Fachbereich Informatik Department of Computer Science. Abschlussarbeit. im Bachelor Studiengang

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1 Fachhchschule Bnn-Rhein-Sieg University f Applied Sciences Fachbereich Infrmatik Department f Cmputer Science Abschlussarbeit im Bachelr Studiengang Perfrmance-Untersuchungen an einem Gigabit-Ethernet-Netzwerk Untersuchung vn Desktp-Systemen in einem Gigabit-Ethernet vn Jens Mahnke Erstbetreuer: Prf. Dr. Uhde Zweitbetreuer: Prf. Dr. Leischner Eingereicht am:

2 Eidesstattliche Erklärung Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich, dass ich die vrliegende Bachelrarbeit selbständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe. Köln, 9. August (Jens Mahnke) - II -

3 Abstract Abstract Seit der Erfindung im Jahre 1973 hat das Ethernet eine Reihe vn Weiterentwicklungen erfahren. Diese Entwicklungen wurden durch die ständige Leistungssteigerung der Cmputer- Systeme und den dadurch erhöhten Kmmunikatinsbedarf erfrderlich. In dieser Untersuchung werden zunächst die verschiedenen Unterstandards des IEEE Ethernet-Standards vrgestellt, um dann miteinander in Beziehung gesetzt zu werden. Heute wird bei der Vernetzung vn Cmputer-Systemen größtenteils der Fast-Ethernet- Standard eingesetzt; dies betrifft vr allem die Desktp-Systeme. Die Server-Systeme nutzen teilweise schn den schnelleren Gigabit-Ethernet-Standard. Mit der Standardisierung des 10- Gigabit-Ethernet im Jahre 2002 wurde eine schnellere Alternative für die Anbindung vn Servern geschaffen, wmit auch ein erhöhter Datenratenbedarf der Desktp-Systeme im Netzwerk einhergeht. Aus diesem Grund besteht für einige Unternehmen ein Interesse, ihr vrhandenes Fast-Ethernet-Netzwerk auf ein Gigabit-Ethernet-Netzwerk aufzurüsten. Bei der Perfrmance-Untersuchung werden die höheren Prtkllschichten untersucht. Daher werden das TCP/IP-, FTP- und SMB-Prtkll kurz vrgestellt. Zusätzlich wird auf Optimierungsmöglichkeiten am TCP/IP-Prtkll eingegangen. Die Perfrmance-Untersuchung sll die Leistungsfähigkeit vn gegebenen Desktp-Systemen in Bezug auf den erreichbaren TCP-Durchsatz, den Gewinn an Netzwerk-Perfrmance durch eine Aufrüstung und den nutzbaren Durchsatz für den Anwender bewerten. Zum Erreichen der Untersuchungsziele wird auf Basis vn definierten Test-Philsphien und Test-Methdlgien eine an den Einsatzzweck angepasste Perfrmance-Untersuchung entwickelt. Diese wird während der praktischen Durchführung benutzt, um reprduzierbare und vergleichbare Testergebnisse zu erhalten. Die Untersuchungen messen den erreichbaren Datendurchsatz über ein Gigabit-Ethernet und ein Fast-Ethernet, um im Anschluss den Perfrmance-Gewinn bewerten zu können. Außerdem wird durch Mdifikatinen an Hard- und Sftware versucht den Durchsatz der Desktp-Systeme zu erhöhen. Es wurden verschiedene Werkzeuge und Methden zur Leistungsmessung in Netzwerken betrachtet und einige davn ausgewählt, um diese Untersuchung durchzuführen. Zusätzlich zu der Perfrmance-Untersuchung an den Desktp-Systemen wurden die ausgewählten Werkzeuge im Hinblick auf ihre Messergebnisse, Dkumentatin und ihren Entwicklungsstand bewertet. Mit Hilfe dieser Bewertung kann der Leser die Testverfahren und die benötigten Werkzeuge für eigene Perfrmance-Untersuchungen weiterverwenden. Als Ergebnis ist festzuhalten, dass die untersuchten Desktp-Systeme nicht in der Lage sind, ein Gigabit-Ethernet auszulasten, aber dennch einen signifikant höheren Durchsatz als in einem Fast-Ethernet erreichen. Vn dieser Steigerung des erreichbaren Durchsatzes prfitiert auch der Anwender des Desktp-Systems. Um ein Gigabit-Ethernet auszulasten, bedarf es einer schnellen Anbindung der Gigabit-Ethernet-Netzwerkkarte an das Desktp-System, wzu der verwendete PCI-Bus nicht in der Lage ist. - III -

4 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG... II ABSTRACT... III INHALTSVERZEICHNIS...IV ABBILDUNGSVERZEICHNIS...VII TABELLENVERZEICHNIS...VIII 1 EINLEITUNG GRUNDLAGEN GESCHICHTE DES ETHERNET ETHERNET-STANDARD IEEE und Standard Die IEEE Rahmenstruktur Medium Access Cntrl (MAC) Physical Layer Signalling (PLS) Attachment Unit Interface (AUI) Medium Attachment Unit (MAU) FAST-ETHERNET-STANDARD IEEE 802.3u Standard Die IEEE 802.3u Rahmenstruktur Recnciliatin Layer Media Independent Interface (MII) Physical Layer (PHY) Physical Cding Sublayer (PCS) Physical Media Attachment (PMA) Physical Media Dependent (PMD) Aut-Negtiatin-Przess GIGABIT-ETHERNET-STANDARD IEEE 802.3z/ab Standard Die IEEE 802.3z/ab Rahmenstruktur Media Access Cntrl (MAC) Recnciliatin Layer Gigabit Media Independent Interface (GMII) Physical Attachment Layer (PHY) Physical Cding Sublayer (PCS) Physical Media Attachment (PMA) Physical Media Dependent (PMD) Aut-Negtiatin-Przess IEEE 802.3z Standard (1000BaseSX/LX/CX) IEEE 802.3ab Standard (1000BaseT) AUSBLICK AUF DEN 10-GIGABIT-ETHERNET-STANDARD IEEE 802.3ae Standard Gigabit-Ethernet und das OSI-Referenzmdell Die IEEE 802.3ae Rahmenstruktur Namensgebung der 10-Gigabit-Ethernet-Standards ZUSAMMENFASSUNG DER ETHERNET-STANDARDS HÖHERE PROTOKOLLSCHICHTEN TCP/IP-Prtkll und Optimierungsmöglichkeiten TCP/IP-Prtkll TCP/IP-Prtkll-Overhead TCP/IP Optimierungsmöglichkeiten File Transfer Prtkll (FTP) Server Message Blck (SMB) IV -

