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Ethernet
 

Ethernet * ist eine Datennetztechnologie für lokale Datennetze (LANs). Sie ermöglicht den Datenaustausch in Form von Datenrahmen zwischen allen in einem lokalen Netz (LAN) angeschlossenen Geräten (Computer, Drucker, etc.). Nur in seiner traditionellen Ausprägung erstreckt sich das LAN dabei nur über ein Gebäude. Ethernet-Technologie verbindet heute auch Geräte über weite Entfernungen.

Ethernet umfasst in verschiedenen Ausprägungen Festlegungen für Kabeltypen und Stecker, beschreibt die Signalisierung für die Bitübertragungsschicht und legt Paketformate und Protokolle fest. Aus Sicht des OSI-Modells spezifiziert Ethernet sowohl die physikalische Schicht (OSI Layer 1) als auch die Data-Link-Schicht (OSI Layer 2). Ethernet ist weitestgehend in der IEEE-Norm 802.3 standardisiert. Es wurde ab den 1990ern zur meistverwendeten LAN-Technologie und hat alle anderen LAN-Standards wie Token Ring, FDDI und ARCNET verdrängt. Ethernet kann die Basis für Netzwerkprotokolle, wie z. B. TCP/IP, AppleTalk oder DECnet bilden.

Ethernet mit TCP/IP-Protokollstapel
Anwendung FTP SMTP HTTP DNS DHCP ...
- 		Transport TCP UDP
- 		Netz IP ARP
- 		Netzzugang Ethernet

Ethernet mit AppleTalk-Protokollstapel (EtherTalk)

Anwendung AFP ADSP
- 		Management ZIP ASP NBP RTMP AEP
- 		Transport ATP
- 		Netz DDP
- 		Netzzugang ELAP AARP
- 		Ethernet

Geschichte

Ethernet wurde ursprünglich am Xerox Palo Alto Research Center (PARC) entwickelt. Eine weitverbreitete Geschichte besagt, dass Ethernet 1973 erfunden wurde, als Robert Metcalfe ein Memo über das Potenzial von Ethernet an seine Vorgesetzten schrieb. Er leitete das Protokoll von dem auf der Universität von Hawaii entwickelten funkbasierten ALOHAnet ab. Daher auch der Name Ether (engl. für "Äther", der nach früheren Annahmen das Medium zur Ausbreitung von (Funk-)Wellen ist) Net. Metcalfe selbst sagt, dass Ethernet über mehrere Jahre entwickelt wurde und sich daher kein Zeitpunkt festmachen lässt.Ursprünglich war es also ein firmenspezifisches und nicht standardisiertes Produkt. Diese erste Version des Ethernet arbeitet noch mit 3 Mbit/s. 1976 veröffentlichten Metcalfe und sein Assistent David Boggs ein Papier mit dem Titel Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks. Bob Metcalfe verließ Xerox 1979, um die Benutzung von Personal Computern und LANs zu fördern und gründete die Firma 3Com. Er überzeugte erfolgreich DEC, Intel und Xerox mit ihm zusammenzuarbeiten, um Ethernet zum Standard zu machen. Ihre erste Ethernet Version 1 wurde ab 1980 vom Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) in der Arbeitsgruppe 802 weiterentwickelt. Ursprünglich war nur ein LAN-Standard für Übertragungsgeschwindigkeiten zwischen 1 und 20 Mbit/s geplant. Ebenfalls 1980 kam noch eine sogenannte "Token Access Methode" hinzu. Ab 1981 verfolgte das IEEE dann drei verschiedene Techniken: CSMA/CD (802.3), Token Bus (802.4) und Token Ring (802.5), wovon die letzten beiden bald in einer wahren Flut von Ethernet-Produkten untergingen. 3Com wurde dabei ein großes Unternehmen.

Die Arbeiten am Cheapernet-Standard (10Base2) wurden im Juni 1983 veröffentlicht. Zur gleichen Zeit begann die Arbeit an den Spezifikationen für Ethernet-on-Broadband (10Broad36) und für das StarLAN (1Base5). Als 1985 der Ethernet-Standard auch als internationaler Standard ISO/DIS 8802/3 veröffentlicht wurde, wurde er binnem kurzem von über 100 Herstellerfirmen unterstützt. 1986 begannen einige kleinere Firmen mit der Übertragung von Daten im Ethernet-Format auf Vierdrahtleitungen. Danach verstärkte das IEEE seine Aktivitäten in den Gebieten Ethernet-on-Twisted Pair, was 1991 zu einem Standard wurde, sowie Ethernet auf Glasfaserleitungen, was 1992 zu den 10BaseF-Standards (F für Fibre-Optics) führte. Der 100 Mbit/s-Standard für Ethernet wurde 1995 verabschiedet, etwa zeitgleich zum Standard für ein Wireless-LAN mit der Bezeichnung 802.11. Inzwischen nehmen die Arbeiten am 10-Gigabit-Ethernet und am Ethernet in the First Mile (EFM) statt dem reinen Inhouse-Betrieb bereits Stadt- und Campusnetze ins Visier.

