Ethernet

Ethernet basiert auf einer Entwicklung der Hersteller Digital, Intel und Xerox (DIX). CSMA/CD ist der gemeinsame Nenner. Die 4 Frametypen werden von den Herstellern verschieden Bezeichnet.

IEEE | Novell | Cisco
802.3 | IEEE 802.2 | LLC
V II | Ethernet II | ARPA
802.3 SNAP | SNAP | SNAP
802.3 Raw | 802.3 | Novell

10 MBit/s | 100 MBit/s | 1000 MBit/s | 10 GBit/s
10Base5 | 100BaseTX | 1000BaseT | 10GBaseSX4
10Base2 | 100BaseFX | 1000BaseCX | 10GBaseEW
10BaseT | 100BaseT4 | 1000BaseSX | 10GBaseEW
10BaseFB | | 1000BaseLX | 10GBaseLX4
10BaseFL | | 10GBaseEW
| 10GBaseER
| 10GBaseLR
| 10GBaseLW
| 10GBaseSW
| 10GBaseSR

Kabelarten Strukturregeln 5-4-3 Regel

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect

Alle Stationen können gleichberechtigt auf das Übertragungsmedium zugreifen.(Multiple Access) Bevor eine Station sendet, lauscht sie an der Leitung, um zu überprüfen, ob nicht schon eine andere Station sendet (Carrier Sense). Ist die Leitung frei wird gesendet. Jedoch erst nach 9,6 μs (Inter Frame Gap). Auch während des Sendens wird mitgehört (Listen While Talking). Da die Signale sich nicht unendlich schnell ausbreiten, kann es vorkommen, daß eine zweite Station trotz Carrier Sense anfängt zu senden. Beide Signale werden sich treffen. Der Signalpegel wird zwischen dem doppelten Wert und Null Schwanken. Diesen Kollisionspegel erkennen die sendenden Stationen (Collision Detect) und schicken ein JAM-Singal auf die Leitung. Das JAM-Signal besteht aus einer 32 Bit langen Folge von 1 und 0. Nach dem JAM-Singal warten die sendewilligen Stationen eine (von Algorithmen) bestimmte Zeit und beginnen erneut mit Carrier Sense. Die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen steigt mit der Anzahl der Stationen und der Leitungslänge.

Strukturregeln

Um das CSMA/CD Protokoll einhalten zu können muß eine Kollision innerhalb der Mindestlaufzeit eines Paketes jede Station erreicht haben. Anderenfalls bemerken die sendenden Stationen die Kollision nicht. Aus dieser Zeit ergibt sich die maximale Größe einer Kollisionsdomaine. Verzögerungszeiten entstehen durch die Signallaufzeiten auf den Kabeln und durch eingesetzte Repeater. Maximal 1023 Stationen in einer Kollisionsdomaine. Es gilt: Es können max. zwei Repeater-Paare zwischen zwei beliebigen Stationen stehen.

Die 5-4-3 Regel, zwischen zwei Stationen in der Kollisionsdomaine:

max. fünf Segmente
max. vier Repeater
max. drei 10Base2 oder 10Base5 Segmente

10Base5 Thick Ethernet Yellow-Cable

10 MBit/s.
Physikalische Busstrucktur.
Maximale Länge eines Segmentes: 500m
Maximal 100 Stationen pro Segment.
Mindestabstand zwischen zwei Stationen: 2,5m.
Die Stichleitung zur Station darf maximal 50m lang sein.

Das Segment ist das Yellow-Cable welches an beiden Enden mit einem Widerstand von jeweils 50Ω abgeschlossen werden muß. An das Yellow-Cable werden mit sogenannten Vampirkrallen Transceiver angebracht. Die möglichen Stellen sind am Kabel angezeichnet. Der Transceiver stellt eine AUI-Schnittstelle für die Stichleitung bereit.

10Base2 Thin Ethernet Cheepernet

10 MBit/s.
Physikalische Busstrucktur.
Maximale Länge eines Segmentes: 185m
Maximal 30 Stationen pro Segment.
Mindestabstand zwischen zwei Stationen: 0,5m.

