Grundlagen Computernetze


Prof. Jürgen Plate

Ethernet

Der zur Zeit am weitesten verbreitete Standard für lokale Netze ist Ethernet. Er geht auf gemeinsame Spezifikationen von Intel, DEC und Xerox zurück. Der Name (Ether = Äther) weist noch auf die ersten Funknetze (ALOHA) hin. Die Datenübertragung erfolgt mit dem CSMA/CD-Verfahren. Auf dem Ethernet können verschiedene Protokolle laufen, z. B. TCP/IP, DECnet, IPX/SPX (Novell), etc.
Das Ethernet besteht physikalisch aus verschiedenen Typen von 50-Ohm-Koaxkabeln oder paarweise verdrillten Leitungen (Twisted-Pair), Glasfasern, oder anderen Medien (siehe nächsten Abschnitt). Die Datenrate beträgt typisch 10 MBit/s (Erweiterung auf 100 MBit/s ist in Planung). Die wichtigsten Eigenschaften nach der ursprünglichen Spezifikation sind:

Datenrate:

10 MBit/s

Maximale Länge des gesamten Netzes:

2500 m

Maximale Zahl der Knoten:

1024

Medium:

Koaxkabel, Basisbandübertragung

Zugriffsverfahren:

CSMA/CD

Datenprotokoll:

Frames variabler Größe

Die Daten werden in Paketen gesendet und mit Verwaltungsinfo zu Beginn und CRC-Prüfinfo am Ende versehen (Ethernet-Frame). Ethernet basiert, wie andere Netze auch, auf einer Sammlung von Medium- und Protokollspezifikationen. Zuunterst liegt die physikalsche Ebene; sie umfaßt neben der Verkabelung auch die Signalerzeugung und -kodierung. Als Ethernet von DEC, Intel und Xerox aus der Taufe gehoben wurde, gab es nur eine Verkabelungsart, der heutige Ethernet-Standard kennt eine Vielfalt von Topologien. Ethernet-Anwender müssen bei der Vernetzung nicht nur zwischen den Protokollen auf den höheren Schichten wie TCP/lP und IPX/SPX unterscheiden, sondern auch noch den richtigen Ethernet-Frame wählen. 'Server not found' oder ähnliche Fehlermeldungen stellen sich manchmal selbst dann ein, wenn alle Ethernet-Treiber auf Workstation und Server korrekt geladen sind und keine Kabelprobleme bestehen. Der Grund liegt nicht selten darin, daß Ethernet nicht gleich Ethernet ist. Gleich vier verschiedene Dialekte sind heute in Gebrauch, die erschwerenderweise ziemlich inkonsistent benannt sind. Kein anderes lokales Netz weist diese Eigentümlichkeit auf. Groß sind die Unterschiede nicht; sie beschränken sich auf ein paar Bytes in den übertragenen Datenpaketen (Frames) und lassen sich in der Regel durch einfache Konfigurationsänderungen der Netztreiber regulieren. Die elektrischen Anschlußbedingungen im weitesten Sinne sind für die verschiedenen LAN-Typen standardisiert. Es handelt sich dabei um die Standards des IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers, USA). Das IEEE ist eine internationale Vereinigung, die sich mit allen wesentlichen Aspekten der Elektrotechnik beschäftigt. Viele ISO-Normen (International Standards Organization) beruhen auf IEEE-Empfehlungen. Verbindlich für lokale Netze sind die Empfehlungen des Subkomitees mit der Kurzbezeichnung 802. Eine relativ neu gegründete Runde beschäftigt sich mit drahtlosen LANS (802.11). Physikalisch handelt es sich bei Ethernet immer um einen Bus, an den die Stationen elektrisch parallel angeschlossen sind. Das klassische Ethernet benutzt als Medium das yellow cable, ein dickes, vierfach abgeschirmtes Koaxkabel. Die beiden Enden des Kabels sind mit speziell angepaßten Widerständen abgeschlossen. Wenn eine Station nun Daten an eine andere senden will, schickt sie elektrische Wellen auf Reisen. Diese Wellen breiten sich vom Anschlußpunkt der Station nach beiden Seiten hin gleichmäßig aus. Irgendwo auf dem Weg liegt dann der Empfänger, der die Welle am Kabel abgreifen kann und für die weitere Nutzung aufbereitet. Unabhängig davon wandert die Welle jedoch weiter, bis sie die Leitungsenden des Ethernet-Kabels erreicht hat. Dort wird ihre Energie vollständig von den Abschlußwiderständen aufgenommen, so daß es nicht zu Reflexionen kommt.
Nach einer gewissen Zeit, die aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle und der Entfemung der sendenden Station zu den beiden Kabelenden resultiert, ist die Signalwelle 'verschwunden' und das Kabel wieder frei. Dieses Prinzip liegt allen Ethernet-Varianten zugrunde. Es gibt jedoch Unterschiede in der Topologie des Netzes und beim verwendeten Kabel.
Der Standard legt aber auch das Aussehen der Daten fest, die auf die Leitung gesendet werden. Die Daten werden in Paketen, sogenannten 'Frames' zusammengefaßt. Jedes Paket trägt zu Beginn Verwaltungsinformationen (z. B. Absender- und Empfängerstation, Länge, etc.) und nach den Nutzdaten schließt sich eine Prüfinformation an. Leider gibt es keinen einheitlichen Frame, sondern entwicklungsgeschichtlich bedingt Frames mit unterschiedlichem Aufbau. Es gab bereits Ethernet-Installationen, lange bevor dieses Netz unter der Nummer 802.3 vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) standardisiert wurde. Was Novell eigenmächtig als 'Ethernet 802.3' bezeichnet, ist jedoch etwas anderes.

