Schlagworte: ALOHA, CSMA/CD, IEEE 802.3, 10BASE2, 10BASE5, 10BASE-T, 10BASE-F, ISO/OSI Layer 1&2, MAC Adressen
Ethernet ein Funknetz? Wie soll das gehen ohne Sender und Empfänger, ohne Antenne?
Sender und Empfänger befinden sich in jedem Ethernet Adapter, das Medium ist das angeschloßene Kabel. Diese Tatsache ist vielen Ethernet Anwendern gar nicht klar, andere haben davon gehört, tun sich aber schwer mit den sich daraus ergebenden Konsequenzen. Aus Sicht der Anwender ist ein Netzwerk wie ein Stromnetz, man kann also überall etwas dranhängen und auch beliebig unterverteilen (solange die Sicherungen durchhalten). Das ist leider das gänzlich falsche Analogon. Für Ethernet gibt es Spezifikationen, die unbedingt einzuhalten sind. Kabellängen, Kabelgüten, Anzahlen von Stationen und "Verteilern" sind begrenzt bzw. einzuhalten. Werden diese Spezifikationen nicht eingehalten, ist alles möglich von mangelhaftem Datendurchsatz bis zu Datenverlusten und abstürzenden Applikationen. Der Alptraum jedes IT-Treibenden.
In den 1970iger forschten Norman Abrahamson und seine Kollegen von der Universität Hawaii an einem Projekt, welches unter dem Namen ALOHA bekannt wurde. Es wurde aus der Notwendigkeit geboren über Radiowellen Computer zu vernetzen, da Hawaii eine Inselgruppe ist und Unterwasserkabel verlegen eine extrem teure Angelegenheit ist.
Die dabei gewonnenen Erkenntnisse führten zu Methoden, die heute noch verwendet werden. Bei einem Funknetz ist es sicherlich einleuchtend, daß der Sendezugriff geregelt werden muß. Jeder der einmal ein Funkgerät benutzt hat, kann das sicher nachvollziehen: senden darf immer nur eine Station. Aber wie kann man das regeln? Wer darf zu welcher Zeit senden und was passiert, wenn doch einmal mehr als eine Station gleichzeitig sendet? Wie stellt man eine zuverläßige Datenübertragung sicher?
Die aus ALOHA übernommenen bzw. entwickelten und noch heute verwendeten Methoden heißen CSMA und CD. Ethernet regelt den Zugriff auf das Medium (Kabel) über CSMA/CD (CSMA with CD).
Dieser Teil der Zugriffsregelung erscheint trivial, ist aber unabdingbare Voraussetzung für ein funktionierendes Ethernet. Eine Station, die senden möchte, prüft vorher, ob nicht bereits gesendet wird. Falls ja, wartet die Station, bis die Leitung "frei" ist. Leider reicht dieser Mechanismus alleine nicht aus, da ja mehrere Station warten können und gleichzeitig anfangen können zu senden. Weitere Überprüfungen sind also notwendig um das Medium arm an Kollisionen und damit Wiederholungssendungen zu halten.
Wenn es also vorkommt, daß zwei wartende Station "zeitgleich" anfangen zu senden, wird diese Kollision durch geeignete Maßnahmen erkannt. Z. B. wird geprüft, ob das gesendete Signal auch wieder korrekt empfangen werden kann. Falls es zu einer Kollision kommt, senden die Sender nicht das ganze Datenpaket, sondern unterbrechen die Sendung sofort und senden statt der restlichen nicht mehr verwertbaren Daten ein Signal für "ungültige Daten".
Danach warten beide Stationen einen "zufällige" Zeitdauer um einen erneuten gleichzeitigen Zugriff zu vermeiden.
Kritiker des Ethernet führen immer wieder an, daß es durch diese Zugriffsmethode nicht zu garantieren sei innerhalb eines vorgegeben Zeitrahmens Daten zu übertragen. Je höher die Auslastung, desto mehr Kollisionen gibt es und desto mehr Datenpakete müssen wiederholt werden, was den Datendurchsatz nochmal senkt. Der Schlüssel ist die Auslastung zu begrenzen. Untersuchung ergaben, daß Ethernet bis zu einer Auslastung von 30% der theorestisch maximalen Datenrate von 10 Mbps "gesund" ist, will sagen der Datendurchsatz zufriedenstellend ist. Über 30% steigt die Kurve steil an, aber im Gegensatz zu den Unkenrufen der Token-Ring Fraktion geht es auch bei höheren Auslastung noch recht zuverlässigen Datentransfer. Token-Ring verhält sich im Grenzbereich günstiger als Ethernet. Es ist jedoch fraglich, ob sich die höheren Kosten rechnen. Siehe dazu auch [Andrew S. Tanenbaum: "Computer Networks", 3rd edition, pages 283 ff]
Ethernet ist ursprünglich die Bezeichnung für eine
Implementation von Xerox aus der Mitte der 1970iger, die 100
Stationen auf einen 1 km langes Koaxialkabel bei 2,94 Mbps
verband.