5 Inhaltsverzeichnis 3 BESCHREIBUNG DER DESKTOP-SYSTEME ALLGEMEINE HARDWARE KOMMUNIKATIONSKOMPONENTEN Netgear GA Intel PRO/1000 MT Desktp-Adapter Netgear GSM712F Gigabit-Ethernet-Switch Cm Etherlink XL 10/100 Fast-Ethernet PCI (3C905C-TX) D-Link DES-1016R+ Fast-Ethernet-Switch ÜBERTRAGUNGSMEDIEN Twisted-Pair-Kabel Lichtwellenleiter MICROSOFT WINDOWS XP PROFESSIONAL SP ENTWICKLUNG DER PERFORMANCE-UNTERSUCHUNG TEST-PHILOSOPHIEN TEST-METHODOLOGIEN RFC 2544 BENCHMARKING METHODOLOGY FOR NETWORK INTERCONNECT DEVICES BESCHREIBUNG DER PERFORMANCE-UNTERSUCHUNG Auswahl der Perspektive Auswahl der Ziele Entwicklung des Lastmdells Test-Knfiguratin Sammeln der Messdaten Interpretatin und Präsentatin der Ergebnisse Einbeziehung des RFC WERKZEUGE FÜR DIE PERFORMANCE-UNTERSUCHUNG TTCP WSTTCP PCATTCP NETPERF NetIO NetPIPE IPerf NetIQ Charit Test-Suite Dateitransfer über das File Transfer Prtkll (FTP) Dateitransfer über das Server Message Blck Prtkll (SMB) Weitere Werkzeuge zur Perfrmance-Bewertung hrping - high reslutin Ping TDIQ DrTCP Disk Speed Intel Imeter PCIScpe Ethereal mit WinPcap Windws XP Task-Manager Auswahl der Werkzeuge für die Perfrmance-Untersuchung DARSTELLUNG DER VERWENDETEN SYSTEMKONFIGURATIONEN Systemknfiguratin Test 1: Out-Of-The-Bx Systemknfiguratin Test 2: Hardware mdifiziert Systemknfiguratin Test 3: Sftware mdifiziert Systemknfiguratin Test 4: RAM-Disk Systemknfiguratin Test 5: Fast-Ethernet-Vergleich Abdeckung der Ziele durch die benutzten Werkzeuge ZUSAMMENFASSUNG DER PERFORMANCE-UNTERSUCHUNG DURCHFÜHRUNG DER PERFORMANCE-UNTERSUCHUNG AUSWERTUNG DER PERFORMANCE-UNTERSUCHUNG BEWERTUNG DER BULK-TRANSFER-MESSWERKZEUGE AUSWERTUNG DER ZUSÄTZLICH DURCHGEFÜHRTEN TESTS V -

6 Inhaltsverzeichnis Iperf mit variabler TCP-Fenstergröße NetIO mit variabler Anwendungspaketgröße Perfrmance-Messung der Festplatte und RAM-Disk Rund Trip Time mit hrping Jumb-Frame-Test über TP Jumb-Frame-Test über LWL Ethereal-Untersuchung AUSWERTUNG DER TESTS Maximal erreichbarer TCP-Durchsatz Fast-Ethernet-Vergleichstest Anwendungsprtklle FTP und SMB FTP-Transfer-Tests SMB-Transfer-Tests Zusammenfassung der Testergebnisse FAZIT DER PERFORMANCE-UNTERSUCHUNG OPTIMIERUNGSVORSCHLÄGE ZUSAMMENFASSUNG ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS...IX LITERATURVERZEICHNIS...XII ANHANG... XVIII CD mit flgendem Inhalt: Elektrnische Versin der Arbeit Bulk-Transfer-Messwerkzeuge Weitere Prgramme - VI -

7 Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abb. 1 Skizze vn Rbert Metcalf, aus c t 3/ Abb. 2 Ethernet im OSI-Referenzmdell nach [Hein 1998], [IEEE 802.3]...5 Abb. 3 IEEE Rahmenstruktur nach [IEEE 802.3]...6 Abb. 4 Das CSMA/CD-Zugriffsverfahren, [Grupp 1999]...7 Abb. 5 Fast-Ethernet im OSI-Referenzmdell nach [Hein 1998], [IEEE 802.3]...10 Abb. 6 IEEE 802.3u Fast-Ethernet-Rahmen nach [IEEE 802.3]...10 Abb. 7 Gigabit-Ethernet-Varianten nach [Kauffels 2000, S. 658]...13 Abb. 8 Gigabit-Ethernet im OSI-Referenzmdell nach [Hein 1998], [IEEE 802.3]...14 Abb. 9 IEEE 802.3z/ab Gigabit-Ethernet-Rahmen nach [IEEE 802.3]...14 Abb. 10 Gigabit-Ethernet Frame-Burst nach [IEEE 802.3]...15 Abb. 11 Prinzipschaltung eines 1000BaseT Transceiver aus [Kauffels 2000, S. 674]...21 Abb GE im OSI-Referenzmdell nach [Jöcker ct 2002], [IEEE 802.3ae]...23 Abb. 13 Unterscheidung der verschiedenen PHY, nach [Rech 2002]...24 Abb. 14 IEEE 802.3ae 10GE-Rahmen nach [IEEE 802.3ae]...24 Abb. 15 IEEE Standards vn Abb. 16 TCP/IP-v4-Referenzmdell nach [Hunt 1996]...28 Abb. 17 TCP/IP-v4-Header nach [RFC 773], [Hunt 1996]...28 Abb. 18 FTP-Stack nach [Hunt 1996]...31 Abb. 19 Micrsft Windws XP Prtkll-Stack mit TCP/IP...31 Abb. 20 SMB-Prtkll-Header nach [RADCOM IBM]...32 Abb. 21 Ergebnis des Vergleichstest aus PC-Magazine, aus [Kaven 2003]...37 Abb. 22 Mechanische Abmessung bei LWL, aus [Kiefer 2002]...39 Abb. 23 Prinzipieller Ablauf eines Testskripts mit NetIQ Charit Test Suite, nach [NetIQ 2002]...51 Abb. 24 Auszug aus einem SMB-Testskript...53 Abb. 25 Aufbau des Testnetzwerks zur Durchführung der Perfrmance-Untersuchung...62 Abb. 26 Vergleich der NetPerf-Ergebnisse unter Windws XP...63 Abb. 27 Abweichungen der NetPerf-, NetIO- und Iperf-Messdurchläufe (Test 1 TP)...64 Abb. 28 Vergleich der NetIO-Ergebnisse unter Windws XP (Auszug)...65 Abb. 29 Ergebnis des Iperf-Tests mit variablem TCP-Fenster über TP...66 Abb. 30 Ergebnis des Iperf-Tests mit variablem TCP-Fenster über LWL...67 Abb. 31 NetIO-Messwerte Tx und Rx über TP...68 Abb. 32 NetIO-Messwerte Tx und Rx über LWL...69 Abb. 33 Vergleich der Festplatten- und RAM-Disk-Transferraten...70 Abb. 34 Darstellung der mit hrping bestimmten RTT s in ms...71 Abb. 35 Iperf-Messungen über TP-Direktverbindung...72 Abb. 36 FTP- und SMB-Transfer hne bzw. mit aktivierten Jumb-Frames...73 Abb. 37 Iperf-Messergebnisse mit der alternativer Testumgebung...75 Abb. 38 TCP-Durchsatz der Iperf-Messungen...77 Abb. 39 Vergleich der Iperf-Messungen aus Tests 1, 5 und Abb. 40 Ergebnisse der Messungen vn FTP-get und FTP-put...80 Abb. 41 Ergebnisse der Messungen vn SMB get und put...81 Abb. 42 Ethernet-Standards im Vergleich...XVIII - VII -

