Ethernet – dies ist der beliebteste Standard für kabelgebundene Netzwerke, der in modernen Computernetzen weit verbreitet ist. Es ermöglicht die Datenübertragung zwischen Geräten wie Computern, Servern, Routern und Switches. Ursprünglich wurde Ethernet für den Einsatz in lokalen Netzwerken (LAN) entwickelt, aber jetzt wird es auch in WAN-Netzwerken (Wide Area Networks) und im Internetzugriff verwendet.
Das Grundprinzip eines Ethernet-Netzwerks besteht darin, spezielle physische und logische Datenübertragungsumgebungen wie Twisted-Pair-, Glasfaser- oder Koaxialkabel sowie Protokolle für die Datenübertragung zu verwenden.
Es gibt mehrere grundlegende Ethernet-Übertragungsprotokolle. Eines der gebräuchlichsten ist das Ethernet II–Protokoll oder einfach Ethernet. Es definiert das Format des Datenrahmens, der über das Netzwerk übertragen wird. Ein Ethernet-Frame enthält die Adressen des Sendeortes und die Adressen des Ziels sowie die direkt übertragenen Daten. Die Länge des Ethernet-Rahmens ist auf 1.518 Bytes begrenzt, wobei die Mindestlänge 64 Bytes beträgt.
Ein weiteres gebräuchliches Protokoll für die Datenübertragung zu Ethernet ist das IEEE 802.3-Protokoll. Es basiert auf dem Ethernet-Standard, weist jedoch einige Unterschiede auf, die es ermöglichen, in einer breiteren Palette von Anwendungen verwendet zu werden. IEEE 802-Protokoll.3 definiert auch das Format des Datenrahmens, hat jedoch eine flexiblere Struktur und ermöglicht die Übertragung von Daten mit höheren Geschwindigkeiten.
Funktionsweise des Ethernet-Netzwerks
Jedes Gerät in einem Ethernet-Netzwerk hat eine eindeutige Netzwerkadresse, die als MAC-Adresse bezeichnet wird. Diese Adresse wird verwendet, um jedes Gerät im Netzwerk zu identifizieren und die genaue Adressierung bei der Datenübertragung sicherzustellen.
Die Übertragung von Daten in einem Ethernet–Netzwerk basiert auf dem CSMA/CD-Protokoll (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) (Mehrfachzugriff mit Trägerüberwachung und Kollisionserkennung). Alle Geräte im Ethernet-Netzwerk haben die gleichen Übertragungsrechte und überwachen den Status der Übertragungsleitung. Wenn das Netzwerk frei ist, beginnt das Gerät mit der Datenübertragung. Wenn ein anderes Gerät gleichzeitig mit der Übertragung beginnt, kommt es zu Kollisionen und beide Geräte stoppen die Übertragung. Jedes Gerät wählt dann nach dem Zufallsprinzip das Timeout aus und versucht die Übertragung erneut.
Es wird ein spezielles Kabel verwendet, das als Twisted Pair bezeichnet wird, um Daten über ein Ethernet-Netzwerk zu übertragen. Das Twisted-Pair-Kabel besteht aus vier separaten Leitern, die miteinander verbunden sind, um Störungen durch externe Quellen zu reduzieren. Jedes Leiterpaar wird verwendet, um Daten in eine von zwei Richtungen zu übertragen.
Definition und Geschichte
Das Ethernet-Netzwerk basiert auf dem zugrunde liegenden Protokoll, das als IEEE 802.3 bekannt ist. Es definiert die physische und logische Schnittstelle für die Verbindung von Geräten sowie die Art und Weise, wie Daten übertragen werden. Heute unterstützt Ethernet verschiedene Standards und Datenraten, darunter Fast Ethernet (100 Mbit/s), Gigabit Ethernet (1 Gbit/s) und 10-Gigabit Ethernet (10 Gbit/s).
Die Geschichte der Entwicklung von Ethernet ist mit den ständig steigenden Anforderungen an die Datenübertragungsgeschwindigkeit verbunden. Die ursprüngliche Ethernet-Version lief mit 2,94 Mbit/s, was für die Übertragung von Textinformationen ausreichend schien. Mit dem Aufkommen von komplexeren und umfangreicheren Daten, wie Videos und Grafiken, ist das alte Ethernet jedoch zu langsam geworden.
Als Reaktion darauf wurden neue Versionen von Ethernet mit höheren Datenraten entwickelt. Die heutigen Ethernet-Standards bieten Datenraten von bis zu 10 Gbit/s und ermöglichen die Übertragung großer Datenmengen, einschließlich hochauflösendem Video und Streaming.
