Ethernet

Ethernet ist eine paketbasierte Computer-Vernetzungstechnologie für lokale Netzwerke (LANs). Sie definiert Kabeltypen und Signalisierung für die Bitübertragungsschicht, und Paketformate und Protokolle für die Medienzugriffskontrolle (Media Access Control, MAC)/Verbindungsschicht des OSI-Modells. Ethernet ist weitestgehend in der IEEE-Norm 802.3 standardisiert. Sie wurde ab den 1990ern zur meistverwendeten LAN-Technologie und hat alle anderen LAN-Standards wie Token Ring, FDDI und ARCNET verdrängt.

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. Metcalfe selbst sagt, dass Ethernet über mehrere Jahre entwickelt wurde und sich daher kein Zeitpunkt festmachen lässt. 1976 veröffentlichten Metcalfe und sein Assistent David Boggs ein Papier mit dem Titel Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks.

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, zusammenzuarbeiten um Ethernet zum Standard zu machen. Damalige Konkurrenten waren die proprietären Systeme Token Ring und ARCNET, die beide bald in einer wahren Flut von Ethernet-Produkten untergingen. 3Com wurde dabei ein großes Unternehmen.

Der CSMA/CD-Algorithmus

Ethernet basiert auf der Idee, dass die Teilnehmer eines Netzwerks Nachrichten durch eine Art Funk-System versendeten, 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.

Ein Algorithmus mit dem Namen Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) regelt den Zugriff der Systeme auf das gemeinsame Medium. Er wurde ursprünglich in den 1960er Jahren für das ALOHAnet, ein Funknetz in Hawaii entwickelt. Das Schema ist verglichen mit Token Ring oder Master-kontrollierten Netzwerken relativ simpel. Wenn ein Gerät Daten senden möchte, hält es sich an folgenden Ablauf:

Wenn die Leitung frei ist, beginne mit der Übertragung, andernfalls weiter mit Schritt 4
[Informationsübertragung] Wenn eine Kollision entdeckt wird, weiter übertragen bis die minimale Paketdauer erreicht wird (um sicherzustellen, dass alle anderen Transceiver die Kollision entdecken), dann weiter mit Schritt 4
[Übertragung erfolgreich abgeschlossen] Erfolgsmeldung an höhere Netzwerkschichten, Übertragungsmodus verlassen
[Leitung ist belegt] Warten, bis die Leitung wieder frei ist
[Leitung ist gerade frei geworden] Noch eine zufällige Zeit abwarten, dann wieder bei Schritt 1 beginnen, wenn die maximale Anzahl von Übertragungsversuchen nicht überschritten wurde
[Maximale Anzahl von Übertragungsversuchen überschritten] Fehler an höhere Netzwerkschichten melden, Übertragungsmodus verlassen

In der Praxis funktioniert dies bildlich wie eine Dinner-Party, auf der alle Gäste ein gemeinsames Medium (die Luft) benutzen, um miteinander zu sprechen. Bevor sie sprechen, warten sie höflich darauf, dass der andere Gast geendet 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.

Da die gesamte Kommunikation auf der selben Leitung passiert, wird jede Information, die von einem Computer gesendet wurde, von allen empfangen, selbst wenn diese Information nur für ein Ziel bestimmt ist. Die meisten Ethernet-verbundenen Geräte müssen ständig Informationen ausfiltern, die nicht für sie bestimmt ist. Dies ist eine Sicherheitslücke von Ethernet, da ein Teilnehmer mit bösen Absichten den gesamten Datenverkehr auf der Leitung mitschneiden kann wenn er möchte. Dieser Sicherheitsmangel kann zum großen Teil durch die Einrichtung einer geswitchten Umgebung (wobei Switches anstatt Hubs als Zentralstücke benutzt werden) behoben werden.

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, wurden Switches und der Full-Duplex-Modus (Daten können gleichzeitig gesendet und empfangen werden) entwickelt.

Ethernet-Frameformate und das EtherType-Feld

Es gibt vier Typen von Ethernet-Frames::

Ethernet Version I (nicht mehr benutzt)
Der Ethernet Version 2 oder Ethernet II Frame, der sog. DIX-Frame (benannt nach DEC, Intel, und Xerox), dies ist der heute meistverwendete Typ, da er oft direkt vom Internet Protocol benutzt wird.
IEEE 802.x LLC (Logical Link Control) Frame
IEEE 802.x LLC/SNAP Frame

Die unterschiedlichen Frame-Typen haben unterschiedliche Formate und MTU-Werte, können aber auf dem selben physischen Medium parallel verwendet werden.

Der ursprüngliche Xerox Version 1 Ethernet-Frame hatte ein 16-bit-Feld, in dem die Länge des Frames hinterlegt war, obwohl die maximale Paketlänge auf 1.500 Bytes begrenzt war.

