Ethernet @ PS-Trainer

Ethernet
Ethernet ist derzeit die weltweit am meisten eingesetzte Netzwerk-Technologie. Sie umfasst Komponenten der Schichten 1 (Physikalische Übertragung - Physical) und 2 (Sicherung - Data Link) im → OSI-Modell.	Ethernet kann auf unterschiedlicher Hardware-Basis (Kabel, Stecker) arbeiten. Auch für die Software (Details der Daten-Codierung) sind mehrere Varianten möglich. In den meisten Fällen sind Kombinationen sowohl verschiedener Hardware als auch verschiedener Codierung möglich.
Ethernet wird als Standard IEEE 802 mit vielen Sub-Standards vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) verwaltet. Die Original-Unterlagen sind Online erhältlich, jedoch leider kostenpflichtig.	Ethernet hat bereits eine (für die IT ungewöhnlich) lange Geschichte. Ein funktionsfähiger Vorläufer wurde 1972 von Robert Metcalfe bei Xerox hergestellt. Ein besonderer Erfolgsfaktor ist die Möglichkeit, verschiedene Hardware-Versionen einfach miteinander zu kombinieren, sowie die Strategie, neue Software-Versionen so zu implementieren, dass ältere Varianten voll kompatibel bleiben.
Zeit-Multiplex Daten werden in Paketen zeitlich hintereinader gestaffelt übertragen. • Wenn ein Netzwerk-Teilnehmer Daten senden will und die Leitung gerade frei ist, dann wird ihm das Recht erteilt, mindestens 1 Daten-Paket zu übertragen. • Wenn die Leitung besetzt ist, dann muss der Teilnehmer warten und es nach einer Wartezeit erneut versuchen.	KeepAlive Jedes Ethernet-Interface kann feststellen, ob das Netzwerk angeschlossen ist und zumindest minimal funktioniert: Dazu vesendet es ein Daten-Paket an sich selbst (an die eigene → MAC-Adresse) und testet den Empfang. In ähnlicher Weise können sie die Funktion ihres E-Mail Providers testen: Wenn sie ein Mail an ihre eigene Adresse senden und erhalten, dann funktioniert ihr Internet-Zugang und der Mail-Server ihres Providers. Allerdings können sie auf diese Weise nicht feststellen, ob ein anderer Empfänger existiert und funktioniert.
Serielle Übertragung Alle gängigen Ethernet-Technologien transportieren die Daten seriell: Die einzelnen Bits folgen zeitlich hintereinander auf nur einer Daten-Leitung. Im Gegensatz dazu transportiert ein Bus die Daten parallel auf mehreren Leitungen. ↓ Neuere Entwicklungen beginnen mit der Verwendung mehrerer paralleler Leitungen.	Terminierung Jedes (!) Datenkabel muss an beiden Enden abgeschlossen werden. Die Signale laufen im Kabel mit hoher Geschwindigkeit vom Erzeugungs-Punkt zum anderen Ende bzw. zu beiden Enden (Erzeugung in der Mitte). An einem offenen Ende wird das Signal reflektiert, ebenso an einem Kurzschluss. Reflexion ist schädlich, weil sich das Nutz-Signal mit den Reflexionen überlagert. Das führt zu Störungen, die im günstigsten Fall das Netz völlig lahmlegen, im ungünstigen Fall unbemerkt bleiben und das Netz langsam machen. Der Abschluss wird so gewählt, dass an den Enden keine Reflexion eintritt, sondern das Signal vollständig verschluckt wird. Dieser Wert ist die nominelle Impedanz des Kabels in Ohm (Ω). Ethernet-Geräte sind so gebaut, dass angesteckte (!) Kabel mit dem genau dazu passenden Widerstand abgeschlossen werden. Frei verlegte Kabel (z.B. ↓ 10Base2) muss man jedoch durch Anstecken eines Terminator-Widerstands manuell abschließen.
