Definition

Was ist 802.3?

| Autor / Redakteur: Stefan Luber / Andreas Donner

(© aga7ta - Fotolia)

IEEE 802.3 ist eine Sammlung von Standards für kabelbasierte Netzwerke sowie eine Arbeitsgruppe des IEEE. Im Wesentlichen definieren die 802.3-Vorgaben das Ethernet-LAN (Local Area Network). Eine der Kernbestandteile des Standards ist das Zugriffsverfahren CSMA/CD.

Der IEEE 802.3-Standard hat sich als wichtigste Spezifikation für das Local Area Network (LAN) etabliert. Im Wesentlichen sind dort die Mechanismen des Ethernets definiert, mit denen Daten kabelbasiert zwischen Netzwerkteilnehmern und Netzwerkkomponenten ausgetauscht werden.

Die erste Version veröffentlichte das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) bereits im Jahr 1983. Sie unterstützte die Datenübertragung mit Geschwindigkeiten von bis zu zehn Megabit pro Sekunde und definierte die physikalische Schicht und den Link-Layer des Ethernets (OSI-Modell Schichten eins und zwei). Die Netzwerkverbindungen zwischen den Endgeräten oder den Netzwerk-Infrastrukturgeräten lassen sich auf Basis unterschiedlicher Kabeltypen herstellen.

802.3 unterstützt die im 802.1-Standard der IEEE definierte Netzwerk-Architektur und nutzt als Zugriffsverfahren auf das Kabelmedium das CSMA/CD-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). Obwohl neben 802.3 noch weitere Standards für kabelbasierte Netzwerke wie 802.5 Token Ring, FDDI oder 802.4 Token Bus existieren, hat sich das Ethernet als meist genutztes Verfahren für das LAN durchgesetzt und beispielsweise den Token Ring vollständig verdrängt.

802.3 für kabelbasierte LANs und 802.11 für drahtlose Netzwerke stellen heute in den meisten Netzwerken die grundlegenden Definitionen für Schicht eins und Schicht zwei der Datenkommunikation zur Verfügung. Auf Basis des Ethernets lassen sich unterschiedliche Netzwerkprotokolle transportieren. Das wichtigste dieser Protokolle ist TCP/IP, wie es heute für fast alle Local Area Networks und das Internet zum Einsatz kommt.

In der Vergangenheit hatten auch Netzwerkprotokolle wie AppleTalk, IPX/SPX oder DECnet eine gewisse Bedeutung, die sie mittlerweile jedoch fast komplett eingebüßt haben. Obwohl 802.3 ursprünglich für lokale Netzwerke gedacht war, lassen sich mittlerweile auch Kommunikationsverbindungen über große Entfernungen für das WAN (Wide Area Network) mit diesem Standard realisieren. Es existiert eine große 802.3-Standardfamilie, die Kommunikationsverfahren mit wesentlich höheren Übertragungsraten als den ursprünglich möglichen zehn Megabit pro Sekunde zulassen.

Die wesentlichen Merkmale von 802.3

Im Gegensatz zu anderen Paket- beziehungsweise Frame-basierten Übertragungstechniken wie SDH oder ATM besitzt 802.3 kein festes Zeitraster, sondern überträgt die Daten über ein variables Zugriffsverfahren. Dies kann für zeitkritische Anwendungen zu Problemen führen, da im Ethernet keine festen Mindestbandbreiten und Übertragungszeiten garantiert werden können. Im Überlastfall kann es sogar dazu kommen, dass Daten einfach verworfen werden. Die Absicherung der Datenübertragung müssen daher die Protokolle der höheren OSI-Schichten übernehmen wie beispielsweise TCP/IP. Bei Anwendungen, die besonders zeitkritisch sind oder die feste Bandbreiten und Übertragungszeiten erfordern, kann so genanntes Echtzeit-Ethernet zum Einsatz kommen.

Durch Erweiterungen des Standards konnte die maximale Bandbreite im lokalen Netzwerk stark erhöht werden. Nach derzeitigen Spezifikationen mögliche Übertragungsraten in 802.3-Netzen sind 10, 100 (Fast-Ethernet), 1000 (Gigabit-Ethernet) Megabit pro Sekunde sowie 10, 40 und 100 Gigabit pro Sekunde. Neben kupferbasierten Kabeln lassen sich für das LAN auch Glasfasern verwenden, die Entfernungen von mehreren Kilometern problemlos überbrücken.

