC-Generator vom LSB zum MSB geschoben werden, muss das höchstwertige Bit des höchstwertigen Bytes der CRC an vorderster Stelle übertragen werden. Ein errechneter CRC-Wert von 0x8844CC22 wird somit als 0x11 0x22 0x33 0x44 an die übertragenen Datenbytes angehängt und als FCS-Prüfsumme übertragen.
Die Präambel besteht aus einer sieben Byte langen, alternierenden Bitfolge (101010…1010), an sie schließt der Start Frame Delimiter (SFD) mit der Bitfolge (10101011) an. Diese Sequenz diente einst der Bit-Synchronisation der Netzwerkgeräte. Sie war für all jene Geräteverbindungen notwendig, die die Bit-Synchronisation nicht durch die Übertragung einer kontinuierlichen Trägerwelle auch in Ruhezeiten aufrecht erhalten konnten, sondern diese mit jedem gesendeten Frame wieder neu aufbauen mussten. Das alternierende Bitmuster erlaubte jedem Empfänger eine korrekte Synchronisation auf die Bit-Abstände. Da bei einer Weiterleitung über Hubs jeweils ein gewisser Teil der Präambel verloren geht, wurde sie in der Spezifikation groß genug gewählt, damit bei maximaler Ausdehnung des Netzwerkes für den Empfänger noch eine minimale Einschwingphase übrig bleibt. Die Bus-Netzwerkarchitekturen, die auf derartige Einschwingvorgänge angewiesen sind, werden heute kaum mehr verwendet, wodurch sich die Präambel, genauso wie das Zugriffsmuster CSMA/CD, die minimale und maximale Frame-Länge und der minimale Paketabstand (IPG) nur aus Kompatibilitätsgründen in der Spezifikation befinden. Genau genommen sind Präambel und SFD Paketelemente, die auf einer Ebene unterhalb des Frames und damit auch des MACs definiert sein sollten, damit ihre Verwendung vom konkreten physikalischen Medium abhinge. Moderne drahtgebundene Netzwerkarchitekturen sind stern- oder ringförmig und verwenden dauerhaft eingeschwungene (synchrone) Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Endteilnehmern und Netzwerkverteilern (Switches), die Paketgrenzen in anderer Form signalisieren und daher Präambel und SFD eigentlich unnötig machen.
Die Zieladresse identifiziert den Zielrechner, der die Daten empfangen soll. Diese Adresse kann auch eine Multicast- oder Broadcast-Adresse sein. Die Quelladresse identifiziert den Sender. Jede MAC-Adresse der beiden Felder hat eine Länge von sechs Bytes bzw. 48 Bit. Zwei Bit der MAC-Adresse werden zu ihrer Klassifizierung verwendet. Das erste übertragene Bit und damit Bit 0 des ersten Bytes entscheidet, ob es sich um eine Unicast- (0) oder Broadcast-/Multicast-Adresse (1) handelt. Das zweite übertragene Bit und damit Bit 1 des ersten Bytes entscheidet, ob die restlichen 46 Bit der MAC-Adresse global (0) oder lokal (1) administriert werden. Gekaufte Netzwerkkarten haben eine weltweit eindeutige MAC-Adresse, die global von einem Konsortium und der Herstellerfirma verwaltet wird. Man kann aber jederzeit individuelle MAC-Adressen wählen und den meisten Netzwerkkarten über die Treiberkonfiguration zuweisen, in denen man für das Bit 1 den Wert (1) wählt und eben spezifikationsgemäß die restlichen 46 Bit lokal verwaltet und in der Collision Domain eindeutig hält.
Nur im Tagged-MAC-Frame folgen zusätzlich vier Bytes als VLAN-Tag. Die ersten beiden Bytes enthalten die Konstante 0x8100 (=802.1qTagType) die einen Tagged-MAC-Frame als solchen kenntlich machen. Von der Position her würde hier im Basic-MAC-Frame das Feld Ethertype stehen. Den Wert 0x8100 kann man damit auch als Ethertype für VLAN-Daten ansehen. In den nächsten beiden Bytes (TCI Tag Control Identifier) stehen dann drei Bit für die VLAN-Priority, ein Bit Canonical Format Indicator (sagt, welches Bit das LSB ist) und 12 Bit für die VLAN-ID. An diesen VLAN-Tag schließt das ursprünglich an der Position des VLAN-Tags stehende Typ-Feld (EtherType) des eigentlichen Frames mit einem Wert ungleich 0x8100 (im Bild beispielsweise 0x0800 für ein IPv4-Paket) an.
