Standard Ethernet¶
Überblick¶
Ethernet ist das weltweit am meisten verwendete Protokoll für lokale Netzwerke (LAN – Local Area Network). Es definiert sowohl die physikalischen Eigenschaften der Netzwerkverkabelung als auch die logische Struktur der Datenübertragung. Ethernet wurde in den 1970er Jahren von Xerox PARC entwickelt und später als IEEE 802.3 Standard formalisiert. Über die Jahre hat sich Ethernet von einer einfachen 10 Mbit/s Technologie hin zu Hochgeschwindigkeitsnetzwerken mit mehreren Gigabit entwickelt.
Ethernet bildet die Grundlage für viele Netzwerke in Büros, Fabriken, Rechenzentren und industriellen Anlagen.
Geschichte¶
- 1973: Robert Metcalfe und sein Team entwickeln das ursprüngliche Ethernet-Konzept bei Xerox PARC.
- 1980: Veröffentlichung der ersten Ethernet-Spezifikation mit 10 Mbit/s Übertragung auf Koaxialkabel (10BASE5).
- 1983: IEEE veröffentlicht den Standard IEEE 802.3, der Ethernet formal definiert.
- 1995: Einführung von Fast Ethernet mit 100 Mbit/s (100BASE-TX).
- 1999: Gigabit Ethernet (1000BASE-T) wird populär.
- 2000er Jahre: Entwicklung von 10 Gbit/s, 40 Gbit/s und 100 Gbit/s Ethernet für Rechenzentren und Industrie.
- Heute: Ethernet ist universeller Standard mit kontinuierlicher Weiterentwicklung zu höheren Geschwindigkeiten und verbesserten Funktionen.
Physikalische Medien und Varianten¶
Ethernet kann über verschiedene Medien übertragen werden. Die häufigsten sind:
| Variante | Geschwindigkeit | Übertragungsmedium | Max. Segmentlänge | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|
| 10BASE5 | 10 Mbit/s | Dickes Koaxialkabel (Thicknet) | 500 Meter | Erste Ethernet-Variante |
| 10BASE2 | 10 Mbit/s | Dünnes Koaxialkabel (Thinnet) | 185 Meter | Einfachere Verkabelung als 10BASE5 |
| 10BASE-T | 10 Mbit/s | Twisted Pair (Cat3) | 100 Meter | Heute noch in Legacy-Netzen |
| 100BASE-TX | 100 Mbit/s (Fast Ethernet) | Twisted Pair (Cat5) | 100 Meter | Weit verbreitet |
| 1000BASE-T | 1 Gbit/s (Gigabit Ethernet) | Twisted Pair (Cat5e/Cat6) | 100 Meter | Heute Standard in Büros und Industrie |
| 10GBASE-T | 10 Gbit/s | Twisted Pair (Cat6a/Cat7) | 100 Meter | Für Hochleistungsnetzwerke |
| 1000BASE-SX | 1 Gbit/s | Multimode Glasfaser | 220-500 Meter | Glasfaser für längere Distanzen |
| 10GBASE-SR | 10 Gbit/s | Multimode Glasfaser | Bis 300 Meter | Für Rechenzentren |
OSI-Schichten und Ethernet¶
Ethernet arbeitet hauptsächlich auf den unteren zwei Schichten des OSI-Modells:
| OSI-Schicht | Aufgabe im Ethernet-Kontext |
|---|---|
| Schicht 1 - Physikalisch | Definition der elektrischen/optischen Signale, Stecker, Kabel, Übertragungsrate und -modus |
| Schicht 2 - Data Link | MAC-Adressen, Rahmenaufbau (Frames), Zugriffskontrolle, Fehlererkennung (CRC) |
Ethernet definiert im Wesentlichen die physikalischen Details und die Logik für die Datenübertragung auf MAC-Ebene.