Das Koaxialkabel (RG58) wird mit BNC-T-Stücken direkt mit dem Adapter verbunden. Stichleitungen sind nicht erlaubt. Das Koaxialkabel muß an beiden Enden mit einem Widerstand von jeweils 50Ω abdeschlossen werden.

10BaseT 802.3

10 MBit/s.
Physikalische Sternstrucktur.
Maximale Kabellänge: 100m.
Mindestens Kabel Kategorie 3.

Mit 100Ω TP-Kabel wird jede Station zu einem Hub oder Switch verkabelt. Stecker: RJ45 Senden (Tx) und Empfangen (Rx) findet auf unterschiedlichen Leitungspaaren statt. Im Half Duplex Betrieb wird das Empfangen wärend gesendet wird als Kollision gewertet. Dieser Fall kann nur bei Verwendung von Hubs eintreten. Hängt jede Station einzeln an einem Switch-Port ist es möglich Vollduplex zu verwenden. Es ist dann erlaubt gleichzeitig zu senden und zu empfangen. CSMA/CD Kollisionserkennug ist nicht mehr nötig und nicht vorhanden.

Autonegation

Zur automatischen Erkennung der Gegenstation wird ein FLP (Fast Link Pulse) gesendet. 10BaseT erwartet innerhalb 50 bist 150ms einen NLP (Normale Linl Puls) sonst gilt die Verbindung als unterbrochen. 10BaseT Stationen erkennen den FLP als NLP. Autonegationfähige Stationen tauschen ihre Möglichkeiten im FLP über 16 bit Codeschlüssel aus. Autonegation funktioniert nicht mit jeder Hardware zuverlässig!

100BaseT Fast Ethernet 802.3u

Verkabelung wie 10BaseT, aber mindestens Kabel Kategorie 5.

100 MBit/s.
Physikalische Sternstrucktur.
Maximale Kabellänge: 100m.
Mindestens Kabel Kategorie 5.

Twisted-Pair-Verkablung mit Switch als Verteiler

Ethernetbrücken werden zur Lasttrennung eingesetzt. Eine Ethernetbrücke teilt ein Ethernetsegment (Kollisionsdomaine) in zwei Hälften. Kollisionen werden nicht über Brücken verbreitet. Switches sind im Prinzip Multiportbrücken. Broad- und Multicasts werden von einem Switch auf alle Ports ausgegeben. Unicastframes, falls die Ziel MAC Address schon in der MAC Address Table steht, nur an den Ziel Port, andernfalls wie Broadcasts an alle Ports. An den Quellport wird aber niemals ein Paket wieder ausgesendet. Switche lernen die MAC Address Table automatisch anhand der Source MAC Adressen. Im Cut Though Modus liest ein Switch die Frames nicht weiter als bis zur Source-Address und reicht die Frames ungeprüft weiter. Vorteil ist die sehr geringe Verzögerungszeit. Im Store and Forward Modus werden die Frames zwischengespeichert, die CRC wird ausgewertet und fehlerhafte Frames verworfen. Die Umsetzung von 10 Mb/s - 100Mb/s - 1Gb/s ist natürlich auch nur im Store and Forward Modus möglich.

Noch drei Begriffe:

Late Collision: Kollision nach 64 Bytes, häufige Ursache zu lange Leitung, Hardware.
Short Frames: Frames kleiner als 64 Bytes.
Jabber: Frames größer als 1518 Bytes.

Ethernet II

Frame Ethernet Version 2.0

Bitfolge
1010101010..