Bitübertragungsschicht

Ethernet basiert auf der Idee, dass die Teilnehmer eines LANs Nachrichten durch eine Art Funk-System versenden, allerdings nur innerhalb eines gemeinsamen Leitungsnetzes, das manchmal als Äther bezeichnet wurde (der Äther war in der Vorstellung des 19. Jahrhunderts der Stoff, durch den sich das Licht hindurch bewegte). Jeder Teilnehmer hat einen global eindeutigen 48-bit-Schlüssel, der als seine MAC-Adresse bezeichnet wird. Dies soll sicherstellen, dass alle Systeme in einem Ethernet unterschiedliche Adressen haben. Ethernet überträgt die Daten auf dem Übertragungsmedium dabei im so genannten Basisbandverfahren, d. h. in digitalem Zeitmultiplex.

Der CSMA/CD-Algorithmus

Ein Algorithmus mit dem Namen "Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection" (CSMA/CD) regelt den Zugriff der Systeme auf das gemeinsame Medium. Man kann sich das gemeinsame Medium als ein Kabel in einer Art Bus-Topologie vorstellen. Er ist eine Weiterentwicklung des ALOHAnet-Protokolls, das in den 1960er-Jahren auf Hawaii zum Einsatz kam.

In der Praxis funktioniert dieser Algorithmus bildlich wie eine Party, auf der alle Gäste ein gemeinsames Medium (die Luft) benutzen, um miteinander zu sprechen. Bevor sie zu sprechen beginnen, warten sie höflich darauf, dass der andere Gast zu reden aufgehört hat. Wenn zwei Gäste zur gleichen Zeit zu sprechen beginnen, stoppen beide und warten für eine kurze, zufällige Zeitspanne, in der Hoffnung, dass beide nicht wieder zur gleichen Zeit weitersprechen, und vermeiden so eine weitere Kollision.

Damit die Kollision festgestellt und eine Sendewiederholung initiiert werden kann, müssen die Datenframes abhängig von der Leitungslänge eine bestimmte Mindestlänge haben. Diese ergibt sich aus der physikalischen Übertragungsgeschwindigkeit (ca. 2/3 Lichtgeschwindigkeit) und der Übertragungsrate. Bei einer Übertragungsrate von 10 Mbit/s und einer maximalen Entfernung von 2,5 km zwischen zwei Stationen ist eine Mindestlänge von 64 Byte vorgeschrieben. Kleinere Datenframes müssen entsprechend aufgefüllt werden.

Broadcast und Sicherheit

Da die gesamte Kommunikation auf derselben Leitung passiert, wird jede Information, die von einem Computer gesendet wurde, von allen empfangen. Diese Tatsache kann von Protokollen auf höheren Schichten genutzt werden, um Broadcast- (dt. Rundruf)-Nachrichten an alle angeschlossenen Systeme zu senden. Auch kann mit diesem Zustand Missbrauch betrieben werden, indem ein passiver Angriff, nämlich das mithören/mitschneiden des Datenflusses durchgeführt wird. Bei TCP/IP beispielsweise verwendet das ARP-Protokoll einen derartigen Mechanismus für die Auflösung der Schicht-2-Adressen.

Andererseits werden Unicast-Nachrichten (also für genau einen Empfänger) ebenso von allen angeschlossenen Computern empfangen. Die meisten Ethernet-verbundenen Geräte müssen ständig Informationen ausfiltern, die nicht für sie bestimmt sind. Dies ist eine Sicherheitslücke von Ethernet, da ein Teilnehmer mit bösen Absichten den gesamten Datenverkehr auf der Leitung mitschneiden kann, wenn er möchte. Eine häufig verwendete Abhilfe ist der Einsatz von Kryptographie (Verschlüsselung) auf höheren Protokollebenen.

In modernen, größeren Installationen werden fast ausschließlich Switches eingesetzt. Der Sicherheitsmangel wird durch die Einrichtung einer geswitchten Umgebung (wobei Switches anstatt Hubs als Zentralstücke benutzt werden) verringert, jedoch nicht behoben. Ein möglicher Angriff auf ein geswitchtes Ethernet ist das ARP-Spoofing oder MAC-Flooding.