Das Typ-Feld gibt Auskunft über das verwendete Protokoll der nächsthöheren Schicht innerhalb der Nutzdaten. Die Werte sind größer als 0x0600 (ansonsten ist das ein Ethernet-I-frame mit Längenfeld in dieser Position). Der spezielle Wert 0x8100 zur Kennzeichnung eines VLAN-Tags ist im Wertevorrat von Type reserviert. Ist ein VLAN-Tag vorhanden, darf das daran anschließende Typ-Feld nicht 0x8100 sein.
In Ethernet-802.3-Frames kann zur Kompatibilität mit Ethernet I an Stelle des Typfeldes die Länge des Dateninhalts im DATA-Teil angegeben (Längenfeld) sein. Da das Datenfeld in keinem Ethernet Frame länger als 1500 Bytes sein darf, können die Werte über 1500 als Protokolltypen (Ethertype) verwendet werden.
Die Nutzdaten können pro Datenblock zwischen 0 und 1500 Bytes lang sein. Sie sind die eigentlichen Informationen, die übertragen werden sollen. Die Nutzdaten werden von dem unter Type angegebenen Protokoll interpretiert.
Das PAD-Feld wird verwendet, um den Ethernet-Frame auf die erforderliche Minimalgröße von 64 Byte zu bringen. Dies ist bei alten Übertragungsverfahren wichtig, um Kollisionen in der sogenannten Collision-Domain sicher zu erkennen. Präambel und SFD (8 Bytes) werden bei der erforderlichen Mindestlänge des Frames nicht mitgezählt, wohl aber ein VLAN-Tag. Ein PAD-Feld wird somit erforderlich, wenn als Nutzdaten weniger als 46 bzw. 42 Bytes (ohne bzw. mit 802.1Q-VLAN-Tag) zu übertragen sind. Das in Type angegebene Protokoll muss dafür sorgen, dass diese als Pad angefügten Bytes nicht interpretiert werden.
Das FCS-Feld stellt eine 32-Bit-CRC-Prüfsumme dar. Die FCS wird über den eigentlichen Frame berechnet, also beginnend mit der Ziel-MAC-Adresse und endend mit dem PAD-Feld. Die Präambel, der SFD und die FCS selbst sind nicht in der FCS enthalten. Wenn ein Paket beim Sender erstellt wird, wird eine CRC-Berechnung über die Bitfolge durchgeführt und die Prüfsumme an den Datenblock angehängt. Der Empfänger führt nach dem Empfang die gleiche Berechnung aus. Stimmt die empfangene nicht mit der selbst berechneten Prüfsumme überein, geht der Empfänger von einer fehlerhaften Übertragung aus, und der Datenblock wird verworfen. Zur Berechnung der CRC-32-Prüfsumme werden die ersten 32 Bits der Mac-Adresse invertiert und das Ergebnis ebenfalls invertiert (Vermeidung des Nullproblems). Die FCS wird, anders als die Datenbits, mit dem höchstwertigen Bit voran übertragen, womit der Empfänger seine CRC-Prüfung auch über das PAD-Feld hinaus auf die FCS anwenden kann. Ist die Prüfsumme nach Verwendung der FCS ungleich Null, war die Übertragung fehlerhaft. Umwandlung in einen DatenstromDie Bytes ab der MAC-Adresse bis zum Ende der Nutzdaten werden mit dem niedrigstwertigen Byte zuerst übertragen (Little-Endian), mehrere Bytes eines breiteren Datenwortes (z. B. MAC-Adressen, Typ-Feld, FCS-Prüfsumme) jedoch mit dem höchstwertigen Byte voran (Big-Endian). Die CRC wird dagegen mit dem höchstwertigen Bit zuerst übertragen. Abhängig vom physikalischen Medium und der Übertragungsrate werden danach ein oder mehrere Bits in einen Leitungscode kodiert, um einerseits die physikalischen 