Ethernet II

Die älteste Framestruktur ist Ethernet II. Charakteristisches Merkmal von Ethernet II ist das Typfeld, das aus zwei Bytes im Anschluß an die Start- und Zieladressen besteht und der Unterscheidung verschiedener höherer Protokolle dient. Alle anderen Formate enthalten hier eine Längeninformation; die Eindeutigkeit von Ethernet II kommt dadurch zustande, daß dessen Typ-Nummer immer größer ist als die maximale Paketgröße von 1518 Bytes (IPX-Pakete etwa sind am Typ 8137h erkennbar). Ein Datenpaket besteht aus 576 bis 12208 Bits und hat einen Aufbau entsprechend.

Die Präambel dient zur Synchronisation, sie besteht aus einer Folge von '10101010'-Bytes. Der SFD hat an der letzten Stelle eine '1' (10101011). Die Längen der einzelnen Teile (in Byte) sind in der Grafik eingetragen. Sind weniger als 46 Datenbytes zu übertragen, muß mit Füllbits ergänzt werden, um die minimale Slot-Time zu erreichen.

Novells 802.3 raw

Als Novell Netware und das IPX/SPX-Protokoll auf den Markt brachte, war Ethernet noch nicht endgültig standardisiert. Die Netware-Entwickler warteten aber weder die Standardisierung ab, noch benutzten sie das gängige Ethernet-II-Format. Nein, Novell dachte sich für IPX einen eigenen Rahmentyp aus. Dieser Pakettyp enthält keine Protokollkennung wie Ethernet II, kann also allein IPX transportieren. Zu allem Überfluß benannte Novell diese proprietäre Lösung auch noch nach einer IEEE-Arbeitsgruppe '802.3'.
Wie kann ein Rechner oder Router ein solches Novell-Paket aus anderen herausfiltern, die ebenfalls nach Start- und Zieladresse eine Längeninformation tragen? Gegenüber 'Ethernet II' werden die beiden Bytes der Protokoll-ID für die Rahmenlänge genutzt. Der einzige weitere Unterschied besteht darin, daß allein im 'Novell-802.3'-Paket zwei Bytes folgen, die nur aus Einsen bestehen (FF, FF). Prinzipiell ist das Gespann IPX-'802.3' also auch in heterogenen Umgebungen mit vielen Routem einsetzbar, erfordert aber immer einen gewissen Extra-Aufwand. Novell geht die Sache inzwischen etwas vorsichtiger an und nennt sein IPX-Spezial-Ethernet offiziell '802.3 raw'. Wir empfehlen, dem Rat von Novell neueren Netware-Installationsprogrammen und -Handbüchern zu folgen und das standardisierte 'Ethernet 802.2'-Format zu verwenden. Hinter Novells Bezeichnung 'Ethernet 802.2' verbirgt sich das eigentlich waschechte 802.3-Format. Aber '802.3' hatte Novell bereits vergeben, und die Verwechslungsgefahr mit dem 'raw'-Format wäre zu groß geworden. Man übernahm daher einfach die Bezeichnung des IEEE-802.2-Protokollheaders, den die IEEE-802.3-Spezifikation vorschreibt und der den Unterschied zu Novells Alleingang ausmacht.