Broadcast In der einfachsten Form sind alle Teilnehmer eines lokalen Netzwerks gleichzeitig an die Daten-Leitung angeschlossen. Jedes Daten-Paket erreicht alle Teilnehmer. Das wird zum Versenden von Nachrichten an alle Teilnehmer (Broadcast) verwendet.	Unicast In der Praxis ist meist der gezielte Transport der Daten zu genau einem Empfänger erwünscht. Dieser muss die Nachricht erkennen und verwerten. Die Interface aller anderen Teilnehmer empfangen die gleichen Daten, müssen sie jedoch ignorieren. Mit spezieller Software (Sniffer, Packet Monitor, ..) kann man alle Netzwerk-Pakete abhören - zu Spionage- oder Diagnose-Zwecken. Moderne Switches schalten nur jeweils die Leitung zwischen Sender und Empfänger zusammen, in diesem Fall ist das Abhören auf dei aktive Verbindung begrenzt.

Kabel und Stecker - OSI Schicht 1 (Physical)

Ethernet kann auf unterschiedlicher Hardware-Basis (Kabel, Stecker) arbeiten. Die meisten Varianten lassen sich mit geringem Aufwand miteinander kombinieren.

Diese Tabelle gibt einen Überblick über jene Ethernet-Varianten, die auf dieser Webseite vorgestellt werden: Sie sind in der Praxis häufiger anzutreffen.

Ethernet		MBit / s
10Base2	ThinWire Ethernet	10
10BaseT	Twisted Pair Ethernet	10
100BaseT		100
1000BaseT	Gigabit Ethernet	1000

Das Bild zeigt ein (älteres) Ethernet Interface. Es wurde ausgewählt, weil es unterschiedliche Hardware-Varianten unterstützt: In diesem Beispiel ↓ 10Base2 (Thin Coax) und ↓ 10BaseT (Twisted Pair).

Kabel, Stecker, mechanische und elektrische Spezifikationen gehören zur → OSI-Schicht 1 (Physical).
Das Ethernet-Interface erstreckt sich zusätzlich auch auf → OSI-Schicht 2 (Sicherung - Data Link).

10Base2 - ThinWire
Diese Technologie dominierte in Europa zur Zeit beginnender Vernetzung (ab 1985) und wird heute nicht mehr neu verlegt. Allerdings gibt es noch zahlreiche ausgezeichnet funktionierende Netzwerke oder Netzwerk-Teile in ThinWire-Technik. Es ist möglich und sinnvoll, 10Base2-Netzwerke mit modernen ↓ 10BaseT und ↓ 100BaseT Netzen zu verknüpfen. Das erfolgt am einfachsten mit einem ↓ Hub (besser: Switch), der beide Anschlüsse bietet. Alternativ kann man einen PC mit je einem Ethernet-Interface beider Versionen ausrüsten und als Router einsetzen.	Das T-Stück wird direkt am Ethernet-Interface angesteckt. Von dort führt je ein Koaxial-Kabel entweder zum nächsten T-Stück oder zu einem Ende (Abschluss-Widerstand).
Kabel & Stecker Verwendet werden Standard Koaxial-Kabel vom Typ RG58 mit 50Ω Impedanz und runde Koax-Stecker (Bajonett-Verschluss). Das Kabel darf nicht an den Steckern gezogen werden.	Die Kabel dürfen nicht geknickt oder gedehnt werden, da sonst ihr Querschnitt und damit ihre Impedanz geändert wird. Es muss liegen und darf nicht über größere Höhen (Stockwerke) frei hängen, da es sonst unzulässig gedehnt wird.
Länge: Ein Segment (Kabel-Anfang bis -Ende, Distanz zwischen den Abschluss-Widerständen) darf 185 Meter lang sein; dabei dürfen max. 30 Teilnehmer angeschlossen werden.	Repeater An Stelle der Abschluss-Widerstände können Repeater zur Verlängerung eines Backbones eingesetzt werden: Diese Geräte regenerieren (refresh) die Signale und senden sie ins nächste Segment weiter. Maximal 5 Segmente dürfen mit 4 Repeatern zu einem Gesamt-Backbone zusammen-geschaltet werden - Das ergibt eine maximale Länge von 925 Meter.