Sicherheit des Betriebs im Sinne der störungsfreien Verfügbarkeit von Daten und Diensten beruht auf der LAN-Analyse.

Keep-Alives

Keepalive-Nachrichten werden in Ethernet-Netzwerken verwendet, um sicherzustellen, dass eine physikalische Verbindung nicht zwischenzeitlich unterbrochen wurde. Da Ethernet ein Shared Medium ist, wird jedoch nicht überprüft, ob eine Verbindung zu einem bestimmten Teilnehmer besteht, sondern lediglich, ob Lese- und Schreibzugriff auf das Medium (OSI-Schicht 1) möglich ist. Hierzu wird ein Frame mit der eigenen MAC-Adresse im Absender- als auch Empfänger-Feld sowie dem Wert 0x9000 im EtherType-Feld gesendet. Der unmittelbare Empfang des gerade versendeten Frames stellt sicher, dass die Ethernet-Hardware korrekt funktioniert, und dass die Integrität des Übertragungsmediums sichergestellt werden kann.

Verbesserungen

Ethernet als gemeinsames Medium funktioniert gut, solange das Verkehrsaufkommen niedrig ist. Da die Chance für Kollisionen proportional mit der Anzahl der Transmitter und der zu sendenden Datenmenge ansteigt, tritt oberhalb von 50 % Auslastung vermehrt ein als Congestion bekanntes Phänomen auf, wobei regelrechte Staus entstehen und eine vernünftige Arbeit mit dem Netzwerk nicht mehr möglich ist. Um dies zu lösen und die verfügbare Bandbreite zu maximieren, wurde das Switched Ethernet entwickelt. Im Switched Ethernet werden Hubs durch Switching Hubs (Switch) ersetzt. Dadurch wird die Kommunikation im Full-Duplex-Modus möglich, d. h. Daten können gleichzeitig gesendet und empfangen werden. Außerdem wird die Collision Domain in mehrere kleinere Collision Domains (meist eine pro Peer) zerteilt, was die Anzahl an Kollisionen reduziert bzw. Kollisionen gänzlich vermeidet.

Formate der Ethernet-Datenübertragungsblöcke und das Typfeld

Historische Formate

Es gibt vier Typen von Ethernet-Datenblöcken (engl. ethernet frames):

  • Ethernet Version I (nicht mehr benutzt, Definition 1980 durch Konsortium DEC, Intel, Xerox)
  • Der Ethernet Version 2 oder Ethernet-II-Datenblock (engl. ethernet II frame), der sog. DIX-Frame (Definition 1982 durch das Konsortium DEC, Intel, und Xerox).
Seit 1983 ist der Standard IEEE 802.3 entstanden. Ethernet ist quasi ein Synonym für diesen Standard. IEEE 802.3 definiert zwei Frameformate:
  • IEEE 802.3 3.1.a Basic MAC frame
  • IEEE 802.3 3.1.b Tagged MAC frame

Der ursprüngliche Xerox Version 1 Ethernet-Datenblock hatte ein 16-bit-Feld, in dem die Länge des Datenblocks hinterlegt war. Da diese Länge für die Übertragung der Frames nicht wichtig ist, wurde es vom späteren Ethernet II Standard als Ethertype Feld verwendet. Das Format von Ethernet I mit dem Längenfeld ist jetzt Teil des Standards 802.3.

Das Ethernet II Format verwendet die Bytes 13 und 14 im Rahmen als Ethertype. Auf ein Längenfeld wie im Ethernet I Rahmen wird verzichtet. Die Länge eines Frames wird nicht durch einen Zahlenwert sondern durch die bitgenaue Signalisierung des Übertragungsendes übermittelt. Die Länge des Datenfeldes bleibt wie bei Ethernet I auf 1500 beschränkt. Auch das Ethernet II Format ist jetzt Teil des Standards 802.3 – nur die Ethertypen mit Zahlenwerten kleiner als 1500 sind weggefallen, weil jetzt die Zahlenwerte kleinergleich 1500 in diesem Feld als Länge interpretiert werden und gegen die tatsächliche Länge geprüft werden.