IEEE 802.2 und SNAP

Bis zu Novells Entscheidung für die Verwendung von '802.2' als Default-Typ gab es kaum Anwendungen dieser Ethernet-Variante - abgesehen von der weiter unten beschriebenen SNAP-Erweiterung, die Netware wie einen eigenen Pakettyp behandelt. Das IEEE-Gremium ersetzte das Typ-Feld durch eine Längenangabe und ergänzte das Paket durch einen 802.2-Header von drei weiteren Bytes. Als Ersatz für das alte Typfeld mit der Protokoll-ID fungieren der 'Destination-' und der 'Source Service Access Point' (DSAP und SSAP); hinzu kommt ein 'Control Field', das manche Protokolle für Verwaltungszwecke benötigen. Ein offensichtlicher Nachteil der 802.2-Definition gegenüber Ethernet II war die Limitierung der Typ-Codes auf ein Byte, zumal die Hälfte der möglichen 256 Werte von Anfang an reserviert war. Daher folgte beinahe unweigerlich eine baldige Erweiterung: Das 'Sub Network Access Protocol' (SNAP) sorgte für Abhilfe.

Diese 802.2-Erweiterung mit der eigenen Protokoll-ID AAh stellt weitere fünf Bytes für die Protokoll-Identifikation des darrüberliegenden Protokolls bereit, davon drei für eine Herstellerkennung. Der bekannteste Nutznießer hiervon ist AppleTalk. Auch die Millionenschar der TCP/IP-Anwender könnte ihre Ethernet-II-Pakete mit der zwei Byte langen Protokoll-ID dank SNAP in ein IEEE-konformes Format bringen - doch TCP/lP funktioniert auch ohne Standard und den zusätzlichen Protokoll-Overhead. Da TCP/lP eine von anderen Transportprotokollen unerreichte Bedeutung gewonnen hat (man denke allein an das Internet), empfiehlt es sich, wenn irgend möglich, durchgehend den Frame-Typ Ethernet II einzurichten. Häufig erzwingen dir Gegebenheiten auch die weitere Berücksichtigung von Ethernet 802.3: Einige ältere, auf NetWare spezialisierte IPX-Printserver zum Beispiel mögen keinen anderen Rahmentyp. Der von Novell zur Zeit als Default-Typ verwendete 802.2 hat nur dann Berechtigung, wenn statt TCP/lP und IPX OSI-Protokolle zum Einsatz kommen sollen.
Für welchen Rahmen Sie sich auch entscheiden, auf jeden Fall sollten Sie ihn in der entsprechenden Konfigurationsdatei explizit angeben. Sonst kann es passieren, daß nach einem zunächst einfach erscheinenden Update von Workstation-Treibern nichts mehr läuft. Es sollten auch alle Server und Workstations im Netz den gleichen Frametyp verwenden, da sonst die Performance stark abnehmen kann (nämlich dann, wenn einige Server ein Protokoll ins andere umsetzen müssen).

Identifizierung des Ethernet-Interfaces

Jeder Ethernet-Adapter kann über seine in der Hardware verankerte Adresse eindeutig identifiziert werden. Diese Adresse besteht aus einem 3-Byte-Herstellercode und einer ebenfalls 3 Byte (24 Bit) langen laufenden Seriennummer. Auf diese Weise ist eine eindeutige Adressierung möglich - was aber auch bedeutet, daß die logische Adresse durch die Netzwerksoftware in eine Hardwareadresse umgesetzt werden muß. Die Angabe der Adresse erfolgt normalerweise sedezimal (hexadezimal), wobei zur besseren Lesbarkeit die einzelnen Bytes durch '.' oder ':' getrennt werden, z. B. 20:08:AA:10:00:CF.

Signallaufzeiten, Slot Time

Bei jedem Kabel gibt es eine Konstante, welche die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Signale in dem Kabel angibt. Die Maximalgeschwindigkeit, die Lichtgeschwindigkeit c, wird jedoch nie erreicht. Nehmen wir als Beispiel für die folgenden Berechnungen das 10Base2-Ethernet-Kabel. Bei einer Signalausbreitungsgeschwindigkeit von mindestens 0,77*c = 231000 km/s ergibt sich bei einer Segmentlänge von maximal 500 m eine maximale Laufzeit T von 0,5/231000 s = 2,165 Mikrosekunden. Aber wozu ist dieser Wert bei Netzen interessant?