Durchsatz: Die nominelle Daten-Rate beträgt 10 MBit/s (Megabit pro Sekunde). Davon muss man den Overhead (Verwaltungs-Daten) und Zeit für Daten-Kollisionen abziehen. In der Praxis ist <1 MByte/s erreichbar. Wenn zufällig 2 Teilnehmer gleichzeitig Daten über das Netzwerk senden wollen, dann tritt eine 'Kollision' auf: Beide Teilnehmer (=Interface) warten eine zufällige Zeit lang und versuchen es dann nochmals.	Daraus ergibt sich: Wenn das Netz gerade nicht (von anderen Teilnehmern) benutzt wird, dann ist der maximale Durchsatz möglich. Je höher der Verkehr (traffic), desto höher die Wahrscheinlichkeit für Kollisionen und damit die durchschnittliche Wartezeit. Dieser Effekt führt bei starkem Verkehr zu einem sehr langsamen Netz - Sinnvolle Abhilfe ist die Teilung des Netzwerks in mehrere unabhängige Segmente, die mit einem Router verbunden werden.

Topologie ThinWire Ethernet wird in Backbone-Topologie verlegt: Das Netzwerk hat die Form eines Rückgrats (blau) mit Anfang und Ende, am dem die einzelnen Teilnehmer wie Rippen ansetzen. ► Anfang und Ende müssen (!) mit je einem Standard 50Ω Abschluss-Widerstand (türkisblaue Quadrate) abgeschlossen werden. Damit wird jedes Signal an den Kabel-Enden vernichtet und eine Reflexion (Überlagerung) von Signalen verhindert. ► Für jedes angeschlossene Gerät enthält der Backbone-ein T-Stück, welches normalerweise direkt am Ethernet-Interface angesteckt wird. Das Kabel wird so geführt, dass es an allen Geräten (PC, Drucker, ..) vorbeiführt - meist entlang einer Wand, und von dort in kurzen Schleifen zu den einzelnen Geräten.	► Das Diagramm zeigt einen Backbone (blau) mit 5 T-Stücken für 5 mögliche Geräte. Ein T-Stück darf leer enden. Das freie T-Stück ganz rechts kann man z.B. an einen Hub anschließen (wenn dieser einen Koax-Stecker enthält), und damit ein Thin Ethernet-Segment mit einem sternförmigen Netzwerk (↓ 10BaseT, ↓ 100BaseT) verbinden. ► Die einzelnen Geräte können an beliebigen Stellen angeschlossen werden (Mindest-Abstand 50cm). Zur Erweiterung wird z.B. an einem Ende ein zusätzliches T-Stück + Kabel angesteckt, der Abschluss-Widerstand wird an das neue Ende vesetzt. Alternativ kann man das Netz (nach Betriebsschluss !) an jedem T-Stück unterbrechen, um an dieser Stelle ein zusätzliches Kabel + T-Stück einzusetzen. ► Ein Router verfügt über mindestens 2 Netzwerk-Anschlüsse. Davon ist einer immer mit dem LAN verbunden (T-Stück). Ein Anschluss führt ins Internet: Dafür können viele verschiedene Technologien eingesetzt werden (hellblauer Anschluss), darunter auch Thin Ethernet oder ↓ 10BaseT. Alternativ kann der Router auch an einem sternförmigen ↓ 10BaseT oder ↓ 100BaseT Netzwerk angeschlossen werden, wenn dessen Hub oder Switch mit dem Backbone verbunden ist.
