Ethernet -Ethernet
Ethernet ( / ˈ iː θ ər n ɛ t / ) ist eine Familie von kabelgebundenen Computernetzwerktechnologien , die üblicherweise in lokalen Netzwerken (LAN), Metropolregionen (MAN) und Weitverkehrsnetzwerken (WAN) verwendet werden. Es wurde 1980 kommerziell eingeführt und erstmals 1983 als IEEE 802.3 standardisiert . Ethernet wurde seitdem verfeinert, um höhere Bitraten , eine größere Anzahl von Knoten und längere Verbindungsentfernungen zu unterstützen, behält aber viel Abwärtskompatibilität bei . Im Laufe der Zeit hat Ethernet konkurrierende kabelgebundene LAN-Technologien wie Token Ring , FDDI und ARCNET weitgehend ersetzt .
Das ursprüngliche 10BASE5- Ethernet verwendet ein dickes Koaxialkabel als gemeinsames Medium . Dies wurde weitgehend durch 10BASE2 ersetzt , das ein dünneres und flexibleres Kabel verwendete, das sowohl billiger als auch einfacher zu verwenden war. Modernere Ethernet-Varianten verwenden Twisted-Pair- und Glasfaserverbindungen in Verbindung mit Switches . Im Laufe seiner Geschichte wurden die Ethernet-Datenübertragungsraten gegenüber dem Original erhöht2,94 Mbit/s bis maximal400 Gbit/s , mit Raten bis zu1,6 Tbit/s in Entwicklung. Die Ethernet-Standards beinhalten mehrere Verdrahtungs- und Signalisierungsvarianten der physikalischen Schicht von OSI .
Systeme, die über Ethernet kommunizieren, unterteilen einen Datenstrom in kürzere Teile, die Frames genannt werden . Jeder Frame enthält Quell- und Zieladressen sowie Daten zur Fehlerprüfung , damit beschädigte Frames erkannt und verworfen werden können; Am häufigsten lösen Protokolle höherer Schichten die erneute Übertragung verlorener Frames aus. Gemäß dem OSI-Modell stellt Ethernet Dienste bis einschließlich der Datenverbindungsschicht bereit . Die 48-Bit -MAC-Adresse wurde von anderen IEEE 802- Netzwerkstandards, einschließlich IEEE 802.11 ( Wi-Fi ), sowie von FDDI übernommen . EtherType- Werte werden auch in SNAP-Headern ( Subnetwork Access Protocol ) verwendet .
Ethernet ist in Haushalten und Industrie weit verbreitet und arbeitet gut mit drahtlosen Wi-Fi -Technologien zusammen. Das Internetprotokoll wird üblicherweise über Ethernet übertragen und gilt daher als eine der Schlüsseltechnologien, aus denen das Internet besteht .
Geschichte
Ethernet wurde zwischen 1973 und 1974 bei Xerox PARC entwickelt . Es wurde von ALOHAnet inspiriert , das Robert Metcalfe im Rahmen seiner Doktorarbeit untersucht hatte . Die Idee wurde erstmals in einem Memo dokumentiert, das Metcalfe am 22. Mai 1973 schrieb, wo er sie nach dem leuchtenden Äther benannte , von dem einst postuliert wurde, dass er als „allgegenwärtiges, vollständig passives Medium für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen“ existiert. 1975 reichte Xerox eine Patentanmeldung ein, in der Metcalfe, David Boggs , Chuck Thacker und Butler Lampson als Erfinder aufgeführt wurden. 1976, nachdem das System bei PARC eingesetzt wurde, veröffentlichten Metcalfe und Boggs ein wegweisendes Papier. Yogen Dalal , Ron Crane , Bob Garner und Roy Ogus erleichterten das Upgrade vom ursprünglichen 2,94-Mbit/s-Protokoll auf das 10-Mbit/s-Protokoll, das 1980 auf den Markt kam.
Metcalfe verließ Xerox im Juni 1979, um 3Com zu gründen . Er überzeugte die Digital Equipment Corporation (DEC), Intel und Xerox, zusammenzuarbeiten, um Ethernet als Standard zu fördern. Als Teil dieses Prozesses erklärte sich Xerox bereit, seine Marke „Ethernet“ aufzugeben. Der erste Standard wurde am 30. September 1980 als "The Ethernet, A Local Area Network. Data Link Layer and Physical Layer Specifications" veröffentlicht. Dieser sogenannte DIX-Standard (Digital Intel Xerox) spezifiziert 10-Mbit/s-Ethernet mit 48-Bit-Ziel- und Quelladressen und einem globalen 16-Bit- Ethertype -Feld. Version 2 wurde im November 1982 veröffentlicht und definiert, was als Ethernet II bekannt geworden ist . Gleichzeitig wurden formelle Standardisierungsbemühungen fortgesetzt, die zur Veröffentlichung von IEEE 802.3 am 23. Juni 1983 führten.
