Das Ethernet. Geschichtlicher Hintergrund und Entwicklung des Ethernet

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1 Das Ethernet Definition Ethernet Ethernet ist eine herstellerunabhängige und sehr weit verbreitete Netzwerktechnologie zur Datenübertragung in lokalen Netzwerken (LANs). Die Grundlage für das Ethernet bildet dabei das Netzwerkprotokoll CSMA/CD zur Behandlung von Kollisionen. Geschichtlicher Hintergrund und Entwicklung des Ethernet Ende 1972 wurde das Konzept des Ethernets von Dr. Robert M. Metcalfe im Palo Alto Research Center (PARC) der Firma Xerox entwickelt um einige Xerox- Alto-Rechner zu vernetzen. Schon damals nutzen die Wissenschaftler dazu das CSMA/CD-Protokoll als Zugriffsverfahren. Den Name Ethernet bekam das Forschungsprodukt erst bei der öffentlichen Vorstellung vor der National Computer Conference Die Weiterentwicklung wurde durch den Einstieg von Intel und DEC in das Projekt vorangetrieben und so formten die Firmen 1980 den DIX-Standard (DEC-Intel- Xerox). Auf dieser Basis wurde dann 1985 das Ethernet weltweit als Standard vom Institut for Electric and Electronic Engeneers (IEEE) spezifiziert. Der offizielle Name war damit IEEE Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications, wobei IEEE 802 den Vernetzungsstandard für LAN darstellt. In dieser Definition ist sowohl die Hardware als auch die Protokolle festgelegt.

2 Funktionsweise des Ethernet Das Ethernet von Dr. Metcalfe beschrieb ursprünglich die Datenübertragung über ein einziges Datenkabel, über das alle Kommunikationsgeräte miteinander verbunden sind. Dabei ist es allen Computer (genauer: Netzwerkkarten) grundsätzlich möglich mit jedem an dem Medium angeschlossenen Computer zu kommunizieren. Frames als Datenübermittler Die angeschlossenen Computer senden kleine Pakete (Frames) an wiederum alle an der Leitung angeschlossenen Rechner. Man kann Frames mit der Funktion von Sätzen in der Sprache vergleichen. Für den Satzbau gibt es Regeln, z.b. muss ein Subjekt und ein Prädikat in einem Satz vorkommen. Um im Ethernet Daten zu versenden und zu empfangen, sind Regeln für das Erstellen von Frames definiert. Die Mindestgröße und die maximale Größe sind dabei bestimmt. Auch müssen in einem Frame weitere Teilinformationen auftauchen um übermittelt zu werden. Grundlegend ist dabei, dass die Quell- und Zieladresse im Frame hinterlegt sind. Die Adressierung wir dabei den MAC-Adressen der Netzwerkkarten entnommen. Als Voraussetzung zur Datenübertragung müssen also die angeschlossenen Computer im Netzwerk, auf Hardwareebene (Netzwerkkarte) adressiert sein. Die Frames werden auf dem Medium hin- und hergesendet. Empfängt eine Netzwerkkarte Pakete, die nicht mit ihrer MAC-Adresse übereinstimmen, werden die Pakete ignoriert, der Inhalt nicht gelesen. Nur Pakete, die mit der hinterlegten MAC- Adresse der Netzwerkkarte übereinstimmen, werden an diesen Computer übermittelt. Dabei gibt es gibt keine zentrale Steuerung welcher Rechner zu welchem Zeitpunkt senden darf. Rahmenaufbau IEEE Präambel Längenfeld Datenfeld Source-Adresse Start Frame Delimiter Destination-Adresse Typfeld CRC

3 Erklärung: Präambel (7 Byte): wird benötigt damit sich der Empfänger für die Datenübertragung anpassen kann. Dazu wird eine Codierung benutzt (Manchester-Codierung). Start Frame Delimiter (1 Byte): fest vorgegebene Abfolge von Bits. Source Adresse (6 Byte): enthält Informationen über den Absender der Daten (eindeutige Adressierung). Destination Adresse (2-6 Byte): enthält Informationen über die Zieladresse (eindeutige Adressierung). Längenfeld : Typfeld : Datenfeld ( Byte): CRC (4 Byte): gibt die genaue Länge des Datensegments des Ethernetpaket in Byte an. Die gesamte Länge kann zwischen 0 und 1500 Bytes betragen. enthält Angaben über das verwendete Protokoll. Träger der eigentlich zu übermittelnden Daten. bildet bei der Übermittlung eine Checksumme der Daten, stimmt diese nicht, wird das Datenpaket nicht verarbeitet. Die MAC-Teilschicht (Media Access Controll) Diese Schicht auf dem Medium ist verantwortlich für die einwandfreie Datenübertragung, die direkt mit der Netzwerkkarte abläuft. Sie ist Vermittler zwischen höheren Protokollen und der physikalischen Leitung. Die MAC-Schicht bereitet die Frames zur Kommunikation auf und regelt den Zugriff auf die Frames und deren Übertragung auf die Leitung. LLC Layer Höhere Protokollschichten Data En-/Decapsulation MAC-Layer Access Management Übertragungsschicht Physikalische Leitung