Struktur und Topologie
Das Ethernet-Netzwerk basiert auf dem CSMA/CD–Prinzip (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Dies bedeutet, dass alle Geräte im Netzwerk die gleichen Zugriffsrechte für die Datenübertragungsumgebung haben und gleichzeitig Informationen hören und übertragen können. Wenn Daten übertragen werden, prüft das Netzwerkgerät, ob ein Signal an der Leitung vorhanden ist, und beginnt, wenn es nicht vorhanden ist, die Daten zu übertragen. Wenn zwei Geräte gleichzeitig mit der Übertragung beginnen und eine Kollision auftritt, stoppen beide die Übertragung und warten auf ein zufälliges Zeitintervall, bevor sie es erneut versuchen.
Die Ethernet-Netzwerktopologie kann unterschiedlich sein, aber die häufigsten sind sternförmige und Bustopologien.
Sternförmige Topologie
In einer sternförmigen Topologie sind alle Computer an ein zentrales Gerät wie einen Switch oder einen Router angeschlossen. Dadurch können Sie das Netzwerk bequem verwalten, da jedes Gerät unabhängig vom Netzwerk angeschlossen oder getrennt werden kann, ohne dass es andere Computer beeinträchtigt. Wenn das zentrale Gerät jedoch ausfällt, verlieren alle Computer die Kommunikationsfähigkeit.
Bus-Topologie
In einer Bus-Topologie sind alle Computer mit demselben Bus verbunden, über den Daten übertragen werden. Der Bus ist ein einzelner Fehlerpunkt, denn wenn er ausfällt, verlieren alle Computer die Kommunikationsfähigkeit. Die Bustopologie wird in kleinen Netzwerken verwendet, in denen eine minimale Anzahl von Kabeln und Geräten erforderlich ist.
Es ist wichtig sich daran zu erinnern, dass Ethernet die am weitesten verbreitete Netzwerkkommunikationstechnologie ist und weltweit für die Datenübertragung verwendet wird. Wenn Sie die Struktur und Topologie eines Ethernet-Netzwerks kennen, können Sie die grundlegenden Prinzipien des Netzwerks und die Art und Weise, wie es organisiert wird, verstehen.
Spezifikationen und Standards
IEEE 802.3 ist ein Standard, der die grundlegenden Parameter und Eigenschaften eines Ethernet-Netzwerks definiert. Es enthält eine Familie von Protokollen und Unterebenen, die definieren, wie Daten über das Netzwerk übertragen werden und wie Informationen auf jeder Ebene verarbeitet werden.
Das primäre Ethernet-Datenübertragungsprotokoll ist das CSMA/CD-Protokoll (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), das auf dem Prinzip des zufälligen Zugriffs basiert. Gemäß dem CSMA/CD-Protokoll übertragen Netzwerkgeräte Daten nur dann an das Netzwerkkabel, wenn der Äther frei ist. Wenn eine Kollision auftritt, erkennen die Geräte diese Kollision und warten eine zufällige Zeitspanne ab, bevor sie die Datenübertragung erneut versuchen.
Die IEEE 802.3-Spezifikationen definieren auch die Übertragungsmodi. Die bekanntesten Modi sind Halbduplex und Vollduplex. Im Halbduplex-Modus werden die Daten zu jedem Zeitpunkt in eine Richtung übertragen, was zu Kollisionen führt und die Netzwerkeffizienz beeinträchtigt. In Vollduplex ist die gleichzeitige Datenübertragung in beide Richtungen ohne Kollisionen möglich.
Eine weitere Spezifikation, die den Betrieb von Ethernet definiert, ist die RJ-45-Spezifikation. Der RJ-45 ist ein physischer Anschluss, der zum Anschließen von Computern und anderen Geräten an ein Ethernet-Netzwerk verwendet wird. Dieser Anschluss hat acht Pins, von denen jeder für eine bestimmte Funktion reserviert ist. Es bietet eine zuverlässige Verbindung und Datenübertragung zwischen Computern und Netzwerkgeräten.
Alle diese Spezifikationen und Standards spielen eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung der Kompatibilität und Zuverlässigkeit von Ethernet. Dadurch können Ethernet-Netzwerke effizient arbeiten und eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung ermöglichen.
| Spezifikation/Standard | Die Beschreibung |
|---|---|
| IEEE 802.3 | Ein Standard, der grundlegende Parameter und Eigenschaften eines Ethernet-Netzwerks definiert |
| CSMA/CD | Das in Ethernet verwendete Datenübertragungsprotokoll basiert auf zufälligem Zugriff |
| Halbduplexbetrieb | Datenübertragungsmodus, bei dem Daten zu jedem Zeitpunkt nur in eine Richtung übertragen werden können |
| Vollduplex-Modus | Datenübertragungsmodus, bei dem die gleichzeitige bidirektionale Kommunikation ohne Kollisionen möglich ist |
| RJ-45 | Ein physischer Anschluss, der zum Anschließen von Computern und Geräten an ein Ethernet-Netzwerk verwendet wird |
Rahmenformat und Datenübertragungsmethoden
Das Ethernet-Netzwerk verwendet ein spezielles Rahmenformat für die Datenübertragung. Ein Ethernet-Frame besteht aus mehreren Feldern, von denen jedes eine bestimmte Funktion erfüllt.