Nehmen wir an, daß zwei Stationen A und B, die sich an gegenüberliegenden Enden des Kabelsegments befinden. Die Station A sendet zum Zeitpunkt t ein Datenpaket ab. Die Station B sendet ihrerseits zum Zeitpunkt t + (T - dt), also kurz bevor das Signal von A bei B ankommt. Damit A die Kollision erkennen kann, vergeht nochmals die Zeit (T - dt), also insgesamt t + 2*(T - dt).

Für den Grenzfall können wir dt gegen 0 gehen lassen, woraus folgt, daß die Dauer der Übertragung eines Datenblocks mindestens 2*T betragen muß, damit eine Kollision bei CSMA/CD sicher erkannt wird. Ein Datenblock muß also mindestens diese Zeit 2*T zur Übertragung benötigen. Deshalb wird die minimale Rahmenlänge auf 64 Bytes festgelegt, was einer Übertragungszeit von 51,2 Mikrosekunden entspricht. Dieser Wert wird als "Slot-Time" bezeichnet, sie liegt einige Mikrosekunden über 2*T.

Die Signallaufzeit hängt aber von allen Komponenten eines Übertragungswegs, also von allen Kabeln und gegebenenfalls von zwischengeschalteten Verstärkern (Repeatern) ab. Das bedeutet auch, daß sich ein Netz nicht beliebig ausdehnen läßt, da sonst auch die Datenblöcke länger werden müßten. Das gilt genauso, wenn man die Geschwindigkeit der Übertragung heraufsetzt. Wenden wir uns nun den weiteren Kabeln bei einer Netzverbindung zu.

Das Kabel zwischen AUI und MAU hat abweichende Spezifikationen (Twisted-Pair, jeweils für Senden und Empfangen getrennt, abgeschirmt), seine Maximallänge beträgt 50 m, die Mindestsignalausbreitungsgeschwindigkeit beträgt 0,65*c = 195000 km/s. Daraus folgt eine maximale Laufzeit von 0,05/195000 s = 0,256 Mikrosekunden.

Da sich maximal drei 10Base2-Netzsegmente über Verstärker (Repeater) verbinden lassen, ergibt sich eine Maximallänge von 1500 m, und so eine Laufzeit von 13 Mikrosekunden. Dabei ist noch zu berücksichtigen, daß bis zu sechs Transceiverkabel beteiligt sein können (je eines an den Stationen und je zwei an den beiden Repeatern). Die maximale Verzögerung ist hier also 3,08 Mikrosekunden. Wenn man noch die Zeiten für die Kollisionserkennung im Ethernet-Interface und weitere Hardwareparameter berücksichtigt, kommt man auf die im Ursprungsdokument von 1980 angegebene maximale Laufzeit von 45 Mikrosekunden.

Zu lange Kabel, zu viele hintereinandergeschaltete Repeater, aber auch das Ausreizen der im Standard angegebenen Parameter kann durchaus im Zusammenspiel mit Komponenten, die am Rande der Toleranzgrenze liegen, zu Fehlfunktionen führen. Daher sollte man die angegebenen Längen immer unterschreiten. Auch bei der Planung von Netzen ist zu berücksichtigen, daß Kabel niemals in "Luftlinie" verlegt werden und die Kurven und Schleifen in den Kabelkanälen sich schnell addieren.

Einordnung Ethernet ins OSI-7-Schichten-Referenzmodell

 

Layer

Aufgabe

7 bis 4

Application

Presentation

Session

Transport

hier keine weiteren Erläuterung

3

Network

Wegewahl,

Vermittlung

2

Data Link

Zusammenfassung der Bits in Blöcke (Bytes, Frames), Flussteuerung, Reihenfolgesicherung Fehlererkennung in Blöcken und Korrektur

1

Physical

mechanische Charakteristika (z.B. Pin-Belegung, etc.), elektrische, elektromagnetische, akustische, optische Charakteristika, Übertragungsart (z.B. analog/digital, synchron/asynchron, Modulation etc.)

Ethernet und IEEE 802.3 sind im OSI-7-Schichten-Modell in der zweiten Schicht angesiedelt, wobei man diese Schicht beim IEEE802.3 zusätzlich einmal unterteilt in die Schichten 2a: Media Access Control (MAC) und 2b: Logical Link Control (LLC).
Als Beispiel sind in Schicht 3 die Protokolle IPX (Internetwork Package Exchange) von Novell und IP (Internet Protocol) aufgeführt.