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. Ethernet-MedientypenDie verschiedenen Ethernet-Varianten unterscheiden sich in Übertragungsrate, den verwendeten Kabeltypen und der Leitungscodierung. Der Protokollstack arbeitet deshalb bei den meisten der folgenden Typen identisch. Die folgenden Abschnitte geben einen kurzen Überblick über alle offiziellen Ethernet-Medientypen. Zusätzlich zu diesen offiziellen Standards haben viele Hersteller proprietäre Medientypen entwickelt, häufig, um mit Glasfaserkabeln höhere Reichweiten zu erzielen. Einige frühe Varianten von Ethernet
10 Mbit/s EthernetBeim 10-MBit-Ethernet kommt eine einfache Manchesterkodierung zum Einsatz, die je Datenbit zwei Leitungsbits überträgt (somit 20 MBaud). Mit dieser Verdopplung der Signalisierungsrate und dabei alternierend übertragenen Datenbits wird die Gleichspannung effektiv unterdrückt und gleichzeitig die Taktrückgewinnung im Empfänger nachgeführt, das Spektrum reicht bis 10 MHz. Die Leitung wird nur belegt, wenn ein Ethernet-Paket tatsächlich gesendet werden muss.
Bild:BNC-Technik.jpg T-Stücke und Abschlusswiderstände für 10Base2 Bild:EAD cable.jpg EAD-Kabel für 10Base2
Bild:ThicknetTransceiver.jpg Thick Ethernet Transceiver Für viele Jahre war dies der dominierende Ethernet-Standard für 10 Mbit/s.
10 Mbit/s Ethernet mit Twisted-Pair-KabelBild:RJ-45-Stecker-und-Buechse.jpg 8P8C-Modularstecker und -buchse (rechte Buchse)
10 Mbit/s Ethernet mit Glasfaser-Kabeln
100 MBit/s Ethernet (Fast Ethernet)Beim Übergang von 10- auf 100-MBit-Ethernet wurde die Signalisierungsebene weiter unterteilt, um auf eine klarere Definition dessen zu kommen, was den PHY (die physikalische Schicht, OSI-Schicht 1) vom MAC trennt. Gab es bei 10-MBit-Ethernet PLS (Physical Layer Signaling, Manchester-Codierung, identisch für alle 10 MBit/s-Standards) und PMA (Physical Medium Attachment, Coaxial-, Twisted-Pair- und optische Anbindungen), sind es bei Fast Ethernet nunmehr PCS (Physical Coding Sublayer) mit PMA sowie PMD (Physical Medium Dependent). PCS, PMA und PMD bilden gemeinsam die physikalische Schicht. Es wurden drei verschiedene PCS-PMA-Kombinationen entworfen, von denen jene für 100Base-T4 und 100Base-T2 (IEEE 802.3 Clauses 23 und 32) aber nie wirtschaftliche Bedeutung erlangen konnten. Durchgesetzt hat sich einzig 100Base-X (IEEE 802.3 Clause 24) für Twisted-Pair-Kabel und Glasfasern, welches statt der Manchesterkodierung den effizienteren 4B5B-Code einsetzt. Dieser ist zwar nicht gleichspannungsfrei, die Symbolrate liegt aber mit 125 MBaud nur geringfügig über der Datenrate. Da es hier keine physikalischen Busse, sondern nur mehr Punkt-zu-Punkt-Verbindungen gibt, wurde eine kontinuierliche Übertragung favorisiert, die die aufwändigen Einschwingvorgänge des Empfängers auf die Hochfahrphase des Segments beschränkt. Ein Scrambling-Verfahren sorgt für ein (statistisch) gleichmäßiges Frequenzspektrum unabhängig von der Leitungsauslastung. Die verwendeten Leitungscodeworte garantieren eine für die Bitsynchronisation beim Empfänger ausreichende minimale Häufigkeit von Leitungszustandswechseln.
