Netzwerk-Grundlagen – Für lokale Unternehmensnetze gibt es nur eine Technologie

Das Ethernet hat sein Konkurrenten eliminiert und peilt die 100-Gbit/s-Marke an

05.12.2007 | Autor / Redakteur: Gerhard Kafka / Andreas Donner

Mit dieser Skizze legte Robert Metcalf am 22. Mai 1973 den Grundstein für das Ethernet (Quelle: Agilent)
Mit dieser Skizze legte Robert Metcalf am 22. Mai 1973 den Grundstein für das Ethernet (Quelle: Agilent)

Es war ein langer Weg von der Idee bis zum ersten Produkt. So wurde aus dem ersten experimentellen „Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks“ im Jahre 1976 mit einer Übertragungsrate von 3 Mbit/s 1982 das erste Produkt. Dieses Original Ethernet basierte auf dem 1980 von Digital Equipment, Intel und Xerox (DIX) veröffentlichten „The Ethernet Blue Book“ mit einer Datenrate von 10 Mbit/s und fungierte als verteilter Multiplexer für dumme und intelligente Terminals.

Seiner Zeit wurden die Daten über ein dickes gelbes Koaxialkabel transportiert, an welches an genau definierten Punkten die Rechner und Terminals angeschlossen wurden. Den PC, wie wir ihn heute kennen und benutzen, gab es bei der Einführung von Ethernet noch nicht – er wurde erst 1981 von IBM vorgestellt und kam 1982 auf den Markt. Ein Kabelsegment durfte maximal 500 m lang sein und konnte mittels Repeatern mit vier weiteren Segmenten verbunden werden, sodass sich eine typische Reichweite von 2500 m ergab.

Mit der Einführung von Ethernet definierte sein Erfinder auch gleich ein Gesetz, das als „Metcalf’s Law“ bekannt wurde. Es lautet sinngemäß: Die Wertsteigerung eines Netzwerks ist eine Funktion der an dieses Netzwerk angeschlossenen Knoten. Der Wert steigt demnach quadratisch mit der Zahl der Benutzer/Kunden.

Dieses Gesetz wurde 1993 von George Gilder, Herausgeber des einflussreichen „Gilder Technology Report“ widerlegt und neu definiert. Gilder’s Law zählt ebenfalls zu den Grundgesetzen der Netzwerkbranche.

Historische Rückblick

Im Jahr 2008 feiert die Idee von Ethernet ihren 35. Geburtstag. Und die fest in allen Unternehmen und Heimnetzwerken etablierte Technologie ist trotzdem jung geblieben. Auch die ehemaligen Grenzen an den Firmengeländen sind mit Carrier Ethernet längst überwunden. Aber zu diesem speziellen Ethernet-Thema lesen Sie demnächst einen separaten Beitrag auf IP-Insider.

Und die Entwicklung von Ethernet ist auch nach 35 Jahren noch nicht abgeschlossen, wie die Beispiele Echtzeit-Ethernet für die Automatisierungstechnik, 100 Gbit/s-Ethernet und PBT (Provider Backbone Transport) bzw. PBB-TE (Provider Backbone Bridge Traffic Engineering) beweisen.

Die folgenden Meilensteine der etablierten Technologie basieren auf Informationen der Ethernet Alliance Webseite www.ethernetalliance.org, wo weitere Details zu finden sind.

  • 1976: Ethernet wird erstmals als experimentelles Netzwerk von Metcalfe und Boggs im kalifornischen Xerox Parc betrieben. Das Prinzip orientiert sich an ALOHA, einem drahtlosen Kommunikationsnetz der auf mehrere Inseln verteilten Universität von Hawaii. Metcalfe lernte dieses Netz während seines Studiums dort kennen. Über das gemeinsame (shared) Medium des „gelben Koaxialkabels“ (thick) wurden die Daten mit 3 Mbit/s übertragen.
  • 1982: Die ersten kommerziellen Produkte des Ethernet Pioniers Ungermann Bass kommen auf den Markt und basieren auf den Spezifikationen des 1980 veröffentlichten DIX-Blaubuchs. Mit dessen Erwerb für 1.000 US-$ waren die Lizenzgebühren abgedeckt. Das Xerox Park Konzept wurde nun auf 10 Mbit/s erweitert und als 10BASE-5 (die erste Zahl steht für die Übertragungsrate, BASE für Basisband und 5 für die Entfernung in Einheiten von 100 m) bezeichnet.
  • 1985: Der erste IEEE-Standard der Arbeitsgruppe 802 wird als 802.3 (Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications) veröffentlicht. Als Übertragungsmedium diente ein dünnes schwarzes Koaxialkabel (thin), die Geschwindigkeit blieb bei 10 Mbit/s und die Reichweite betrug nur mehr 185 m. Die Bezeichnung dafür lautet entsprechend 10BASE-2.
  • 1990: Mit 10BASE-T wurde der nach wie vor beibehaltene Halb-Duplex-Betrieb auf das Medium ungeschirmtes Kupferkabel (UTP = Unshielded Twisted Pair) verlegt. Zentrales Element wurde der Hub (Sternkoppler), womit aus der bisherigen Bus-Struktur eine sternförmige Topologie entstand. Die Reichweite wurde auf 100 m zwischen Hub und Endgerät festgelegt.
  • 1995: Einführung von Fast Ethernet mit Übertragungsraten von 100 Mbit/s über Kupfer (100BASE-T) und Multimode-Glasfaser (100BASE-F), aber weiterhin im Halb-Duplex-Betrieb. Die zur gleichen Zeit standardisierte Version VG-AnyLAN konnte sich am Markt nicht durchsetzen.
  • 1997: An die Stelle des Hubs tritt der Switch, wodurch Ethernet endlich im Duplex-Betrieb eingesetzt werden konnte. Mit der sternförmigen Topologie konnte den Endgeräten eine garantierte Bandbreite zugewiesen und gleichzeitig der Durchsatz verdoppelt werden.
  • 1998: Gigabit Ethernet erhöht die Datenrate auf 1 Gbit/s und wird sinnvollerweise nur im Duplex-Modus betrieben. Vier Versionen sind spezifiziert: 1000BASE-T für UTP, 1000BASE-SX für Multimode-Glasfasern (MMF), 1000BASE-LX für Monomode-Glasfasern (SMF) und 1000BASE-CX für Koaxialkabel.
  • 2002: 10 Gigabit Ethernet erhöht die Übertragungsrate auf 10 Gbit/s und wird nur für den Duplex-Betrieb standardisiert. Für den Einsatz in LAN und WAN sind zwei Datenraten vorgesehen: 10 Gbit/s und 9,58464 Gbit/s. Entsprechend viele Varianten existieren: 10GBASE-LR/-ER für Monomode-Glasfasern, 10GBASE-SR/-LX4/-LRM für Multimode-Glasfasern, 10GBASE-T für UTP und STP (Shielded Twisted Pair), 10GBASE-CX4 für Koaxialkabel und 10GBASE-KX4/-KR für die Verkabelung von FR4 Backplanes
  • 2010?: Standardisierung von 40 bzw. 100 Gigabit Ethernet. Die aus der HSSG (High Speed Study Group) entstandene Arbeitsgruppe 802.3bb hat sich für beide Geschwindigkeiten entschieden.