IEEE 802.3 definiert das 16-bit-Feld nach den MAC-Adressen als Type/Length-Feld. Mit der Konvention, dass Werte zwischen 0 und 1.500 auf das originale Ethernet-Format hindeuteten, und höhere Werte den EtherType angeben, wurde die Koexistenz der Standards auf dem selben physikalischen Medium ermöglicht. Die zulässigen Werte für Ethertype werden von IEEE administriert. Diese Verwaltung beschränkt sich auf die Vergabe neuer Ethertype Werte. IEEE nimmt bei der Neuvergabe Rücksicht auf bereits für Ethernet II vergebene Ethertype Werte, dokumentiert diese aber nicht. So kommt es, dass z. B. der Wert 0x0800 für IP-Daten in der IEEE-Dokumentation der Ethertype-Werte fehlt! Ethertype beschreibt das Format bzw. das Protokoll zur Interpretation des Datenblocks. Das LLC-Feld und ein eventuelles SNAP-Feld sind bereits Teil des MAC-Frame-Datenfeldes. Im Tagged-MAC-Frame werden 4 Bytes mit dem QTAG-Präfix nach der Quell-Macadresse eingeschoben. Dieses Feld wird durch den Standard 802.1Q definiert und ermöglicht bis zu 4096 Vlans auf einem Physikalischen Medium. Die erlaubte Gesamtlänge des Mac-Frames wird auf 1522 Bytes verlängert, die Länge des Datenfeldes bleibt auf 1500 Bytes festgelegt.

IEEE 802.3 Tagged MAC Frame

Datenframe

Etherframe.png

Der Aufbau

Die Präambel und SFD

Die Präambel besteht aus einer 7 Byte langen alternierenden Bitfolge (101010...1010), die der Synchronisation der Netzwerkgeräte dient. So können sich die beteiligten Geräte im Netzwerk auf eine eingehende Datenübertragung vorbereiten und sich auf den Takt des Signals synchronisieren. Anschließend folgt der ein Byte große Start Frame Delimiter (SFD). Dieses Feld (10101011) setzt die Präambel fort, die beiden letzten Bits stehen auf 1. Die Präambel wurde bei 10 MBit Leitungen verwendet. Bei den heutigen 100 MBit oder 1000 MBit Leitungen fällt die Präambel weg.

Ziel- und Quell- MAC-Adresse
Die Zieladresse identifiziert den Zielrechner, der die Daten empfangen soll. Diese Adresse kann auch eine Multicast- / Broadcast-Adresse sein. Die Quelladresse identifiziert den Sender. Jede MAC-Adresse der beiden Felder hat eine Länge von sechs Byte.

VLAN-Tag
Nur im Tagged-MAC-Frame folgen zusätzlich 4 Bytes als VLAN Tag. Die ersten beiden enthalten die Konstante 0x8100 (=802.1qTagType] die einen Tagged-MAC-Frame als solchen kenntlich machen. Von der Position her würde hier im Basic-MAC-Frame das Feld Ethertype stehen. Den Wert 0x8100 kann man damit auch als Ethertype für Vlan-daten ansehen. In den nächsten beiden Bytes stehen dann 3 Bitwerte für die Vlan-Priority, 1Bit Canonical Format Indicator und 12 Bit für die Vlan-ID.

Das Type-Feld
Gibt Auskunft über das verwendete Protokoll der nächsthöheren Schicht innerhalb der Nutzdaten. Die Werte sind immer größer als 0x0600 (ansonsten ist das ein Ethernet-I-frame mit Längenfeld in dieser Position). Der spezielle Wert 0x8100 zur Kennzeichnung eines VLAN-Tags ist im Wertevorrat von Type reserviert.

Werte im Typfeld (EtherType) für einige wichtige Protokolle

Typfeld Protokoll
- 		0x0800 IP Internet Protocol (IPv4)
- 		0x0806 Address Resolution Protocol (ARP)
- 		0x8035 Reverse Address Resolution Protocol (RARP)
- 		0x809B Appletalk (Ethertalk)
- 		0x80F3 Appletalk Address Resolution Protocol (AARP)
- 		0x8137 Novell IPX (alt)
- 		0x8138 Novell
- 		0x86DD Internet Protocol, Version 6 (IPv6)

In Ethernet 802.3 Frames kann zur Kompatibilität mit Ethernet I an Stelle des Typfeldes die Länge des Dateninhalts im DATA Teil angegeben (Längenfeld) sein. Da das Datenfeld in keinem Ethernet Frame länger als 1500 Bytes sein darf, können die Werte über 1500 als Protokolltypen (Ethertyp) verwendet werden.

Die Nutzdaten
Die Nutzdaten können pro Datenblock zwischen 0 und 1500 Byte lang sein. Sie sind die eigentlichen Informationen, die übertragen werden sollen. Die Nutzdaten werden von dem unter Type angegebenen Protokoll interpretiert.

