Ethernet

Grundidee und Bedeutung

Ethernet ist eine Technik für kabelgebundene Datennetze. Sie legt sowohl Software-Regeln, also Protokolle und Datenformate, als auch Hardware wie Kabel, Stecker, Verteiler und Netzwerkkarten fest. Ursprünglich war Ethernet für lokale Datennetze (LANs) gedacht. Es ermöglicht den Datenaustausch zwischen angeschlossenen Geräten wie Computern oder Druckern in Form von Datenframes.

Im OSI-Modell umfasst Ethernet die Bitübertragungsschicht (Layer 1) und die Sicherungsschicht beziehungsweise Data-Link-Schicht (Layer 2). Es entspricht weitgehend der IEEE-Norm 802.3. Ethernet wurde ab den 1990er-Jahren zur meistverwendeten LAN-Technik und verdrängte andere LAN-Standards wie Token Ring weitgehend. Es kann als Grundlage für höhere Netzwerkprotokolle dienen, darunter TCP/IP, AppleTalk, DECnet und IPX/SPX.

Spezifiziert sind Übertragungsraten von 1, 10 und 100 Mbit/s, 1000 Mbit/s beziehungsweise Gigabit-Ethernet sowie 2,5, 5, 10, 25, 40, 50, 100, 200 und 400 Gbit/s. 800 Gbit/s und 1,6 Tbit/s werden beziehungsweise wurden entwickelt. Bei Glasfaser-Varianten sind Link-Reichweiten bis zu 80 km möglich, bei proprietären Varianten auch mehr.

Entwicklung

Ethernet wurde am Xerox Palo Alto Research Center (PARC) entwickelt und orientierte sich am ALOHAnet. Robert Metcalfe beschrieb 1973 in einem Memo zwei Strecken als „Telephone Ether“ und „Radio Ether“. Die erste Ethernet-Version arbeitete mit 3 Mbit/s. 1976 veröffentlichten Metcalfe und David Boggs den Artikel „Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks“; 1977 wurde das Patent 4063220 erteilt.

1979 gründete Metcalfe die Firma 3Com und gewann DEC, Intel und Xerox für eine gemeinsame Standardisierung. Die erste Ethernet-Version 1 wurde ab 1980 vom IEEE in der Arbeitsgruppe 802 weiterentwickelt. Ab 1981 verfolgte das IEEE unter anderem CSMA/CD nach 802.3, Token Bus nach 802.4 und Token Ring nach 802.5. Ethernet setzte sich durch.

Wichtige Stationen waren 10BASE2 („Cheapernet“) im Jahr 1983, die internationale Veröffentlichung als ISO/DIS 8802/3 im Jahr 1985, 10BASE-T im Jahr 1991 und 10BASE-F im Jahr 1992. 1995 wurde Fast Ethernet mit 100 Mbit/s nach IEEE 802.3u verabschiedet. Später kamen höhere Geschwindigkeiten und Anwendungen außerhalb klassischer LANs hinzu, etwa in Universitäts-, Stadt- und Industrienetzen. Am 21. März 2019 bot DE-CIX als erster Internetknoten weltweit 400-Gbit/s-Ethernet an.

Übertragung, Zugriff und Sicherheit

Jede Netzwerkschnittstelle besitzt eine 48-Bit-MAC-Adresse. Sie soll weltweit eindeutig sein, kann aber verändert werden; doppelte MAC-Adressen im selben Netz verursachen Fehler. Ethernet überträgt Daten im Basisbandverfahren und in digitalem Zeitmultiplex.

Der klassische Zugriff auf ein gemeinsames Medium wird durch CSMA/CD geregelt: „Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection“. Eine Station prüft zuerst, ob das Medium frei ist. Wenn zwei Stationen gleichzeitig senden, entsteht eine Kollision. Beide erkennen dies, senden kurz ein Störungssignal, brechen ab und warten eine zufällige Zeit, bevor sie erneut senden. Damit Kollisionen sicher erkannt werden können, gibt es eine Mindestframegröße von 64 Byte. Bei 10 Mbit/s und maximal 2,5 km Entfernung zwischen zwei Stationen besteht diese Mindestlänge aus 14 Byte Header, 46 Byte Nutzdaten und 4 Byte CRC.