8 Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis Tab. 1 Halb-Duplex-Ethernet-Verfahren im Vergleich nach [Köhler 1998]...15 Tab. 2 Multimdefaser-Link-Längen für 1000BaseSX/LX nach [Kauffels 2000, S. 661]...19 Tab Gigabit-Ethernet-Standards im Vergleich...25 Tab. 4 Ethernet-Standards und Medien im Überblick...27 Tab. 5 Asus A7V8X-X Mainbard-Spezifikatin nach [Asus 2003]...33 Tab. 6 PCI-Bus-Datenpfade und Taktgeschwindigkeiten nach [SysKnnect 1999]...34 Tab. 7 TP-Kabelkategrien, nach ANSI/TIA/EIA 568 und [Siemn 2004]...38 Tab. 8 Treiberversin und Datum der verwendeten Kmpnenten in der Out-Of-The-Bx-Knfiguratin...40 Tab. 9 Exemplarische Excel-Tabelle mit Messwerten aus Test 1 TP...46 Tab. 10 Testplan der Perfrmance-Untersuchung an für die Gigabit-Ethernet Desktp-Systemen...61 Tab. 11 Vergleich der max. TCP-Durchsätze im Fast- und Gigabit-Ethernet in Bezug auf die Medien...83 Tab. 12 Vergleich aktueller Bus- und Punkt-zu-Punkt-Systeme nach [Intel 2003], [SysKnnect 1999]...86 Tab. 13 Test 1 Messergebnistabelle für TP...XXI Tab. 14 Test 1 Messergebnistabelle für LWL...XXI Tab. 15 Test 1 Messergebnistabelle für TPLWL...XXI Tab. 16 Test 1 Messergebnistabelle für LWLTP...XXII Tab. 17 Test 2 Messergebnistabelle für TP...XXII Tab. 18 Test 2 Messergebnistabelle für LWL...XXII Tab. 19 Test 2 Messergebnistabelle für TPLWL...XXIII Tab. 20 Test 2 Messergebnistabelle für LWLTP...XXIII Tab. 21 Test 3 Messergebnistabelle für TP...XXIII Tab. 22 Test 3 Messergebnistabelle für LWL... XXIV Tab. 23 Test 3 Messergebnistabelle für TPLWL... XXIV Tab. 24 Test 3 Messergebnistabelle für LWLTP... XXIV Tab. 25 Test 4 Messergebnistabelle für TP... XXV Tab. 26 Test 4 Messergebnistabelle für LWL... XXV Tab. 27 Test 4 Messergebnistabelle für TPLWL... XXV Tab. 28 Test 4 Messergebnistabelle für LWLTP... XXVI Tab. 29 Test 5 Messergebnistabelle für TP... XXVI Tab. 30 Jumb-Frame-Test über TP-Direktverbindung... XXVI Tab. 31 Iperf mit variablem TCP-Fenster in Systemknfiguratin Test 2... XXVII Tab. 32 Perfrmance-Messung der Festplatte und RAM-Disk... XXVII Tab. 33 Iperf mit variablem TCP-Fenster, alternative Systeme... XXVII Tab. 34 Durchsatzmessung und RTT der alternativen Systeme... XXVII - VIII -

9 Einleitung 1 Einleitung Den Anstß zu dieser Perfrmance-Untersuchung gaben die schnelle Standardisierung des 10- Gigabit-Ethernet und die daraus resultierenden Überlegungen. S stellt sich heute bei der Planung eines lkalen Netzwerks zuerst die Frage nach der gewünschten Geschwindigkeit. Der Ethernet-Standard unterstützt verschiedene Geschwindigkeiten: 10, 100, und MBit/s. Durch die weite Verbreitung des Ethernet entstand in Verbindung mit dem TCP/IP-Prtkll ein Quasi-Standard für die lkale Vernetzung vn Cmputer-Systemen. Wenn nun die Arten der Anbindung vn Desktp-Systemen betrachtet wird, stellt sich das Fast- Ethernet als Standardanbindung heraus. Das Gigabit-Ethernet wird dagegen als Backbne- Verbindung zwischen Servern eingesetzt. Ein weiteres Einsatzgebiet des Gigabit-Ethernet ist die schnelle Anbindung vn Servern an Fast-Ethernet-Netzwerke. Hierbei sind die Clients per Fast-Ethernet an einen Switch angebunden, wbei die Server eine Gigabit-Ethernet-Verbindung zum Switch besitzen und smit den Datenratenbedarf vn mehreren Clients gleichzeitig bedienen können. Die Server selbst besitzen zur Auslastung des Netzwerks spezielle Festplattensysteme (z.b. SCSI-RAID-Systeme), spezielle Peripheral-Cmpnent-Intercnnect-Bussysteme (z.b. PCI-X mit 66MHz der PCI Express) und dazu passende Netzwerkkarten. Da die Standardisierung des 10-Gigabit-Ethernet durch die 10GE Task Frce vrangetrieben wurde, knnte 2002 der 10-Gigabit-Ethernet-Standard veröffentlicht werden. Smit wird in Zukunft das 10- Gigabit-Ethernet das Gigabit-Ethernet als Backbne-Netz ablösen. Laut einer Studie des Marktfrschungsunternehmens IDC (Internatinal Data Crpratin) stieg der Anteil an Gigabit- Ethernet-Prts im Vergleich zu Fast-Ethernet-Prts vn 46,2% im letzten Jahr auf 52,3% in diesem Jahr an. Das Umsatzvlumen mit Gigabit-Switches stieg um 37,5%, siehe [c t 06/2004]. Dieser Umstand deutet auf einen wachsenden Markt bei der Vernetzung mit Hilfe vn Gigabit- Ethernet-Kmpnenten hin. Mit der steigenden Leistungsfähigkeit vn Desktp-Systemen ergibt sich auch eine Steigerung des Datenratenbedarfs dieser Systeme. Die Firmen wünschen sich, durch die stetig sinkenden Ksten für Gigabit-Ethernet-Kmpnenten, auch den Einsatz in Desktp-Systemen und smit eine unternehmensweite Gigabit-Ethernet-Anbindung im Netzwerk. Ein weiterer wichtiger Punkt aus Sicht der Unternehmen ist die Migratin des Gigabit-Ethernet in einem bestehenden Fast- Ethernet. Diese Arbeit liefert eine Antwrt darauf, b eine slche Aufrüstung der Desktp- Systeme mit einer Gigabit-Ethernet-Netzwerkkarte aus der Perfrmance-Sicht sinnvll ist. Die Perfrmance-Untersuchung sll verschiedene Fragen zur Verbindung vn Desktp- Systemen mittels Gigabit-Ethernet beantwrten. Es sll geprüft werden, b es mit einem Standard-Desktp-System möglich ist, ein Gigabit-Ethernet auszulasten. Wenn dies nicht möglich ist, werden Optimierungen am Betriebssystem bzw. der Hardware durchgeführt und durch Tests deren Wirksamkeit überprüft. Für die Untersuchungen werden verschiedene Werkzeuge eingesetzt, die im Anschluss an die Messungen anhand der Messergebnisse bewertet werden. Im Vraus werden geeignete Untersuchungsverfahren zur Bewertung der Gesamt- und der Netzwerkleistung im Besnderen entwickelt. Die Ergebnisse aus der Perfrmance-Untersuchung sllen die Desktp-Systeme in Bezug auf deren Gigabit-Ethernet-Perfrmance bewerten und diese ptimieren. Für die Untersuchungen werden nicht nur verschiedene Messwerkzeuge (Sftware) eingesetzt, sndern auch anwendungsnahe Dateiübertragungen betrachtet. Anschließend sllen die Ergebnisse helfen, die richtigen Optimierungen vrzuschlagen. Die Bachelrarbeit gliedert sich in einen Grundlagen- und einen Praxisteil. Im Grundlagenteil wird die Entstehung des Ethernet erläutert und auf die Unterschiede der verschiedenen Ethernet-Standards eingegangen. Zusätzlich werden die höheren Prtklle, die bei der Perfrmance-Untersuchung zum Einsatz kamen, erläutert. Darauf flgt der praktische Teil, der sich mit der Entwicklung, Dkumentatin, Durchführung und Auswertung der Perfrmance-Untersuchung beschäftigt. Zur vllständigen Dkumentatin der Untersuchung beschreibt ein Kapitel die untersuchten Hard- und Sftware-Kmpnenten der Desktp-Systeme. Im darauf flgenden Kapitel werden die Testverfahren entwickelt und definiert, um eine reprduzierbare und nachvll