Ethernet konkurrierte zunächst mit Token Ring und anderen proprietären Protokollen . Ethernet konnte sich an die Marktbedürfnisse anpassen und mit 10BASE2 auf kostengünstige dünne Koaxialkabel und ab 1990 auf das heute allgegenwärtige Twisted Pair mit 10BASE-T umsteigen. Ende der 1980er Jahre war Ethernet eindeutig die dominierende Netzwerktechnologie. Dabei wurde 3Com zu einem großen Unternehmen. 3Com lieferte seine erste 10 Mbit/s Ethernet 3C100 NIC im März 1981 aus und begann in diesem Jahr mit dem Verkauf von Adaptern für PDP-11s und VAXes sowie Multibus -basierte Computer von Intel und Sun Microsystems . Dem folgte schnell der Unibus- zu-Ethernet-Adapter von DEC, den DEC verkaufte und intern zum Aufbau seines eigenen Unternehmensnetzwerks verwendete, das bis 1986 über 10.000 Knoten erreichte und es zu dieser Zeit zu einem der größten Computernetzwerke der Welt machte. Eine Ethernet-Adapterkarte für den IBM-PC wurde 1982 herausgebracht, und bis 1985 hatte 3Com 100.000 Stück verkauft. In den 1980er Jahren konkurrierte das IBM-eigene PC-Netzwerkprodukt mit Ethernet für den PC, und in den 1980er Jahren war LAN-Hardware im Allgemeinen auf PCs nicht üblich. Mitte bis Ende der 1980er Jahre wurden PC-Netzwerke jedoch in Büros und Schulen für die gemeinsame Nutzung von Druckern und Dateiservern populär, und unter den vielen verschiedenen konkurrierenden LAN-Technologien dieses Jahrzehnts war Ethernet eine der beliebtesten. Parallelport- basierte Ethernet-Adapter wurden eine Zeit lang mit Treibern für DOS und Windows hergestellt. In den frühen 1990er Jahren wurde Ethernet so weit verbreitet, dass Ethernet-Ports auf einigen PCs und den meisten Workstations auftauchten . Dieser Prozess wurde mit der Einführung von 10BASE-T und seinem relativ kleinen modularen Anschluss erheblich beschleunigt , und zu diesem Zeitpunkt tauchten Ethernet-Ports sogar auf Low-End-Motherboards auf.
Seitdem hat sich die Ethernet-Technologie weiterentwickelt, um neue Bandbreiten- und Marktanforderungen zu erfüllen. Zusätzlich zu Computern wird Ethernet jetzt verwendet, um Haushaltsgeräte und andere persönliche Geräte miteinander zu verbinden . Als Industrial Ethernet kommt es in industriellen Anwendungen zum Einsatz und ersetzt schnell veraltete Datenübertragungssysteme in den weltweiten Telekommunikationsnetzen. Bis 2010 belief sich der Markt für Ethernet-Geräte auf über 16 Milliarden US-Dollar pro Jahr.
Standardisierung
Im Februar 1980 startete das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) das Projekt 802 zur Standardisierung von Local Area Networks (LAN). Die „DIX-Gruppe“ mit Gary Robinson (DEC), Phil Arst (Intel) und Bob Printis (Xerox) hat die sogenannte „Blue Book“ CSMA/CD- Spezifikation als Kandidaten für die LAN-Spezifikation eingereicht. Als Kandidaten für einen LAN-Standard wurden neben CSMA/CD auch Token Ring (unterstützt von IBM) und Token Bus (ausgewählt und fortan unterstützt von General Motors ) in Betracht gezogen. Konkurrierende Vorschläge und breites Interesse an der Initiative führten zu heftigen Meinungsverschiedenheiten darüber, welche Technologie standardisiert werden sollte. Im Dezember 1980 wurde die Gruppe in drei Untergruppen aufgeteilt und die Standardisierung für jeden Vorschlag separat fortgesetzt.
