+ Ethernet im AppleTalk-Protokollstapel (EtherTalk) Anwendung AFP ADSP Management ZIP ASP NBP RTMP AEP Transport ATP Internet DDP Netzzugang ELAP AARP Ethernet
Ethernet ([] oder englisch []) ist eine Technik, die Software (Protokolle usw.) und Hardware (Kabel, Verteiler, Netzwerkkarten usw.) für kabelgebundene Datennetze spezifiziert, welche ursprünglich für lokale Datennetze (LANs) gedacht war und daher auch als LAN-Technik bezeichnet wird. Sie ermöglicht den Datenaustausch in Form von Datenframes zwischen den in einem lokalen Netz (LAN) angeschlossenen Geräten (Computer, Drucker und dergleichen). Derzeit sind Übertragungsraten von 1, 10, 100 Megabit/s (Fast-Ethernet), 1000 Megabit/s (Gigabit-Ethernet), 2,5, 5, 10, 25, 40, 50, 100, 200 und 400 Gigabit/s spezifiziert, 800 Gigabit/s und 1,6 Terabit/s werden entwickelt. In seiner ursprünglichen Form erstreckt sich das LAN dabei nur über ein Gebäude; Ethernet-Standard-Varianten über Glasfaser haben eine Link-Reichweite von bis zu 80 km, proprietäre auch mehr.
Die Ethernet-Protokolle umfassen Festlegungen für Kabeltypen und Stecker sowie für Übertragungsformen (Signale auf der Bitübertragungsschicht, Paketformate). Im OSI-Modell ist mit Ethernet sowohl die physische Schicht (OSI Layer 1) als auch die Data-Link-Schicht (OSI Layer 2) festgelegt. Ethernet entspricht weitestgehend der IEEE-Norm 802.3. Es wurde ab den 1990ern zur meistverwendeten LAN-Technik und hat andere LAN-Standards wie Token Ring verdrängt oder, wie im Falle von ARCNET in Industrie- und Fertigungsnetzen oder FDDI in hoch verfügbaren Netzwerken, zu Nischenprodukten für Spezialgebiete gemacht. Ethernet kann die Basis für Netzwerkprotokolle, wie z. B. AppleTalk, DECnet, IPX/SPX und TCP/IP, bilden.
Für Anwendungen, in denen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Kommunikation gestellt werden, kommt Echtzeit-Ethernet zum Einsatz.J. Jasperneite: Echtzeit-Ethernet im Überblick, atp 3/2005, S. 29–34, .
Begriff Der englische Begriff Ethernet setzt sich zusammen aus ether (Äther) und net (kurz für network – Netz oder Netzwerk). Der Äther ist hierbei eine Metapher für ein passives Übertragungsmedium, über das alle Kommunikationsknoten per Broadcast (Rundruf) erreicht werden und das keiner zentralen Steuerung unterliegt. In der ursprünglichen Implementierung stand der Äther für ein Koaxialkabel, an das alle Knoten des Netzes angeschlossen sind.
Geschichte Ethernet wurde am Xerox Palo Alto Research Center (PARC) entwickelt und lehnte sich am gemischten ALOHAnet an, das auch Funkstrecken von Insel zu Insel umfasste. Robert Metcalfe bezeichnete 1973 auf einem Memo zwei Strecken als Telephone Ether und Radio Ether.
Die erste Version arbeitete mit 3 Mbit/s, deutlich schneller als serielle Verbindungen, mit denen man bis dahin Rechner und Terminals verbunden hatte. 1976 veröffentlichten Metcalfe und sein Assistent David Boggs einen Artikel mit dem Titel Das Patent 4063220 wurde 1977 erteilt.
Metcalfe verließ Xerox 1979 und gründete die Firma 3Com. Er überzeugte DEC, Intel und Xerox mit ihm zusammenzuarbeiten, um Ethernet zum Standard zu machen. Ihre erste Ethernet-Version 1 wurde ab 1980 vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) in der Arbeitsgruppe 802 weiterentwickelt. Ursprünglich war nur ein LAN-Standard für Übertragungsraten zwischen 1 und 20 Mbit/s geplant. Ebenfalls 1980 kam noch eine sogenannte „Token-Access-Methode“ hinzu. Ab 1981 verfolgte das IEEE drei verschiedene Techniken: CSMA/CD (802.3), Token Bus (802.4) und Token Ring (802.5), wovon die letzten beiden bald in einer wahren Flut von Ethernet-Produkten untergingen. 3Com wurde dabei ein großes Unternehmen.
