Ethernet-Definifion
Ethernet ist ein Standard zum Aufbau von LANs
mittlerweile werden auch große Distanzen per Ethernet überbrückt
Ethernet definiert
Kabeltypen
Stecker
Leitungscodes
Rahmenformate (Frames)
Ethernet umfasst die OSI Schichten 1 & 2
Die Schicht 2 wird unterteilt in Medium Access Control (MAC) und Logical Link Control (LLC)
Ethernet wird standardisiert bei dem Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) in der Reihe 802 im speziellen 802.3 und 802.2
Ethernet-Definition
802.3i - 10BASE-T
802.3j - 10BASE-F
802.3u - Fast Ethernet
802.3z - Gigabit Ethernet über Glasfaser
802.3ab - 1000BASE-T
802.3ae - 10-Gigabit-Ethernet
802.3an - 10GBASE-T
802.3ba - 100 Gigabit Ethernet
Ethernet-Entwurf
IEEE Ethernet Namensregeln
Ethernet und das OSI-Modell
Ethernet-Rahmentypen
Zwei Rahmentypen
Ethernet V2 (DIX-1982)
IEEE 802.3 - 1985
Ethernet V2
Ethernet IEEE 802.3
Ethernet-Rahmenfelder
Medienzugriff - Mehrfachzugriff
Im klassischen Ethernet teilen sich alle Stationen eines Netzwerkes ein Kabel (Multiple Access).
Senden zwei Stationen gleichzeitig überschneiden sich die elektrischen Signale, Daten werden korrumpiert.
Zur Vermeidung prüfen Stationen, ob das Medium frei ist (Carrier Sense).
Kollisionen sind auch dann nicht auszuschließen (gleichzeitiges Senden), Kollisionen können erkannt werden (Collision Detection)
CSMA
Carrier Sense (CS): Abhören des Mediums, ob es durch eine andere Station belgt ist.
Multiple Access (MA): Jede Station am Medium kann auch dieses zugreifen.
Wird das Medium als frei erkannt, startet eine sendewillige Station die Übertragung.
CSMA ist ein verteiltes und zufälliges Zugrifssverfahren ohne zentrale Kontrolle.
Ideal für die Paketvermittlung von sporadischen, nicht planbaren Nutzer- und Stationsverhalten
CSMA/CD
Trotz CSMA können Kollisionen auftreten: Mehrere Stationen erkennen das Medium zum selben Zeitpunkt als frei.
Gleichzeitiges Senden führt zu Kollisionen der Signale
Stationen erkennen Kollisionen z.B. anhand ungültiger Signalpegel, die bei der Überlagerung von Signalen entstehen
Wird eine Kollision erkannt sendet die Station ein JAM Signal
Netzausdehnung
Stationen müssen Kollisionen zuverlässig erkennen können.
Das heißt die Dauer eines Sendevorgangs muss größer gleich der zeit zur Kollisionserkennung sein.
Diese Zeit hängt von den Signallaufzeiten und somit der Länge des Mediums ab.
Die Sendedauer muss mindestens doppelt so groß sein wie die zweifache Signallaufzeit auf dem Medium.
Worstcase: Hin- und Rückweg zwischen den am weitesten entfernten Stationen
Ethernet spezifiziert eine minimale Framelänge von 64 Byte
Collision Detection/Backoff
Würden Stationen in festen Intervallen oder direkt nach einer Kollision Frames wiederholen würde erneut eine Kollision entstehen, darum warten Stationen eine zufällige Zeit bis zur Wiederholung (Backoff).
CSMA/CD-Berwertung
🙂 Einfaches Verfahren
🙂 Keine Koordination der Stationen notwendig
🙁 Ein Sendeversuch kann prinzipiell mit einem Misserfolgt enden
🙁 Kein deterministisches Verfahren. Daher keine Eignung für Echtzeit-Anwendungen
Historische Ethernet-Standards
10 Base 5
Bustopologie
Koaxialkabel
10 Base 2
10 Base T
Twisted-Pair-Kabel
Sterntopologie (Bis wird in Hub zusammengefasst)
Auto-Negotiation
Auto-Negotiation erlaubt zwei Knoten, die bestmögliche Verbindung zwischen ihnen festzulegen. Die Stationen tauschen Informationen über die Übertragungsgeschwindigkeit, den Operationsmodus (halbduplex, vollduplex) und das Vorhandensein der Datenflusskontrolle aus.