Verzögerungen im Standardisierungsprozess gefährden die Markteinführung der Xerox Star Workstation und der Ethernet-LAN-Produkte von 3Com. Angesichts solcher geschäftlicher Auswirkungen unterstützten David Liddle (General Manager, Xerox Office Systems) und Metcalfe (3Com) nachdrücklich einen Vorschlag von Fritz Röscheisen ( Siemens Private Networks) für eine Allianz im aufstrebenden Markt für Bürokommunikation, einschließlich der Unterstützung von Siemens für die internationale Standardisierung von Ethernet (10. April 1981). Ingrid Fromm, Siemens-Vertreterin bei IEEE 802, erreichte schnell eine breitere Unterstützung für Ethernet über IEEE hinaus durch die Gründung einer konkurrierenden Task Group „Local Networks“ innerhalb des europäischen Standardisierungsgremiums ECMA TC24. Im März 1982 einigte sich ECMA TC24 mit seinen Firmenmitgliedern auf einen Standard für CSMA/CD auf der Grundlage des IEEE 802-Entwurfs. Da der DIX-Vorschlag technisch am vollständigsten war und aufgrund des schnellen Handelns der ECMA, das entscheidend zur Schlichtung der Meinungen innerhalb von IEEE beitrug, wurde der IEEE 802.3 CSMA/CD-Standard im Dezember 1982 genehmigt. IEEE veröffentlichte den 802.3-Standard als Entwurf in 1983 und als Standard 1985.
Die Zulassung von Ethernet auf internationaler Ebene wurde durch eine ähnliche, parteiübergreifende Aktion mit Fromm als Verbindungsoffizier erreicht , der an der Integration mit dem Technischen Komitee 83 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) und dem Technischen Komitee 97 der Internationalen Organisation für Normung (ISO), Unterkomitee 6, arbeitete Die Norm ISO 8802-3 wurde 1989 veröffentlicht.
Evolution
| Internetprotokoll-Suite |
|---|
| Anwendungsschicht |
| Transportschicht |
| Internet-Schicht |
| Verbindungsschicht |
Ethernet hat sich dahingehend entwickelt, dass es eine höhere Bandbreite, verbesserte Medienzugriffskontrollmethoden und verschiedene physikalische Medien umfasst. Das Koaxialkabel wurde durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ersetzt, die über Ethernet-Repeater oder -Switches verbunden sind .
Ethernet-Stationen kommunizieren, indem sie sich gegenseitig Datenpakete senden : einzeln gesendete und zugestellte Datenblöcke. Wie bei anderen IEEE 802-LANs werden Adapter mit weltweit eindeutigen 48-Bit- MAC-Adressen programmiert, sodass jede Ethernet-Station eine eindeutige Adresse hat. Die MAC-Adressen werden verwendet, um sowohl das Ziel als auch die Quelle jedes Datenpakets anzugeben. Ethernet stellt Verbindungen auf Verbindungsebene her, die sowohl über die Ziel- als auch über die Quelladresse definiert werden können. Beim Empfang einer Sendung bestimmt der Empfänger anhand der Zieladresse, ob die Sendung für die Station relevant ist oder ignoriert werden soll. Eine Netzwerkschnittstelle akzeptiert normalerweise keine Pakete, die an andere Ethernet-Stationen adressiert sind.
Ein EtherType-Feld in jedem Frame wird vom Betriebssystem auf der Empfangsstation verwendet, um das geeignete Protokollmodul auszuwählen (z. B. eine Internetprotokollversion wie IPv4 ). Ethernet-Frames gelten aufgrund des EtherType-Felds als selbstidentifizierend . Selbstidentifizierende Frames ermöglichen es, mehrere Protokolle in demselben physischen Netzwerk zu mischen und einem einzelnen Computer zu ermöglichen, mehrere Protokolle zusammen zu verwenden. Trotz der Weiterentwicklung der Ethernet-Technologie verwenden alle Ethernet-Generationen (mit Ausnahme früher experimenteller Versionen) dieselben Rahmenformate. Mit Ethernet-Switches und -Repeatern, die die gewünschten Ethernet-Varianten unterstützen, können Mixed-Speed-Netzwerke aufgebaut werden.
Aufgrund der Allgegenwärtigkeit von Ethernet und der ständig sinkenden Kosten für die zu seiner Unterstützung erforderliche Hardware haben die meisten Hersteller bis 2004 Ethernet-Schnittstellen direkt in PC-Motherboards eingebaut , wodurch die Notwendigkeit einer separaten Netzwerkkarte eliminiert wurde.