Graphische Darstellung der Schichten 1 bis 3

Historisches


1972     Entwicklung begann bei Xerox
1976     erste Vorstellung (3 Mbit/s Datenrate)
1980     Standard "Ethernet V1.0" (DEC, Intel, Xerox)
1981     Standard IEEE 802
1982     Standard "Ethernet V2.0"

Zitat aus The Ethernet Sourcebook, ed. Robyn E. Shotwell (New York: North-Holland, 1985):
``The diagram ... was drawn by Dr. Robert M. Metcalfe in 1976 to present Ethernet ... to the National Computer Conference in June of that year. On the drawing are the original terms for describing Ethernet. Since then other terms have come into usage among Ethernet enthusiasts.''
Die erste Skizze ist auch noch überliefert:

For a report on the experimental Ethernet system by two of the inventors see: Ein Bericht der Erfinder über das Experimental-Ethernet findet man in dem Zeitschriftenartikel:
Robert M. Metcalfe and David R. Boggs. Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks,'' Association for Computing Machinery, Vol 19/No 7, July 1976.

Und eine Zusammenfassung des Patents ist im WWW unter http://patent.womplex.ibm.com/details?patent_number=4063220 zu finden.

Entwicklung der Übertragungsmedien (IEEE 802.3)

Jahr

Bezeichnung

"Spitzname"

1982

10Base-5

Yellow Cable

1983

10Base-2

Cheapernet

1985

10Broad-36

Breitband

1985

1Base-5

StarLAN

1991

10Base-T

Twisted Pair

1993

10Base-F

Fibre Optics

1995

100 Base-X

Fast Ethernet

1998 -

 

Gigabit Ethernet

Drahtlose Netze

Die Möglichkeit, Computer drahtlos zu vernetzen, ist auf den ersten Blick verlockend, konnte sich aber im Vergleich zu kabelgebundenen Lösungen bisher nur für einige Spezialaufgaben durchsetzen. Das hat vor allem folgende Gründe:

Die bisherigen "Radio LANs" arbeiten überwiegend mit dem gegenüber Störungen relativ unempfindlichen Spread-Spectrum-Verfahren, bei dem die Daten auf viele Trägerfrequenzen verteilt werden, typisch auf einen Bereich von 20 MHz bei einer Datenrate von 2 MBit/s. Das Spreizen des Signals erfolgt entweder mit dem Zufallssystem Direct Sequence (DSSS) oder durch das zyklische Springen zwischen mehreren Frequenzbändern (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum). Sicherheitshalber werden die Daten verschlüsselt.

Technisch entsprechen diese Netze einem Bus-System ohne Kabel oder die Schnurlos-Stationen bilden zusammen eine Bridge. Seit 1997 werden Funk-LANs mit 1 oder 2 MBit/s im 2,4-GHz-Bereich mit der Norm IEEE 802.11 standardisiert. Als Sendeleistung ist maximal 1 Watt vorgesehen. Die Reichweite innerhalb von Gebäuden beträgt etwa 50 m, außerhalb davon einige hundert Meter. Neuere Entwicklungen erreichen bei 19 GHz bis zu 10 MBit/s, allerdings bei deutlich kleinerer Reichweite.

Die bei digitalen schnurlosen Telefonen eingesetzte DECT-Technik (1880 ... 1900 MHz) eignet sich prinzipiell ebenfalls zur Datenübertragung, wenn auch die erreichbare Geschwindigkeit deutlich unter sonstigen Radio-LANs liegt. Für DECT stehen 10 Kanäle im Abstand von 1728 kHz zur Verfügung (FDMA = Frequency Division Multiple Access), die Brutto-Bitrate je Kanal beträgt 1152 kBit/s. Im Gegensatz zu GSM und anderen Funkdiensten erfolgt das Senden und Empfangen auf der gleichen Frequenz (TDD = Time Division Duplex, 10 ms Rahmendauer), wobei jeder Kanal durch 12 Zeitschlitze bis zu sechs Gespräche erlaubt (TDMA = Time Division Multiple Access). Die Sendeleistung beträgt zeitlich gemittelt 10 mW.

Promiscous Mode

Normalerweise nimmt eine Netzwerkinterface nur Datenpakete an, die an seine Hardwareadresse gerichtet sind und leitet diese an die höheren Schichten weiter. Manche Interfaces lassen sich aber in den sogenannten "promiscous mode" schalten. In diesem Modus werden alle Frames an die höheren Schichten weitergeleitet. Dieser Modus wird beispielsweise von Netzwerk- Überwachungstools oder transparenten Bridges verwendet.

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