Das PAD-Feld
Wird verwendet um den Ethernet-Rahmen auf die erforderliche Minimalgröße von 64 Byte zu bringen. Dies ist wichtig, um Kollisionen sicher zu erkennen! Präambel und SFD (8 byte) werden bei der erforderlichen Mindestlänge des Frames nicht mitgezählt, wohl aber ein VLAN Tag. Ein PAD-Feld wird erforderlich wenn als Nutzdaten weniger als 46 (bei einem Tagged-Frame 42) Byte zu übertragen sind. 6-Byte-Zieladresse + 6-Byte-Quelladresse + 4-Byte-VLAN-TAg + 2-Byte-Typfeld + 42-Byte-Nutzdaten + 4-Byte-CRC = 64-Byte-Mindestlänge. Das in Type angegebene Protokoll muss dafür sorgen, dass diese als Pad angefügten Bytes nicht interpretiert werden.

FCS (Frame Check Sequence)
Das FCS Feld stellt eine 32-Bit-CRC-Prüfsumme dar. Die FCS enthält die Prüfung des gesamten Frames, ab Zieladresse. Die Präambel, der SFD und die FCS selbst sind nicht in der FCS enthalten. Wenn ein Paket beim Sender erstellt wird, wird eine CRC-Berechnung über die gesamte Bitfolge außer der Präambel durchgeführt und die Prüfsumme an den Datenblock angehängt. Der Empfänger führt nach dem Empfang die selbe Berechnung aus. Kommt ein Rest bei der Polynomdivision heraus, geht der Empfänger von einer fehlerhaften Übertragung aus und der Datenblock wird verworfen. Zur Berechnung der CRC-32 werden die ersten 32 Bits der Mac-Adresse invertiert (zur Erkennung von fehlenden Nullen in den ersten Bits) und das Ergebnis ebenfalls invertiert (Vermeidung des Nullproblems).

Umwandlung in einen Datenstrom

Die Bytes ab der MAC-Adresse bis zum Ende der Nutzdaten werden mit dem niederwertigsten Bit zuerst übertragen. Die CRC wird dagegen mit dem höchstwertigsten Bit zuerst übertragen. Ein oder mehrere Bits werden danach durch einen Leitungscode kodiert, hauptsächlich zur Taktrückgewinnung und Verringerung des Gleichspannungsanteils. Beim alten 10 MBit Ethernet wurde eine einfache Manchesterkodierung zur Taktrückgewinnung und Gleichanteilunterdrückung verwendet, später 4B5B-Code (Taktrückgewinnung) in Kombination mit MLT-3-Code (Gleichspannungsanteil) etwa bei 100-MBit-Ethernet über Twisted-Pair-Kabel.

Ethernet-Medientypen

Die verschiedenen Ethernet-Varianten unterscheiden sich in Geschwindigkeit, den verwendeten Kabeltypen und der Leitungscodierung. Der Protokollstack arbeitet deshalb bei den meisten der folgenden Typen identisch.

Die folgenden Abschnitte geben einen kurzen Überblick über alle offiziellen Ethernet-Medientypen. Zusätzlich zu diesen offiziellen Standards haben viele Hersteller proprietäre Medientypen entwickelt, häufig, um mit Glasfaserkabeln höhere Reichweiten zu erzielen.

Einige frühe Varianten von Ethernet

  • Xerox Ethernet (Alto Aloha System) – Der Name entstand dadurch, dass das Konzept auf XEROX PARCs ALTO Computern getestet wurde. Die ursprüngliche Ethernet-Implementation, die während ihrer Entwicklung zwei Versionen hatte. Das Datenblock-Format der Version 2 wird noch immer überwiegend benutzt.
  • 10Broad36 – Obsolet. Ein früher Standard, der Ethernet über größere Entfernungen unterstützte. Es benutzte Breitband-Modulationstechniken ähnlich denen von Kabelmodems und arbeitete mit Koaxialkabel.
  • 1Base5 – Ein früher Versuch, eine günstige LAN-Lösung zu standardisieren. Arbeitete bei 1 Mbit/s und war ein kommerzieller Fehlschlag.
  • StarLAN 1 – Die erste Ethernet-Implementation über Twisted-Pair-Kabel, entwickelt von AT&T.