Ethernet basierte ursprünglich auf der Idee, dass Computer über ein gemeinsam genutztes Koaxialkabel kommunizieren, das als Übertragungsmedium für Rundfunk dient. Die verwendete Methode ähnelte der in Funksystemen verwendeten, wobei das gemeinsame Kabel den Kommunikationskanal bereitstellte, der mit dem leuchtenden Äther in der Physik des 19. Jahrhunderts verglichen wurde, und von dieser Referenz wurde der Name "Ethernet" abgeleitet.
Das gemeinsam genutzte Koaxialkabel des ursprünglichen Ethernet (das gemeinsam genutzte Medium) durchquerte ein Gebäude oder einen Campus zu jeder angeschlossenen Maschine. Ein Schema, das als Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) bekannt ist, regelte die Art und Weise, wie die Computer den Kanal teilten. Dieses Schema war einfacher als konkurrierende Token-Ring- oder Token-Bus- Technologien. Computer werden mit einem Attachment Unit Interface (AUI) -Transceiver verbunden , der wiederum mit dem Kabel verbunden ist (bei Thin Ethernet ist der Transceiver normalerweise in den Netzwerkadapter integriert). Während ein einfaches passives Kabel für kleine Netzwerke sehr zuverlässig ist, ist es für große ausgedehnte Netzwerke nicht zuverlässig, wo eine Beschädigung des Kabels an einer einzelnen Stelle oder ein einziger schlechter Stecker das gesamte Ethernet-Segment unbrauchbar machen kann.
In der ersten Hälfte der 1980er Jahre verwendete die 10BASE5- Implementierung von Ethernet ein Koaxialkabel mit einem Durchmesser von 9,5 mm (0,375 Zoll), das später als Thick Ethernet oder Thicknet bezeichnet wurde . Sein Nachfolger, 10BASE2 , genannt Thin Ethernet oder Thinnet , verwendete das RG-58- Koaxialkabel. Der Schwerpunkt lag darauf, die Installation des Kabels einfacher und kostengünstiger zu machen.
Da die gesamte Kommunikation über dieselbe Leitung erfolgt, werden alle von einem Computer gesendeten Informationen von allen empfangen, selbst wenn diese Informationen nur für ein Ziel bestimmt sind. Die Netzwerkschnittstellenkarte unterbricht die CPU nur, wenn zutreffende Pakete empfangen werden: Die Karte ignoriert Informationen, die nicht an sie adressiert sind. Die Verwendung eines einzelnen Kabels bedeutet auch, dass die Datenbandbreite geteilt wird, sodass beispielsweise die verfügbare Datenbandbreite für jedes Gerät halbiert wird, wenn zwei Stationen gleichzeitig aktiv sind.
Eine Kollision tritt auf, wenn zwei Stationen gleichzeitig versuchen zu senden. Sie beschädigen übertragene Daten und erfordern, dass die Stationen erneut übertragen. Die verlorenen Daten und die erneute Übertragung verringern den Durchsatz. Im schlimmsten Fall, wenn mehrere aktive Hosts, die mit der maximal zulässigen Kabellänge verbunden sind, versuchen, viele kurze Frames zu übertragen, können übermäßige Kollisionen den Durchsatz drastisch reduzieren. Ein Xerox- Bericht aus dem Jahr 1980 untersuchte jedoch die Leistung einer bestehenden Ethernet-Installation sowohl unter normaler als auch unter künstlich erzeugter hoher Last. Der Bericht behauptete, dass ein Durchsatz von 98 % im LAN beobachtet wurde. Dies steht im Gegensatz zu Token-Passing- LANs (Token Ring, Token Bus), die alle aufgrund von Token-Wartezeiten eine Durchsatzverschlechterung erleiden, wenn jeder neue Knoten in das LAN kommt. Dieser Bericht war umstritten, da die Modellierung zeigte, dass kollisionsbasierte Netzwerke theoretisch unter Lasten von nur 37 % der Nennkapazität instabil wurden. Viele frühe Forscher konnten diese Ergebnisse nicht verstehen. Die Leistung in echten Netzwerken ist deutlich besser.
