Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 17 Lokale Netze nach IEEE 802.3 und ISO 8802.3 mit CSMA/CD-System

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

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.

Aufmacher: Dr. Franz-Joachim Kauffels: ausgewiesener Netzwerk-Experte und Grundlagen-Autor von IP-Insider.de
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( Archiv: Vogel Business Media )

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.

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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.

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IEEE 802.3 10Base-5

Das 10Base-5 entspricht technisch weitestgehend dem Basis-Ethernet der V.2, wie es bereits in der letzten Folge dargestellt wurde. Logisch unterscheidet es sich vor allem durch die LLC, die bei V.2 fehlt. Ein Koaxialkabelsegment darf 500 m nicht überschreiten und muss über 50 Ohm/1W-Terminatoren verfügen.

Höchstens 100 MAUs (Medium Attachment Units) dürfen an einem Segment angeschlossen werden, wobei ein Minimalabstand von 2,5 m nicht unterschritten werden darf. Mit einer minimalen Signallaufgeschwindigkeit von 0,77c ergibt sich damit eine Laufzeitverzögerung von höchstens 2.165 ns. Ein AUI-Kabel darf höchstens 50 m lang werden; bei einer minimalen Signalgeschwindigkeit von 0,65c ergibt sich hier eine maximale Laufzeitverzögerung von 257 ns.

Einzelne Segmente können mittels Repeatern oder Remote Repeatern zusammengeschaltet werden. Der CSMA/CD-Algorithmus erstreckt sich dann auf das ganze zusammengeschaltete Netz. Zwischen zwei Stationen dürfen höchstens fünf Segmente und vier Repeater liegen, die „eigenen“ Segmente eingeschlossen; von den Segmenten dürfen allerdings nur drei Segmente Koaxialsegmente sein. Die anderen Segmente ergeben sich aus den max. 1.000 m langen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen den Remote Repeatern. So ist also die maximale Entfernung zwischen zwei Stationen 2.500 m.

IEEE 802.3 10Base-2 „Cheapernet“

Diese Version arbeitet mit einem dünnen Koaxialkabel. Nach Ansicht und Erfahrung des Autors entstehen hierdurch fast nur Nachteile, der im Namen versprochene Kostenvorteil gegenüber der Version 10Base-5 lässt sich in den meisten Fällen sicher auch durch hartes Verhandeln herausholen.

IEEE 802.3 10Base-T Twisted Pair-LAN

Eine universelle, seriöse Verkabelungsstrategie beruht heute auf dem Konzept sternförmiger Vernetzung zu Technikräumen hin. 10Base-T ist der Teil des IEEE 802.3-Standards, der als erster den Einsatz einer solchen Verkabelungsstruktur auch für Ethernet erlaubte.

10Base-T ist der erste wirkliche Standard für Netze vom Ethernet-Typ auf Twisted Pair.10Base-T spezifiziert ein CSMA/CD-“Bus“-Netz mit 10 Mbit/s auf UTP. Der „Bus“ wird durch einen Konzentrator, im Standard „Multiport Repeater Unit“ (MRU) genannt, nachgeahmt. Alle Stationen sind mit diesem MRU über Vierdraht-UTP verbunden.

Der Ausfall einer Station oder des Kabels zwischen Station und MRU hat keine Rückwirkungen auf die Gesamtfunktion des Netzes, wenn man davon absieht, dass man diese Station nicht mehr erreichen kann. Der große Vorteil gegenüber der Realisierung auf Koaxialkabel liegt vor allem in der leichten Lokalisierbarkeit von Fehlern. Bei Koax-Ethernet sind vor allem Fehler, die gar nicht unmittelbar am Kabel oder den Transceivern liegen, aber darauf zurückwirken, schwer auszumachen.

Die vielgepriesenen Logik-Analysatoren und TD-Reflektometer sind sicherlich unverzichtbar, aber nicht allmächtig. Hier ist eine sternförmige Topologie, bei der sich alle Einzelteile leicht isolieren lassen, von erheblichem Vorteil.

Außerdem sieht der Standard einen „Link Integrity Test“ vor, der im MRU implementiert ist.

Die Unterteilung der MAU sieht wegen der Sternstruktur etwas anders aus als bei 10Base-5 oder -2, Das AUI (Attachment Unit Interface) wird eigentlich nur dann benötigt, wenn der Transceiver nicht direkt auf der Adapterkarte sitzt. Dies war bei 10Base-5 der Fall. Praktisch alle 10 Base-T-Produkte haben aber einen integrierten Transceiver. Da der Standard neueren Datums als seine Koaxialkabelkollegen ist, hat man auch von vornherein die Möglichkeit unterschiedlicher Übertragungsmedien (z.B. 100 Ohm UTP oder 150 Ohm STP nach IBM Typ 1) berücksichtigt und die Schnittstelle zum Medium nochmals unterteilt in PMA (Physical Medium Attachment) und MDI (Medium Dependent Interface).

So kann man jederzeit auch nachträglich leicht zusätzliche Übertragungssysteme, Codierungen und Übertragungsmedien, die einem fortgeschrittenen Stand der Technik entsprechen, einbringen, ohne den ganzen Standard ändern zu müssen. Bei 100 Base-T wird von den unterschiedlichen Gestaltungsmöglichkeiten intensiver gebrauch gemacht, wie wir noch sehen werden.

Die max. Entfernung zwischen zwei MAUs ohne Zwischenverstärker wurde auf 100 m festgelegt, wobei die MRU ebenfalls eine Ansammlung von MAUs darstellt, die über den internen Bus der MRU zusammengeschaltet werden. Jeder Anschluss an eine MRU hat Repeater-Funktionalität, verstärkt also das Signal. In diesen 100 m sind allerdings Wandsteckdosen und Rangierverteiler sowie die Entfernungen, z.B. zwischen Endgeräten und Steckdosen, inbegriffen. Die Leistungsanforderung ist relativ gering und wird schon von besserem Telefonkabel erfüllt.

