Ethernet

Ethernet

Schicht 1: Bitübertragung

Würde man tatsächlich jedes Gerät mit jedem verbinden, benötigt man bei 7 Geräten 6+5+4+3+2+1=21 Verbindungswege und das wäre ziemlich unpraktisch. Man wendet daher bei der Realisierung ein so genanntes Bus-System an, bei dem alle Geräte parallelgeschaltet sind:

Bis 10/100 Mbit/s wurden diese Bussysteme mit Koaxialkabeln betrieben, wobei durch Abschlusswiderstände an den Enden der Busleitung dafür gesorgt werden musste, dass es zu keiner Signalreflexion kam.

Diese Technologie wurde durch eine zwei-paarige verdrillte Leitung (Twisted Pair) ersetzt. Jedes Gerät ist mit zumindest zwei Adernpaaren (je eines zum Senden und Empfangen) ausgerüstet. Bei den hohen Übertragungsgeschwindigkeiten sind es doppelt so viele Adernpaare.

Die kurzen Verbindungskabel werden Patch-Kabel genannt.

In einem Patchkabel ist die Farbfolge auf beiden Steckern dieselbe.

Mit steigender Geschwindigkeit wuchsen auch die Anforderungen an die Kabel.

Jedes Adernpaar ist heute individuell geschirmt und alle vier Paare gemeinsam geschirmt.

Für die Verbindung von Hubs untereinander werden entweder auskreuzende Ports (umschaltbar), ausgekreuzte Kabel (Crosscable)

oder auskreuzende Zwischenstecker verwendet.

Moderne Hubs/Switches erkennen die Polarität selbsttätig und schalten die Pinbelegung automatisch um.

Die Geräte werden durch einen so genannten Hub verbunden. Elektrisch macht die Anordnung den Eindruck eines Sternnetzes, ist aber ein Bussystem so wie seinerzeit das Koax-Kabel.

Heute sind diese Hubs in einem Router integriert, sodass man für eine Verkabelung im privaten Haushalt keinen weiteren Hub benötigt. Meist werden aber die Hubs am Router gar nicht verwendet, weil die LAN-Technologie Ethernet im privaten Haushalt von der WLAN-Technologie verdrängt wurde.

 

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

Im Ethernet-Protokoll sind alle Geräte in einem Bus parallelgeschaltet, daher kann jedes Gerät die gemeinsamen Leitungen aktivieren (Multiple Access). Dieses Verfahren regelt, wie die Geräte auf diesem Bus die Kommunikation ausverhandeln. Wenn ein Gerät kommunizieren möchte, prüft es, ob die Leitung frei ist. (Carrier Sense) und schickt dann seine Daten auf die Reise, wobei alle beteiligten Stationen zuhören. Nur jene Adresse, die der eigentliche Empfänger ist, antwortet. Im Falle einer Kollision, d.h. wenn zwei Geräte gleichzeitig senden wollen, dabei eine freie Leitung feststellen und zufällig gleichzeitig senden, kommt es zu einer Kollision, die von der Schnittstelle festgestellt wird (Collision Detection). Ist das der Fall, wird die Versendung abgebrochen und eine zufällig Wartezeit eingeführt, nach der die Versendung wieder versucht wird. Wichtig ist dabei, dass diese zufällig Zeitspanne wirklich zufällig ist und daher beim zweiten Versuch die Kollision mit großer Wahrscheinlichkeit vermieden wird, da die beiden zufälligen Wartezeiten verschieden sein werden.

 

Manchester-Code

Während bei der früheren asynchronen Übertragung die Zustände Eins und Null als hoher und tiefer Spannungspegel kodiert wurden, wird im LAN die so genannte Manchester-Kodierung angewendet. Der Grund ist, dass es keine eigene Taktleitung gibt und der Empfänger den Takt aus den Daten rekonstruieren muss. Daher ist es nötig, dass immer ausreichend viele 0->1 und 1->0 Übergänge vorhanden sind. Siehe auch Leitungskodes.

1  1->0
0  0->1

Ganz egal, wie die Daten beschaffen sind: das Leistungssignal hat keinen Gleichanteil und die Datenfrequenz ist doppelt so groß wie die der Rohdaten.

Das ist auch der Nachteil des Manchester-Code, dass er doppelt so viel Bandbreite benötigt als der ursprüngliche NRZ-Code (so nennt man das binäre Signal aus Nullen und Einsen).

 

Schicht 2 Sicherung

Nachdem nun festgelegt ist, wie die Bits auf die Reise gehen, wird in Schicht 2 bestimmt, wie eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation abläuft, also zwischen zwei Ports eines Netzes. Es geht dabei um die fehlerfreie Übertragung, also darum, dass es gesichert ist, dass die Daten fehlerfrei ankommen.

MAC-Adresse (Media Access Control)

Jede Schnittstelle besitzt eine so genannte MAC-Adresse. Sie besteht aus 48 Bit (sechs Byte), die in der Regel hexadezimal angeschrieben werden. Die MAC-Adresse besteht aus drei Teilen.

Bit 1 und 2 die Art der gerade angewendeten Adresse

Bit 3 bis Bit 24 Herstellercode

Bit 25 bis Bit 48 individueller Code

Der Sender fügt dem zu übertragenden Datenpaket am Kopf die MAC-Adresse des Empfängers und des Absenders hinzu, praktisch wie bei einem Brief. Damit der Empfänger die Integrität der Daten überprüfen kann, wird am Ende des Pakets eine Prüfsumme angehängt, also so etwas wie ein Siegel.

Der Auftraggeber für Aktivitäten der Schicht 2 ist naturgemäß die Schicht 3 und diese Schicht 3 muss nun wissen, wenn sie eine Datenübertragung vom eigenen Gerät zu einem anderen Gerät veranlasst, welche MAC-Adressen an der Kommunikation beteiligt sind.

Jedes Gerät hat eine solche MAC-Adresse, man findet sie auf einem Etikett. Man braucht diese Adresse dann, wenn man bestimmte Geräte im Router anders behandeln will (aussperren oder exklusiv zulassen).

ARP (Address Resolution Protocol)

Dieses Netzwerkprotokoll ermittelt zu einer gegebenen IP-Adresse die zugehörige MAC-Adresse der betreffenden Hardware.

RARP  (Reverse Address Resolution Protocol)

RARP ist die genaue Umkehrung von ARP, denn es wird die IP-Adresse zu einer MAC-Adresse ermittelt.

MAC-Verzeichnis am Router

Jeder Router (=Schicht-4-Gerät) verwaltet Listen mit den IP-Adressen eines Netzwerks und den zugehörigen MAC-Adressen, wie im folgenden Beispiel.