Auf Twisted-Pair-Verbindungen wird zur Aushandlung der Parameter eine modifizierte Form des Normal Link Pulse (NLP) Signals genutzt.
Halbdulpex/Vollduplex
Halbduplex:
Station sendet oder empfängt
Historisch konnte ein Ethernet-Transceiver bedingt durch das gemeinsame Medium entweder senden oder empfangen.
Vollduplex:
Gleichzeitiges Senden und Empfangen möglich
Twisted Pair Verkabelung besitzt mehrere Adernpaare, so dass bei 10 Base-T und 100 Base-T unterschiedliche Adernpaare für das Senden und Empfangen genutzt werden.
1000 Base-T nutzt alle Adernpaare zum Senden und Empfangen gleichzeitig
Autonegotiation - Reihenfolge
1000 Base-T vollduplex
1000 Base-T halbduplex
100 Base-TX vollduplex
100 Base T4
100 Base-TX halbduplex
10 Base-T vollduplex
10 Base-T halbduplex
Ethernet Timing
Gigabit-Ethernet
IEEE 802.z vom Juni 1998 definiert Gigabit-Ethernet für Glasfaser (1000Base-SX/LX) und Shielded Twisted Pair über 25m (1000Base-CX)
IEEE 802.3 ab vom Juni 1999 legt den Standard über Twisted Pair der Kategorie 5 (UTP Cat 5) fest (1000BaseT)
1000 Base-T Besonderheiten
Diese Variante nutzt alle vier Adernpaare des Cat 5 Kabels, d.h. die Übertragung findet gleichzeitig im Vollduplex-Modus auf allen Paaren statt.
Jedes Paar überträgt 250 MBit/s im Vollduplex-Verfahren mittels des Pulse Amplitude Modulation (PAM-5) Verfahrens.
Jedes 1000Base-T gerät besitzt vier identische Transceiver, jedes mit einem eigenen Empfänger und Sender
Gigabit-Varianten cont.
Die LX-Variante (Long Wavelength) arbeitet mit 1310 nm Wellenlänge und kann mit Monomode- und Multimodefasern betrieben werden. Bei Einsatz von Multimodefasern beträgt die Entfernung 550 m, mit dem Monomodefasern werden Entfernungen von bis zu 3 km erreicht.
Die SX-Variante (Short Wavelength) arbeitet mit 850 nm Wellenlänge über Multimodefaser und ist für Entfernungen bis 275 m (62,5/125 pm) bzw. 550 m (50/125 pm) definiert.
Die CX-Variante ist für Gigabit-Ethernet über S/FTP-Kabel mit 150 Ohm für eine Länge von 25 m spezifiziert.
Die 1000BaseT-Variante ist für ein vierpaariges Kupfer-Kabel der Kategorie 5e (oder besser) mit bis zu 100 m definiert.
10G - Strukturierung
Varienten des Physical coding Subleayers (PCS)
10GBase-R: für serielle Codierung
10GBase-W: für WAN-Links
10GBase-X: für LAN-Verbindungen
Einteilung nach Wellenlängen
L:1310 nm
S: 850 nm
E: 1550 nm
10 GBit/s-Ethernet Varianten
100 GBit/s Ethernet
Standardisierung unter 803.3ba
Endfassung Sommer 2010
Gleichzeitige Standardisierung von 40 und 100 GBit/s
Kupferkabel: reichweite 7m / 30m (40 Gbit/s)
Monomode: Reichweite 40km
Ausschließlicher Vollduplexbetrieb
Min. und max. Rahmengröße sowie Rahmenformat wie in den Vorgängerversionen
200 GBit/s & 400 Gbit/s Ethernet
200 GBit/s & 400 GBit/s Ethernet
Aktuell standardisiert sind die nächsten Geschwindigkeitsstufen mit 200 Gbit/s und 400 Gbit/s.