Neben dieser grundsätzlichen Regel gibt es nun eine Reihe von Möglichkeiten, 10Base-T Repeater Units zusammenzuschalten. Es ist müßig, alle diese Designregeln wiederzugeben.

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IEEE 802.3 Fiber-Optic-Systeme

Die generelle Arbeitsweise von Übertragungssystemen auf Lichtwellenleiterbasis wurde bereits dargestellt. In der Praxis gibt es heute schon eine Reihe von interessanten Implementierungen auf der Basis dieser theoretischen Überlegungen. Die optische Übertragungstechnologie kommt im Rahmen von IEEE 802.3 vor allem bei der Fiber Optic Inter Repeater Link FOIRL zum Tragen.

In den vorangegangenen Folgen wurde mehrfach von Repeatern gesprochen. Ein Repeater ist ein Gerät, das in seinen meisten Funktionen auf der Bitübertragungsschicht arbeitet und im Rahmen der Netze mit Koaxialkabelsegmenten gebraucht wird, wenn ein Netz größer werden soll, als es die maximale Segmentlänge erlaubt oder an ein Netz mehr Stationen angeschlossen werden sollen, als dies im Rahmen eines einzelnen Segmentes möglich wäre. Ein Repeater liegt zwischen zwei Segmenten und empfängt alle Pakete aus beiden Segmenten und gibt alle korrekten Pakete an das jeweils andere Segment weiter. Dazu muss er das Carrier Sensing mit Kollisionserkennung und die Jamming-Signalerzeugung beherrschen und Signale korrekt generieren können. Er muss zudem Präambeln erzeugen und Frame-Fragmente auf die geforderte Mindestzahl von Bits erweitern können. Außerdem sollte er in der Lage sein, dauerhafte Fehler auf Segmenten zu erkennen um diese Segmente abzutrennen.

Lasttrennung ist keine Aufgabe des Repeaters.

Seien zwei Segmente gegeben, das eine habe die Stationen A bis K und das andere die Stationen L bis Z. Die Segmente seien dann mit einem Repeater untereinander verbunden. Das CSMA/CD-Verfahren erstreckt sich dann auf alle Stationen A bis Z. Eine Sendung zwischen A und C führt nicht nur dazu, dass zur gleichen Zeit keine Sendung von B nach X stattfinden kann, sondern auch dazu, dass zwischen Y und Z keine Sendung gleichzeitig stattfindet. Die Stationen in einem Segment „sehen“ die Stationen am anderen Segment genau so, als sei das Segment verlängert worden. Der Repeater ist also völlig transparent.

Die Repeater lassen sich in zwei Gruppen einteilen: lokale Repeater und remote Repeater.

Ein lokaler Repeater ist nicht besonders kompliziert aufgebaut. Er verbindet zwei unmittelbar nebeneinander liegende Koaxialkabelsegmente und besitzt dafür zwei MAUs und die Repeater Unit, die die oben genannten Funktionen des Repeaters realisiert. Ein lokaler Repeater kann auch mehr als zwei Segmente miteinander verbinden, dann spricht man von einem Multiport-Repeater. Ein Multiport-Repeater hat soviele MAUs wie Ports. Der 10Base-T-Hub ist nichts anderes als ein Multiport-Repeater.

Ein remote Repeater verbindet zwei voneinander entfernte Segmente und besteht aus zwei „Hälften“, die jeweils an einem Segment installiert werden. Jede dieser Hälften besitzt eine Repeater Unit. Die zwei Hälften werden dann mittels einer bidirektionalen „Inter Repeater Link“ untereinander verbunden. Wegen der geforderten Transparenz dürfen die remote Repeater nicht zur Überschreitung der zulässigen Gesamtverzögerungszeit im Netz führen. Neben der Übertragung auf der Inter Repeater Link tragen selbst auch die Bearbeitungsvorgänge in den Repeater Units zur Verzögerung bei.

Natürlich kann man zwischen den Repeatern metallische Übertragungsmedien benutzen, wie dies auch bei 10Base-T gemacht wird. Da man aber ohnehin für die Inter Repeater Link einen eigenen Satz von Verstärkern und Umsetzern benötigt, liegt für die Überbrückung von Strecken mit mehr als 100 m Länge die Verwendung optischer Übertragungstechnologie nahe.

Der IEEE Standard 802.3d spezifiziert zur Zusammenarbeit mit 10Base-2 und 10Base-LANs die FOIRL/Fiber Optic Inter Repeater Link, wobei die Eigenschaften des optischen Übertragungsmediums und die FOMAU, die Fiber Optic MAU, festgelegt worden sind. Die optischen Sender der FOIRL arbeiten im so genannten unteren Fenster (825 ± 35 nm) und versorgen 62,5/125- Multimodefasern mit einer Dämpfung von höchstens 4 dB/km und einem Bandbreite-Reichweite-Produkt von mindestens 150 MHz/km bei 850 nm. Ein optisches Link-Segment besteht wegen der unidirektionalen Übertragungscharakteristik der Fiber Optic aus zwei Fasern, je eine pro Richtung. Hier sieht man wieder deutlich, dass die Standardisierung kein Prozess ist, bei dem notwendigerweise die technisch beste oder eleganteste Lösung am Ende steht. Denn durch Ausnutzung des zweiten oder oberen Fensters mit 1.350 nm wäre eine FOIRL mit nur einem Glasfaserkabel zwischen den beiden Hälften möglich geworden.