Ethernet

Ethernet ist eine Art LAN, das eine konfliktbasierte Zugriffsmethode verwendet, um es Computern zu ermöglichen, Ressourcen gemeinsam zu nutzen, Dateien zu versenden, Dokumente zu drucken und Nachrichten zu übertragen. Das Ethernet-LAN entstand als Ergebnis der experimentellen Arbeit der Xerox Corporation in ihrem Palo Alto Research Center (PARC) Mitte der 1970er Jahre und wurde mit Unterstützung der Digital Equipment Corp. schnell zu einem De-facto-Standard. (DEC) und Intel Corp. Xerox lizenzierte Ethernet an andere Unternehmen, die Produkte auf der Grundlage der von den drei Unternehmen herausgegebenen Spezifikation entwickelten. Ein Großteil des ursprünglichen Ethernet-Designs wurde in den 1980 vom Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) verabschiedeten 802.3-Standard aufgenommen.

Ethernet ist konfliktbasiert, was bedeutet, dass die Stationen miteinander um den Zugriff auf das Netzwerk konkurrieren, ein Prozess, der durch ein statistisches Arbitrierungsschema gesteuert wird. Jede Station "hört" das Netzwerk ab, um festzustellen, ob es untätig ist. Wenn sie feststellt, dass derzeit kein Verkehr auf der Leitung ist, kann die Station frei senden. Wenn das Netzwerk bereits in Gebrauch ist, zieht sich die Station zurück und versucht es erneut. Wenn mehrere Stationen feststellen, dass das Netzwerk untätig ist und gleichzeitig sendet, kommt es zu einer "Kollision", und jede Station zieht sich zurück und versucht es in gestaffelten Intervallen erneut. Dieses Medienzugriffskontrollschema ist als Carrier Sense Multiple Access mit Kollisionserkennung (CSMA/CD) bekannt.

Rahmenformat

Der Standard IEEE 802.3 definiert ein Mehrfeld-Rahmenformat, das sich nur geringfügig von dem der ursprünglichen Version von Ethernet, dem so genannten "reinen" Ethernet, unterscheidet:

  • Präambel. Der Rahmen beginnt mit einem 8-Byte-Feld, das als Präambel bezeichnet wird und aus 56 Bits mit abwechselnd 1 und 0 Werten besteht. Diese werden zur Synchronisation und zur Markierung des Beginns des Rahmens verwendet. Dasselbe Bitmuster, das in der reinen Ethernet-Präambel verwendet wird, wird auch in der IEEE-802.3-Präambel verwendet, die das 1-Byte-Feld zum Begrenzen des Rahmenanfangs enthält.
  • Start-Frame-Begrenzungszeichen. Die Norm IEEE 802.3 spezifiziert ein Start-Frame-Begrenzungsfeld, das eigentlich ein Teil der Präambel ist. Dieses wird verwendet, um den Beginn eines Frames anzugeben.
  • Adressfelder. Das Zieladressfeld identifiziert die Station(en), die den Frame empfangen soll(en). Das Quelladressfeld identifiziert die Station, die den Rahmen gesendet hat. Wenn Adressen lokal zugewiesen sind, kann das Adressfeld entweder 2 Byte (16 Bit) oder 6 Byte (48 Bit) lang sein. Eine Zieladresse kann sich auf eine Station, eine Gruppe von Stationen oder auf alle Stationen beziehen. Das ursprüngliche Ethernet spezifiziert die Verwendung von 48-Bit-Adressen, während IEEE 802.3 entweder 16- oder 48-Bit-Adressen zulässt.
  • Länge zählen. Die Länge des Datenfeldes wird durch das 2-Byte-Zählfeld angegeben. Dieses von IEEE 802.3 spezifizierte Feld wird verwendet, um die Länge des Informationsfeldes zu bestimmen, wenn ein Pad-Feld im Rahmen enthalten ist.
  • Pad-Feld. Um Kollisionen richtig zu erkennen, muss der übertragene Frame eine bestimmte Anzahl von Bytes enthalten. Die Norm IEEE 802.3 legt fest, dass, wenn ein zur Übertragung zusammengesetzter Rahmen diese Mindestlänge nicht erreicht, ein Pad-Feld hinzugefügt werden muss, um ihn auf diese Länge zu bringen.
  • Typ-Feld. Reines Ethernet unterstützt keine Längen- und Pad-Felder, ebenso wenig wie IEEE 802.3. Stattdessen werden 2 Byte für ein Typ-Feld verwendet. Der im Typfeld angegebene Wert ist nur für die höheren Netzwerkschichten von Bedeutung und wurde in der ursprünglichen Ethernet-Spezifikation nicht definiert.
  • Datenfeld. Das Datenfeld eines Frames wird in Form von 8-Bit-Bytes von der Client-Schicht an die Datenverbindungsschicht übergeben. Die minimale Frame-Größe beträgt 72 Bytes, während die maximale Frame-Größe einschließlich der Präambel 1.526 Bytes beträgt. Wenn die zu sendenden Daten einen Frame verwenden, der kleiner als 72 Bytes ist, wird das Pad-Feld verwendet, um den Frame mit zusätzlichen Bytes zu füllen. Bei der Definition einer minimalen Rahmengröße gibt es weniger Probleme bei der Behandlung von Kollisionen. Wenn die zu sendenden Daten einen Rahmen verwenden, der größer als 1.526 Bytes ist, liegt es in der Verantwortung der höheren Schichten, ihn in einzelne Pakete in einem Verfahren namens "Fragmentierung" zu zerlegen. Die maximale Rahmengröße spiegelt praktische Erwägungen wider, die sich auf die Puffergrößen der Adapterkarten und die Notwendigkeit beziehen, die Zeit zu begrenzen, die das Medium bei der Übertragung eines einzelnen Rahmens gebunden ist.
  • Rahmenprüfungssequenz. Ein korrekt formatierter Frame endet mit einer Frame-Prüfsequenz, die die Möglichkeit bietet, auf Fehler zu prüfen. Wenn die sendende Station einen Rahmen zusammensetzt, führt sie eine CRC-Berechnung (Cyclical Redundancy Check) für die Bits im Rahmen durch. Die sendende Station speichert die Ergebnisse der Berechnung vor dem Senden des Rahmens im 4-Byte-Frame-Check-Sequenzfeld. In der empfangenden Station wird eine identische CRC-Berechnung durchgeführt und ein Vergleich mit dem ursprünglichen Wert im Frame-Check-Sequenzfeld vorgenommen. Wenn die beiden Werte nicht übereinstimmen, geht die Empfangsstation davon aus, dass ein Übertragungsfehler aufgetreten ist, und fordert die erneute Übertragung des Rahmens an. Bei reinem Ethernet ist eine Fehlerkorrektur nicht vorgesehen; wenn die beiden Werte nicht übereinstimmen, wird die Benachrichtigung, dass ein Fehler aufgetreten ist, einfach an die Client-Schicht weitergeleitet.

Medienzugriffskontrolle

An der Übertragung von Daten über das Netzwerk sind mehrere Schlüsselprozesse beteiligt, darunter die Datenkapselung/Dekapselung und die Verwaltung des Medienzugriffs, die von der Media Access Control (MAC)-Unterschicht der Datenverbindungsschicht (OSI) von Open Systems Interconnection durchgeführt werden.

Datenkapselung/Entkapselung Die Datenkapselung wird an der Sendestation durchgeführt. Dieser Prozess beinhaltet das Hinzufügen von Informationen am Anfang und Ende der zu übertragenden Dateneinheit. Die Dateneinheit wird von der MAC-Unterschicht von der Logical Link Control (LLC)-Unterschicht empfangen. Die hinzugefügten Informationen werden zur Durchführung der folgenden Aufgaben verwendet:

  • Synchronisieren der Empfangsstation mit dem Signal
  • Angabe von Anfang und Ende des Rahmens
  • Identifizieren der Adressen von Sende- und Empfangsstation
  • Erkennen von Übertragungsfehlern

Die Datenkapselungsfunktion ist für den Aufbau eines Übertragungsrahmens im richtigen Format verantwortlich. Zieladresse, Quelladresse, Typ und Informationsfelder werden von der Client-Schicht in Form eines Pakets an die Datenverbindungsschicht übergeben. Die für die Übertragung notwendigen Steuerinformationen werden in das angebotene Paket eingekapselt. Der CRC-Wert für das Frame-Prüfsequenz-Feld wird berechnet, und der Frame wird konstruiert.