Ethernet - Frame min. 64 Byte max. 1518 Byte

Inter
Frame
Gap
9,6μs

Preamble

SFD

6 Byte
Dest.-Addr

6 Byte
Source-Addr

2 Byte
Type

min 46 Bytes max 1500 Bytes
Daten

4 Byte
FCS

Die klassische Framestruktur ist Ethernet II. Merkmal von Ethernet II ist das zwei Bytes große Typfeld. Es unterscheidet die verschiedenen Schicht 3 Protokolle. Andere Ethernet Typen haben an dieser Stelle eine Längeninformation. Wenn der Wert der beiden Bytes nach der Source-Adresse größer als die max. möglichen 1500 Bytes ist, muß es sich um Ethernet 2 handeln. Die Preambel dient zur Synchronisation der Empfänger. Sie besteht aus einer Schwingung von 6,4 μs Länge (Folge von 1010... 8 Bytes). Das Frame muß mindestens 64 Byte groß sein, um die minimale Slot-Time zur Erkennung einer Kollision zu erreichen. Anderfalls werden Bits ergänzt

Ethernet 802.3raw

Frame Ethernet 802.3 raw

Bitfolge
1010101010..

Bitfolge
10101011

Ethernet - Frame min. 64 Byte max. 1518 Byte

Inter
Frame
Gap
9,6μs

Preamble

SFD

6 Byte
Dest.-Addr

6 Byte
Source-Addr

2 Byte
Length

2 Byte
0xFFFF

min 44 Bytes max 1498 Bytes
Daten

4 Byte
FCS

802.3 raw Novells eigener eigener Frametyp für IPX. Novell vewndete diesen Typ schon bevor die Normierung der IEEE abgeschlossen war. Er enthält keine Protokollkennung. Er soll und kann deshalb allein IPX transportieren. Die einzige Möglichkeit einen 802.3 raw Frame zu erkennen besteht darin, daß nach der Framelänge zwei Bytes folgen, die nur aus Einsen bestehen (0xFFFF). Der Start Frame Delimiter (SFD) hat im letzten Bit eine 1, die Marke des Framebegins.

Ethernet 802.3

Frame IEEE 802.3

Bitfolge
1010101010..

Bitfolge
10101011

Ethernet - Frame min. 64 Byte max. 1518 Byte

Inter
Frame
Gap
9,6μs

6 Byte
Dest.-Addr

6 Byte
Source-Addr

2 Byte
Length

1 Byte
DSAP

1 Byte
SSAP

1 Byte
Control

min 42 Bytes max 1497 Bytes
Daten

4 Byte
FCS

Preamble | SFD

IEEE 802.3 Frames haben statt des Typenfeldes ein 2 Byte langes Längenfeld. eingefügt. Es gibt die Anzahl der Bytes im Datenfeld einschließlich 802.2 LLC-Header an. Statt Typfeld mit der Protokoll-ID ist der Destination Service Access Point (DSAP) und der Source Service Access Point (SSAP) vorhanden. Das Control Field enthält den Typ des LLC-Frames.

Ethernet 802.3 SNAP

Frame IEEE 802.3 SNAP

Bitfolge
1010101010..

Bitfolge
10101011

Ethernet - Frame min. 64 Byte max. 1518 Byte

Inter
Frame
Gap
9,6μs

6 Byte
Dest.-Addr

6 Byte
Source-Addr

2 Byte
Length

0xAA
DSAP

0xAA
SSAP

0x03
Control

5 Byte
SNAP

min 38 Bytes max 1492 Bytes
Daten

4 Byte
FCS

Preamble | SFD

Ein Nachteil der IEEE 802.3 Definition gegenüber Ethernet II ist die Halbierung des Typ-Codes auf ein Byte. Dadurch können nur 256 Protokolle unterschieden werden. Ein SNAP Feld wird eingebaut. Das SNAP Feld ist 5 Byte groß, die ersten 3 Bytes enthalten den Organizationally Unique Identifier des Herstellers, die 2 weitern das Protocol Type Field, die Protokollnummer (IP=0x800). Ein Frame mit 802.2 SNAP Header hat als DSAP und SSAP immer 0xAA, im Control Field immer 0x03.