10 Einleitung ziehbare Perfrmance-Untersuchung zu gewährleisten. Abgeschlssen wird die vrliegende Arbeit mit der praktischen Durchführung und Auswertung der Perfrmance-Untersuchung und weiterführenden Optimierungsvrschlägen für die untersuchten Desktp-Systeme

11 Grundlagen 2 Grundlagen 2.1 Geschichte des Ethernet Die Geschichte des Ethernet begann 1969, als der damalige Student Rbert Metcalf im Auftrag der Defense Advanced Research Prjects Agency (DARPA) einen Hst-Interface-Cntrller mit 300 KBit/s Übertragungsrate entwickeln sllte. Dieser Cntrller leistete zwar keine 300 KBit/s, aber zum ersten Mal gelang die hardwareseitige Anpassung vn Wrtlängen, was damals ein grßes Prblem darstellte. Am 22. Mai 1973 arbeitete Rbert Metcalf inzwischen Diplm- Infrmatiker beim Pal Alt Research Center (PARC), und präsentierte die Skizze des ersten Ethernet-Entwurfs, siehe Abb. 1. Dieser Tag gilt als Geburtstag des Ethernet. Abb. 1 Skizze vn Rbert Metcalf, aus c t 3/ wurde dieses Verfahren erstmals auf einer Cmputerknferenz der Öffentlichkeit vrgestellt. Der Hst-Interface-Cntrller arbeitete mit einer Datengeschwindigkeit vn 3MBit/s und war zehnmal s schnell wie das gesetzte Ziel im Jahre Im Februar 1979 einigten sich Rbert Metcalf und Grdn Bell vn Digital Equipment Crpratin (DEC) darauf, das Ethernet zu einem LAN-Standard (Lcal Area Netwrk) weiterzuentwickeln. Daraufhin begann das Firmenknsrtium aus DEC, Intel und Xerx (DIX) mit ihrer Zusammenarbeit und veröffentlichte im Jahre 1980 die Spezifikatin der ersten Ethernet-Versin (Ethernet Versin 1). Das IEEE (Institute f Electrical and Electrnic Engineers) nahm den Vrschlag der DIX-Gruppe auf und übergab die weltweite Standardisierung an die Arbeitsgruppe wurde der erste Entwurf der Arbeitsgruppe zum CSMA/CD-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access with Cllisin Detectin) veröffentlicht (10Base5). Daraufhin machte die DIX-Gruppe die Spezifikatinen für die zweite Versin des Ethernet (Ethernet V.2) publik, welche als Anpassung vn Ethernet V.1 an den Entwurf des IEEE gilt. Nach der Veröffentlichung des CSMA/CD-Verfahrens wurde innerhalb der Arbeitsgruppe des IEEE mit der Arbeit am Cheapernet-Standard (10Base2) begnnen, um günstigere Übertragungsmedien für das Ethernet nutzbar zu machen. Im Jahr 1984 wurde parallel am Ethernet-ver-Bradband (10Brad36) und an der StarLAN- Spezifikatin (10Base5) gearbeitet. Im selben Jahr schrieben amerikanische Frscher einen RFC (Request fr Cmment), welcher die Anpassung des TCP/IP-Prtklls an das Ethernet beschrieb (RFC 894: Standard fr transmissin f IP datagrams ver Ethernet netwrks), siehe [RFC 894]. Durch das TCP/IP wurde der Ethernet-Standard nch ppulärer. Im Jahre 1985 wurde der Draft-Standard vn der IEEE und dem American Natinal Standards Institute (ANSI) ratifiziert. Ebenfalls 1985 hatten weltweit über 100 Firmen eine Ethernet-Lizenz erwrben und entwickelten und verkauften Ethernet-Kmpnenten. Im Jahre 1986 wurden die endgültigen Standards für 10Base2 und 10Brad36 vn der IEEE veröffentlicht, wraufhin 1987 die Arbeit am 10BaseT Standard durch die IEEE 802.3i Arbeitsgruppe begann. Dieser Standard sllte die Ethernet-Kmmunikatin über Vierdraht-Leitungen - 3 -

12 Grundlagen ermöglichen und die Tplgie des Ethernet vn einem physikalischen Bus in einen lgischen Bus mit strukturierter sternförmiger Verkabelung transfrmieren. Zwei Jahre später startete die Arbeit der IEEE am 10BaseF Standard, welcher zusätzlich die Kmmunikatin über Lichtwellenleiter ermöglichen sllte wurde der IEEE Standard auch vn der Internatinal Standard Organisatin (ISO) definiert, vgl. ISO/IEC Im Jahre 1991 wurde der endgültige 10BaseT Standard und zwölf Mnate später der endgültige 10BaseF Standard fertig gestellt. Im selben Jahr verkündeten Hewlett-Packard und AT&T Micrsystems, dass sie an der Entwicklung einer 100MBit/s schnellen Ethernet-Versin über Twisted-Pair-Leitungen (TP-Leitungen) arbeiten, das Fast-Ethernet. Dieser schnelle Standard wurde 1995 vn der IEEE 802.3u Arbeitsgruppe als 100BaseX Standard veröffentlicht. Im Jahre 1996 gründete die IEEE die 802.3z Arbeitsgruppe, welche sich um die Standardisierung eines Gigabit-Ethernet kümmern sllte. Gleichzeitig wurde eine neue IEEE 802.3ab Arbeitsgruppe gegründet, welche die Übertragung vn Gigabit-Ethernet über TP-Leitungen standardisieren sllte. Durch das grße Interesse des Marktes und der Hersteller an einer schnellen Ethernet-Versin wurde der 802.3z Standard schn im Jahre 1997 als Draft-Standard vrgelegt und im darauf flgendem Jahr wurden die ersten endgültigen Standards veröffentlicht: 1000BaseSX und 1000BaseLX ermöglichen die Kmmunikatin über Lichtwellenleiter mit einer Geschwindigkeit vn 1000MBit/s. Erst im Jahre 1999 wurde der 1000BaseT Standard veröffentlicht, welcher die Übertragung des Gigabit-Ethernet über TP-Leitungen ermöglicht. Im Jahre 2002 wurde der bislang letzte IEEE Ethernet-Standard veröffentlicht: 10-Gigabit- Ethernet (10GE). [Kauffels 2000], [Hein 1998] 2.2 Ethernet-Standard IEEE und Standard Der Ethernet-Standard der IEEE Arbeitsgruppe vn 1984 (802.3 CSMA/CD) definiert die Prtkllarchitektur und die physikalischen Eigenschaften der unteren beiden Schichten des OSI- Referenzmdells [Siegmund 2002, S. 263 ff], der Bitübertragungs- und der Sicherungsschicht, vgl. Abb. 2 und [Kauffels 2000, S. 371ff]. Der IEEE Standard legt den CSMA/CD- Mechanismus als Zugriffsverfahren auf das Netzwerk fest. Der ursprüngliche IEEE Standard (10Base5) definiert für die physikalische Schnittstelle nur Baynet-Navy-Cnnectry- Kaxialkabel (BNC, mit 50 Ohm) als Übertragungsmedium. Der später eingeführte IEEE 802.3a Standard (10Base2) spezifiziert ein preisgünstiges BNC-Kaxialkabel mit einer vereinfachten Anschlusstechnik, um das Ethernet preislich und knfiguratinstechnisch attraktiver zu machen. Die 802.3a Netzwerktplgie ist inflgedessen ein Bus mit einer Datenrate vn 10MBit/s. Die Signalisierung läuft wie die gesamte Kmmunikatin im Basisband ab. An dieser Stelle eine kurze Erklärung der benutzten Bezeichnungen: IEEE benennt den Ethernet-Standard und 10Base2 die physikalische Schicht. In 10Base2 steht die 10 für die Geschwindigkeit vn 10MBit/s, das Wrt Base für das Basisband und die 2 für die verwendete Kabelvariante (BNC, Cheapernet). Der IEEE Ethernet-Standard besteht aus den flgenden Schichten, vgl. Abb. 2: Medium Access Cntrl (MAC) Physical Layer Signalling (PLS) Attachment Unit Interface (AUI) Medium Dependent Interface (MDI) Physical Medium Attachment (PMA) Im IEEE Standard wird die Lgical Link Cntrl Schicht (LLC) beschrieben, welche im - 4 -

