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Die konzeptionelle Funktion von Ethernet

Die Ethernet Technologie existiert schon sehr lange und in ihrer Historie hat so mancher Wandel in der konzeptionellen Funktionsweise stattgefunden. Den älteren Semestern sind zum Beispiel ein “Hub” oder “10Base2 über Koxial Kabel” noch ein Begriff, doch für aktuelle Heimnetzwerke spielen diese keine Rolle mehr. Dieses Kapitel fokussiert sich auf das Konzept von Ethernet im Funktionsumfang, wie es in heutigen modernen Heimnetzwerken eingesetzt wird.

Hauptaufgabe von Ethernet ist es Daten von einem Ethernet Anschluss über ein Kabel zu einem anderen Ethernet Anschluss zu transportieren. Mit Hilfe von einem oder auch mehrerer Ethernet-Switches ist es möglich, diese Punkt zu Punkt Verbindungen zu einem Netzwerk zu erweitern. Ethernet bedient sich hierbei seines eigenen Adressierungssystems. Jeder Ethernet Frame beinhaltet die Adresse des Absenders (Quelle) und die Adresse des Empfängers (Ziel). Ethernet-Switches unterhalten eine Tabelle mit einer Zuordnung hinter welchem Ethernet Anschluss, welche Geräte mit ihren individuellen Adressen angeschlossen sind. Darüber ist ein Ethernet-Switch in der Lage zielgerichtet empfangene Ethernet Frames an den korrekten Anschluss weiterzuleiten.

Als Beispiel hier die Darstellung eines kleinen rein auf Ethernet basierenden Netzwerkes, welches mit Hilfe von zwei 4 Port Ethernet Switches aufgebaut ist.

Bild: Kleines auf Ethernet basierendes Netzwerk
Bild: Kleines auf Ethernet basierendes Netzwerk

Es ist ein gemeinsames Prinzip der Architektur von Datenübertragungssystemen, das die Daten einer höheren Schicht, als Nutzdaten in einer unterliegenden Schicht enkapsuliert und transportiert werden. Wenn man dies auf Ethernet und ein Heimnetzwerk bezieht, dann bedeutet dies konkret das ein Ethernet Frame die Daten eines Paketes des IP Protokolls (Internet Protocol) als Nutzdaten transportiert. “Ethernet Frame” ist hierbei der umgangssprachliche Term eines in sich geschlossenen Ethernet Paketes, welcher im weiteren verwendet wird. In einem für ein Heimnetzwerk im Vergleich zu IP geringeren Umfang transportiert Ethernet auch die Nutzdaten anderer Protokolle, wie z.B. ARP (Address Resolution Protocol) oder PPPoE (Point-to-Point Protocol over Ethernet).

Folgende Grafik verdeutlicht diesen Zusammenhang, am Beispiel der Übertragung eines Ethernet Frames, über einen Ethernet-Switch, zu einem Internet-Router.

Bild: Ethernet Enkapsulierung
Bild: Ethernet Enkapsulierung

Die Adressen von Ethernet, werden meist MAC (Medium Access Control) Adressen oder manchmal auch Physische Adressen genannt. Der Term MAC hat den Ursprung in dem Ethernet zugrundeliegenden IEEE Standard, welcher die MAC Schicht als Teil der Sicherungsschicht (Data-Link Layer) definiert hat. Der Term Physische Adressen hat wiederum den Ursprung das Ethernet auch die Physikalische Übertragung (Physische Schicht) beinhaltet.

Hier die grafische Darstellung eines Ethernet Frames auf der MAC Schicht.

Bild: Ethernet MAC Frame
Bild: Ethernet MAC Frame

Eine kurze Erläuterung der Felder des Ethernet Frames im einzelnen:

Präambel und Start of Frame Delimiter (SFD), dienten zur Erkennung und Bit Synchronisierung von Ethernet Frames in älteren Ethernet Versionen. Für die in einem Heimnetzwerk aktuell genutzten Ethernet Technologien Fast-Ethernet und Gigabit-Ethernet ist diese Funktion irrelevant, wurde aber aus Kompatibilitätsgründen beibehalten.

Die Ziel- und Quell MAC Adresse beinhaltet die Adresse des Gerätes zu dem ein Ethernet Frame versandt wird, respektive die Adresse des absendenden Gerätes.

Das EtherType Feld identifiziert das Protokoll dessen Nutzdaten in diesem Ethernet Frame transportiert werden.

Die Nutzdaten werden in dem gleichnamigen Feld übertragen. Dieses Feld kann im Normalfall bis zu 1500 Byte an Daten transportieren. Falls wenig Nutzdaten vorliegen, dann wird dieses Feld einem sogenannten Padding aufgefüllt, sodass ein Ethernet Frame auf jeden Fall 64 Byte groß ist (exklusive Präambel, SFD).