Vorteile der Backbone-Topologie: Einfache Verlegung mit geringen Kosten. Größere Entfernungen sind einfacher und billiger überbrückbar als mit ↓ Stern-Verkabelung. Diese Art der Verlegung spiegelt die erste und einfachste Form der Netzwerk-Freigabe: Gleichberechtigte PC, jeder mit einem "freigegebenen Verzeichnis (Ordner)".	Nachteile der Backbone-Technologie: Jede (!) Unterbrechung und jeder Kurzschluss des Kabels führen zum Stillstand des gesamten Netzwerks, da die Kabel-Ende nicht mehr korrekt abgeschlossen sind. Noch schlimmer ist eine Beschädigung, die Signale verzerrt, aber nicht unterbindet: Solche Fehler führen im gesamten Netzwerk zu defekten Daten-Paketen - Diese werden daraufhin mehrfach versendet, was ein sehr langsames Netzwerk ergibt - meist ohne dass die Ursache erkannt wird.
	Original-Skizze von Robert Metcalfe (1976), dem Erfinder der Ethernet-Technologie. (Quelle: EtherManage) bei Xerox. In der Informatik kommt es selten vor, dass eine Technologie derart lange Zeit überlebt - Der Ethernet-Backbone funktioniert noch immer ! Das spricht für die Weitsicht des Erfinders. 1980 wurde Ethernet als Standard IEEE 802 definiert. 1985 wurde Ethernet als internationaler Standard ISO 8802/3 definiert. Aktuelle Standard-Versionen: 100MBit Ethernet (IEEE 802.3), WLAN Ethernet ( IEEE 802.11)

10BaseT - Twisted Pair
Diese Technologie ist derzeit am weitesten verbreitet, wird jedoch langsam durch ↓ 100BaseT verdrängt. Nicht mehr für Neu-Verlegung. Ein großer Vorteil ist die Möglichkeit, 10BaseT mit dem schnelleren Nachfolger ↓ 100BaseT zu kombinieren.	Das Twisted-Pair Kabel führt als 'private Datenleitung' vom Interface bis zum Hub oder Switch - Bei fix verlegten Kabeln meist über mehrere Stecker - Buchsen - Verbindungen.
Kabel und Stecker Verwendet wird Twisted-Pair-Kabel, am besten der aufwärts kompatiblen Kategorie CAT5. Der Name ist von den Daten-Leitungen abgeleitet, die paarweise miteinander verdrillt sind. ► Die Geometrie ist streng genormt ud sehr empfindlich. Man darf die Kabel daher nicht knicken, eingeklemmen oder dehnen. ► Das Anbringen der Stecker erfolgt mit Spezial-(Crimp)-Werkzeug. Versuchen sie es nicht selbst, sie können die engen Toleranzen nicht einhalten: Selfmade-Kabel verursachen (häufig unbemerkt) Daten-Fehler und verlangsamen das Netzwerk. ► Ausgekreuzt Die Sende-Leitung des einen Kabel-Endes ist identisch mit der Empfangs-Leitung des anderen und umgekehrt. Für Spezial-Zwecke gibt es auch (meist kurze) Nicht-ausgekreuzte Kabel. Zur Unterscheidung sind sie oft (nicht immer !) rot gefärbt.	► Als Stecker werden einrastende Flach-Stecker RJ45 verwendet. Bevorzugen sie Klarsicht-Stecker: Alle 8 Daten-Leitungen müssen beschaltet sein, die Enden müssen genau gleich lang sein und 'sauber' aussehen. Stecker und Kabel dieser Bauform waren von Anfang an in den USA weit verrbreitet, während in Europa mehr Koaxialkabel (↑ 10Base2) verwendet wurden. Heute haben sich Twisted Pair (CAT5)-Kabel und RJ45 Stecker auch in Europa durchgesetzt. ► Bei kleineren Netzwerken werden die Kabel direkt am zentralen ↓ Hub / Switch angesteckt. Sorgen sie für eine Zug-Entlastung, damit Geräte und Buchsen nicht beschädigt werden, wenn jemand über ein Kabel stolpert. ► Größere Netzwerke sollten ausnahmslos mit CAT5 Kabeln fix verlegt sein. Nach Installation ist eine Messung als Qualitäts-Nachweis unbedingt notwendig. Dazu benötigt man Spezial-Geräte - übliche Multimeter oder gar kleine Lämpchen sind ungeeignet. Jedes einzelne verlegte Kabel inkl. Abschluss-Buchsen muss die Spezifikation erfüllen. Andernfalls wird es ausgetauscht (besser nicht 'repariert'). Fix verkabelte Leitungen werden an einem Patch-Panel (Buchsen-Feld) abgeschlossen. (Spezial-Werkzeug !). Das Panel erlaubt mit Hilfe kurzer konfektionierter 'Patch'-Kabel die Verbindung jeder Wand-Dose mit jedem beliebigen Switch-Anschluss.