Die Hersteller Digital Equipment Corporation, Intel und Xerox
definierten später gemeinsam, was wir heute als IEEE 802.3
kennen. Die ursprüngliche Spezifikation beinhaltete nur
Koaxialverkabelung mit 50 Ohm Abschlußwiderständen. Allgemein
ist heute mit Ethernet IEEE 802.3 gemeint.
Damit diese Mechanismen funktionieren, sind folgende Spezifikationen für CSMA/CD IEEE 802.3 Ethernet einzuhalten:
10 Mbps CSMA/CD Ethernet ist zur Einhaltung spezifizierter Signallaufzeiten auf 2500 m begrenzt
Repeater werden zur Verbindung von Segmenten verwendet und arbeiten auf dem OSI Physical Layer (1). Alle Daten auf einer Seite eines Repeaters werden zu 100% auf der anderen Seite wiederholt. Repeater dienen zur Verlängerung des Kabels, zur Auffrischung der Signale und können nicht filtern. Hubs sind als Multiport-Repeater zu betrachten und zählen wie ein Repeater.
Bridges trennen Segmente auf dem OSI Data Link Layer(2). Traffic, der zwischen zwei Stationen auf einer Seite einer Bridge abläuft, wird nicht auf die andere Seite übertragen. Damit kommt zur Funktion des Repeaters (Verlängerung) eine Segmenttrennung/Segmentierung hinzu. Sinnvoll eingesetzt, läßt sich damit so manches Datendurchsatzproblem lösen. Switches sind als Multiport-Bridges zu betrachten und zählen wie eine Bridge.
Bei 10BASE2 und 10BASE5 dienen bis zu zwei Kabelsegmente nur zur Verbindung/Verlängerung.
Bei der Anzahl der Stationen sind Repeater etc. mitzuzählen
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß bei 10BASE2 und 10BASE5 an jedem Ende 50 Ohm Abschlußwiderstände angebracht sein müssen und ein Ende des Ethernet geerdet sein muß.
Zusätzlich zur Begrenzung der Kabellängen und damit der Signallaufzeiten durch das Medium, sind Paketmindestgrößen und Paketmaximalgrößen definiert. Die Mindestgröße von 64 Byte ermöglicht die Detektion einer Kollision, da sichergestellt ist, daß ein Datenpaket dieser Länge innerhalb der Signallaufzeit alle Stationen erreicht hat.Ein IEEE 802.3 10 Mbps Ethernet Datenpaket besteht aus:
| Länge in Byte |
Funktion |
| 7 | Präamble |
| 1 | Start des frame delimiter |
| 6 | Zieladresse (MAC) |
| 6 | Quelladresse (MAC) |
| 2 | Datenlänge |
| 0-1500 | Daten |
| 0-46 | Auffüllbytes |
| 4 | Prüfsumme |
MAC Adressen müssen mindestens innerhalb eines Ethernet eindeutig sein. (MAC = Medium Access Control)
Die Auffüllbyte kommen nur dann zum tragen, wenn das Datenfeld nicht groß genug ist um die Mindestpaketlänge von 64 Byte zu ergeben.
Bestimmte MAC Adressen haben besondere Funktionen und sind daher nicht als Adresse für Netzwerkadapter verwendbar. Es sind 2^46 Adressen möglich (ca. 70.000.000.000.000). Hersteller von Ethernet Adaptern bekommen von der IEEE Adressbereiche zugewiesen (die ersten drei Byte). Ethernet Adapter Hersteller sind daher potentiell an den ersten drei Bytes der MAC Adresse erkennbar. Die Firma FTP bieten im Internet dankenswerterweise eine Liste von Herstellern und MAC Adressen an unter http://www.ftp.com/techsup/quick-help/docs/vendor.html. Für Personen ohne online Internetzugang ist eine lokale Kopie hinterlegt.
Eine Segmentierung durch Bridges und/oder Switches dient mehreren Zwecken.
Ein Zweck ist die Verbesserung der Performance, da jede Station im LAN nur noch den Traffic innerhalb des eigenen Segmentes "sieht" (außer ggf. Broadcasts und) und Traffic, zu und vom eigenen Segment.
Ein weiterer Zweck ist die Verbesserung der Fehlersuche. Da nicht "irgendwo im LAN" die Fehlerquelle zu suchen ist, sondern "nur" innerhalb eines Segmentes, geschieht eine Eingrenzung und gleichzeitig bleiben die anderen Segmente "verschont".
Durch fernwartbare Multiport-Repeater sind Fehlerquelle einigermaßen schnell zu lokalisieren und ggf. auszuschalten. "Dumme" Multiport-Repeater helfen hier nicht weiter, sparen jedoch Anschaffungskosten.
Fernwartbare Komponenten wie Router, Switches, Bridges, Multiport-Repeater etc. lassen sich durch SNMP standardisiert ansprechen. Zur Fehlersuche helfen Standards wie RMON. RMON Agenten sind in der Lage Informationen über Traffic in ihrem Ethernet-Segment an eine Management-Station in einem anderen Segment zu melden.