Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 17

Lokale Netze nach IEEE 802.3 und ISO 8802.3 mit CSMA/CD-System

05.01.2009 | Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Andreas Donner

Aufmacher: Dr. Franz-Joachim Kauffels: ausgewiesener Netzwerk-Experte und Grundlagen-Autor von IP-Insider.de
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Die Standardisierung durch IEEE 802.3 hat dem Ethernet-System den wirklichen Durchbruch gebracht. Sie ist auch heute noch die Grundlage für alle weiteren und schnelleren Varianten, denn z.B. das Paketformat bleibt auch bei 100 Gigabit Etherhet unangetastet.

Die MAC-Teilschicht des durch IEEE 802.3 normierten Systems arbeitet nach dem bereits vorgestellten CSMA/CD-Verfahren. Für die Realisierung des technischen Übertragungssystems haben sich in der Vergangenheit eine Menge verschiedener Alternativen entwickelt, die glücklicherweise heute nicht alle mehr benutzt werden:

  • Basisbandübertragungssysteme mit 1, 5, 10, und 20 Mbit/s Übertragungsgeschwindigkeit auf Koaxialkabeln in Bustopologie mit Manchester-Codierung und den übrigen Eigenheiten (im wesentlichen nach der Ethernet V.2-Spezifikation). Systeme mit 1, 10, 20 und 100 Mbit/s Übertragungsgeschwindigkeit auf Twisted-Pair-Kabeln unterschiedlicher Bauarten mit Sterntopologie. Übertragungsgeschwindigkeiten von 1 und 5 Mbit/s findet man heute nicht mehr, 20 Mbit/s nur noch auf der Sterntopologie beim sog. Full Duplex Ethernet.
  • Breitbandübertragungssysteme mit 10 Mbit/s, CATV-Kompatibilität auf Mid-Split- oder Dual-Cable-Breitbandnetzen mit NRZ-Codierung und verschiedenen Alternativen der Modulation in Abhängigkeit von der gewünschten Übertragungsgeschwindigkeit, meist PSK. Auch sie sind heute nur noch Papier.
  • Fiber-Optic-Übertragungssysteme mit 10 Mbit/s Übertragungsgeschwindigkeit auf der Basis aktiver oder passiver Sternkoppler und völliger Kompatibilität zu den Systemen auf metallischen Leitungen.

Es gibt ein zusätzliches Bezeichnungsszenario, auf das an dieser Stelle der Vollständigkeit halber hingewiesen werden soll, weil es – im Gegensatz zu früher – immer häufiger benutzt wird: Eine nicht immer konsistente Codierung der Form: nnBASE/BROADk/T/4//F/T bezeichnet mit nn die Nominal-Datenrate in Mbit/s, mit BASE oder BROAD Basisband oder Breitband, mit k die maximale Ausdehnung eines Segmentes in 100 m, T steht für Twisted Pair, 4 mit 4 Adern und F für Fiber Optic.

10Base-5 ist also die IEEE-Version des bekannten Basis-Ethernet und die Weiterentwicklung von V.2. Das so genannte Cheapernet mit dünnerem Koaxialkabel wird mit 10Base-2 bezeichnet, da die Segmente nur 200 m (185 m) lang werden dürfen. Das nicht mehr gebaute 1 Mbit/s STARLAN auf der Basis eines Twisted-Pair-Multistars heißt 1Base-5, während das 10 Mbit/s Twisted-Pair-System die Bezeichnung 10Base-T besitzt und mit dem Fiber Optic System das Schicksal teilt, dass man die maximale Größe eines Segmentes nicht mehr der Abkürzung entnehmen kann.

10Broad-36 bezeichnet hingegen ein Breitbandsystem mit einem maximalen Abstand einer Station vom Head End von ca. 1.800 m. Das Fiber-Optic-System mit aktivem oder passivem Sternkoppler heißt schließlich 10Base-F.