Die Arbeiten am „Cheapernet“-Standard (10BASE2) wurden im Juni 1983 veröffentlicht. Zur gleichen Zeit begann die Arbeit an den Spezifikationen für Ethernet-on-Broadband (10BROAD36) und für StarLAN (1BASE5). Als 1985 der Ethernet-Standard auch als internationaler Standard ISO/DIS 8802/3 veröffentlicht wurde, wurde er binnen kurzer Zeit von über 100 Herstellerfirmen unterstützt. 1986 begannen einige kleinere Firmen mit der Übertragung von Daten im Ethernet-Format auf Vierdrahtleitungen aus dem Telefonbereich (CAT-3). Danach verstärkte das IEEE seine Aktivitäten in den Gebieten Ethernet-over-Twisted Pair, was 1991 zum Standard 10BASE-T wurde, sowie Ethernet auf Glasfaserkabeln, was 1992 zu den 10BASE-F-Standards (F für Fibre-Optics) führte. Mitte der 1990er Jahre kam es zu einem Tauziehen um den Nachfolge-Standard; auf der einen Seite standen AT&T und HP, die eine technisch elegantere Lösung nach IEEE 802.12 (100BASE-VG) anstrebten, auf der anderen Seite standen die Hersteller der Fast Ethernet Alliance, bestehend aus ca. 35 namhaften Firmen wie Bay Networks, 3Com, Intel, SUN, Novell usw., die 100 Mbit/s nach dem altbewährten IEEE-802.3-Standard propagierten.
Letztendlich wurde 1995 der 100-Mbit/s-Standard für Ethernet auf Bestreben der gemäß IEEE 802.3u verabschiedet, etwa gleichzeitig mit dem Standard für ein Wireless-LAN mit der Bezeichnung 802.11. Inzwischen nehmen die Arbeiten am 10-Gbit/s-Ethernet und am (EFM) statt des rein lokalen Betriebs bereits Universitäts- und Stadtnetze ins Visier.
In der Form des Industrial Ethernet findet der Ethernet-Verkabelungsstandard heutzutage immer mehr auch in industriellen Fertigungsanlagen Anwendung. Die weltweite Vernetzung und die dadurch wachsenden Anforderungen an die Datenübertragung – nicht nur für berufliche, sondern auch für private Zwecke – hat dazu geführt, dass auch in Privatgebäuden und sogar Kreuzfahrtschiffen leistungsfähige Netzwerke installiert werden.
Robert Metcalfe wurde für seine Verdienste um die Entwicklung des Ethernets im Jahr 2003 die „National Medal of Technology“ verliehen.
Am 21. März 2019 wurde beim DE-CIX als erstem Internetknoten weltweit 400-Gbit/s-Ethernet angeboten.
Bitübertragungsschicht Ethernet basiert auf der Idee, dass die Teilnehmer eines LANs Nachrichten durch Hochfrequenz übertragen, allerdings nur innerhalb eines gemeinsamen Leitungsnetzes. Jede Netzwerkschnittstelle hat einen global eindeutigen 48-Bit-Schlüssel, der als MAC-Adresse bezeichnet wird. (Tatsächlich werden MAC-Adressen teilweise mehrfach ausgegeben, aber die Hersteller versuchen durch geografische Trennungen lokale Kollisionen zu vermeiden.) Da MAC-Adressen modifizierbar sind, muss man darauf achten, keine doppelten Adressen im selben Netz zu verwenden, da es sonst zu Fehlern kommt. Ethernet überträgt die Daten auf dem Übertragungsmedium im sogenannten Basisbandverfahren und in digitalem Zeitmultiplex.
CSMA/CD-Algorithmus
Ein Algorithmus mit dem Namen „“ (CSMA/CD) regelt den Zugriff der Systeme auf das gemeinsame Medium. Es ist eine Weiterentwicklung des ALOHAnet-Protokolls, das in den 1970er-Jahren auf Hawaii zum Einsatz kam.
In der Praxis funktioniert dieser Algorithmus bildlich wie eine Diskussionsrunde ohne Moderator, auf der alle Gäste ein gemeinsames Medium (die Luft) benutzen, um miteinander zu sprechen. Bevor sie zu sprechen beginnen, warten sie höflich darauf, dass der andere Gast zu reden aufgehört hat. Wenn zwei Gäste zur gleichen Zeit zu sprechen beginnen, stoppen beide und warten für eine kurze, zufällige Zeitspanne, bevor sie einen neuen Anlauf wagen.