In einem modernen Ethernet teilen sich die Stationen nicht alle einen Kanal über ein gemeinsam genutztes Kabel oder einen einfachen Repeater-Hub ; Stattdessen kommuniziert jede Station mit einem Switch, der diesen Verkehr wiederum an die Zielstation weiterleitet. In dieser Topologie sind Kollisionen nur möglich, wenn Station und Switch gleichzeitig versuchen, miteinander zu kommunizieren, und Kollisionen auf diese Verbindung beschränkt sind. Darüber hinaus führte der 10BASE-T- Standard einen Vollduplex- Betriebsmodus ein, der bei Fast Ethernet üblich wurde und bei Gigabit Ethernet zum De-facto-Standard wurde . Bei Vollduplex können Switch und Station gleichzeitig senden und empfangen, daher sind moderne Ethernets völlig kollisionsfrei.
- Vergleich zwischen ursprünglichem Ethernet und modernem Ethernet
Die ursprüngliche Ethernet-Implementierung: Shared Medium, kollisionsanfällig. Alle Computer, die zu kommunizieren versuchen, teilen sich dasselbe Kabel und konkurrieren so miteinander.
Moderne Ethernet-Implementierung: geschaltete Verbindung, kollisionsfrei. Jeder Rechner kommuniziert nur mit seinem eigenen Switch, ohne Konkurrenz um das Kabel mit anderen.
Repeater und Hubs
Aus Gründen der Signalverschlechterung und des Timings haben koaxiale Ethernet-Segmente eine beschränkte Größe. Etwas größere Netzwerke können durch den Einsatz eines Ethernet-Repeaters aufgebaut werden . Frühe Repeater hatten nur zwei Ports, was höchstens eine Verdoppelung der Netzwerkgröße ermöglichte. Als Repeater mit mehr als zwei Ports verfügbar wurden, war es möglich, das Netzwerk in einer Sterntopologie zu verdrahten . Frühe Experimente mit Sterntopologien ( Fibernet genannt ) unter Verwendung von Glasfasern wurden 1978 veröffentlicht.
Gemeinsam genutztes Kabel-Ethernet ist in Büros immer schwer zu installieren, da seine Bustopologie im Widerspruch zu den Kabelplänen mit Sterntopologie steht, die in Gebäuden für die Telefonie ausgelegt sind. Die Anpassung von Ethernet an die bereits in Geschäftsgebäuden installierte Twisted-Pair-Telefonverkabelung bot eine weitere Möglichkeit, Kosten zu senken, die installierte Basis zu erweitern und das Gebäudedesign zu nutzen, und daher war Twisted-Pair-Ethernet Mitte der 1980er Jahre die nächste logische Entwicklung.
Ethernet auf ungeschirmten Twisted-Pair-Kabeln (UTP) begann Mitte der 1980er Jahre mit StarLAN bei 1 Mbit/s. 1987 führte SynOptics das erste Twisted-Pair-Ethernet mit 10 Mbit/s in einer sternförmigen Verkabelungstopologie mit einem zentralen Hub ein, später LattisNet genannt . Diese entwickelten sich zu 10BASE-T, das nur für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen entwickelt wurde, und die gesamte Terminierung wurde in das Gerät integriert. Dadurch wurden Repeater von einem Spezialgerät, das im Zentrum großer Netzwerke verwendet wird, zu einem Gerät, das jedes Twisted-Pair-basierte Netzwerk mit mehr als zwei Geräten verwenden musste. Die daraus resultierende Baumstruktur erleichterte die Wartung von Ethernet-Netzwerken, indem verhindert wurde, dass die meisten Fehler bei einem Peer oder dem zugehörigen Kabel andere Geräte im Netzwerk beeinträchtigen.
Trotz der physikalischen Sterntopologie und des Vorhandenseins separater Sende- und Empfangskanäle in den Twisted-Pair- und Glasfasermedien verwenden Repeater-basierte Ethernet-Netzwerke immer noch Halbduplex und CSMA/CD mit nur minimaler Aktivität durch den Repeater, hauptsächlich der Erzeugung von Jam Signal im Umgang mit Paketkollisionen. Jedes Paket wird an jeden anderen Port des Repeaters gesendet, sodass Bandbreiten- und Sicherheitsprobleme nicht angegangen werden. Der Gesamtdurchsatz des Repeaters ist auf den einer einzelnen Verbindung begrenzt, und alle Verbindungen müssen mit der gleichen Geschwindigkeit arbeiten.
Überbrücken und Schalten
Während Repeater einige Aspekte von Ethernet-Segmenten isolieren können , wie z. B. Kabelbrüche, leiten sie dennoch den gesamten Datenverkehr an alle Ethernet-Geräte weiter. Das gesamte Netzwerk ist eine Kollisionsdomäne , und alle Hosts müssen in der Lage sein, überall im Netzwerk Kollisionen zu erkennen. Dies begrenzt die Anzahl der Repeater zwischen den am weitesten entfernten Knoten und schafft praktische Grenzen dafür, wie viele Maschinen in einem Ethernet-Netzwerk kommunizieren können. Segmente, die durch Repeater verbunden sind, müssen alle mit der gleichen Geschwindigkeit arbeiten, was schrittweise Upgrades unmöglich macht.