13 Grundlagen Regelfall als Sftware im Treiber der Netzwerkkarte implementiert ist. Die Aufgabe der LLC- Schicht ist die Verbindungskntrlle, wzu sie der überlagerten Schicht drei Diensttypen zur Verfügung stellt, vgl. Abb. 2: Nichtbestätigter verbindungslser Dienst (LLC Typ 1) Dieser Diensttyp ermöglicht den Kmmunikatinspartnern den Austausch vn Nachrichten der Vermittlungsschicht, hne vrher eine Verbindung der Sicherungsschicht aufzubauen. Der Austausch der unbestätigten Datagramme kann über Punkt-zu-Punkt, Punkt-zu-Multipunkt der Bradcasts erflgen. Verbindungsrientierter Dienst (LLC Typ 2) Der nächste Diensttyp bietet Möglichkeiten, um lgische Verbindungen der Sicherungsschicht einzurichten, zu betreiben und auszulösen. Der Aufbau vn Verbindungen wird vn der überlagerten Schicht angefrdert. Darüber hinaus leistet dieser Diensttyp eine Flusskntrlle, das Sequencing und das Wiederaufsetzen nach einem Fehler. Bestätigter verbindungslser Dienst (LLC Typ 3) Der letzte Diensttyp bietet analge Dienste zu Typ 1, jedch zusätzlich mit Empfangsbestätigungen auf der Vermittlungsschicht. Die Verbindungen der LLC-Schicht werden zwischen den jeweiligen Service Access Pints (SAP) der kmmunizierenden Dienste eingerichtet. Das Prtkll der LLC-Schicht ist ein HDLC- Prtkll (High Level Data Link Cntrl, siehe [Siegmund 2002, S. ]) und besitzt einen Header, der aus DSAP (Destinatin SAP, 1Byte), SSAP (Surce-SAP, 1Byte) und dem Cntrl-Feld (1 der 2Byte) zusammengesetzt ist. Die einzelnen Schichten des IEEE Standards werden später näher beschrieben. Die Abb. 2 rdnet den IEEE Standard in das OSI-Referenzmdell ein. Abb. 2 Ethernet im OSI-Referenzmdell nach [Hein 1998], [IEEE 802.3] Ein weiterer Bestandteil des Ethernet-Standards ist die Ethernet-Rahmenstruktur, welche den Einsatz des CSMA/CD-Mechanismus im Ethernet erst ermöglicht und indirekt die Tplgie des Ethernet vrgibt. [IEEE 802.3], [Kauffels 2000], [Hein 1998] Die IEEE Rahmenstruktur Ein Ethernet-Paket beginnt immer mit der Preambel, welche für jeden Ethernet-Rahmen gleich ist und aus acht Byte besteht. Die ersten sieben Byte der Preambel werden immer nach dem - 5 -

14 Grundlagen Bitmuster cdiert, wbei das letzte Byte auch als start f frame delimiter bezeichnet immer als cdiert wird. Abb. 3 IEEE Rahmenstruktur nach [IEEE 802.3] Die Preambel wird zum Synchrnisieren der Kmmunikatinspartner eingesetzt. Dazu wird das empfangene Signal mit der Manchesterkdierung übertragen, wdurch es dem Empfänger möglich ist, hne Synchrnisatinstakt den Takt des Senders aus dem Signal zurückzugewinnen. Jedes Bit wird dazu in zwei gleichlange Spannungszustände aufgeteilt: Ein 1-Bit ist durch den Übergang vn einer hhen zu einer niedrigen Spannung kdiert, ein 0-Bit genau umgekehrt. Diese Manchesterkdierung wird auch als Bit-Synchrnisatin bezeichnet. Im Falle des IEEE Ethernet wird für die hhe Spannung ein Wert vn +0.85V und für die niedrige Spannung ein Wert vn -0.85V genutzt. Die Felder Destinatin- und Surce-Address sind Empfänger- und Absenderadressen des E- thernet-rahmens und beinhalten die MAC-Adresse des Ethernet-Netzwerk-Interfaces vm Empfänger bzw. Sender. Jedes Ethernet-Interface erhält bei der Herstellung eine weltweit eindeutige MAC-Adresse. Diese ist 6Byte lang und besteht aus dem Universal-/Lcal-Bit, dem Individual-/Grup-Bit, der Herstellerkennung und einer herstellerspezifischen Kennung für das Netzwerk-Interface. Eine wichtige Besnderheit stellt die Bradcast-Adresse eine Flge vn Einsen als Zieladresse dar. Damit ist es dem Sender möglich, alle an das LAN angeschlssene Ethernet-Interfaces anzusprechen. Weiterhin ist mit Hilfe des Adress-Reslutin-Prtklls (ARP), hne Kenntnis der MAC-Adresse, mit anderen Ethernet-Interfaces zu kmmunizieren. Das MAC-Client-Data-Feld besteht aus den Daten der überlagerten LLC-Schicht und kann zwischen 0 und 1.500Byte grß sein. Falls die LLC-Daten kleiner als 46Byte sind, wird durch das Einfügen vn Füllbits in das Padding-Feld sichergestellt, dass ein Ethernet-Paket immer mindestens 72Byte lang ist bzw. ein Ethernet-Rahmen 64Byte. Diese Eigenschaft ist essentiell für die Funktin des CSMA/CD-Verfahrens, um Kllisinen zu erkennen. Abgeschlssen wird jeder Ethernet-Rahmen mit der s genannten Frame-Check-Sequence (FCS), in der ein 32Bit langer Hashwert über die Daten des Rahmens enthalten ist. Die Auswertung der FCS wird vr der Verarbeitung des Rahmens initiiert und bei einer fehlerhaften FCS der Rahmen direkt verwrfen. Wenn vn einem Ethernet-Rahmen gesprchen wird, meint dies ein Ethernet-Paket hne die Preambel. Ein Ethernet-Paket beschreibt das Gesamtknstrukt aus Rahmen und Preambel, vgl. Abb. 3. Smit ergibt sich die Länge eines gültigen Ethernet-Rahmens zwischen 64 und 1.518Byte. Die maximale Länge eines Ethernet-Pakets beträgt 1.526Byte und die minimale Länge 72Byte. Der Abstand zwischen zwei Ethernet-Paketen auf der Leitung muss mindestens 9,6 µs betragen (Interframe), was 512 Bitzeiten entspricht. [Kauffels 2000], [IEEE 802.3] Medium Access Cntrl (MAC) Die MAC-Subschicht steuert den Zugriff auf das Medium. Dazu wurden verschiedene Aufgaben - 6 -