Um Daten über eine 802.3-Verbindung empfangen und senden zu können, erhält jeder Teilnehmer des Netzwerks eine eindeutige Adresse. Es handelt sich dabei um die so genannte MAC-Adresse (Media Access Control Adresse), die eine Länge von sechs Bytes (48 Bit) hat. Bei den ersten 24 Bits der MAC-Adresse handelt es sich um eine von der IEEE vergebene, weltweit eindeutige Herstellerkennung.

CSMA/CD als Zugriffsverfahren auf das Shared-Medium

Eines der Kernverfahren von 802.3 ist CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), das den Zugriff auf das gemeinsam genutzte kabelbasierte Shared-Medium regelt. Möchte ein Endgerät auf dem Medium Daten senden, muss es dieses zunächst abhören. Ist die Leitung frei, darf es Daten senden. Es kann allerdings vorkommen, dass zwei Stationen gleichzeitig zu senden beginnen und es daher zu einer Kollision der Daten auf dem Medium kommt.

In diesem Fall erkennen das die Endgeräte per Collision Detection und stellen den Sendevorgang ein. Nach Ablauf einer zufälligen Zeitspanne starten sie einen neuen Sendeversuch, sollte das Medium zu dieser Zeit noch frei sein. Damit die Collision Detection zuverlässig funktionieren kann, ist es erforderlich, dass die Datenframes in Abhängigkeit der Kabellänge eine bestimmte Mindestgröße aufweisen. Hintergrund hierfür ist, dass das von einem zweiten Sender erzeugte Störsignal den ursprünglichen Sender erreichen muss, bevor dieser seinen Sendevorgang abgeschlossen hat und als erfolgreich betrachtet.

Die Mindestlänge des Datenframes lässt sich aus der Geschwindigkeit des Signals auf dem Medium und der Übertragungsrate berechnen. So schreibt der Standard bei einer Übertragungsrate von zehn Megabit pro Sekunde eine Mindestlänge des Frames von 64 Byte vor. Möchte ein Endgerät auf einer 802.3-Verbindung kleinere Frames senden, muss sie diese auf 64 Byte auffüllen. Aufgrund dieser physikalischen Abhängigkeit und der definierten Mindestframelänge sind bei zehn Megabit pro Sekunde maximale Segmentlängen von 100 Metern und bis zu vier Repeater erlaubt. Höhere Geschwindigkeiten schränken die Anzahl möglicher Repeater ein.

Da sich im Netzwerkumfeld der Vollduplexmodus durchgesetzt hat, bei dem die Netzwerkteilnehmer mit exklusiven Punkt-zu Punkt-Verbindungen und unabhängig voneinander nutzbaren Sende- und Empfangsrichtungen an Netzwerkknoten wie Switches oder Router angebunden sind, spielt CSMA/CD in heutigen Netzwerken nur noch eine untergeordnete Rolle. Denn auf solchen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen können keine Kollisionen mehr stattfinden und das Medium steht dem jeweiligen Endgerät exklusiv zur Verfügung. Dennoch hat sich am grundsätzlichen Frameformat und an der Mindestlänge des Frames nichts verändert. Selbst bei Netzwerkverbindungen mit 100 Gigabit pro Sekunde sind die Vorgaben des 802.3-Standards nach wie vor gültig.

Der Datenframe im Detail

Ein wichtiger Teil des Standards ist das Format des Datenframes. Das Frameformat macht beispielsweise das CSMA/CD-Verfahren erst möglich und legt auch die Struktur und Topologie des Netzwerkes fest. Innerhalb des Frames sind verschiedene Bereiche definiert, die jeweils spezifische Aufgaben erfüllen. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um die Bereiche:

  • Preamble und Startfeld
  • Zieladresse
  • Absenderadresse
  • Datenfeld und Padding
  • Prüfsumme

Bei der Präambel handelt es sich um eine sieben Byte lange Bitfolge mit dem immer gleichen Muster. Nach der Präambel folgt das Startfeld (SFD; Start of Frame Delimiter). Präambel und Startfeld waren notwendig, um die Netzwerkgeräte zu synchronisieren. Denn im Gegensatz zu anderen Übertragungstechniken war in sendefreien Zeiten keine kontinuierliche Trägerwelle vorhanden. Dank des alternierenden Bitmusters in der Präambel konnte sich der Empfänger auf die korrekten Bit-Abstände synchronisieren. In modernen LANs sind Präambel und Startfeld zwar weiterhin vorhanden aber aufgrund dauerhaft synchroner Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für die Synchronisation der Endgeräte teils nicht mehr notwendig.