Länge Jeder Teilnehmer erhält ein eigenes Kabel (Segment) zum zentralen Hub / Switch. Ein Segment darf max. 100 Meter lang sein. Der Hub muss sich daher in räumlicher Nähe befinden, meist im gleichen Raum.	Um größere Entfernungen zu überwinden, werden mehrere Hubs in ↓ Kaskaden verbunden oder mit Routern mehrere eigenständige LAN-Segmente miteinander vernetzt. Für größere Strecken werden allerdings meist andere Technologien (z.B. FiberOptik) eingesetzt.
Topologie: 10BaseT wird in Stern-(Star)-Topologie verlegt. Ein Verteiler-Gerät (Hub, Switch) sitzt im Zentrum des Sterns. Von dort führen Kabel zu jedem einzelnen Teilnehmer. Die Verbindungs-Kabel werden an beiden Enden angesteckt und damit abgeschlossen. Ein Beispiel-Diagramm finden sie im Kapitel ↓ Hub / Switch dieser Seite. ● Übliche Ethernet-Interface und Hubs zeigen eine funktionierende Verbindung durch eine grüne Leuchtdiode an. Kontrollieren sie das bei Netzwerk-Problemen.	Vorteile der Stern-Topologie: Wenn ein Netzwerk-Zweig unterbrochen oder beschädigt wird, dann betrifft das nur genau diesen Zweig, das restliche Netz kann ungestört arbeiten. Das erleichtert Diagnose und Behebung von Netzwerk-Fehlern. Diese Art der Verlegung spiegelt die moderne Form der Netzwerk-Organisation: Gemeinsamer Zugriff auf zentrale Resourcen (Server), kein fremder Zugriff auf private PC. Nachteile der Stern-Topologie: Die verlegte Kabel-Länge ist wesentlich größer als bei einem Backbone. Bei einer größeren Anzahl von Teilnehmern ergibt sich in der Nähe des Zentrums ein dicker unhandlicher Kabelbaum. Daher kann man nur max. 4-8 Teilnehmer frei verkabeln, bei mehr Geräten muss das Netzwerk fix in Kanäle verlegt und an einem Patch-Panel abgeschlossen werden. Dazu sollte man keinesfalls die Starkstrom-Kanäle verwenden.
Durchsatz: Die nominelle Daten-Rate beträgt 10 MBit/s (Megabit pro Sekunde).	Der praktisch erreichbare Durchsatz hängt stark vom verwendeten ↓ Hub / Switch ab (nächstes Kapitel).

Hub oder Switch
Ein Hub oder Switch ist jenes Gerät, welches sich im Zentrum eines sternförmigen Netzwerks befindet. Hubs bieten meistens 4,8,16,.. Anschluss-Buchsen. Vom Hub laufen einzelne "private" Kabel zu jedem einzelnen angeschlossenen Gerät. Rechts die Anschluss-Seite eines einfachen Hub.	Normale Geräte werden an die Buchsen 1..4 angeschlossen. Ein zusätzlicher Hub kann am Uplink angeschlosssen werden - In diesem Fall muss jedoch die daneben liegende Buchse 1 frei bleiben.