10 Mbit/s Ethernet mit Koaxialkabel

BNC-Technik.jpg | EAD cable.jpg

  • 10Base2, IEEE 802.3a, (bekannt als Thin Wire Ethernet, Thinnet oder Cheapernet) – Koaxialkabel (RG58) mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm verbindet die Teilnehmer miteinander, jeder benutzt ein BNC-T-Stück zur Anbindung seiner Netzwerkkarte. An den beiden Leitungsenden sitzen Abschlusswiderstände. Ein Segment (das sind alle durch die BNC-T-Stücke miteinander verbundenen Koaxialkabelstücke) darf maximal 185 Meter lang sein; es dürfen maximal 30 Teilnehmer angeschlossen werden; zwischen 2 Teilnehmern müssen mindestens 0,5 Meter Abstand bestehen; die Transceiver sind in der NIC (Network Interface Card) integriert; der Abstand vom T-Stück bis zur Netzwerkkarte darf nur wenige Zentimeter betragen; mittels Repeater können bis zu 4 weitere Netzwerksegmente angeschlossen werden. Damit ist eine maximale Gesamtlänge von 925m erreichbar.
Für viele Jahre war dies der dominierende Ethernet-Standard für 10 Mbit/s.
  • 10Base5, IEEE 802.3, (auch Thicknet oder Yellow Cable) – ein früher IEEE-Standard, der ein 10 mm dickes Koaxialkabel (RG8) mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm verwendete. Zum Anschluss von Geräten muss mittels einer Bohrschablone ein Loch in das Kabel gebohrt werden, durch das ein Kontakt einer Spezialklemme (Vampirklemme) des Transceivers eingeführt und festgeklammert wird. An diesen Transceiver wird mittels der AUI-Schnittstelle über ein Verbindungskabel die Netzwerkkarte des Computers angeschlossen. Dieser Standard bietet 10 Mbit/s Datenrate bei Übertragung im Base-Band und 500 m Reichweite mit maximal 100 Teilnehmern. Die Leitung hat keine Abzweigungen, und an den Enden sitzen 50 Ohm Abschlusswiderstände. Dieser Typ ist eigentlich obsolet, aber aufgrund seiner weiten Verbreitung in den frühen Tagen noch immer in einigen Systemen in Benutzung.

10 Mbit/s Ethernet mit Twisted-Pair-Kabel

RJ-45-Stecker-und-Buechse.jpg

  • StarLAN 10 – Die erste Ethernet-Implementation über Twisted-Pair-Kabel mit 10 Mbit/s, ebenfalls von AT&T. Wurde später zu 10Base-T weiterentwickelt.
  • 10Base-T, IEEE 802.3i, – läuft über vier Adern (zwei verdrillte Paare) eines CAT-3 oder CAT-5-Kabels. Ein Hub oder Switch sitzt in der Mitte und hat für jeden Teilnehmer einen Port. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist 10MBit/s und die maximale Länge eines Segments 100 Meter. Diese Konfiguration wird auch für 100Base-T benutzt. Physikalisch sind die Steckverbindungen als RJ-45 ausgeführt. Steckerbelegung: Pin1 – Transmit+; Pin2 – Transmit−; Pin3 – Receive+; Pin6 – Receive− (gerade Verkabelung)

10 Mbit/s Ethernet mit Glasfaser-Kabeln

  • FOIRL – Fiber-optic inter-repeater link. Der ursprüngliche Standard für Ethernet über Glasfaserkabel.
  • 10Base-F, IEEE 802.3j, – Allgemeiner Ausdruck für die neue Familie von 10 Mbit/s Ethernet-Standards: 10Base-FL, 10Base-FB und 10Base-FP. Der einzig weiter verbreitete davon ist 10Base-FL.
  • 10Base-FL – Eine revidierte Version des FOIRL-Standards.
  • 10Base-FB – Gedacht für Backbones, die mehrere Hubs oder Switches verbinden. Ist inzwischen technisch überholt.
  • 10Base-FP – Ein passives sternförmiges Netzwerk, das keinen Repeater brauchte. Es gibt keine Implementationen.
  • 10Base-SX – 10/100 Mbit/s Ethernet über Glasfaser.