Heute spielt CSMA/CD kaum noch eine Rolle, weil moderne Ethernetnetze meist im Vollduplexmodus über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen arbeiten. Dabei können Geräte gleichzeitig senden und empfangen, ohne Kollisionen zu erzeugen.

Frühe Ethernetnetze arbeiteten über einen gemeinsamen Bus: Alle Geräte empfingen alle gesendeten Informationen und filterten selbst aus, was für sie bestimmt war. Das ermöglichte Broadcasts, war aber ein Sicherheitsproblem, weil ein Teilnehmer den gesamten Datenverkehr mitlesen konnte. Hubs änderten daran nichts, da sie Pakete in alle Segmente weitergaben. Moderne Switches leiten Pakete normalerweise gezielt vom Sender zum Empfänger weiter und teilen Kollisionsdomänen auf. Broadcasts, Multicasts und unbekannte Ziel-MAC-Adressen werden jedoch weiterhin an mehrere oder alle Ports gesendet. Angriffe wie MAC-Flooding und MAC-Spoofing bleiben möglich; Sicherheit und Verfügbarkeit müssen daher durch Analyse, Konfiguration und gegebenenfalls Verschlüsselung auf höheren Ebenen unterstützt werden.

Frames und Felder

Ethernet überträgt Daten in Frames. Historisch gab es Ethernet Version I, Ethernet II beziehungsweise DIX-Frame sowie IEEE-802.3-Formate. Heute wird fast ausschließlich Ethernet II nach IEEE 802.3 verwendet, optional mit VLAN-Tag nach IEEE 802.1Q.

Ein Frame enthält Ziel-MAC-Adresse und Quell-MAC-Adresse mit jeweils 6 Byte beziehungsweise 48 Bit. Das erste übertragene Bit der MAC-Adresse unterscheidet Unicast von Broadcast oder Multicast; das zweite unterscheidet global von lokal verwalteten Adressen. MAC-Adressen werden traditionell als sechs zweistellige Hexadezimalzahlen geschrieben, etwa „08:00:01:EA:DE:21“.

Vor dem eigentlichen Frame stehen auf der physischen Ebene eine Präambel aus sieben Byte mit alternierender Bitfolge und der Start Frame Delimiter mit der Bitfolge „10101011“. Sie dienen der Synchronisation.

Das Typ-Feld, auch EtherType, gibt an, welches Protokoll die Nutzdaten interpretiert. Beispiele sind 0x0800 für IPv4, 0x0806 für ARP, 0x86DD für IPv6 und 0x8100 für ein VLAN-Tag. Werte ab 1536 beziehungsweise 0x0600 können als Protokolltypen verwendet werden; Werte bis 1500 können als Längenangabe dienen. Pro Datenblock sind maximal 1500 Byte Nutzdaten vorgesehen. Größere Jumbo Frames und ähnliche Spezialmodi liegen offiziell außerhalb von Ethernet beziehungsweise IEEE 802.3.

Ein VLAN-Tag besteht aus vier zusätzlichen Bytes. Der TPID enthält 0x8100 und kennzeichnet den Tagged-MAC-Frame. Die TCI enthält drei Bit Priorität, ein CFI-Bit und 12 Bit VLAN-ID, wodurch bis zu 4096 virtuelle lokale Netzwerke möglich sind. Das PAD-Feld füllt kurze Frames auf die Mindestgröße von 64 Byte auf. Die FCS ist eine 32-Bit-CRC-Prüfsumme; bei fehlerfreiem Empfang ergibt sich beim Ethernet die Magic Number 0xC704DD7B.

Medientypen und Geschwindigkeiten

Ethernet-Varianten unterscheiden sich durch Übertragungsrate, Kabeltyp und Leitungscodierung. Namen wie 10BASE-T oder 1000BASE-SX enthalten Geschwindigkeit, Signalisierung und Medium. „BASE“ steht für Basisband, „T“ für Twisted-Pair-Kabel, „S“ für kurze Wellenlänge über Multimode-Faser, „L“ für lange Wellenlänge meist über Singlemode-Faser, „C“ für Kupfer-Twinaxialkabel und „K“ für Backplane.