Über die Frame Prüfsumme können Bitfehler festgestellt werden, welche im Normalfall sehr selten bei der Übertragung eines Frames entstehen. Im Fall das ein Bitfehler festgestellt wurde wird der fehlerhafte Ethernet Frame verworfen.

Der Aufbau der Ethernet Frames ist bei allen für Ihr Heimnetz relevanten Ethernet Varianten gleich. Somit kann z.B. ein Ethernet-Switch problemlos eine Verbindung mit Fast-Ethernet, eine andere mit Gigabit-Ethernet betreiben und einen Ethernet Frame von der einen, zu der anderen Verbindung weiterleiten.

Die Physikalische Schicht (Physical Layer) von Ethernet kümmert sich um die eigentliche Übertragung eines Ethernet Frames über das vorhandene Physikalische Medium. Im Heimnetz ist dies meist ein Kupferkabel mit 4 Adernpaaren. Wovon für Fast-Ethernet 2 benötigt werden, bei Gigabit-Ethernet allerdings alle 4. Weitere Details über Kabel für Ethernet finden sich in dem gleichnamigen Kapitel. Für die physikalische Übertragung bedient sich Ethernet ausgiebig bei fortgeschrittenen Verfahren der Nachrichtentechnik, um z.B. 1000Mbit/s (Gigabit Ethernet) störungsfrei über die Leitung übertragen zu können. Diese Verfahren zu erläutern führt zu weit, es ist aber durchaus interessant zu wissen, das nicht wirklich ein Rechtecksignal über den metallischen Leiter eines Kabels gesandt wird, um die Bits zu repräsentieren, sondern letztendlich sogenannte Symbole in welchen per ausgefeilter Kodierungsverfahren die zu übertragenen Bits enthalten sind. Hierbei entsteht wieder ein geringer Überhang, welcher nicht als netto Datenrate zur Verfügung steht.

Eine Besonderheit von Ethernet im Vergleich zu WLAN und PowerLine ist, dass das physikalische Medium des Kabels exklusiv für die Übertragung zwischen 2 Geräten zur Verfügung steht. Des Weiteren werden die Daten für die beiden Richtungen über getrennte Adernpaare übertragen (die sogenannte Full Duplex Übertragung). Als Resultat liegt die netto Datenrate für Ethernet typischerweise bei über 90% im Bezug zur brutto Datenrate. Ein sehr guter Wert wenn man dies mit WLAN und PowerLine vergleicht.

Ein Konzept von Ethernet bedarf noch der expliziten Erwähnung und zwar die sogenannte “autonegotiation” Funktion. Diese Funktion erlaubt es zwei miteinander verbundenen Ethernet Anschlüssen miteinander zu kommunizieren und sich zu einigen, welche Datenrate auf der Verbindung genutzt werden soll. Dies hat den Vorteil das ein Anschluss welcher Gigabit Ethernet beherrscht, ohne weiteres auch mit einem Fast Ethernet Anschluss funktioniert, dann allerdings mit der niedrigeren Datenrate von Fast Ethernet. Der Nachteil ist, dass Sie dies auf den ersten Blick gar nicht bemerken. Erst im späteren Betrieb wundern Sie sich warum z.B. das Übertragen einer größeren Datei auf ein Network Attached Storage (NAS), unerwartet lange dauert. Auch kann ein sogenannter “Duplex Mismatch” heute noch vorkommen. Folgender Hintergrund, ein Anschluss möchte die Verbindung gerne aushandeln (autonegotiation eingeschaltet). Dieser ist aber mit einem Anschluss verbunden bei welchem diese Aushandlung ausgeschaltet ist (fest auf Ethernet, full duplex eingestellt). Als Konsequenz fällt der verhandlungsbereite Anschluss auf den kleinsten gemeinsamen Nenner zurück. Dies ist Fast-Ethernet und half duplex. Als Resultat kommt eine Verbindung zustande. Da die beiden Anschlüsse aber in unterschiedlichen Duplex Modi betrieben werden, ist die Verbindung instabil und es kommt zu einer hohen Rate von verworfenen Ethernet Frames.

Wenn Sie genau wissen möchten ob eine Ethernet Verbindung stabil und mit der erwarteten Datenrate läuft, dann können Sie den Modus in welchem ein Ethernet Anschluss betrieben wird, aus den angeschlossenen Geräten auslesen. Wo diese Informationen zu finden sind ist von Gerät zu Gerät und Betriebssystem zu Betriebssystem unterschiedlich. Genauere Informationen hierfür finden Sie in den Kapiteln über das Prüfen von Ethernet. Alternativ kann man für die Feststellung der Datenrate auch einen Test der netto Datenrate durchführen.

Nächstes Kapitel: Ein Vergleich von Ethernet Varianten