IEEE 802.3/ISO 8802.3 MAC

Der Standard legt das 1-persistent CSMA/CD-Verfahren mit Binary Exponential Backoff fest. Dies ist theoretisch eine der schlechteren Varianten, wurde aber auch im DIX-Ethernet V.2 verwendet und offensichtlich aus Kompatibilitätsgründen übernommen.

Die Funktionen von CSMA/CD werden durch fünf nebenläufige Prozesse, die sich untereinander über Parameter beeinflussen, realisiert:

  • Rahmensender (Frame Transmitter)
  • Rahmenempfänger (Frame Receiver)
  • Bitsender (Bit Transmitter)
  • Bitempfänger (Bit Receiver)
  • Verzögerung (Deference)

Der Frame Transmitter setzt zunächst die Datenpakete zusammen und schaut nach, ob der Verzögerungsprozess gerade arbeitet, d.h. eine Verzögerungszeit abgewartet werden muss. Wenn nicht, beginnt er mit der Übertragung; ansonsten wartet er.

Wird bei der Übertragung eine Kollision verursacht, muss der Prozess das Jamming-Signal senden und in die Binary-Exponential-Warteschleife gehen, die nur durch erfolgreiche Übertragung oder durch Überschreiten des Limits für die Kollisionszahl verlassen werden kann.

Wird keine Kollision verursacht, wird die Übertragung bis zum Ende des Paketes durchgeführt. Der Frame Receiver tritt in Aktion, wenn ein Frame ankommt. Zunächst empfängt er den Rahmen als Ganzes sequentiell und prüft jeweils, ob der Rahmen lang genug ist und die Adresse erkannt werden konnte. Ist dies soweit in Ordnung, wird die CRC geprüft. Eine erfolglose Prüfung führt zu unterschiedlichen Fehlern. Anschließend wird noch die Gültigkeit des Längenfeldes geprüft. Erst wenn dies alles ohne negativen Befund bleibt, kann der Rahmen in seine Bestandteile zerlegt und weiterverarbeitet werden. Bit-Transmitter und Bit-Receiver senden und empfangen jeweils einzelne Bits.

Die Paketformate nach IEEE 802.3 und DIX Ethernet V.2 sind in Abbildung 1 dargestellt. Die wesentlichen Komponenten sind: Präambel zur Realisierung der Kollisionserkennung vor Beginn der Übertragung der Nachrichtenbits und zur Einsynchronisierung der Empfänger im Rahmen der Manchester-Codierung, Start Frame Delimiter SFD Zeichen für den Beginn des eigentlichen Frames und Adressen (Source, Destination; wahlweise 16- oder 48-Bit-Adressen).

In einem LAN darf es immer nur eine Adresslänge geben, andernfalls kommt es zu Adressenfehlern. Das erste Bit dient der Unterscheidung zwischen Individual- und Gruppenadressen, das zweite Bit unterscheidet lokale und globale Adressen, Längenfeld zur Angabe der Anzahl von Oktetten (8-Bit-Gruppen) im LLC-Datenfeld, LLC-Datenfeld enthält die Daten, die von der LLC an die MAC übergeben wurden. Die maximale Länge des Datenfeldes beträgt in Abhängigkeit vom gewählten Adressformat und von der gewählten technischen Implementierung ca. 1.500 Byte.

PAD: um den Ablauf des CSMA/CD-Verfahrens gewährleisten zu können, darf ein Paket eine minimale Länge nicht unterschreiten. Wenn dafür zu wenig LLC-Daten vorhanden sind, müssen Füllbits im PAD für die Erreichung der minimalen Paketgröße eingefügt werden. FCS: Frame Check Sequence

Das alte Paketformat des DIX-Standards sieht im Gegensatz hierzu kein Längenfeld vor und unterstützt auch nur eine Art Adressfeld. Außerdem sieht der DIX-Standard keine LLC vor, so dass die Informationen in den betreffenden Feldern von einer Ethernet V2-Station nicht verwertet werden können. Andererseits gibt es im DIX-Standard ein Typ-Feld, in dem angegeben werden kann, mit welcher Art Protokollstack das aktuelle Paket zusammenarbeitet.

weiter mit: IEEE 802.3 10Base-5

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