Ethernet Frame Aufbau¶
Der klassische Ethernet II Frame besteht aus folgenden Bestandteilen:
| Feld | Größe (Bytes) | Beschreibung |
|---|---|---|
| Präambel | 7 | 10101010 abwechselnde Bits zur Takt- und Bit-Synchronisation |
| Start Frame Delimiter | 1 | 10101011, markiert den Start des Frames |
| Ziel-MAC-Adresse | 6 | MAC-Adresse des Empfängers |
| Quell-MAC-Adresse | 6 | MAC-Adresse des Senders |
| EtherType | 2 | Kennung des folgenden Protokolls (z.B. 0x0800 für IPv4) |
| Nutzdaten (Payload) | 46–1500 | Nutzdaten (mindestens 46 Bytes, maximal 1500 Bytes) |
| Frame Check Sequence (FCS) | 4 | CRC-Prüfsumme zur Fehlererkennung |
- Minimale Framegröße: 64 Bytes (um Kollisionserkennung zu gewährleisten)
- Maximale Framegröße: 1518 Bytes (ohne VLAN-Tag)
Bei Verwendung von VLAN-Tagging (IEEE 802.1Q) werden 4 Bytes eingefügt, was die maximale Framegröße auf 1522 Bytes erhöht.
MAC-Adressen¶
Jedes Ethernet-Gerät besitzt eine eindeutige MAC-Adresse (Media Access Control):
- 48 Bit lang (6 Bytes)
- Die ersten 3 Bytes sind der OUI (Organizationally Unique Identifier), der Herstellerkennung entspricht
- Die restlichen 3 Bytes sind vom Hersteller zur Geräteidentifikation vergeben
- Beispiel:
00:1A:2B:3C:4D:5E
MAC-Adressen sind essentiell für die Adressierung auf Layer 2 und ermöglichen die gezielte Datenübertragung.
Zugriffsverfahren: CSMA/CD¶
Ethernet nutzt das Zugriffsverfahren Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), um Kollisionen im Netzwerk zu vermeiden bzw. zu handhaben:
- Carrier Sense: Das Gerät prüft, ob das Medium (Kabel) frei ist.
- Multiple Access: Mehrere Geräte teilen sich dasselbe Medium.
- Collision Detection: Wenn zwei Geräte gleichzeitig senden, erkennt das jeder, sendet ein Jam-Signal und stoppt die Übertragung.
- Backoff: Jedes Gerät wartet eine zufällige Zeit, bevor es erneut sendet.
Wichtig: CSMA/CD ist nur bei geteilten Medien (z.B. Bus-Topologie) relevant. Bei modernen Switched-Ethernet-Netzwerken mit vollduplex Verbindungen entfällt CSMA/CD, da jeder Port eine eigene Punkt-zu-Punkt-Verbindung hat.
VLAN (Virtual LAN)¶
Ethernet unterstützt VLANs durch das IEEE 802.1Q Standard:
- VLANs erlauben die logische Unterteilung eines physischen Netzwerks in mehrere separate Broadcast-Domänen.
- VLAN-Tag wird mit 4 Bytes in den Ethernet-Frame eingefügt (nach der Quell-MAC-Adresse).
- Ermöglicht bessere Netzwerksegmentierung, Sicherheit und Traffic-Management.
Ethernet heute und Ausblick¶
Ethernet ist heutzutage in allen Geschwindigkeitsklassen von 10 Mbit/s bis 400 Gbit/s verfügbar. Es ist die Grundlage von:
- Unternehmensnetzwerken
- Rechenzentren
- Industriellen Netzwerken (OT/Industrie 4.0)
- Heimnetzwerken
Durch seine Flexibilität und stetige Weiterentwicklung bleibt Ethernet die dominierende Technologie im Bereich der lokalen Netzwerke.
Zusammenfassung¶
- Ethernet ist ein offener Standard für LAN-Kommunikation, definiert von IEEE 802.3.
- Überträgt Daten als Frames über verschiedene physikalische Medien (Kupfer, Glasfaser).
- Nutzt MAC-Adressen für die Adressierung und CSMA/CD für Medienzugriff (bei Shared Media).
- Unterstützt VLANs zur Netzwerksegmentierung.
- Entwickelt sich ständig weiter, um höhere Geschwindigkeiten und bessere Features zu bieten.