Grundlagen Computernetze Prof. Jürgen Plate

Ethernet

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 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

IEEE 802.2 und SNAP

Diese 802.2-Erweiterung mit der eigenen Protokoll-ID AAh stellt weitere fünf Bytes für die Protokoll-Identifikation des darüberliegenden 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

Signallaufzeiten, Slot Time

Ausbreitungs- faktor	Medium
1.00	Vakuum
0.77	Koax-Kabel
0.60	Twisted-pair-Kabel

Aber wozu ist dieser Wert bei Netzen interessant? Nehmen wir als Beispiel für die folgenden Berechnungen das 10Base2-Ethernet-Kabel.

Nehmen wir nun 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.

Die kleinste erlaubte Packetgrösse vom 64 Byte benötigt bei 10Base2 51.2 µs, um komplett gesendet zu werden.
Ein Signal, das 51.2 µs dauert, legt im Coax-Medium folgende Strecke zurück:

      0.77 * 3 * 108 = 231 * 106 m/s
      231*106 * 51.2*10-6 = 11827.20 m = 11.82 km  

Das ideale Beispiel ist sehr weit von der Realität entfernt. Es liefert jedoch ein Gefühl für die Zeiträume, mit denen beim Ethernetverkehr gerechnet wird. Für jeden Planer eines Netzes ist es wichtig, möglichst genau den "worst case" seines Netzes zu kennen, damit sicher gestellt ist, daß die Kollisionsbehandlung korrekt arbeitet. Dazu werden die jeweils am weitesten entfernten Netzwerkdevices einer Kollisionsdomäne betrachtet. Hierbei ist sowohl die Entfernung, als auch die zwischen Ihnen liegende Netzhardware zu beachten.

Entsprechend jedem physikalische Element auf der Strecke zwischen den Netzwerk-Devices (Hin- und Rückweg) werden bestimmte Werte addiert. Dies sind die sogenannten "Bitzeiten", die spezifisch für jede Hardware sind. Diese Bitzeiten sind entweder aus der Literatur oder der jeweiligen Herstellerbeschreibung zu entnehmen. Aber nicht immer findet man alle Werte; dann muß man allgemeingültige Werte benutzen, z. B. 8 Bitzeiten für einen Repeater. Diese Zahl soll das Zeitintervall repräsentieren, die ein Repeater benötigt um das Ethernetpaket weiterzuleiten.

Ist jede auf der Strecke befindliche Hardware in die Rechnung eingeflossen, so erhält man den Round Trip Delay (RTD). Der RTD muß unter einem definierten Schwellwert liegen. Dieser Schwellwert von 51,2 µs entspricht 512 Bitzeiten. Zur Erinnerung: das kleineste Paket hat 64 Byte = 512 Bit Länge. Dieser Wert wird auch als "Slot-Time" bezeichnet.

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 Collisionserkennung im Ethernet-Interface und weitere Hardwareparameter berücksichtigt, kommt man auf die im Ursprungsdokument von 1980 angegebene maximale Laufzeit von 45 Mikrosekunden.

Zu lange Kabel, zuviele 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

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.

Historisches

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 ü,ber 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.

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

Sehr umfassende Informationen über das Ethernet sind auch unter http://wwwhost.ots.utexas.edu/ethernet/ gespeichert.

Entwicklung der Übertragungsmedien (IEEE 802.3)

Drahtlose Netze

• Drahtlose Netzwerk-Adapter sind erheblich langsamer als herkömmliche Netzwerkkarten. Selten wird eine Geschwindigkeit von mehr als 2 MBit/s erreicht, meist erheblich weniger.
• Innerhalb der Reichweite (je nach Gebäudestruktur etwa 10...50 m) teilen sich die drahtlos vernetzten Computer die Übertragungsleistung. Die Netto-Geschwindigkeit sinkt dadurch weiter.
• Die Kosten für drahtlose Adapter liegen um den Faktor 20 über jenen für konventionelle 10-MBit/s-Netzwerkkarten.
• Bei den meisten Lösungen sind zusätzliche teure "Access Points" nötig, die die Schnittstelle zwischen einem Kabel-Netzwerk und drahtlosen Workstations darstellen.

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

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