4 Aufbereitung der Frames Data Encasulation: Im LLC-Layer (Logical Link Protokoll) der höheren Protokollschichten werden die Daten empfangen. Der Layer verwaltet die Kommunikation von höheren Schichten und die dazu benötigten logischen Schnittpunkte. Dort wird ein Frame aufgebaut, zum Senden vorbereitet und an den MAC-Layer weitergegeben Es wir auch hier eine Prüfsumme gebildet. Hier werden die Informationen in serielle Daten (siehe Rahmenaufbau oben) umgewandelt und als Abfolge von Frames auf die Leitung übertragen. Data Dacapsulation: Sind die Daten an der Empfängeradresse angekommen, wird zunächst die Prüfsumme ausgelesen um eventuellen Übertragungsverlust zu ermitteln. Dabei wir die Datenmenge des Datenfeldes überprüft, beträgt die Menge nicht zwischen 46 und 1500 Byte, liegt ein Fehler vor und das Paket wir gelöscht. Wird kein Fehler ermittelt, wird das Paket an die LLC-Schicht übergeben. Einsatz des CSMA/CD Zugriffsverfahren Die Datenübertragung wird im Ethernet mit Hilfe des CSMA/CD-Verfahrens bewerkstelligt (Carries Sense Multiple Access Collision Detection). Dabei bedeutet Carrier Sense, dass der, der Pakte senden will erst das Medium abhört. Ist der Datenträger belegt, wartet das Gerät, bis kein Datenverkehr mehr auf dem Medium vorherrscht. Erst dann wird die Datenübertragung angestoßen. Multiple Access heißt, alle Geräte sind bei der Paketübertragung gleichberechtigt und können auch gleichberechtigt kommunizieren. Die Collision Detection regelt die Vorgehensweise, wenn es auf der Leitung zu Datenkollisionen kommt. Alle Informationen werden abgelesen und verglichen. Tritt einen Datenkollision auf, werden Informationen verändert. Dies wird von den Stationen bemerkt und die Kommunikation wird beendet. Die Leitung befindet sich dann im Ruhezustand. Nach einem zufällig gewählten Zeitintervall wird der Datenaustausch wieder aufgenommen. Kommt es wieder zu Kollisionen, wird die Wartezeit verdoppelt. Das kann bis zu sechzehnmal wiederholt werde, erst dann wir der Fehler zur erneuten Paketübermittlung einem Netzwerkprotokoll mitgeteilt, um die Kommunikation erneut einzuleiten.

5 Vor- und Nachteile des Ethernet Vorteile Die Vorteile der Ethernettechnologie liegen darin, dass sie in einem Standard (IEEE 802.3)definiert ist. Das Ethernet ist mit rund 90% die meist verbreitete Technologie und lässt sich im Gegensatz zu der Token-Ring-Technologie einfach umsetzen und erweitern (Realisierung und Skalierbarkeit).Weiter ist das Ethernet leicht zu administrieren und ist im Vergleich günstig. Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Planbarkeit für die Zukunft sind ein weiterer Vorteil. Zuletzt spricht für das Ethernet die netzübergreifende Funktionalität der eingesetzten Produkte. Nachteile: Durch die Steuerung der Daten über Das CSMA/CD-Verfahren und den dabei auftretenden Kollisionen, kann die Effektivität bei hohem Datenaufkommen stark sinken und die Kommunikation sogar ganz zum kollabieren (breakdown). Topologien Es gibt im Ethernet lediglich die Sterntopologie und die Bustopologie. Bus-Topologie Stern-Topologie Switch