Um diese Probleme zu lindern, wurde Bridging geschaffen, um auf der Sicherungsschicht zu kommunizieren und gleichzeitig die physikalische Schicht zu isolieren. Beim Bridging werden nur wohlgeformte Ethernet-Pakete von einem Ethernet-Segment zum anderen weitergeleitet; Kollisionen und Paketfehler werden isoliert. Beim ersten Start funktionieren Ethernet-Bridges ähnlich wie Ethernet-Repeater und leiten den gesamten Datenverkehr zwischen den Segmenten weiter. Durch Beobachten der Quelladressen eingehender Frames baut die Brücke dann eine Adresstabelle auf, die Adressen Segmenten zuordnet. Sobald eine Adresse gelernt wurde, leitet die Bridge den für diese Adresse bestimmten Netzwerkverkehr nur an das zugehörige Segment weiter, wodurch die Gesamtleistung verbessert wird. Broadcast- Datenverkehr wird weiterhin an alle Netzwerksegmente weitergeleitet. Bridges überwinden auch die Beschränkungen für Gesamtsegmente zwischen zwei Hosts und ermöglichen das Mischen von Geschwindigkeiten, die beide für die schrittweise Bereitstellung schnellerer Ethernet-Varianten entscheidend sind.
1989 stellte Motorola Codex seinen 6310 EtherSpan und Kalpana seinen EtherSwitch vor; Dies waren Beispiele für die ersten kommerziellen Ethernet-Switches. Frühe Switches wie dieser verwendeten Cut-Through-Switching , bei dem nur der Header des eingehenden Pakets untersucht wird, bevor es entweder verworfen oder an ein anderes Segment weitergeleitet wird. Dies reduziert die Weiterleitungslatenz. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es nicht ohne weiteres eine Mischung verschiedener Verbindungsgeschwindigkeiten zulässt. Ein weiterer Grund ist, dass Pakete, die beschädigt wurden, immer noch über das Netzwerk verbreitet werden. Die letztendliche Abhilfe war eine Rückkehr zum ursprünglichen Store-and-Forward- Ansatz des Bridging, bei dem das Paket vollständig in einen Puffer auf dem Switch eingelesen, seine Frame-Check-Sequenz überprüft und erst dann das Paket weitergeleitet wird. In modernen Netzwerkgeräten wird dieser Prozess normalerweise mithilfe anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise durchgeführt, die es ermöglichen, Pakete mit Leitungsgeschwindigkeit weiterzuleiten .
Wenn ein Twisted-Pair- oder Glasfaserverbindungssegment verwendet wird und keines der beiden Enden mit einem Repeater verbunden ist, wird Vollduplex- Ethernet über dieses Segment möglich. Im Vollduplex-Modus können beide Geräte gleichzeitig miteinander senden und empfangen, und es gibt keine Kollisionsdomäne. Dadurch verdoppelt sich die aggregierte Bandbreite der Verbindung und wird manchmal als doppelte Verbindungsgeschwindigkeit beworben (z. B. 200 Mbit/s für Fast Ethernet). Die Eliminierung der Kollisionsdomäne für diese Verbindungen bedeutet auch, dass die gesamte Bandbreite der Verbindung von den beiden Geräten in diesem Segment verwendet werden kann und dass die Segmentlänge nicht durch die Einschränkungen der Kollisionserkennung begrenzt ist.
Da Pakete normalerweise nur an den Port geliefert werden, für den sie bestimmt sind, ist der Datenverkehr auf einem geswitchten Ethernet weniger öffentlich als auf einem Shared-Medium-Ethernet. Trotzdem ist Switched Ethernet nach wie vor als unsichere Netzwerktechnologie anzusehen, da Switched-Ethernet-Systeme beispielsweise durch ARP-Spoofing und MAC-Flooding leicht unterwandert werden können .
Die Bandbreitenvorteile, die verbesserte Isolierung von Geräten voneinander, die Möglichkeit, verschiedene Geschwindigkeiten von Geräten einfach zu mischen und die Eliminierung der Verkettungsbeschränkungen, die dem nicht geswitchten Ethernet innewohnen, haben das geswitchte Ethernet zur dominierenden Netzwerktechnologie gemacht.