Nutzung von Multimode und Monomodefasern
Collision Domain
Stationen, die sich am gleichen Medium befinden bilden eine Collision Domain.
Dies kann ein gemeines Kabel sein, eine Sterntopologie gebildet durch einen Hub, oder auch mehrere Segmente verbunden durch Repeater.
Alle Stationen greifen beim Mehrfachzugriff auf das gleiche Medium zu und es kann zu Kollisionen kommen.
Reduzierung des Durchsatzes bei häufigen Kollisionen durch, Wahrscheinlichkeit steigt
Große Anzahl von Stationen
Häufiges Senden von Daten
Lösung durch Auftrennen eines großen Netzes in einzelne Collision Domains.
Hubs & Repeater
Hubs bilden den Bus nach: Alle Stationen empfangen gesendete Signale, Hubs können elektrische Signale aufbereiten.
Hubs arbeiten somit auf der Schicht 1.
Repeater dienen zur Vergrößerung des Netzes, auch diese Geräte bereiten nur die elektrischen Signale auf und arbeiten somit auf der Schicht 1.
Hubs und Repeater werden heutzutage kaum noch eingesetzt.
Probleme:
Starke Auslastung des Mediums bei steigender Anzahl von Stationen
Starke Auslastung des Mediums bei steigendem Datenverkehr
Kommunikation ist aber Punkt-zu-Punkt
Lösung: Switching
Switching
Switching findet auf dem Layer 2 statt.
Gerät: Switch
Ein Switch trennt Collision Domains
Beim Switching werden Daten bei der Unicast Kommunikation nur zwischen den Collision Domains in denen Sender und Empfänger enthalten sind weitergeleitet.
Heutzutage befinden sich pro Collision Domain (Port) nur eine Station.
Ein Switch lernt an welchen Netzwerkinterfaces sich welche Stationen befinden.
Dazu wertet es die Quell-MAC-Adresse aus.
10 Gbit/s Ethernet erlaubt nur noch Switches
Switching Tabelle
Switche arbeiten auf der Schicht 2.
MAC Quell- und Zieladressen werden ausgewertet.
Trifft ein Frame an einem Port ein, speichert der Switch die Quell-MAC-Adresse und den Port in einer Tabelle.
Der Switch lernt somit über welchen Port ein Gerät erreichbar ist.
Pro Eintrag wird ein Timer (z.B. 5 Minuten) gestartet.
Trifft erneut ein Paket mit der Quell-Adresse ein, wird der Timer erneut gestartet.
Läuft der Timer ab, wird der Eintrag gelöscht.
So werden gelernte Einträge vergessen und eine Neuzuordnung ist möglich.
Zur Weiterleitung wertet ein Switch die Ziel-MAC-Adresse aus:
Ist die MAC Adresse in der Tabelle vorhanden, wird der Frame nur an den Port aus der Tabelle weitergeleitet.
Ist die MAC Adresse nicht vorhanden, wird der Frame an alle Ports (bis auf dem wo der Frame empfangen wurde) weitergeleitet.
Broadcast:
Adressierung aller Stationen
MAC Adresse: FF-FF-FF-FF-FF-FF
Weiterleitung: Store and Forward / Cut Through
Store and Forward Switches empfangen den gesamten Frame, speichern diesen zwischen, prüfen die Checksum und leiten diesen im Anschluss weiter.
Cut Through: Die Kenntnis der Zieladresse reicht zur Weiterleitung aus, ein Cut Through Switch leitet einen Frame weiter sobald die Zieladresse empfangen wurde.
Ermöglicht besonders geringe Latenzen
Es findet keine Fehlerprüfung statt
Ein- und Ausgangsport müssen die gleiche Übertragungsgeschwindigleit haben
Weitere Themen im Überblick
VLAN: Virtuelle LANs
Künstliche trennung von Netzen innerhalb eines physikalischen Netzes
Spanning Tree:
Bei der Zusammenschaltung von Switches können Schleifen entstehen
Ethernet-Frames können endlos in diesen Netzen kreisen
Spanning-Tree verhindert das entstehen von Schleifen durch gezieltes deaktivieren von Ports
Zuletzt geändertvor 2 Tagen