6 Merkmale des Ethernet - Netzzugangsverfahren (CSMA/CD) - Paket- und Rahmenaufbau der Daten - Topologie - Übertragungsgeschwindigkeit - Netzwerkkomponenten Netzwerkelemente des Ethernet Ein Ethernet basiertes LAN besteht aus Netzwerkschnittstellen und dem Medium. Die Netzwerk Elemente kann man in zwei Klassen aufteilen: Data terminal equipment (DTE): Endgeräte, die als Sende- und Empfangsgerät fungieren (z.b. Server, allgemein Rechner). Data communication equipment (DCE): Geräte, die Datenpakete empfangen und weiterleiten (z.b. Hub, Switch, Router etc.) und Kommunikationsschnittstellen wie ISDN- Karten und Modems. Übertragungsmedien des Ethernet Das 10Base5: Das 10Base5 wurde hauptsächlich in LAN - Netzwerken eingesetzt. Dies begründet sich aus der Struktur dieses Netzwerkes. Nimmt man den Begriff 10Base5 auseinander, erfährt man näheres zu dieser Struktur. 10 steht hier für 10 Mbit/s. Base steht für das Basisbandverfahren und die 5 für eine maximale Segmentlänge von 500 Metern. Zur Verbindung wurde ein Koaxialkabel verwendet, das 50 Ohm Widerstand besaß. Diese Art wurde auch unter den Namen Thick Coax oder RG8 bekannt. Angeschlossen wurde dieses Kabel über einen 15-Pin-D-Connector (Attachment Unit Interface (AUI)). Betrachtet man die Topologie, so fällt das 10Base5 unter der Kategorie BUS.

7 Das 10Base2: Das 10Base2 wird, wie auch das 10Base5, hauptsächlich in LAN-Netzwerken eingesetzt. Aus der Bezeichnung lassen sich die folgenden Werte ermitteln. 10 steht wieder für eine Übertragungsrate von 10 Mbit/s und Base wieder für das Basisbandverfahren. Die maximale Segmentlänge beträgt beim 10Base2 185 Meter. Das 10Base2 wird mit einem dünnen Koaxialkabel verbunden. Daher hat es auch die Namen Thin Ethernet, Cheaper. Verbunden wird dieses Kabel über sogenannte T- Stecker. Die Steckertechnik beruht auf BNC-Verbindungen. Wichtig ist, dass das Netzwerk an den Enden Terminiert wird. Dafür wird dass an den Enden ein Endwiderstand aufgeschraubt mit einen Widerstand von 50 Ohm. Die Topologie dieses Netzwerkes ist der BUS. Das 10BaseT: Dieses Netzwerk ist vorallem unter den Namen RJ-45 und Twisted Pair bekannt. Das Kabel besteht zu meist aus 4 Kupferadern, die mit einander verdrillt sind. Das T im Namen 10BaseT steht hier für Twisted Pair. Die maximale Segmentlänge beträgt 100 m und beruht auf einer physikalischen Stern-Hub Topologie. Die Topologie ist logisch aufgebaut und benutzt wie seine Vorgänger den BUS. Das 100BaseT: Im Großen und Ganzen ist es fast identisch mit dem 10BaseT. Allerdings liegt hier die Übertragungsrate bei 100 Mbit/s. Das 10BaseF und 100BaseF: Diese beiden Arten unterscheiden sich nur dadurch, dass hier die Übertragungsarten einmal bei 10 Mbit/s und 100 Mbit/s liegen. Der Aufbau und die Topologie sind der des 10BaseT-Netzwerkes sehr ähnlich. Hier werden nur keine verdrillten Kupferadern eingesetzt, sondern Lichtwellenleiter (Glasfaser). Auch ist hier die Steckertechnik anders. Vorteil dieser Lichtwellenleiter ist, dass mit Hilfe dieser Technik wesentlich größere Strecken überwunden werden können. Auch ist dieses Kabel gegenüber äußeren Einflüssen, wie magnetische Störfelder, sehr unempfindlich. Das 1000BaseT und 1000BaseF: Während 1000BaseF die zukünftige Technologie auf der Basis der Glasfaser darstellt und theoretische Übertragungsraten von 1 Gigabit pro Sekunde ermöglicht, ist das 1000BaseT die 1 Gbit/s Variante für die Kupferleitung.

8 Christian Schneider (E2IT1) 2002 Quellenangaben: Schulungsunterlage Comlit: Netzwerke, Herdt Verlag 2002 Das große Lexikon, Data Becker 2001/