Erweiterte Vernetzung
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Einfach geswitchte Ethernet-Netzwerke sind zwar eine große Verbesserung gegenüber Repeater-basiertem Ethernet, leiden jedoch unter Single Points of Failure, Angriffen, die Switches oder Hosts dazu verleiten, Daten an eine Maschine zu senden, auch wenn diese nicht dafür bestimmt sind, Skalierbarkeits- und Sicherheitsprobleme in Bezug auf Schaltschleifen , Rundfunkstrahlung und Multicast- Verkehr.
Erweiterte Netzwerkfunktionen in Switches verwenden Shortest Path Bridging (SPB) oder das Spanning Tree Protocol (STP), um ein schleifenfreies, vermaschtes Netzwerk aufrechtzuerhalten, das physische Schleifen für Redundanz (STP) oder Lastausgleich (SPB) ermöglicht. Shortest Path Bridging umfasst die Verwendung des Link-State-Routing-Protokolls IS-IS , um größere Netzwerke mit kürzesten Pfadrouten zwischen Geräten zu ermöglichen.
Erweiterte Netzwerkfunktionen gewährleisten auch die Portsicherheit, bieten Schutzfunktionen wie MAC-Sperre und Broadcast-Strahlungsfilterung, verwenden VLANs , um verschiedene Benutzerklassen getrennt zu halten, während dieselbe physische Infrastruktur verwendet wird, verwenden Multilayer-Switching , um zwischen verschiedenen Klassen zu routen, und verwenden Link Aggregation Fügen Sie überlasteten Verbindungen Bandbreite hinzu und stellen Sie eine gewisse Redundanz bereit.
Im Jahr 2016 ersetzte Ethernet InfiniBand als beliebteste Systemverbindung von TOP500- Supercomputern.
Sorten
Die physische Ethernet-Schicht hat sich über einen beträchtlichen Zeitraum entwickelt und umfasst koaxiale, verdrillte und faseroptische physische Medienschnittstellen mit Geschwindigkeiten von 1 Mbit/s bis 400 Gbit/s . Die erste Einführung von Twisted-Pair-CSMA/CD war StarLAN , standardisiert als 802.3 1BASE5. Während 1BASE5 eine geringe Marktdurchdringung hatte, definierte es den physischen Apparat (Kabel, Stecker/Buchse, Pinbelegung und Verdrahtungsplan), der über 10GBASE-T auf 10BASE-T übertragen werden würde.
Die am häufigsten verwendeten Formen sind 10BASE-T, 100BASE-TX und 1000BASE-T . Alle drei verwenden Twisted-Pair-Kabel und modulare 8P8C-Anschlüsse . Sie laufen mit 10 Mbit/s , 100 Mbit/s bzw. 1 Gbit/s .
Glasfaservarianten von Ethernet (die üblicherweise SFP-Module verwenden ) sind auch in größeren Netzwerken sehr beliebt und bieten eine hohe Leistung, eine bessere elektrische Isolierung und eine größere Entfernung (bei einigen Versionen mehrere zehn Kilometer). Im Allgemeinen funktioniert die Netzwerkprotokoll-Stack- Software auf allen Varianten ähnlich.
Rahmenstruktur
In IEEE 802.3 wird ein Datagramm als Paket oder Rahmen bezeichnet . Paket wird verwendet, um die gesamte Übertragungseinheit zu beschreiben und enthält die Präambel , den Startrahmenbegrenzer (SFD) und die Trägererweiterung (falls vorhanden). Der Frame beginnt nach dem Start-Frame-Delimiter mit einem Frame-Header mit Quell- und Ziel-MAC-Adressen und dem EtherType-Feld, das entweder den Protokolltyp für das Nutzdatenprotokoll oder die Länge der Nutzdaten angibt. Der mittlere Abschnitt des Frames besteht aus Nutzlastdaten, einschließlich etwaiger Header für andere Protokolle (z. B. Internet Protocol), die im Frame transportiert werden. Der Frame endet mit einer zyklischen 32-Bit-Redundanzprüfung , die verwendet wird, um eine Beschädigung von Daten während der Übertragung zu erkennen . Insbesondere haben Ethernet-Pakete kein Time-to-Live-Feld , was zu möglichen Problemen beim Vorhandensein einer Schaltschleife führt.