10-Mbit/s-Ethernet nutzt Manchester-Codierung. Frühe Koaxialvarianten waren 10BASE2 mit maximal 185 m Segmentlänge und bis zu 30 Teilnehmern sowie 10BASE5 mit maximal 500 m pro Segment und bis zu 100 Teilnehmern. 10BASE-T arbeitet über Twisted Pair mit 100 m Segmentlänge.

Fast Ethernet mit 100 Mbit/s setzte sich vor allem als 100BASE-TX über Twisted Pair durch. Es nutzt 4B5B-Codierung und MLT-3; die maximale Segmentlänge beträgt wie bei 10BASE-T 100 m. Glasfaser-Varianten wie 100BASE-FX erreichen im Vollduplex-/Switchbetrieb bis 2000 m.

Gigabit-Ethernet über Kupfer ist vor allem 1000BASE-T: 1 Gbit/s über Cat-5 oder besser, maximal 100 m, mit allen vier Aderpaaren, PAM-5, Trellis-Codierung, Scrambling und 125 MBaud pro Aderpaar. Glasfaser-Varianten sind unter anderem 1000BASE-SX, 1000BASE-LX und 1000BASE-BX10.

2.5GBASE-T und 5GBASE-T sind herunterskalierte Varianten von 10GBASE-T und nutzen vorhandene Kupferverkabelung: mindestens Cat5e für 2,5 Gbit/s und mindestens Cat6 für 5 Gbit/s. 10-Gbit/s-Ethernet umfasst mehrere Glasfaser- und Kupferstandards. 10GBASE-T nutzt vier Aderpaare, erreicht mit Cat-6a/7 die angestrebten 100 m und wurde in IEEE 802.3an beschrieben. Für 25, 40, 50, 100, 200, 400 und 800 Gbit/s gibt es weitere Varianten, vor allem für Rechenzentren, Backplanes, Twinax-Kupfer und Glasfaser.

Kabel, Stecker und Zusatzfunktionen

Bei Kupfer-Doppelader-Verkabelung beträgt die zulässige Gesamtlänge einer Übertragungsstrecke in der Regel 100 m. Typisch sind 90 m Installationskabel, 10 m Patchkabel und zwei Steckverbindungen, etwa Dose und Patchfeld. Reine Patchkabelstrecken erreichen ungefähr 70 m. Für 40GBASE-T über Twisted Pair ist Kategorie-8-Verkabelung mit 30 m vorgesehen.

Bei Multimode-Glasfaser reichen typische Maximalentfernungen von 220 m bis 550 m bei 1000BASE-SX, bis 300 m bei 10GBASE-SR über OM3 und 100 m bei 25GBASE-SR über OM4 oder OM5. Singlemode-Glasfaser erreicht bei 10GBASE-LR 10 km, bei 10GBASE-ER 30 bis 40 km und bei 10GBASE-ZR als nicht IEEE-802.3-Standard 80 km.

Für Ethernet werden häufig 8P8C-Stecker und -Buchsen verwendet, oft „RJ-45“ genannt. Bei 10BASE-T und 100BASE-TX werden die Adernpaare 2 und 3 genutzt. Nach EIA/TIA-568B liegen TX+ auf Pin 1, TX− auf Pin 2, RX+ auf Pin 3 und RX− auf Pin 6.

Metro-Ethernet bezeichnet ethernetbasierte Metropolitan-Area-Netze auf Carriergrade-Ethernet. Durch Glasfasertechnik wurden frühere Längenbeschränkungen praktisch stark erweitert, sodass Ethernet auch in MANs wichtig wurde.

Power over Ethernet gehört ebenfalls zur Ethernet-Familie. IEEE 802.3af beschreibt, wie Geräte über Twisted-Pair-Kabel mit Energie versorgt werden. Nach 802.3af sind 48 V und bis zu 15,4 W möglich. 802.3at beziehungsweise PoE+ erreicht bis zu 30 W bei 54 V. 2018 wurde 4PPoE als 802.3bt verabschiedet; es kann über alle vier Leitungspaare Geräte mit bis zu 100 W versorgen.