Passiver Hub Ein passiver Hub verknüpft alle angeschlossenen Segmente. Das ist einfach, billig und robust. Weil alle Leitungen elektrisch verbunden sind, kann immer nur 1 Teilnehmer senden. Bei größerem Verkehr (traffic) kommt es mit immer höherer Wahrscheinlichkeit zu Kollisionen und damit zu Wartezeiten - Das LAN wird langsam und bereits ab ca. 50% Auslastung unbrauchbar (Congestion). Abhilfe: Ersatz des Hub durch einen Switch. Tipp: Wenn ihr Gerät billig (<15 €) oder eine kostenlose Beigabe zu anderen Geräten war, dann handelt es sich vermutlich um einen Hub.	Aktiver Switch Ein aktiver Switch schaltet 2-Punkt Verbindungen, jeweils nur zwischen Absender und Empfänger. Für alle übrigen Teilnehmer ist das LAN frei. Ein Switch erlaubt daher höheren Durchsatz bis zur 'Sättigung' der Leitungen. Ein Switch sollte außerdem möglichst 'intelligent' sein: Er kann die Geschwindigkeit der Teilnehmer erfassen und die Verbindung danach einrichten. So ist es möglich, zwei schnelle Teilnehmer mit ↓ 100BaseT zu verbinden, während alle anderen mit 10BaseT arbeiten. Tipp: Wenn ihr Gerät Aufschriften wie z.B. 100MBit enthält, und etwa 20..40€ gekostet hat, dann handelt es sich vermutlich um einen Switch.
Anschluss: Normale Geräte (PC, Drucker, ..) werden mit Standard-Kabeln am Hub angesteckt. Diese Kabel sind "ausgekreuzt", d.h. die Sender-Leistung des einen Endes führt zur Empfänger-Leitung des anderen Endes und umgekehrt. ► Dafür werden die nummerierten Buchsen verwendet (im Beispiel 1 bis 4). ► Die Reihenfolge ist beliebig, es dürfen zwischen auch freie Buchsen zwischen beschalteten liegen. Die Uplink-Buchse muss frei bleiben, wenn die daneben liegende Buchse 4 verwendet wird. (siehe nächster Absatz). Markierung Markieren sie alle zum Hub führenden Kabel, am besten nahe den Enden. Dafür gibt es Beschriftungs-Systeme. Es genügt auch ein kleiner Zettel, der mit Klebestreifen gut fixiert wird. So findet man die gewünschten Kabel in dem am Hub meist üppigen Kabel-Salat. Kabel zur Beschriftung keineswegs beschädigen (quetschen, ritzen, ..) !	► Das Diagramm zeigt einen 4fach-Hub. Alle 4 Buchsen sind beschaltet. Ein kleines LAN besteht typisch aus Server, einigen PC und einem Router (manchmal identisch mit dem Server). ► Jeder → Router verfügt über mindestens 2 Netzwerk-Anschlüsse. Davon ist einer immer mit dem LAN verbunden (hier Buchse 4). Ein Anschluss führt ins Internet: Dafür können viele verschiedene Technologien eingesetzt werden (blauer Anschluss), darunter auch Ethernet.