Wenn ein Rahmen empfangen wird, ist die Datendekapselungsfunktion, die in der empfangenden Station ausgeführt wird, dafür verantwortlich, die Zieladresse zu erkennen, eine Fehlerprüfung durchzuführen und dann die Steuerinformationen zu entfernen, die von der Datenkapselungsfunktion in der sendenden Station hinzugefügt wurden. Wenn keine Fehler erkannt werden, wird der Rahmen an die LLC-Unterschicht weitergeleitet.

Bei der Entkapselung werden bestimmte Arten von Fehlern geprüft, einschließlich der Frage, ob der Rahmen ein Vielfaches von 8 Bit ist oder die maximale Paketlänge überschreitet. Auch die Adresse wird überprüft, um festzustellen, ob der Rahmen akzeptiert und weiter verarbeitet werden soll. Wenn dies der Fall ist, wird ein CRC-Wert berechnet und gegen den Wert im Feld Frame-Check-Sequenz geprüft. Wenn die Werte übereinstimmen, werden die Zieladresse, die Quelladresse, der Typ und die Datenfelder an die Client-Schicht übergeben. Was an die Client-Station übergeben wird, ist das Paket in seiner ursprünglichen Form.

Verwaltung des Medienzugriffs

Die Methode, die zur Kontrolle des Zugriffs auf das Übertragungsmedium verwendet wird, ist als Media Access Management bekannt, das für mehrere Funktionen zuständig ist, angefangen bei der Kollisionsbehandlung, die durch den IEEE 802.3-Standard für Contention Networks definiert sind. Es gibt zwei Schemata zur Kollisionsbehandlung: eines zur Erkennung und eines zur Vermeidung von Kollisionen.

Bei der Erkennung (d.h. CSMA/CD) treten Kollisionen auf, wenn zwei oder mehr Rahmen gleichzeitig zur Übertragung angeboten werden, was die Übertragung einer Bitfolge auslöst, die als "Stau" bezeichnet wird. Dies ist das Mittel, mit dem alle Stationen im Netzwerk erkennen, dass eine Kollision aufgetreten ist. An diesem Punkt werden alle laufenden Übertragungen beendet. Erneute Übertragungen werden in berechneten Intervallen versucht. Wenn es zu wiederholten Kollisionen kommt, wird ein Prozess namens "Rückzug" verwendet, bei dem die Wartezeit für die erneute Übertragung nach jeder aufeinanderfolgenden Kollision erhöht wird.

Bei der Kollisionsvermeidung [d.h. Carrier Sense Multiple Access mit Kollisionsvermeidung (CSMA/CA)] wird die Leitung wie bei CSMA/CD auf das Vorhandensein oder Fehlen eines Signals (Träger) überwacht. Bei der Kollisionsvermeidung wird jedoch ein Broadcast an das Netzwerk ausgegeben, der andere Stationen darüber informiert, dass eine Datenübertragung bevorsteht. Während CSMA/CA effektiv Kollisionen in einem Netzwerk vermeidet, hat es eine zusätzliche Overhead-Anforderung, die CSMA/CD nicht hat. Dies führt dazu, dass CSMA/CA den Netzwerkverkehr erhöht, da es die Absicht der Station zur Übertragung senden muss, bevor echte Daten auf das Kabel übertragen werden.

Auf der Empfangsseite ist die Management-Funktion dafür verantwortlich, Fragmente von Frames zu erkennen und herauszufiltern, die aus einer Übertragung resultieren, die durch eine Kollision unterbrochen wurde. Jeder Frame, der kleiner als die Mindestgröße ist, wird als ein Fragment angenommen, das durch eine Kollision verursacht wurde.

Stand: 11.06.2020