Fast Ethernet

  • 100Base-T – Allgemeine Bezeichnung für die drei 100 Mbit/s-Ethernetstandards über Twisted-Pair-Kabel, 100Base-TX, 100Base-T4 und 100Base-T2. Die maximale Länge eines Segments beträgt wie bei 10Base-T 100 Meter. Die Steckverbindungen sind als RJ-45 ausgeführt.
  • 100Base-TX, IEEE 802.3u, – Benutzt wie 10Base-T zwei verdrillte Adernpaare, benötigt allerdings Cat 5 Kabel. Mit 100 Mbit/s ist 100Base-TX heute die Standard-Ethernet-Implementation.
  • 100Base-T4 – 100 Mbit/s Ethernet über Category 3 Kabel (wie es in 10Base-T-Installationen genutzt wird). Nutzt alle vier Adernpaare des Kabels. Es ist inzwischen obsolet, da Category 5-Verkabelung heute die Norm darstellt. Es ist darüber hinaus auf Halbduplex-Übertragung begrenzt.
  • 100Base-T2 – Es existieren keine Produkte. Bietet 100 Mbit/s Datenrate über Cat 3-Kabel. Unterstützt den Full-Duplex-Modus und benutzt nur zwei Paare. Es ist damit funktionell äquivalent zu 100Base-TX, unterstützt aber alte Kabel.
  • 100Base-FX – 100 Mbit/s Ethernet über Glasfaser.

Gigabit Ethernet

  • 1000Base-T, IEEE 802.3ab – 1 Gbit/s über Kupferkabel ab Cat 5-Kabel. Die maximale Länge eines Segments beträgt wie bei 10/100Base-T 100 Meter. Wichtige Merkmale des Verfahrens sind:
  • 1000Base-SX, IEEE 802.3z – 1 Gbit/s über Glasfaser. Zum Einsatz kommen hierbei ausschließlich Multimode-Glasfaserkabel. Es kann eine Entfernung von 200 m bis 550 m mit 1000Base-SX überwunden werden. 1000Base-SX ist nur für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, die Full-Duplex einsetzen, spezifiziert. Verbindungen nach dem CSMA/CD-Algorithmus sind bei 1000Base-SX nicht vorgesehen. Das verwendete Licht hat einen Wellenlänge von 850 nm und liegt somit im Infrarot-Bereich. Für die meisten Menschen ist dieses Licht gerade noch als rotes Licht wahrnehmbar, ein direktes Schauen in die Lichtquelle ist, wie bei fast allen Laservarianten, für die Augen schädlich.
  • 1000Base-LX, IEEE 802.3z – 1 Gbit/s über Glasfaser. Zum Einsatz kommen hierbei Singlemode-Glasfaserkabel oder Multimode-Glasfaserkabel. Die mit Singlemode-Kabeln überwindbare Entfernung beträgt 10 km, mit Multimode-Kabeln sind es 550 m. Das verwendete Licht hat eine Wellenlänge von 1350 nm. Die restlichen Eigenschaften gleichen denen von 1000Base-SX.
  • 1000Base-CX – Der Vorgänger von 1000Base-T. Als Übertragungsmedium wird Shielded-Twisted-Pair-Kabel (STP) mit einer maximalen Kabellänge von 25 m und einer Impedanz von 150 Ohm eingesetzt. Der Anschluss erfolgt über RJ45-Stecker in einer Sterntopologie. Die Übertragungsrate beträgt 1000 Mbit/s.

Die Schnittstelle zwischen Switchen oder zum Backbone wird bei Gigabit-Ethernet häufig über einen SFP (Small Form-factor Pluggable oder auch Mini-GBic genannt) realisiert.

10 Gigabit Ethernet

Der 10-Gigabit Ethernet-Standard bringt acht unterschiedliche Medientypen, sieben Glasfaser- und einen Kupfermedientyp, für LAN, MAN und WAN mit sich. Der Standard für die Glasfaserübertragung heißt IEEE 802.3ae, der Standard für Kupfer ist IEEE 802.3ak und IEEE 802.3an.

  • 10GBase-LX4 – nutzt Wellenlängenmultiplexierung, um Reichweiten zwischen 240 und 300 m über vorhandene Multimode-Fasern zu ermöglichen. 10GBase-LW4 unterstützt außerdem 10 km über Single-Mode-Fasern.
  • 10GBase-SR – entwickelt um kurze Strecken mit vorhandenen Multimode-Fasern zu überbrücken. Hat abhängig vom Kabeltyp eine Reichweite zwischen 26 und 82 m. Außerdem unterstützt es 300 m Reichweite über eine neue 2000 MHz*km (Bandbreiten-Längen-Produkt) Multimode-Faser.
  • 10GBase-LR und 10GBase-ER – diese Standards ermöglichen 10 bzw. 40 km über Single-Mode-Fasern.
  • 10GBase-SW, 10GBase-LW und 10GBase-EW – Diese Varianten benutzen einen zusätzlichen WAN Phy, um mit OC-192 / STM-64 SONET/SDH-Equipment zusammenarbeiten zu können. Der Physical Layer entspricht 10GBase-SR bzw. 10GBase-LR und 10GBase-ER, sie benutzen daher auch die gleichen Fasertypen und erreichen die selben Reichweiten (zu 10GBase-LX4 gibt es keine entsprechende Variante mit WAN Phy).
  • 10GBase-CX4, beschreibt die Möglichkeit einer 10 Gigabit Übertragung über doppelt-twinaxiale Kupferkabel auf einer maximalen Länge von 15 m.
  • 10GBase-T, beschreibt die Möglichkeit einer 10 Gigabit Übertragung über vier Paare aus verdrillten Doppeladern. Die dafür verwendete strukturierte Verkabelung wird im Standard TIA/EIA 568 beschrieben. Die nächste Aktualisierung (draft) dieses Standards wird im Jahr 2006 erwartet.