- Präambel – die ersten 7 Bytes des Rahmens, dient zum Synchronisieren des Senders und des Empfängers.
- Adresse des Empfängers (Destination MAC Address) - enthält die MAC-Adresse des Geräts, für das dieser Rahmen bestimmt ist.
- Absenderadresse (Source MAC Address) - enthält die MAC-Adresse des Geräts, von dem das Bild gesendet wurde.
- Protokolltyp - gibt an, welches Protokoll zur Verarbeitung von Daten in einem Datenfeld verwendet werden soll.
- Datenfeld (Data) - enthält die tatsächlich übertragenen Daten.
- Prüfsummenfeld (CRC) - wird verwendet, um die Integrität des Rahmens während der Übertragung zu überprüfen.
Es gibt verschiedene Methoden für die Datenübertragung in einem Ethernet-Netzwerk:
- CSMA/CD-Methode (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - geräte, die Daten übertragen möchten, hören zuerst auf den Zustand der Übertragungsumgebung und prüfen, ob sie frei ist. Wenn die Umgebung frei ist, beginnt das Gerät mit der Datenübertragung. Wenn eine Kollision erkannt wird (wenn zwei oder mehr Geräte gleichzeitig mit der Übertragung beginnen), beenden alle Geräte die Übertragung und wechseln in den Standby-Modus für zufällige Zeit.
- Halbduplex-Übertragungsmethode - die Geräte können Daten zu einem bestimmten Zeitpunkt nur in eine Richtung übertragen. Der Empfang und die Datenübertragung erfolgen abwechselnd.
- Vollduplex-Übertragungsmethode - die Geräte können Daten gleichzeitig in beide Richtungen übertragen, ohne Kollisionsfähigkeit.
Aufgrund des Rahmenformats und der Datenübertragungsmethoden hat sich das Ethernet-Netzwerk zur Grundlage vieler Netzwerktechnologien entwickelt und ist der am häufigsten verwendete Netzwerkkommunikationsstandard.
Grundlegende Datenübertragungsprotokolle
- IP (Internet Protocol) - das Hauptprotokoll des Internets. Er ist für die Verpackung und Adressierung der Daten vor der Übermittlung verantwortlich.
- TCP (Transmission Control Protocol) - TCP/IP-Stapelprotokoll, das eine zuverlässige Datenübertragung ermöglicht. Es stellt eine Verbindung her, überprüft die Datenintegrität und bietet die Kontrolle über den Fluss.
- UDP (User Datagram Protocol) - ein weiteres TCP/IP-Stapelprotokoll, das die Datenübertragung ohne Zuverlässigkeit ermöglicht. Es ist schneller und belastbarer als TCP, garantiert jedoch keine Datenzustellung und -kontrolle.
- ARP (Address Resolution Protocol) - ein Protokoll, das verwendet wird, um die physische Adresse (MAC-Adresse) eines Netzwerkgeräts basierend auf seiner IP-Adresse zu bestimmen.
- ICMP (Internet Control Message Protocol) - ein Protokoll, das zum Senden von Kontrollmeldungen und zur Erkennung von Netzwerkfehlern verwendet wird. Zum Beispiel kann ICMP verwendet werden, um Fehlermeldungen zu senden, wenn ein Datenpaket nicht übermittelt werden kann.
Jedes dieser Protokolle erfüllt seine spezifische Rolle bei der Datenübertragung in Ethernet-Netzwerken. Sie kommunizieren miteinander und gewährleisten die Zuverlässigkeit, Effizienz und Sicherheit des Netzwerks.
Vor- und Nachteile
Das Ethernet-Netzwerk hat eine Reihe von Vorteilen, die es zu einem der beliebtesten Netzwerkdatenübertragungsprotokolle machen:
| Vorteile | Nachteile |
| Hoher Durchsatz | Begrenzte Netzwerksegmentlänge |
| Relativ niedrige Kosten | Möglichkeit von Kollisionen |
| Einfache Installation und Konfiguration | Implizite Garantie für die Paketzustellung |
| Weit verbreitet und kompatibel mit anderen Geräten | Anfälligkeit für Sicherheitsangriffe |
| Unterstützung verschiedener Kabeltypen | Begrenzte Anzahl von Geräten in einem Netzwerksegment |
Die Vorteile des Ethernet-Netzwerks machen es zu einer idealen Wahl für den Heimgebrauch und kleine Büros, in denen hohe Datenübertragungsraten, Zuverlässigkeit und einfache Installation erforderlich sind. Die Einschränkungen des Ethernet-Netzwerks können jedoch für große Unternehmen oder Netzwerke mit hoher Gerätedichte zu einem Problem werden.