15 Grundlagen in der MAC-Subschicht implementiert; diese sind: Die Umsetzung des CSMA/CD-Verfahrens Das Auswerten der Zieladressen, um Pakete an andere Empfänger frühzeitig verwerfen zu können Die Checksummenbehandlung (überprüfen, generieren), zum krrekten Empfangen und Senden vn Ethernet-Rahmen Das Entfernen der Preambel und des Start-Frame-Delimiter Das Einbinden bzw. Entfernen vn Quell- und Zieladresse und des Längenfeldes Eventuelles Padding der Daten Darüber hinaus besitzt die MAC-Subschicht Funktinen zum Empfangen und Weiterreichen vn Daten aus bzw. an die LLC-Schicht. Es flgt eine kurze Erläuterung zum CSMA/CD-Verfahren. CSMA/CD steht für Carrier Sense Multiple Access with Cllisin Detectin und ist das im E- thernet-standard benutzte Mediumzugriffsverfahren. Die flgende Abb. 4 stellt das CSMA/CD- Verfahren in einem Ablaufplan zusammen: Abb. 4 Das CSMA/CD-Zugriffsverfahren, [Grupp 1999] Eine sendewillige Statin muss das Medium abhören und darf nur bei einem freien Medium senden (Carrier-Sense). Im Ethernet sind alle Statinen gleichberechtigt, müssen aber um den Zugriff auf das Medium knkurrieren (Multiple-Access). Wenn das Medium belegt ist, muss die Statin warten und kann es darauf erneut versuchen. Beim Senden muss eine Statin die gesendeten Signale abhören, um Kllisinen erkennen zu können (Cllisin-Detectin), die durch den gleichzeitigen Start zweier Sendungen entstehen können. Eine Kllisin wird erkannt, wenn die gesendeten und empfangenen Signale verschieden sind. Daraufhin wird die Sendung sfrt abgebrchen und ein Jam-Signal ausgesendet. Durch dieses Signal werden alle anderen Statinen über die Kllisin infrmiert und müssen ihre Sendungen ebenfalls abbrechen. Nachdem eine Kllisin erkannt wurde, wird nach dem Backff-Algrithmus eine zufällig ausgewählte Zeit gewartet und ein neuer Versuch gestartet. Beim CSMA/CD-Verfahren handelt es sich um ein nichtdeterministisches Verfahren, da nach fünfzehn Wiederhlungen ein Fehler an die überla

16 Grundlagen gerte Schicht gemeldet wird und der Ethernet-Rahmen nicht gesendet werden kann. [Kadambi 1998], [IEEE 802.3], [Hein 1998], [Kauffels 2000] Physical Layer Signalling (PLS) Die PLS-Subschicht ist ein Teil der Bitübertragungsschicht im Ethernet und befindet sich unterhalb der MAC-Subschicht im OSI-Referenzmdell, welcher sie fünf Funktinen anbietet: Die ersten beiden Funktinen realisieren die Umkdierung der empfangenen bzw. zu sendenden Daten. Die Daten der MAC-Subschicht werden zum Senden in die Manchesterkdierung und zum Empfangen vn der Manchesterkdierung in das Nn-Return-t-Zer -Frmat (NRZ) überführt, welches vn der MAC-Subschicht benutzt wird. Die dritte Funktin der PLS-Subschicht ist das Carrier-Sense. Mit Hilfe dieser Funktin kann die MAC-Subschicht das Medium abhören bzw. prüfen b eine Kllisin vrliegt. Die Errr-Sense-Funktin ist die vierte Funktin der PLS, mit deren Hilfe die MAC-Subschicht über den aktuellen Zustand des Ethernet-Interfaces infrmiert wird (Cnnected, Operatinal). Im IEEE Standard existiert nch eine fünfte Funktin: Der Mnitr-Mdus, mit dem es möglich ist, alle Ethernet-Rahmen im Netzwerk zu empfangen und auszuwerten. [IEEE 802.3], [Hein 1998], [Kauffels 2000], [Kadambi 1998] Attachment Unit Interface (AUI) Das AUI stellt einen Übertragungsweg vn der PLS-Subschicht zur Medium Attachment Unit zur Verfügung. Diese Funktin wird nur benötigt, wenn das Data Terminal Equipment (DTE) über keinen integrierten Transceiver verfügt. Der Transceiver kann mit einem speziellen Tranceiverkabel (15-pin D-Type) über eine Entfernung vn maximal 50 Metern angeschlssen werden. Die Daten werden vn der PLS manchesterkdiert geliefert und nur an den Transceiver übertragen. Für die Übertragung der Signale wird jeweils ein Leitungspaar für das Senden (DataOut, DO), das Empfangen (DataIn, DI) und das Cntrlling (CntrlIn, CI) bereitgestellt. S kann der Sender während der Übertragung das Medium über DI abhören. Das AUI sichert die Spannungsversrgung des Transceivers mit 12 Vlt Gleichspannung. [Kauffels 2000], [Hein 1998] Medium Attachment Unit (MAU) Die MAU stellt eine funktinale, elektrische und mechanische Schnittstelle zwischen dem DTE, bestehend aus MAC, PLS und AUI, und dem verwendeten Medium zur Verfügung. Ein Vrteil der Schichteneinteilung ist, dass nur die MAU angepasst werden muss, um ein anderes Medium zu unterstützen. Die anderen Schichten können unverändert weiter benutzt werden, da diese unabhängig vm verwendeten Medium sind. Es werden verschiedene Funktinen vn der MAU zur Verfügung gestellt, welche den Transprt der Daten vm der ins Netzwerk bearbeiten. Sie bietet eine Lpback- und eine SQE- Testfunktin (Signal Quality Errrs Testfunktin), mit deren Hilfe das Ethernet-Interface die Linkqualität beurteilen und kleinere Tests durchführen kann. Eine weitere Funktin ist die Jabber-Funktin, welche verhindern sll, dass eine Ethernet-Statin am Netzwerk nicht mehr aufhört zu senden. Dazu verursacht die Jabber-Funktin nach einer bestimmten Zeitspanne eine künstliche Kllisin, um s die sendende Anwendung zu unterbrechen. Die Cllisin Detectin ist die letzte vrgestellte Funktin der MAU, welche der PLS eine erkannte Kllisin mit Hilfe eines 10MHz Signals über die AUI-CI signalisiert, vgl. Kapitel Die zur Kllisinserkennung nötigen Algrithmen sind je nach verwendetem Medium verschieden. Mit der Einführung des 10BaseT Standards (IEEE 802.3i) wurde die MAU in zwei weitere Subschichten aufgeteilt: Das Physical Medium Attachment (PMA) und das Medium Dependent In