Seit März 2006 gibt es erste 10GE Kupfer-XENPak die über herkömmliches Cat5e-Kabel auf 10 m Reichweite 10GE übertragen.

10 Gigabit Ethernet ist noch sehr neu, welche Standards kommerziell erfolgreich werden, muss abgewartet werden.

Power over Ethernet

Ebenfalls zur Familie der Ethernet-Standards gehört IEEE 802.3af. Das Verfahren beschreibt, wie sich Ethernet-fähige Geräte über das Twisted-Pair-Kabel mit Energie versorgen lassen. Dabei werden entweder die ungenutzen Adern der Leitung verwendet oder es wird zusätzlich zum Datensignal ein Gleichstromanteil über die vier verwendeten Adern übertragen. Entsprechend ausgelegte Geräte werden mit 48V und bis zu 15,4 Watt versorgt. Durch eine Logik wird verhindert, dass nicht PoE-fähige Geräte mit Energie versorgt werden.

Verwandte Standards

Folgende Netzwerk-Standards gehören nicht zum IEEE 802.3 Ethernet-Standard, unterstützen aber das Ethernet-Datenblockformat und können mit Ethernet zusammenarbeiten:

  • Wireless LAN (IEEE 802.11) – Drahtlose Vernetzung im Geschwindigkeitsbereich zwischen 2 und 124 Mbit/s.
  • VG-AnyLan oder 100BaseVG – Ein früher Konkurrent zu 100-Mbit/s-Ethernet. Läuft über Kategorie-3-Kabel, nutzt 4 Adernpaare und war ein kommerzieller Fehlschlag. Hewlett Packard brachte die damals technisch überlegene Technik mit lebenslanger Garantie auf alle Komponenten in den Handel.
  • TIA 100Base-SX – Von der Telecommunications Industry Association geförderter Standard. 100BASE-SX ist eine alternative Implementation von 100-Mbit/s-Ethernet über Glasfaser und ist inkompatibel mit dem offiziellen 100Base-FX-Standard. Eine hervorstehende Eigenschaft ist die mögliche Interoperabilität mit 10Base-FL, da es Autonegotiation zwischen 10 oder 100 Mbit/s beherrscht. Die offiziellen Standards können dies auf Grund unterschiedlicher Wellenlängen der verwendeten LEDs nicht. Zielgruppe sind Organisationen mit einer bereits installierten 10-Mbit/s-Glasfaser-Basis.
  • TIA 1000Base-TX – Stammt ebenfalls von der Telecommunications Industry Association. War ein kommerzieller Fehlschlag und es existieren keine Produkte. 1000Base-TX benutzt ein einfacheres Protokoll als der offizielle 1000Base-T-Standard, benötigt aber Cat-6-Kabel (Böse Zungen behaupten, dieser primär von der Kabelindustrie geförderte Standard sei gar nicht zur Produktentwicklung gedacht gewesen, sondern ausschließlich dafür, eine erste Anwendung für diese bis dahin mit keinerlei Vorteilen gegenüber Cat-5 ausgestattete Kabelklasse vorweisen zu können).
  • InfiniBand ist ein Bussystem, das eine bidirektionale Datenübertragung mit bis zu 10 Gbit/s zulässt.

Siehe auch

Literatur

  • Charles E. Spurgeon: Ethernet. The Definitive Guide. O'Reilly & Associates, Inc., Sebastopol, CA 2000. ISBN 1-56592-660-9
  • Alexis Ferrero: The evolving Ethernet, ISBN 0-201-87726-0
  • Frank R. Walther: Networkers Guide. Pearson / Markt+Technik 2000/2003 ISBN 3-8272-6502-9
  • Jörg Rech: Ethernet. Technologien und Protokolle für die Computervernetzung, ISBN 3-8822-9186-9
  • Michael Reisner Ethernet. Das Grundlagenbuch, ISBN 3-7723-6670-8

Weblinks

Netzwerkarchitektur

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