Auto-Negotiation
Autonegotiation ist das Verfahren, bei dem zwei verbundene Geräte gemeinsame Übertragungsparameter auswählen, z. B. Geschwindigkeit und Duplexmodus. Autonegotiation war ursprünglich eine optionale Funktion, die erstmals mit 100BASE-TX eingeführt wurde, während sie auch mit 10BASE-T abwärtskompatibel ist. Autonegotiation ist für 1000BASE-T und schneller obligatorisch.
Fehlerbedingungen
Schaltschleife
Eine Schaltschleife oder Brückenschleife tritt in Computernetzwerken auf , wenn es mehr als einen Layer-2- Pfad ( OSI-Modell ) zwischen zwei Endpunkten gibt (z. B. mehrere Verbindungen zwischen zwei Netzwerk-Switches oder zwei Ports auf demselben Switch, die miteinander verbunden sind). Die Schleife erzeugt Broadcast-Stürme , da Broadcasts und Multicasts von Switches an jeden Port weitergeleitet werden , der Switch oder die Switches wiederholt die Broadcast-Nachrichten, die das Netzwerk überfluten. Da der Layer-2-Header keinen TTL-Wert ( Time to Live ) unterstützt, kann ein Frame, der in eine Schleifentopologie gesendet wird, für immer in einer Schleife ausgeführt werden.
Eine physische Topologie, die Switching- oder Bridge-Loops enthält, ist aus Redundanzgründen attraktiv, ein Switched-Netzwerk darf jedoch keine Loops haben. Die Lösung besteht darin, physische Schleifen zuzulassen, aber eine schleifenfreie logische Topologie mit dem SPB-Protokoll oder dem älteren STP auf den Netzwerk-Switches zu erstellen.
Quasseln
Ein Teilnehmer, der länger als das maximale Übertragungsfenster für ein Ethernet-Paket sendet, wird als Jabber betrachtet . Je nach physikalischer Topologie unterscheiden sich Jabber-Erkennung und Abhilfe etwas.
- Eine MAU ist erforderlich, um ungewöhnlich lange Übertragungen von der DTE (länger als 20–150 ms) zu erkennen und zu stoppen, um eine dauerhafte Netzwerkunterbrechung zu verhindern.
- Auf einem elektrisch gemeinsam genutzten Medium (10BASE5, 10BASE2, 1BASE5) kann Jabber nur von jedem Endknoten erkannt werden, wodurch der Empfang gestoppt wird. Eine weitere Abhilfe ist nicht möglich.
- Ein Repeater/Repeater-Hub verwendet einen Jabber-Timer, der die erneute Übertragung an die anderen Ports beendet, wenn er abläuft. Der Timer läuft für 25.000 bis 50.000 Bitzeiten für 1 Mbit/s, 40.000 bis 75.000 Bitzeiten für 10 und 100 Mbit/s und 80.000 bis 150.000 Bitzeiten für 1 Gbit/s. Jabbering-Ports werden vom Netzwerk getrennt, bis kein Träger mehr erkannt wird.
- Endknoten, die eine MAC-Schicht verwenden, erkennen normalerweise einen übergroßen Ethernet-Frame und stellen den Empfang ein. Eine Bridge/Switch leitet den Frame nicht weiter.
- Eine uneinheitliche Rahmengrößenkonfiguration im Netzwerk, das Jumbo-Rahmen verwendet , kann von Endknoten als Jabber erkannt werden.
- Ein Paket, das von einem Upstream-Repeater als Jabber erkannt und anschließend abgeschnitten wird, hat eine ungültige Frame-Check-Sequenz und wird verworfen.
Runt-Frames
- Runts sind Pakete oder Frames, die kleiner als die zulässige Mindestgröße sind. Sie werden fallen gelassen und nicht weitergegeben.
Siehe auch
Anmerkungen
Verweise
Weiterlesen
- Digital Equipment Corporation; Intel Corporation; Xerox Corporation (September 1980). "Das Ethernet: Ein lokales Netzwerk" . ACM SIGCOMM Überprüfung der Computerkommunikation . 11 (3): 20. doi : 10.1145/1015591.1015594 . S2CID 31441899 .Version 1.0 der DIX-Spezifikation.
- „Ethernet-Technologien“ . Handbuch der Internetworking-Technologie . Cisco-Systeme . Abgerufen am 11. April 2011 .
- Charles E. Spurgeon (2000). Ethernet: Der endgültige Leitfaden . O’Reilly Media. ISBN 978-1565-9266-08.
- Yogen Dalal. „Ethernet-Geschichte“ . bloggen .