Dieses Längen-Feld wurde in Xerox's Ethernet II-Frame als Label weiterverwendet, mit der Konvention, dass Werte zwischen 0 und 1.500 auf das originale Ethernet-Format hindeuteten, und höhere Werte den EtherType und die Verwendung des neuen Frame-Formats anzeigten. Dies wird inzwischen in IEEE 802-Protokollen durch den SNAP Header unterstützt. Der EtherType zeigt über eine Protokollnummer das im Datenteil des Frames verwendete Protokoll an.

IEEE 802.x definierte das 16-bit-Feld nach den MAC-Adressen wieder als Längen-Feld. Da Ethernet I-Frames nicht mehr benutzt werden, erlaubt dies festzustellen, ob es sich um einen Ethernet II-Frame oder einen IEEE 802.x-Frame handelt und damit die Koexistenz beider Standards auf dem selben physischen Medium. Alle 802.x-Frames haben ein LLC-Feld. Durch Untersuchung des LLC-Feldes kann festgestellt werden, ob noch ein SNAP-Feld folgt.

Das heute fast ausschließlich verwendete Ethernet II-Frameformat

Die 802.x-Varianten haben heute eher akademische Bedeutung und sind nicht weit verbreitet. Der übliche Typ ist heute der Ethernet II-Frame, wie er von den meisten Internet Protocol-basierten Netzwerken benutzt wird. Es gibt zwar Techniken, um IP-Verkehr in 802.3-Frames zu kapseln, sie werden aber kaum verwendet.

Ethernet-Medientypen

Die verschiedenen Ethernet-Varianten unterscheiden sich in Geschwindigkeit und den verwendeten Kabeltypen. Der Protokoll-Stack (Software) 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 - die ursprüngliche Ethernet-Implementation, die während ihrer Entwicklung zwei Versionen hatte. Das Frame-Format der Version 2 wird noch immer überwiegend benutzt.
10Base5 (genannt Thicknet) - ein früher IEEE-Standard, der ein 10 mm-Koaxialkabel verwendete, mit einer legendären Verkabelungstechnik: Es musste ein Loch in das Kabel gebohrt werden, durch das ein Kontakt des Transceivers geschoben und festgeklammert wurde. Dieser Standard bot 10 Mbit/s Bandbreite bei Übertragung im Base-Band und 500 Meter Reichweite. Ist eigentlich obsolet, obwohl auf Grund seiner weiten Verbreitung in den frühen Tagen noch immer einige Systeme in Benutzung sein könnten.
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

10Base2 (bekannt als ThinNet oder Cheapernet) - 50-Ohm-Koaxialkabel verbindet die Teilnehmer miteinander, jeder benutzt ein T-Stück zur Anbindung seiner Netzwerkkarte. An den Enden der Leitung sitzen Terminatoren. Für viele Jahre war dies der dominierende Ethernet-Standard für 10 Mbit/s.
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 - läuft über 4 Adern (2 Paare) eines Cat 3 oder Cat 5 Kabels. Ein Hub oder Switch sitzt in der Mitte und hat für jeden Teilnehmer einen Port. Diese Konfiguration wird auch für 100Base-T und Gigabit-Ethernet benutzt.
FOIRL - Fiber-optic inter-repeater link. Der ursprüngliche Standard für Ethernet über Glasfaserkabel.
10Base-F - 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.

Fast Ethernet

100Base-T - Allgemeine Bezeichnung für die drei 100 Mbit/s-Ethernetstandards über Twisted Pair Kabel, 100Base-TX, 100Base-T4 und 100Base-T2.
100Base-TX - Benutzt wie 10Base-T zwei 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 inzwischen die Norm darstellt. Es ist darüber hinaus auf halbduplexe Übertragung begrenzt.
100Base-T2 - Es existieren keine Produkte. Bietet 100 Mbit/s Bandbreite 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 - 1 Gbit/s über Kupferkabel der Kategorie 5. Benutzt alle verfügbaren 4 Adernpaare.
1000Base-SX - 1 Gbit/s über Glasfaser.
1000Base-LX - 1 Gbit/s über Glasfaser. Optimiert für längere Distanzen unter Verwendung von Single-Mode-Fasern.
1000Base-CX - Der Vorgänger von 1000Base-T mit einer maximalen Reichweite von 25 m.

10 Gigabit Ethernet

Der neue 10-Gigabit Ethernet-Standard bringt sieben unterschiedliche Medientypen für LAN, MAN und WAN mit sich. Der Standard heißt IEEE 802.3ae, ist aber noch nicht endgültig verabschiedet.

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 Multimode-Faser.
10GBase-LX4 - nutzt Wavelength Division Multiplexing um Reichweiten zwischen 240 und 300 m über vorhandene Multimode-Fasern zu ermöglichen. Unterstützt außerdem 10 km über Single-Mode-Fasern.
10GBase-LR und 10GBASE-ER - diese Standards ermöglichen 10 bzw. 40 km über Single-Mode-Fasern.
10GBase-SW, 10GBase-LW and 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).

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, der Verfahren beschreibt, mit denen sich Ethernet-fähige Geräte über die freien Adern eines Twisted Pair-Kabels mit Energie versorgen lassen.