VLAN 802.1q

Ziel von VLANs ist die Trennung von logischer und physikalischer Struktur. Jedes VLAN bildet eine eigene Broadcastdomaine. Sollen verschiedene VLANs über ein ein gemeinsames Medium übertragen werden, (z. B. eine LWL Verbindung zwischen zwei Switches) muß der Empfänger erkennen können zu welchem VLAN das Frame gehört. Nur so kann der Empfänger entscheiden wohin (an welchen Port) das Paket darf. Eine Möglichkeit solch eine Verbindung (Trunk) zu realisieren besteht in der Verwendung von Tagging nach 802.1q.

Frame Ethernet Version 2.0 tagged

Bitfolge
1010101010..

Ethernet - Frame min. 68 Byte max. 1522 Byte

Inter
Frame
Gap
9,6μs

Preamble

SFD

6 Byte
Dest.-Addr

6 Byte
Source-Addr

4 Byte
Tag

2 Byte
Type

min 46 Bytes max 1500 Bytes
Daten

4 Byte
FCS

Frame IEEE 802.3 tagged

Bitfolge
1010101010..

Bitfolge
10101011

Ethernet Frame tagged min. 68 Byte max. 1522 Byte

Inter
Frame
Gap
9,6μs

6 Byte
Dest.-Addr

6 Byte
Source-Addr

4 Byte
Tag

2 Byte
Length

1 Byte
DSAP

1 Byte
SSAP

1 Byte
Control

min 42 Bytes max 1497 Bytes
Daten

4 Byte
FCS

Preamble | SFD

Tagged Frames haben ein 4 Byte langes Tag direkt hinter dem Source Address Feld zusätzlich. Es enthält in den ersten zwei Bytes den Tag Type, für 802.1q 0x8100. Im Byte 3 in Bit 6,7 und 8 die Priority, in Bit 5 den CFI (Canonical Format Indicator; 0 = Canonical Format) und in den zusammen mit Byte 4 restlichen 12 Bits die Vlan-ID. Die maximale Framelänge ist 1522 Bytes!

Kabelarten

Koaxial-Kabel |

Koaxialkabel benutzen den geerdeten Kabelmantel als Rückleiter. Deshalb ist nur ein, im inneren zentrisch geführter, Leiter nötig.

Twisted-pair-Kabel |

TP-Kabel bestehen aus 4 paarweise verdrillten Adern. Kategorien (3, 4, 5) beschreiben die elektischen Eigenschaften. Unterteilung in STP (shielded TP) und ungeschirmt, UTP (unshielded TP). Unterschied geschirmt ungeschirmt: UTP: Nur ein Schirm um das gesamte Kabel. STP: Jedes Adernpaar innerhalb des Kabels ist nochmals einzeln geschirmt. TP-Kabel im LAN sind im Regelfall UTP haben einen Wellenwiderstand von 100Ω; haben vier Paare (8-Adern). Zum Patchen wird RJ45 eingesetzt.

RJ45 Pin-Belegung bei 10BaseT und 100BaseTX:
Senden (Endgerät)

Pin 1 weiss/orange
Pin 2 orange/weiss

Empfangen (Endgerät)

Pin 3 weiss/grün
Pin 6 grün/weiss

Bei Netwerkgeräten wie Switches und Hubs sind Senden und Empfangen entsprechend getauscht.

Lichtwellenleiter |

Vorteile:

Sehr hohe Bandbreite
Potentialtrennung
Kein Übersprechen von Faser zu Faser
Hohe Entfernung ohne Repeater möglich
Keine Abstrahlung nach außen
Keine elektromagnetischen Störungen von außen

Funktion:

In der einfachsten Bauform hat der Lichtwellenleiter ein Stufenprofil. Erreicht wird dies durch den Aufbau aus einem runden Glaskern (Core)mit der Brechzahl X der von einem Glasmantel (Cladding) mit kleinerer Brechzahl ummantelt ist. Licht, dessen Einfallswinkelwinkel an der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel kleiner 42 Grad ist, wird nicht gebeugt sondern total reflektiert. Somit wird das Licht auf Zickzackbahnen den Kern gezwungen und folgt der Faser auch um Kurven.