Während der 4B5B-Code ausreichend viele Signalwechsel für die Bitsynchronisation beim Empfänger garantiert, kann MLT-3 zur benötigten Gleichspannungsfreiheit nichts beitragen. Als „Killer Packets“ bekannte Übertragungsmuster können dabei das Scrambling kompensieren und dem Übertragungsmuster eine signifikante Gleichspannung überlagern (baseline wander), die die Abtastung erschwert und zu einem Verbindungsabbruch der Endgeräte führt. Um gegen solche Angriffe immun zu sein, implementieren die PHY-Bausteine der Netzwerkkarten daher eine Gleichspannungskompensation. 100Base-FX, IEEE 802.3 Clause 26 – 100 Mbit/s Ethernet über Multimode-Glasfaser. Maximale Segmentlänge: 400 Meter, mit Repeatern: 2000 Meter. Der gescrambelte 4B5B-Datenstrom wird direkt über einen optischen Lichtmodulator gesendet und in gleicher Weise empfangen. Gigabit EthernetBei 1000-MBit-Ethernet (Gigabit Ethernet; kurz: GbE oder GigE) kommen im wesentlichen zwei verschiedene Kodiervarianten zum Einsatz. Bei 1000Base-X (IEEE 802.3 Clause 36) wird der Datenstrom in 8-Bit breite Einheiten zerlegt und mit dem 8B10B-Code auf eine Symbolrate von 1250 MBaud gebracht. Damit wird ein kontinuierlicher, gleichspannungsfreier Datenstrom erzeugt, der bei 1000Base-CX über einen Transformator auf einem verdrillten Adernpaar zum Empfänger fließt oder bei 1000Base-SX/LX/ZX die optische Trägerwelle moduliert. Bei 1000Base-T hingegen wird der Datenstrom in vier Teilströme unterteilt, die jeweils mit PAM-5 und Trellis-Codierung in ihrer Bandbreite geformt und über die vier Adernpaare gleichzeitig gesendet und empfangen werden.
Im Grundprinzip ist 1000Base-T eine „hochskalierte“ Variante des seinerzeit erfolglosen 100Base-T2, nur dass es doppelt so viele Adernpaare (nämlich alle vier Paare einer typischen Cat-5-Installation) verwendet und die gegenüber Cat-3 größere verfügbare Bandbreite eines Cat-5-Kabels ausnützt.
Für die meisten Menschen ist das Licht des kurzwelligen 1000Base-SX-Lasers gerade noch als rotes Licht wahrnehmbar, ein direkter Blick in die Lichtquelle ist wie bei fast allen Laservarianten für die Augen schädlich.
Im Vergleich zu 1000Base-T werden bei 1000Base-CX deutlich höhere Anforderungen an das Kabel gestellt. So ist etwa die verwendete Bandbreite um den Faktor 10 höher (625 MHz gegenüber 62,5 MHz). Die Komponenten sind außerdem zueinander nicht kompatibel. 10 Gigabit/s EthernetDer 10-Gigabit/s Ethernet-Standard bringt neun unterschiedliche Medientypen, sieben Glasfaser- und zwei Kupfermedientypen, für LAN, MAN und WAN mit sich. Der Standard für die Glasfaserübertragung heißt IEEE 802.3ae, der Standard für Kupfer ist IEEE 802.3ak und IEEE 802.3an.
Bei der Übertragung von 10 Gbit/s über Kupferleitungen werden wie schon zuvor bei 1000Base-T alle vier Paare für die gleichzeitige Übertragung in beiden Richtungen verwendet. Das heißt, der Datenstrom wird auf vier mal 5 Gbit/s (10 Gigabit/s Tx und 10 Gigabit/s Rx) auf die vier Adernpaare verteilt und am Ende wieder zusammengesetzt. Hierbei wird die fünfwertige Modulation (Puls Amplituden Modulation) PAM 5*5 verwendet. Damit wird erreicht, dass drei Bits zu einem Symbol zusammengeführt werden können und somit die vom Kupferkabel benötigte Übertragungsfrequenz kleiner ist. Der Vorteil gegenüber Glasfasersystemen liegt in der schnelleren Konfektionierung und der unterschiedlichen Nutzbarkeit der Verkabelung (viele Anwendungen über ein Kabel). Darüber hinaus ist die Langlebigkeit von Kupfersystemen nach wie vor höher als bei Glasfasersystemen (Ausbrennen und Verschleiß der LED/Laser) und die Kosten bei zusätzlich notwendiger (teurer) Elektronik. Die maximale Länge der Übertragungstrecke ist abhängig von dem verwendeten Kabeltyp.