17 Grundlagen terface (MDI). Diese Unterteilung wurde aufgrund der mit TP-Kabeln möglichen strukturierten Verkabelung durchgeführt. S kann der Ethernet-Standard leicht um mderne Übertragungskdierungen, Übertragungssysteme und neue Übertragungsmedien erweitert werden. Das MDI ist die physikalische Schnittstelle zum Medium, welches über die Physical Media Dependent (PMD) angeschlssen wird. Mit der Einführung des 10BaseT wurde im Ethernet auch der Vll-Duplex-Betrieb möglich. Das bedeutet gleichzeitiges Senden und Empfangen über ein TP-Kabel, dazu wird jeweils ein A- dernpaar des TP-Kabels benutzt, siehe auch Abb. 2. [Kauffels 2000], [Hein 1998] 2.3 Fast-Ethernet-Standard IEEE 802.3u Standard Der Fast-Ethernet-Standard (100BaseTx/Fx/T4) erhöht die Datenrate bzw. Bandbreite des Standard-Ethernet vn 10MBit/s auf 100MBit/s. Er besteht aus einer Kmbinatin der Verfahren aus dem IEEE Standard und Teilen der FDDI-Technlgie (Fiber Distributed Data Interface), siehe Kapitel Der IEEE 802.3u Standard unterstützt auf der physikalischen Ebene die Verwendung vn Shielded TP-Kabeln (STP-Kabeln Cat. 5 bei 100BaseTx) und Unshielded TP-Kabeln (UTP-Kabeln Cat. 3 bei 100BaseT4). Weiterhin wird die Verwendung vn Lichtwellenleitern (100BaseFx) unterstützt. Nähere Infrmatinen zu den verschiedenen Kabeltypen werden in Kapitel und gegeben. Bei der Definitin des Fast-Ethernet-Standards wurde auf die Abwärtskmpatibilität zu den 10Base Standards geachtet, bwhl keine Kaxialkabel mehr unterstützt werden. Die Tplgie eines Fast-Ethernet-Netzwerks ist daher immer sternförmig. Die wichtigsten Eckdaten des IEEE 802.3u Standards, wie das Paketfrmat, die minimale bzw. maximale Rahmenlänge (64Byte, 1.518Byte) und der Ethernet-Paketabstand (Interframe minimal 0,96 µs = 512 Bitzeiten) blieben wegen der Abwärtskmpatibilität unverändert. Im Fast- Ethernet-Standard wurde eine Änderung vrgenmmen: Das Ende eines Fast-Ethernet- Rahmens wird mit Hilfe des TX_EN-Signals (Transmit Enable) angezeigt und als End-Of- Frame-Delimiter (EFD) bezeichnet. Wenn keine Daten flgen wird zusätzlich das RX_DV-Signal (Receive Data Valid Signal) zurückgesetzt. Smit ergeben sich einige Änderungen zum IEEE Standard: Ausschließlich sternförmige Tplgie mit TP-Kabeln der Lichtwellenleitern möglich Hub- der Switch-Einsatz Vll-Duplex-Übertragung mit Flusskntrlle beim Switch-Einsatz, kein CSMA/CD Einfügen eines Recnciliatin Layer statt der PLS Das Media Independent Interface (MII) ersetzt die AUI Physical Cding Sublayer und Physical Media Dependent bilden mit der PMA einen neuen Physical Layer (PHY) Einführung des Aut-Negtiatin-Przess Die flgende Abb. 5 rdnet den IEEE 802.3u Standard (100BaseTx/Fx/T4) in das OSI- Referenzmdell ein und zeigt den Aufbau der Fast-Ethernet-Schichten

18 Grundlagen Abb. 5 Fast-Ethernet im OSI-Referenzmdell nach [Hein 1998], [IEEE 802.3] Im Vergleich mit Abb. 2 sind die Unterschiede der Schichteneinteilung zum Ethernet-Standard erkennbar. Im Flgenden wird genauer auf die Aufgaben der Schichten eingegangen. Zuerst wird jedch die Fast-Ethernet-Rahmenstruktur betrachtet. [Kauffels 2000], [Hein 1998] Die IEEE 802.3u Rahmenstruktur Die Ethernet-Rahmen wurden hne jede Änderung aus dem IEEE Standard übernmmen. Dies ist in der flgenden Abb. 6, im Vergleich mit Abb. 3, zu erkennen. Abb. 6 IEEE 802.3u Fast-Ethernet-Rahmen nach [IEEE 802.3] Smit sind alle in Kapitel genannten Eckdaten des Ethernet-Standards auch auf den Fast- Ethernet-Standard anwendbar. Die Verkürzung des Interframe ist auf die verzehnfachte Datenübertragung zurückzuführen und entspricht wie im IEEE Standard 512 Bitzeiten Recnciliatin Layer Der Recnciliatin Layer bildet zusammen mit dem MII die lgische Schnittstelle zwischen der MAC-Subschicht und der PHY. Der Recnciliatin Layer hat dabei die Aufgabe der MAC- Subschicht eine lgische Schnittstelle zum MII zur Verfügung zu stellen und wandelt die PLS- Dienstprimitive der MAC-Subschicht in MII-Signale um. Es bestand keine Ntwendigkeit Änderungen an der MAC-Subschicht vrzunehmen, weil die Signale der unteren Schichten vm Recnciliatin Layer umgewandelt und angepasst an die MAC-Subschicht weitergegeben werden. Da die Manchesterkdierung nicht mehr zur Kmmunikatin der MAC-Subschicht mit der MAU