Der nächste Bereich stellt die Ziel-Adresse des Frames dar, die sechs Byte lang ist. Über diese global eindeutige (MAC-)Adresse ist jedes Netzwerkinterface exakt adressierbar. Innerhalb der Adresse sind drei Bytes für eine Herstellerkennung des Netzwerkinterfaces vorgesehen. In das Adressfeld können auch Broadcast- oder Multicast-Adressen eingetragen sein. In diesem Fall ist der Frame für den Empfang durch mehrere Teilnehmer vorgesehen. Die Broadcastadresse besteht aus lauter Einsen und sorgt dafür, dass das Frame von allen am Ethernet angeschlossenen Devices gelesen wird. Sie kommt beispielsweise für das Address Resolution Protokol (ARP) zum Einsatz, mit der sich die Adresse eines Rechners ermitteln lässt. Auch die Absenderadresse ist sechs Byte lang. Die Quelle hat beim Senden eines Frames ihre eigene Adresse einzutragen.

Nach den beiden Adressfeldern folgt das eigentliche Datenfeld. Die Länge kann zwischen Null und 1.500 Byte betragen und ist im „Length of Data Field“ eingetragen. Im Datenfeld befinden sich die Daten der Protokolle höherer Schichten wie TCP/IP. Ist das Datenfeld kürzer als 64 Byte, muss es zur Erreichung der Mindestlänge des Ethernet-Frames auf 64 Byte aufgefüllt werden. Dies ist durch das Anfügen von Bytes im Padding-Feld möglich.

Im letzten Teil des Frames ist die Prüfsumme eingetragen. Sie besteht aus einer 32 Bit langen Hashcodierung der eigentlichen Datenbits und kann von der Hardware direkt ausgelesen werden. Wird ein Fehler erkannt, weil einige Bits verändert sind, bricht die Netzwerkhardware die weitere Verarbeitung des Frames ab und verwirft diesen.

Der Umstieg von der Bus- auf die Sterntopologie

Ursprünglich basierte das LAN nach dem 802.3-Standard auf einer Bus-Topologie. Alle Teilnehmer des lokalen Netzwerks waren über ein Koaxialkabel in einer Kette hintereinander verbunden. In diesen Bus-Strukturen war das CSMA/CD-Verfahren zur Erkennung von Kollisionen besonders wichtig. Durch eine große Anzahl von Teilnehmern und viele zu übertragende Daten kann eine solche Busstruktur schnell an ihre Grenzen gelangen. Ab einer gewissen Auslastung treten Kollisionen vermehrt auf und es kommt zu massiven Funktionseinschränkungen auf dem Medium. Dies ist der Grund dafür, dass sich mehr und mehr die Stern-Topologie im Ethernet durchsetzte. Sie stellt den Umstieg von einem Shared-Medium auf ein Switched-Medium dar. Den Teilnehmern im geswitchten Netz mit seiner strukturierten Verkabelung steht das Medium, mit dem sie an den nächsten Netzwerkknoten (Router oder Switch) angeschlossen sind, in Sende- und Empfangsrichtung exklusiv zur Verfügung. Heute werden fast nur noch Stern-Topologien im LAN genutzt.

Weitere wichtige 802.3-Standards

Die 802.3-Standarfamilie beinhaltet eine ganze Reihe weiterer wichtiger LAN-Standards. Einige dieser Standards sind zum Beispiel:

  • IEEE 802.3u für Fast-Ethernet
  • IEEE 802.3z und IEEE 802.3ab für Gigabit-Ethernet
  • IEEE 802.3an für 10-Gigabit-Ethernet
  • IEEE 802.3ba für 40- und 100-Gigabit-Ethernet
  • IEEE 802.3af für Power over Ethernet (PoE)
  • IEEE 802.3at für Power over Ethernet (PoE) mit höheren Leistungen
  • IEEE 802.3ad für Link Aggregation

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