Die Stelle, die Daten senden möchte, lauscht also auf dem Medium (), ob es bereits belegt ist und sendet erst, wenn die Leitung frei ist. Da zwei Stellen gleichzeitig zu senden anfangen können, kann es trotzdem zu Kollisionen kommen, die dann festgestellt werden (), woraufhin beide Stellen noch kurz ein „Störung-Erkannt“-Signalmuster erzeugen, dann mit dem Senden aufhören und eine zufällige Zeit warten, bis sie einen erneuten Sendeversuch starten. Hierzu muss ein Sender während des Sendens zugleich auf dem Medium lauschen, ob ein anderer Sender mit ihm kollidiert. Daher sind Medien ungeeignet für CSMA/CD, wenn eine hohe Sendeleistung notwendig ist und einem sehr schwachen Empfangssignal gegenübersteht, das dann „untergeht“.
Damit die Kollision festgestellt und eine Sendewiederholung initiiert werden kann, müssen die Datenframes abhängig von der Leitungslänge eine bestimmte Mindestlänge haben – das Störsignal des zweiten Senders muss den ersten erreichen, bevor dieser sein Datenpaket beendet hat (und als „kollisionsfrei gesendet“ betrachtet). Diese Mindestlänge ergibt sich aus der Signalgeschwindigkeit und der Übertragungsrate. Bei einer Übertragungsrate von 10 Mbit/s und einer maximalen Entfernung von 2,5 km zwischen zwei Stationen ist eine Mindestlänge von 64 Byte (14 Byte Header, 46 Byte Nutzdaten, 4 Byte CRC) vorgeschrieben. Kleinere Datenframes müssen entsprechend aufgefüllt werden. Für eine Übertragungsrate mit 10 Mbit/s (Standard-Ethernet) sind eine maximale Segmentlänge von 100 m sowie vier Repeater erlaubt. Damit können zwei Stationen bis zu einer Distanz von 500 m direkt verbunden werden. Bei höheren Übertragungsraten und maximaler Segmentlänge reduziert sich die Anzahl der Repeater aufgrund der physikalischen Abhängigkeiten. So sind bei Fast-Ethernet (100 Mbit/s) nur zwei Repeater und bei Gigabit-Ethernet (1000 Mbit/s) ein Repeater erlaubt. Bei 1-Gbit/s-Ethernet (1000 Mbit/s) im (allerdings eher hypothetischen) Halbduplex-Betrieb werden kleine Frames im Ethernet-Paket auf 520 Byte verlängert, um noch eine sichere Kollisionserkennung bei sinnvoller physischer Netzwerkgröße zu erlauben.IEEE 802.3 Clause 3.2.10 Extension Field, IEEE 802.3 Clause 4.2.3.4 Carrier extension (half duplex mode only)
Auch wenn die Norm IEEE 802.3 den Namen „CSMA/CD“ im Titel hat, spielt die Kollisionsauflösung heute nur mehr in geringem Maße eine Rolle. Die meisten Netzwerke werden heute im Vollduplexmodus betrieben, bei dem Teilnehmer (Router, Switches, Endgeräte etc.) mittels Punkt-zu-Punkt-Verbindung die Sende- und Empfangsrichtung unabhängig voneinander nutzen können und somit keine Kollisionen mehr entstehen. Trotzdem blieb das Frame-Format, insbesondere der Frame-Header und die für die Kollisionserkennung vorgeschriebene minimale Frame-Länge, bis hinauf zu 400-Gbit/s-Ethernet, unverändert.
Broadcast und Sicherheit In den ersten Ethernetimplementierungen wurde die gesamte Kommunikation über einen gemeinsamen Bus, der in Form eines Koaxialkabels realisiert war, abgewickelt. An diesen wurden alle Arbeitsstationen abhängig vom Kabeltyp entweder per T-Stück oder „Invasivstecker“ (auch Vampirklemme, Vampirabzweige oder genannt) angeschlossen. Jede Information, die von einem Computer gesendet wurde, wurde auch von allen empfangen. Die über Ethernet verbundenen Geräte müssen ständig Informationen ausfiltern, die nicht für sie bestimmt sind.
Diese Tatsache kann genutzt werden, um Broadcast- (deutsch: Rundruf)-Nachrichten an alle angeschlossenen Systeme zu senden. Bei TCP/IP beispielsweise verwendet das ARP einen derartigen Mechanismus für die Auflösung der Schicht-2-Adressen. Diese Tatsache ist auch ein Sicherheitsproblem von Ethernet, da ein Teilnehmer mit bösen Absichten den gesamten Datenverkehr auf der Leitung mitprotokollieren kann. Eine mögliche Abhilfe ist der Einsatz von Kryptographie (Verschlüsselung) auf höheren Protokollebenen. Die Vertraulichkeit der Verkehrsbeziehungen (wer tauscht mit wem in welchem Umfang wann Daten aus?) ist aber so nicht zu schützen.
Der Einsatz von (Repeater) Hubs zur Bildung von Multi-Segment-Ethernet-Netzen ändert hier nichts, weil alle Datenpakete in alle Segmente repliziert werden.