Die einzelnen Lichtstrahlen (Moden) in solch einen Kabel nehmen unterschiedliche Wege. Außen ist weiter als innen, dadurch wird ein Impuls am Ausgang zeitlich länger und in der Amplitude kleiner (Dispersion). Das begrenzt die Bandbreite.

Mit der Gradientenfaser sind sehr viel größere Übertragungsbandbreiten möglich. Bei Gradientenfasern ist die Brechzahl im Faserkern nicht konstant, sondern fällt vom Kernzentrum nach außen hin ab.

In einer Gradientenfaser läuft das Licht auf wellenförmigen Bahnen, weil es, wegen der kontinuierlich sinkenden Brechzahl, seine Richtung durch Beugung ständig ändert. Die Weglänge der weiter außen laufenden Moden wird auch dadurch ausgeglichen, daß die Lichtgeschwindigkeit bei kleiner Brechzahl (außen )höher ist, als auf der Fasermitte.

Bei Monomodefasern wird der Kerndurchmessers einer Faser mit Stufenprofil soweit verkleinert (< 10μm), daß nur eine Lichtwelle möglich ist.

Monomodefasern haben eine große Übertragungsbandbreite, da in ihnen die Lichtwelle eine einheitliche Weglänge hat. Die Bandbreite ist dennoch begrenzt: Die Brechzahl von Glas sinkt mit steigender Lichtwellenlänge. Dadurch wird die Geschwindigkeit des Lichts im Glas wellenlängenabhängig. Falls kein Laser Verwendung findet, entstehen Laufzeitunterschiede zwischen Lichtanteilen verschiedener Wellenlänge.

LWL-Stecker

Eine Auswahl:

| | | |
ST-Stecker | SC-Stecker | MTRJ-Stecker | E2000-Stecker | LC-Stecker

10Base5 (Thick-Ethernet, Yellow-Cable)

Ethernet mit einer Bandbreite von 10 Mb über Yellow-Cable.
Die maximale Kabellänge eines Segments beträgt 500 Meter.
Die beiden Kabelenden müssen mit Abschlußwiderständen abgeschlossen werden.
Pro Segment dürfen 100 Endgeräte angeschlossen werden.
Der Abstand zwischen zwei Stichleitungen muß ein Vielfaches von 2,5m betragen.
Die Stichleitungen dürfen nicht länger als 50 Meter sein.

10Base2 (Thin-Ethernet, Cheapernet)

Ethernet über RG58 50Ω Koax-Kabel.
Nur für 10Mb.
BNC-Stecker und T-Stücke zur Verbindung.
An beiden Enden ein 50Ω Abschlußwiderstand.
Maximale Segmentlänge: 185m.
Mindest Stationsabstand: 0,5m.
Maximale Anzahl Stationen: 30
Keine Stichleitungen erlaubt.

10Base-T

Übertragung von 10Mb/s über Twisted Pair Kabel
Hub notwendig.
Maximale Entfernung 100m.
Es werden zwei Adernpaare benötigt.
Kabel ab Kategorie drei.
Mit Switch Full-Duplex-Betrieb möglich.
Verbindung von 2 Stationen ohne Hub mit Cros-Over-Kabel möglich.

100Base-T

Übertragung von 100Mb/s über Twisted Pair Kabel
Hub notwendig.
Maximale Entfernung 100m.
Es werden zwei Adernpaare benötigt.
Kabel ab Kategorie fünf.
Mit Switch Full-Duplex-Betrieb möglich.
Verbindung von 2 Stationen ohne Hub mit Cros-Over-Kabel möglich.

10BaseFB

10Base-FB (B für Backbone)

Übertragung von 10Mb/s über LWL
Maximal 15 Repeater
Maximale Segmentlänge 2000m
Signalisierung ist synchron mit Fehlererkennung

10BaseFL

10Base-FL

Übertragung von 10Mb/s über LWL
Maximal 5 Repeater
Maximale Segmentlänge 2000m.