19 Grundlagen eingesetzt werden kann, wurde diese Schicht eingefügt, weil snst zu hhe Taktraten generiert würden. Weiterhin ermöglicht der Recnciliatin Layer verschiedene Datenraten zu unterstützen und diese dynamisch auszuhandeln. [Kauffels 2000], [Hein 1998] Media Independent Interface (MII) Das MII ist das lgische Äquivalent zur AUI im IEEE Ethernet-Standard. Es wurde an die Anfrderungen des schnelleren IEEE 802.3u Standards angepasst. Die Änderungen umfassen zum einen die Verbreiterung des Datenpfades vn 6 Adernpaaren beim AUI, auf 18 Adern beim MII und zum anderen wird eine neue Kdierung verwendet, der Nibble-Wide-Datapath. Beim MII wird nicht mehr die Manchesterkdierung des AUI benutzt, sndern mit Hilfe eines Taktes ein Nibble (4Bit) parallel übertragen. Der Takt, mit dem die Daten übertragen werden, ist entweder 25 MHz bei 100MBit/s Fast-Ethernet der 2,5 MHz/s bei 10MBit/s Ethernet. Um ihre Aufgaben zu erfüllen wurden eine Reihe MII-Signale definiert, mit deren Hilfe es dem DTE ermöglicht wird, mit der PHY zu kmmunizieren: Transmit/Receive-Clck (TX_CLK, RX_CLK) Transmit-Enable/Data/Cding Errr (TX_EN, TXD, TX_ER) Receive-Data/Data-Valid/Errr (RXD, RX_DV, RX_ER) Carrier-Sense (CRS) Cllisin-Detected (COL) Management-Data-Clck bzw. Data-Input/Output (MDC, MDIO) Die MII bietet der MAC bzw. der PHY Funktinen zum Senden und Empfangen vn Signalen, zum Abfragen des Netzwerkstatus (Kllisinserkennung, Carrier-Sense), zum Management des Taktes, Data-In- und Data-Out-put, und zur Linkanzeige an. S können die Management-Infrmatinen der PHY mit Hilfe der MII-Signale über die MII an das DTE weitergegeben werden und umgekehrt. Die Management-Infrmatinen werden in den Management-Registern abgelegt und können vn der Management-Entität abgefragt werden. Die Management-Entität ist laut IEEE Standard berhalb der MII-Schicht zu implementieren und wird meist als Sftware im Treiber des NIC (Netwrk Interface Cntrller) integriert. Die Definitinen der Register können dem IEEE Standard 802.3u vn 1995 entnmmen werden, vgl. [Kadambi 1998] S.106. Mit Hilfe der MII-Management-Register kann z.b. die Übertragungsrate und der Vll- der Halb-Duplex-Mdus knfiguriert werden, siehe [Kauffels 2000], [Hein 1998] Physical Layer (PHY) Physical Cding Sublayer (PCS) Die PCS grenzt direkt an die MII-Schicht und ist die berste Subschicht der PHY. Sie unterstützt alle ben genannten MII-Signale. Wie anfangs bereits erwähnt, wurden an dieser Stelle Teile der FDDI-Technlgie in den IEEE 802.3u Ethernet-Standard eingebracht. Die Definitin des FDDI ist im ISO Standard beschrieben. Dies betrifft insbesndere das 4B/5B- Kdierungsverfahren bei 100BaseTX und FX. Die PCS kdiert die Nibble der MII-Schicht mit Hilfe einer Kdetabelle in 5Bit-Symble, welche über das Medium gesendet werden, vgl. [Hein 1998 S. 128]. Das heißt, dass für die 16 möglichen Datensymble aus der MII-Schicht nun 32 Datensymble für die Kdierung zur Verfügung stehen. Aus diesen 32 Symblen wurden 16 für die Daten ausgewählt. Bei der Auswahl der Symble wurde auf die Gleichstrmfreiheit des Ü- bertragungsmediums geachtet. Aus den verbleibenden 16 Symblen wurden weitere 5 Symble für die Steuerung definiert. Die restlichen Symble wurden als INVALID gekennzeichnet und zur Fehlererkennung und Überwachung der Qualität der Übertragungsstrecke genutzt. Bei der Ent

20 Grundlagen wicklung des 4B/5B-Blckkdes wurde auf die Lauflängenlimitierung geachtet. Das heißt, dass immer gewährleistet ist, dass bei einer beliebigen Kmbinatin vn Kdewrten nie mehr als eine maximale Anzahl aufeinander flgender Einsen der Nullen gesendet werden. Smit wird sichergestellt, dass im übertragenen Signal immer genügend Taktinfrmatinen enthalten sind. [Kauffels 2000], [Hein 1998] Physical Media Attachment (PMA) Bei der PMA handelt es sich um die mittlere Subschicht der PHY, welche die Aufgabe hat, die Signale der PCS in einen seriellen Nn-Return-t-Zer/Insert-Bitstrm (NRZI) zu wandeln und dann zu senden. Für den Empfang vn Signalen extrahiert die PMA die Taktinfrmatinen aus dem Signal und bewertet die Qualität des Signals (Carrier-Detect). Danach wird das Signal, welches in serieller NRZI-Kdierung ankmmt, nch in die 4B/5B-Kdierung umgewandelt und an die überlagerte Schicht weitergereicht. Darüber hinaus beinhaltet die PMA nch zwei weitere Funktinen: Der Link-Mnitr überwacht die Zuverlässigkeit des Empfangskanals und setzt den Linkstatus auf On der Off. Die Far-End-Fault-Detect-Funktin überwacht den empfangenen Bit-Strm und erkennt b der Linkpartner Fehler festgestellt hat. [Kauffels 2000], [Hein 1998] Physical Media Dependent (PMD) Die PMD ist die unterste Subschicht der PHY im OSI-Referenzmdell. Sie ist für die Umsetzung der Signale des PMA in ptische bzw. elektrische Signale zur Übertragung auf dem angeschlssenen Medium zuständig. Der 100BaseX Standard teilt die PMD in Fast-Ethernet über TP (100BaseTx) und Fast-Ethernet über LWL (100BaseFx) auf, wbei der 100BaseT4 Standard diese Schicht nicht benutzt. Für die Vll-Duplex-Unterstützung ist diese Schicht s ausgelegt, dass je ein Adernpaar bzw. Glasfaser zum Senden und Empfangen genutzt wird. [IEEE 802.3], [Hein 1998], [Kauffels 2000] Aut-Negtiatin-Przess Der Aut-Negtiatin-Przess bezeichnet das autmatisierte Aushandeln der Übertragungsparameter, wie z.b. Vll- der Halb-Duplex der die Übertragungsgeschwindigkeit. Im IEEE 802.3u Standard wird dieses Verfahren nur für die TP-Kabel spezifiziert (10BaseT, 100BaseTx und 100BaseT4) und dient der einfachen und schrittweise Migratin vn 100MBit/s Kmpnenten in bestehende 10BaseT Ethernet-Netzwerke. Der Aut-Negtiatin-Przess wurde kmpatibel zum 10BaseT-Standard entwickelt, damit keine Anpassung der 10BaseT Kmpnenten erflgen musste. Daher wird ein Verfahren namens Fast-Link-Pulse-Burst (FLP-Burst), welches auf dem Link-Integrity-Test-Pulse-Mechanismus des 10BaseT Standards basiert, eingesetzt. Beim Aut-Negtiatin-Przess sendet das Gerät einen FLP-Burst aus, den andere zur Aut- Negtiatin fähige Geräte verstehen und ein s genanntes Link-Kdewrt daraus berechnen können. Über das Link-Kdewrt kann das DTE ermitteln, welche gemeinsamen Linkparameter unterstützt werden. Ein 10BaseT Ethernet-Gerät versteht diesen FLP-Burst nicht, erkennt ihn aber als reinen Link-Integrity-Test-Pulse und lässt den Prt aktiviert. Wenn im umgekehrten Fall ein Nrmal-Link-Pulse (NLP) eines 10BaseT Geräts bei einem zur Aut-Negtiatin fähigem 100BaseTx Gerät eintrifft, stellt dieses sfrt das Aussenden des FLP-Burst ein und schaltet in den 10MBit/s Kmmunikatinsmdus. Dieses Verfahren wird auch als ut f band -FLP-Burst bezeichnet. Der Aut-Negtiatin-Przess wird über ein MII-Managementregister knfiguriert. Die ausgehandelten Parameter und die aktuelle Knfiguratin werden innerhalb der MII- Managementregister gespeichert und können drt direkt vm Treiber editiert werden, vgl. [Hein 1998, S ]. [IEEE 802.3], [Hein 1998]

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