Das 10 Gigabit/s Ethernet (802.3an) wurde Mitte 2006 verabschiedet.
Rauschen und Störungen können durch externe Quellen oder auch im Kabel selbst hervorgerufen werden. Die im Kabel selbst entstehenden Störungen lassen sich zwar mittels moderner digitaler Signalverarbeitung (Digital Signal Processing – DSP) in den aktiven Komponenten unterdrücken. Und erst durch den Einsatz von DSP werden die für 10GBASE-T erforderlichen Störabstände überhaupt erreichbar. Dabei ist der Alien NEXT-Parameter (NEXT = Near-End Crosstalk = Nah-Nebensprechen), also die Störgeräusche durch benachbarte Kabel, hier der bei weitem kritischste Faktor. Der Grund: Gerade die NEXT-Auswirkungen können mit DSP nicht kompensiert werden, sie müssen in der Verkabelung selbst unterdrückt werden. Allerdings tritt dieses Problem nur bei ungeschirmten Systemen auf, da geschirmte Verkabelungen ausreichend gegen Alien-NEXT-Effekte geschützt sind. Ein weiteres Problem sind Störungen aus der Umgebung, die sich im Frequenzspektrum der Mittenfrequenz der Strecke befinden (417 MHz). „WARP-Technologie“Eine neue Technologie für 10Gbit Ethernet, mit der ebenfalls Leitungslängen von 100 m erreicht wurden, hat das Schweizer Unternehmen R&M (Reichle & De-Massari) auf den Markt gebracht. Sie kombiniert die Vorteile aus geschirmter und ungeschirmter Technik. Bei dieser sogenannten „WARP-Technologie“ – das Kürzel steht für „Wave Reduction Patterns“ – sind Kabel und Module mit etwa 1 bis 2 cm langen Metallfoliensegmenten und Metallplatten geschirmt. Anders als bei bisherigen Schirmungen sind die Foliensegmente aber nicht kontaktiert und liegen nicht auf Erd-Potenzial. Sie sind durch kleine Zwischenräume voneinander getrennt und hängen elektrisch sozusagen „in der Luft“. Eine Eigenschaft dieser „schwebenden Schirmung“ ist, dass sie praktisch keine Kapazitäten zur Erde aufbaut. Somit beeinträchtigt sie die Bandbreite der Übertragung nicht, bietet aber trotzdem einen maßgeblichen Schutz gegen NEXT etc. Die Kombination von solch „unterbrochener“ Schirmung und symmetrischer Signalübertragung führt dazu, dass Störungen, die sich auf beide Adern gemeinsam auswirken (Gleichtakt-Störungen), durch die Symmetrie der Signale eliminiert werden; es wird ausschließlich die Differenz zwischen den beiden Adern eines „Twisted Pairs“ (eines verdrillten Adernpaares) ausgewertet. Und alle jene Störungen, die sich nur auf eine der beiden Adern auswirken könnten, werden durch das Verdrillen der Adern im Kabel und zum Großteil von dieser speziellen Schirmung abgefangen. Power over EthernetEbenfalls 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. Entsprechend ausgelegte Geräte werden mit 48 V und bis zu 15,4 Watt versorgt. Eine Logik stellt sicher, dass nur PoE-fähige Geräte mit Energie versorgt werden. Verwandte StandardsFolgende Netzwerk-Standards gehören nicht zum IEEE 802.3 Ethernet-Standard, unterstützen aber das Ethernet-Datenblockformat und können mit Ethernet zusammenarbeiten:
Siehe auch
LiteraturWeblinks
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