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Ethernet - Netzwerktechnologie

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Der zur Zeit am weitesten verbreitete Standard für kabelgebundene lokale Netzwerke ist Ethernet in verschiedenen Varianten.  Der Name (Ether = Äther) deutet auf die ursprüngliche Verwendung im Datenfunk ( ALOHAnet) hin. Robert M. Metcalf entwickelte dieses Verfahren am XEROX Palo Alto Research Center ab 1973 zum Ethernet weiter. Später gründete Metcalf die Firma 3Com und überzeugte Intel, DEC und Xerox zur Zusammenarbeit. 1980 wurde Ethernet vom  IEEE standardisiert. Seit dem ist Ethernet ständig weiterentwickelt worden und kann heute mit einer Vielzahl von Medien und Geschwindigkeiten eingesetzt werden.

Abb. 1: Funktionsskizze von Robert M. Metcalfe (1976)
Abb. 1: Funktionsskizze von Robert M. Metcalfe (1976) [1]

Die aktuellen Spezifikationen von Ethernet sind in der IEEE802.3 und IEEE802.11 (für drahtlose Netze) festgelegt. Der Standard legt Kabeltypen, Steckverbinder, die Signalisierung, Paketformate und Protokolle fest. Tausende von Herstellern unterstützen Ethernet mit ihrer Hard- und Software.
Physikalisch gesehen ist Ethernet ein Bus, an den die Stationen elektrisch parallel angeschlossen sind. Als Übertragungsmedien werden Koaxialkabel (veraltet), Twisted Pair-Kabel, Lichtwellenleiter und Funk eingesetzt. Da Ethernet in die ersten beiden Schichten des OSI-Referenzmodell gehört, können eine Vielzahl von verschiedenen Protokollen laufen. Die Datenübertragung erfolgt mit dem CSMA/CD-Verfahren. Das Routing wird über MAC-Adressen vorgenommen.
Die Übertragung im LAN erfolgt per Hochfrequenz im Zeitmultiplexverfahren.

Name Medium
(Kabeltyp)
Datenrate
theoretisch
Datenrate
praktisch
Reichweite
/Segment
Ethernet10Base5 KoaxialkabelYellow 10 Mb/s 3Mb/s 500m
Ethernet10Base2 KoaxialkabelRG58     185m
Ethernet 10Base-T TP (CAT3)     100m
Ethernet 100Base-T4 TP (CAT5) 100 Mb/s 30Mb/s 100m
Ethernet 100Base-FX LWL     400m
Ethernet 1000Base-T TP(>CAT5e) 1 Gb/s 300Mb/s 100m
Ethernet 1000Base-CX STP150Ohm 1 Gb/s   25m
Ethernet 1000Base-LX LWL (1200-1300nm) 1 Gb/s   Mono:10km
Multi:300m
Ethernet 1000Base-SX LWL (770-860nm) 1 Gb/s   100m-300m
Ethernet 10GBase-Lx LWL (1269-1550nm) 10 Gb/s   300m-40km
Ethernet 10GBase-Sx LWL (773-861nm) 10 Gb/s   65-300m
Tabelle 1: Historische und aktuelle Ethernet-Verfahren

2. MAC-Adresse

Da jedes Gerät im Ethernet-Netzwerk eindeutig identifiziert werden muss, ist jeder Ethernet- Schnittstellenadapter ( Netzwerkkarte, „ NIC“) hardwaremäßig mit einer weltweit einmaligen Adresse versehen. Die sog. MAC- (Media Access Control-) Adresse besteht aus einer 6 Byte (48 Bit) langen Zahl in hexadezimaler Schreibweise. Doppelpunkte oder Bindestriche dienen als Separatoren (z.B.: 00:1C:23:66:1C:BD oder 00-1C-23-66-1C-BD). Die ersten 3 Byte (24 Bit) sind ein Herstellercode, (Organizationally Unique Identifier (OUI)), der zentral von der IEEE vergeben wird. Die folgenden 3 Byte sind eine Seriennummer, die vom Netzwerkausrüster vergeben werden.