100BaseFX

Übertragung von 100Mb/s über LWL
Maximale Segmentlänge von 400m.
Max. Distanz zwischen zwei 100BaseFX Switches 2000m

100BaseT4

Übertragung von 100Mb/s über Cat 3 Kabel
Es werden alle 4 Adernpaare benutzt.

1000BaseLX

Übertragung von 1000Mb/s über LWL
L für Long Wavelength von 1300nm
Max. Distanz mit Multimodefasern 550m
Max. Distanz mit Monomodefaser 3000m
Full-Duplex

1000BaseSX

Übertragung von 1000Mb/s über LWL
S für Short Wavelength 850nm
Max. Distanz mit 62,5μm Multimodefasern 270m
Max. Distanz mit 50μm Multimodefasern 550m
Full-Duplex

1000BaseCX

C für Copper.
Übertragung von 1000Mb/s über STP-Kabel 150Ω Wellenwiderstand
Max. Distanz 25m.
Full-Duplex

1000BaseT

Übertragung von 1000Mb/s über UTP CAT 5 Kabel
T für Twisted Pair.
Max. Distanz 100m.
Alle vier Paare sind notwendig.
Full-Duplex

10GBaseLX4

Übertragung von 10000Mb/s über LWL
L für Long Wavelength
X für WWDW (Wide Wave Division Multiplexing) 8B/10B Encoding
4 für die vier Bereiche:

1269,0nm - 1282,4nm
1293,5nm - 1306,9nm
1318,0nm - 1331,4nm
1342,5nm - 1355,9nm

Max. Distanz mit 10μm Monomodefasern 10km
Max. Distanz mit 50μm Multimodefasern 300m
nur Full-Duplex

10GBaseSX4

Übertragung von 10000Mb/s über LWL
S für Short Wavelength
X für CWDW (Coarse Wave Division Multiplexing)
4 für die vier Bereiche:

773,5nm - 786,5nm
789,5nm - 811,5nm
823,5nm - 836,5nm
848,5nm -861,5nm

Max. Distanz mit 62μm Multimodefasern 100m
Max. Distanz mit 50μm Multimodefasern 300m
nur Full-Duplex, nur Multimodefasern kein Standard

10GBaseSR

Übertragung von 10000Mb/s über LWL
S für Short Wavelength von 850nm
R für Serial 64B/66B Encoding
Max. Distanz mit 50μm Multimodefasern 65m
nur Full-Duplex, nur Fiber.

10GBaseSW

Übertragung von 10000Mb/s über LWL
S für Short Wavelength von 850nm
W für Serial WIS (WAN Interface Sublayer) Encoding Ethernet in SONET STS192c
Max. Distanz mit 50μm Multimodefasern 65m
nur Full-Duplex, nur Fiber.

10GBaseLW

Übertragung von 10000Mb/s über LWL
L für Long Wavelength von 1310nm
W für Serial WIS (WAN Interface Sublayer) Encoding Ethernet in SONET STS192c
Max. Distanz mit 10μm Monomodefasern 10km
nur Full-Duplex, nur Fiber.

10GBaseLR

Übertragung von 10000Mb/s über LWL
L für Long Wavelength von 1310nm
R für Serial 64B/66B Encoding
Max. Distanz mit 10μm Monomodefasern 10km
nur Full-Duplex, nur Fiber.

10GBaseER

Übertragung von 10000Mb/s über LWL
E für Long Wavelength von 1550nm
R für Serial 64B/66B Encoding
Max. Distanz mit 10μm Monomodefasern 40km
nur Full-Duplex, nur Fiber.

10GBaseEW

Übertragung von 10000Mb/s über LWL
E für Long Wavelength von 1550nm
W für Serial WIS (WAN Interface Sublayer) Encoding Ethernet in SONET STS192c
Max. Distanz mit 10μm Monomodefasern 40km
nur Full-Duplex, nur Fiber.

Inhalt< Ethernet Token-Ring ATM MAC-Adressen umrechnen<