UpLink: Fast jeder Hub bietet eine UpLink-Buchse: Hier erfolgt die Verbindung mit einem weiteren Hub. Mehrere Hubs werden in Form einer Kaskade verbunden: Hub-Leitungen sind ausnahmsweise nicht ausgekreuzt. Man kann trotzdem Standard-Kabel verwenden, denn in diesem Fall erfolgt die Korrektur an der speziell bezeichneten Uplink-Buchse. ► Einfache oder ältere Hubs (Bild oben) bieten einen Anschluss doppelt (!) an: Einmal (im Bild 1X, im Diagramm 4) für normale Geräte, einmal (UpLink) für einen weiteren Hub. • Nur eine dieser beiden Buchsen darf verwendet werden ! • Diese Variante erkennen sie auch daran, dass 1 Buchse mehr vorliegt als erwartet (z.B. 5 statt 4). • Ohne Kennzeichnung ist jene Buchse doppelt, welche dem Uplink am nächsten liegt. ► Ein Uplink ist die logische Verlängerung des gleichen lokalen Netzwerks. Ein Router verknüpft 2 oder mehr verschiedene Netzwerke. ► Besser ausgerüstete Switches haben keine eigene Uplink-Buchse, sondern 'intelligente' Buchsen. Der Switch schaltet die Verbindung selbst, je nachdem, ob ein Normalgerät oder ein Hub angeschlossen ist.	Das Diagramm zeigt die Kaskaden-Verbindung von 3 Hubs (von unten nach oben): • Die Uplink-Buchse des ersten Hub (unten) wird mit einer Normal-Buchse (beliebig, hier 3) des nächsten Hub verbunden. Der daneben liegende Anschluss 4 muss frei bleiben. • Am mittleren Hub ist eine Normal-Buchse durch den DownLink zum ersten Hub besetzt. Seine Uplink-Buchse wird mit einer Normal-Buchse (beliebig, hier 4) des nächsten Hub verbunden. Der daneben liegende Anschluss 4 muss frei bleiben. • Am letzten Hub (oben) ist eine Normal-Buchse durch den DownLink zum ersten Hub besetzt. Die Buchse 4 kann hier verwendet werden, allerdings muss dafür die Uplink-Buchse frei bleiben. ► Das Beispiel hat nur theoretischen Wert: Trotz Verwendung von 3 Hubs stehen nur 8 Daten-Leitungen (grün) zur Verfügung - Dazu wird besser ein einziger 8fach-Hub verwendet.
Integrierte Router-Lösungen In allen PC-Shops werden fertig konfigurierte Router angeboten. Sie bewähren sich ausgezeichnet für kleine lokale Netzwerke und AnwenderInnen mit geringen Kenntnissen. Für professionellen Betrieb sind sie meist zu wenig flexibel und werden durch (Linux)-PC ersetzt. Tipp: Wenn ihr Gerät so ähnlich aussieht wie ein Hub oder Switch, jedoch >50€ gekostet hat, dann handelt es sich vermutlich um einen integrierten Router. Fertig-Router enthalten ▲ Einen kleinen Computer (ohne Monitor, Maus oder Tastatur), dessen gesamte Software auf Festkörper-Speichern untergebracht ist (z.B. ROM, EEPROM oder ähnlich). Dieser PC läuft fast immer auf einem 'abgemagerten' Linux-System mit einigen installierten Server-Diensten. ▲ 2 Netzwerk (Ethernet)-Schnittstellen - Eine in das lokale Netzwerk ist an einen Stecker geführt, eine weitere zum Internet ist oft nur intern vorhanden. ▲ Die Internet-Verbindung erfolgt je nach Ausführung über verschiedene Schnittstellen, z.B. Modem, ISDN, (A)DSL, etc.. und ist in entsprechende Stecker geführt. ▲ Hub: Meist ist ein kleiner Mini-Hub mit 2..4 Ports in das Gehäuse integriert. Wenn man mit diesen Anschlüssen auskommt, erspart man sich einen externen Hub. Solche Hubs sind jedoch meist Billig-Ausführungen und nur für das 'langsame' 10MBit Ethernet geeignet. ▲ Server: Zusätzlich zum → Router (Proxy-Server) bieten die meisten Fertig-Router auch Firewall, → DHCP-Server und Print-Server, manchmal auch → Fileserver, → Webserver und FTP-Server - ebenso wie jede gängige → Linux Server-Distribution. ▲ In der Praxis läuft auf diesen Geräten fast immer ein fertig konfigurierter Linux (→ LAMP)-Server.	