Wie funktioniert Ethernet?

Ethernet ist grundsätzlich ein kollisionsbehaftetes Rundsendeverfahren, d.h. es kann auf dem gemeinsamen Übertragungsmedium jeweils nur eine Station senden. Senden zwei Stationen gleichzeitig, wird diese Kollision erkannt und der Sendevorgang muss wiederholt werden. Bei Switched Ethernet sind Kollisionen ausgeschlossen, weil es hier nur noch Punkt-zu-Punkt Verbindungen (bspw. zwischen Endpunkten und Switches) gibt, bei welchen der Duplex-Betrieb ebenfalls die kollisionsfreie Kommunikation gewährleistet. In der Bezeichnung CSMA/CD steckt ferner das gesamte in Bild 2 dargestellte Ethernet Prinzip:

  • 1.) Eine sendewillige Station prüft das Übertragungsmedium.
  • 2.) Ist darauf kein Signal vorhanden, kann ein Rahmen gesendet werden. Alle angeschlossenen Stationen hören mit, nur die adressierte Station kopiert den Rahmen.
  • 3.) Haben zwei Stationen zur gleichen Zeit den Zustand des Mediums geprüft und mit dem Senden begonnen, so entsteht eine Kollision. Da jede Station beim Senden das Medium auch abhört, kann ein Vergleich zwischen Sende- und Empfangssignal stattfinden. Ist das Ergebnis unterschiedlich, müssen beide Stationen das Senden abbrechen.
  • 4.) Nach einer Kollision erhalten die beiden Stationen durch einen Zufallsgenerator eine neue Startzeit. Dies verhindert allerdings nicht, dass nun eine dritte Station eine neuerliche Kollision verursacht. Das bei WLAN eingesetzte CA-Verfahren (Collision Avoidance) teilt damit jeder angeschlossenen Station nach einer Kollision ein bestimmtes Startfenster zu und verhindert so Mehrfachkollisionen.

Übertragungssteuerung

Die gesamte Übertragungssteuerung erfolgt durch die einzelnen Protokollelemente des in Bild 3 gezeigten Ethernet-Rahmenformats, für das eine Mindestlänge von 42 Oktetts gilt, um Kollisionen innerhalb einer Domäne sicher feststellen zu können. Die ursprüngliche Maximallänge von 1.497 wurde inzwischen auf 2.000 Oktetts erhöht. Zwischen zwei Ethernet-Rahmen muss ein Mindestabstand IFG (Interframe Gap) von 9 μs eingehalten werden. Die Protokollelemente haben folgende Funktionen:

  • Preamble: Die Bitfolge von abwechselnd „1“ und „0“ leitet die Übertragung ein
  • SFD: Start Frame Delimiter synchronisiert Sender und Empfänger
  • Destination: enthält die Ziel-MAC-Adresse
  • Source: enthält die Quell-MAC-Adresse
  • VLAN-Header: Diese vier Oktetts nach 802.1D (p/Q = Priority und Quality) erlauben eine logische Trennung von Datenströmen
  • Len: enthält die Längenangabe des LLC (Logical Link Control) Feldes
  • Data: Das transparente Informationsfeld enthält zunächst die LLC-Informationen DSAP (Destination Service Access Point) und SSAP (Source Service Access Point) und deren Steuerung sowie die Nutzdaten
  • PAD: Füllzeichen um die minimale Rahmenlänge einzuhalten
  • FCS: Frame Check Sequence ist die Blocksicherung. Ethernet kennt keine Fehlerkorrektur, ein fehlerhafter Rahmen wird deshalb vom Empfänger immer verworfen. Die Wiederholung des Rahmens muss auf den höheren Ebenen erfolgen.

Über den Autor

Gerhard Kafka arbeitet als freier Fachjournalist für Telekommunikation in Egling bei München

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