Abb. 2: Struktur einer MAC-Adresse
Abb. 2: Struktur einer MAC-Adresse
Tabelle 2: Herstellercodes (Auswahl) (Quelle: IEEE)
Tabelle 2: Herstellercodes (Auswahl) (Quelle: IEEE)

Das IP-Protokoll speichert die MAC- und IP-Adresse in Tabellen. Das ARP-Protokoll sorgt hierzu für die periodische Abfrage aller im LAN befindlichen MAC-Adressen So kann auch eine manuell vergebene IP-Adresse eindeutig einer physikalischen Adresse zugeordnet werden.

3. Ethernet-Frames

Der aktuelle Standard für das Ethernet IEEE 802.3 definiert zwei Frame-Formate: IEEE 802.3.1a Basic-MAC-Frame und IEEE 802.3.1b Tagged-MAC-Frame. Beim Tagged-MAC-Frame werden nach den Quell-MAC-Adressbyte vier zusätzliche Byte übertragen, die ein Routing in bis zu 4096 virtuellen lokalen Netzen (VLANs) in einem physikalischen Netz erlauben.
Die minimale Framegröße im Ethernet ist 64 Byte. Die maximale Framelänge ist 1518 Bytes, bei Tagged-MAC-Frames 1522 Bytes. Es dürfen maximal 1500 Bytes an Nutzdaten in einem Frame übertragen werden.

Abb. 3: Aufbau eines Ethernet-Datenframes
Abb. 3: Aufbau eines Ethernet-Datenframes

Präambel und SFD (8 Bytes)
Die Präambel und der SFD bestehen aus feststehenden, alternierenden Bitmustern und dienten früher zur Synchronisation der Netzwerkstationen. Beides wird bei aktueller Ethernet-Technologie nicht mehr benötigt.

Ziel-MAC-Adresse (6 Bytes)
Definiert den Zielrechner. Das Bit 1 des ersten Byte der Ziel-MAC-Adresse trägt eine Kennung, ob das jeweilige Ethernet-Paket an einen einzelne Station (0 = Individual/Unicast) oder an eine Gruppe gesendet werden soll (1 = Group/Multicast).
Sind alle Bits der MAC-Adresse gesetzt (FF-FF-FF-FF-FF-FF), soll das jeweilige Paket an alle Stationen im LAN gesendet werden (Broadcast).
Das vorangehende Bit 2 zeigt an, ob die MAC-Adresse global eindeutig ist (0 =Universally Administered Address) oder lokal administriert wird und nur dort eindeutig ist (1 = Locally Administered Address).

Quell-MAC-Adresse (6 Bytes)
Definiert den Quellrechner.

VLAN-Tag (optional, 4 Bytes)
Das VLAN-Tag ist nur in Tagged-MAC-Frames enthalten. Die ersten beiden Bytes in diesem Feld enthalten ein fixes Kennzeichen (0x8100) als Markierung. In den nächsten zwei Bytes stehen die VLAN-Priority (3 Bit) und die VLAN-ID (12 Bit).

TYPE (2 Byte)
Im Type-Feld steht das Protokoll der nächst höheren Schicht von den im Nutzdatenteil des Frame eingekapselten Daten.

TYPE PROTOKOLL
0x0800  IP Internet Protocol (IPv4)
0x0806  Address Resolution Protocol (ARP)
0x809B  AppleTalk (EtherTalk)
0x8100  VLAN Tag (VLAN)
0x86DD  Internet Protocol, Version 6 (IPv6)
0x8863  PPPoE
0x88E1  Homeplug AV

Nutzdaten (0-1500 Bytes)
Dieses sind die eigentlichen Daten, die übertragen werden sollen. Maximal 1500 Byte. Das Protokoll der Daten ist im TYPE-Feld vermerkt.

PAD
Ethernet-Frames, die kürzer als 64 Byte sind, werden hier auf die minimale Framegröße mit Füllbytes aufgefüllt.

CRC-Prüfsumme
32-Bit-Prüfsumme des ganzen Frames von der Ziel-MAC-Adresse bis einschließlich dem PAD-Feld.

Referenzen

Abbildungen

[1] Abb. 1: "Erste Funktionsskizze von Robert M. Metcalfe" Quelle: Grundlagen Computernetze Prof. Jürgen Plate http://www.netzmafia.de/skripten/netze/netz4.html#4.7 / Palo Alto Research Center
Lizenz: Creative Commons http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/

 

Weblinks

Prof. Jürgen Platte Vorlesungskripten "Grundlagen Computernetze" 
http://www.netzmafia.de/skripten/netze/index.html;

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