► Der Router-PC ist zumindest teilweise vor-konfiguriert. Achten sie darauf, dass die von ihnen verwendete Verbindung (Modem, Kabel, ISDN, ADSL, ...)entweder auf der Verpackung oder auf der Rechnung ausdrücklich angeführt ist. ► Anschluss: Verbinden sie den Router mit ihrem privaten Netzwerk. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten: • Wenn ihr Router einen Mini-Hub enthält, dann genügt ein einziges Netzwerk-Kabel ('patch'-Kabel) zwischen Router und PC. • Wenn ihr Router keinen Mini-Hub enthält, dann brauchen sie einen externen Hub oder Switch, von dem je ein Netzwerk-Kabel zum Router und zum PC führt. • Wenn mehrere PC anzuschließen sind, dann verfügen sie ohnehin bereits über einen Hub oder Switch, an den alle PC angeschlossen sind. In diesem Fall verbinden sie den Router genauso wie einen PC mit ihrem Hub (wenn vorhanden mit dem UpLink-Anschluss) ► Die Einstellung der Router-Konfiguration erfolgt normalerweise über dynamische Webseiten: Dazu enthält der Router einen eigenen Webserver. Öffnen sie auf ihrem PC einen Browser und geben sie in die Adresszeile die vor-eingestellte IP-Adresse (Manual) des Routers ein, z.B. http://192.168.0.128 Bei korrekter Funktion wird die Konfigurations-Webseite des Routers angezeigt. Wenn ihr Router durch Konfiguration auf eine andere IP-Adresse eingestellt wurde, dann gibt es immer eine Möglichkeit, durch Reset die Original-Einstellung (default, factory) wiederherzustellen. ► Suchen sie im Internet die Service-Seite des Router-Herstellers. Sie finden dort das Manual, oft wertvolle Hinweise und gelegentlich ein Update für ihre Router-Software.

100BaseT
100BaseT ist heute 'Stand der Technik'. Ein 100BaseT Ethernet-Interface zählt zur selbstverständlichen Grund-Ausrüstung neu gekaufter PC.	Ein besonderer Vorteil von 100BaseT ist die Möglichkeit, es mit Geräten der langsameren Vorgänger-Version ↑ 10BaseT zu kombinieren.
Diese Technologie ist mechanisch mit ↑ 10BaseT (Absatz oben) kompatibel und kann auch gemischt mit 10BaseT verwendet werden. Als zentrale Verteiler sind nur aktive Switches üblich, keine passiven Hubs. Für Neu-Verlegung wird am besten nur mehr 100BaseT verwendet.	Topologie: Auch die Topologie entspricht der ↑ 10BaseT Technik. Wenn bereits CAT5-Kabel verlegt wurden, dann können diese Kabel ohne Änderung auch für 100BaseT verwendet werden. Hubs sollten gegen intelligente Switches getauscht werden - Alte Hubs lassen sich per ↑ DownLink für ↑ 10BaseT-Geräte einsetzen.
Durchsatz: Die nominelle Daten-Rate beträgt 100 MBit/s (Megabit pro Sekunde). Jeder Teilnehmer ist über ein 'privates' Kabel mit dem Switch verbunden, (nur) dort ist der maximale Durchsatz möglich.	Gegenüber 10BaseT wird die Übertragungs-Geschwindigkeit ca. um den Faktor 9 gesteigert. Der Anteil anderer Mechanismen (Festplatten-Zugriff) steigt von ca. 1% bei 10BaseT auf ca. 10% bei 100BaseT.
Der praktisch erreichbare Durchsatz hängt stark vom verwendeten Switch ab: Einfache Switches stellen sich auf den langsamsten Teilnehmer ein. Wenn 10BaseT mit 100BaseT gemischt verwendet wird, können auch 100BaseT Geräte nur mit 10MBit/s kommunizieren. Solche einfachen Hubs und Switches sollte man austauschen oder per Downlink an einen 'Intelligenten Switch' anhängen.	Intelligente Switches richten ihre Geschwindigkeit variabel nach jeder einzelnen Punkt-zu-Punkt Verbindung. In diesem Fall kommunizieren alle Teilnehmer mit einem 10BaseT Gerät mit 10MBit/s, zwischen 2 100BaseT-Geräten ist jedoch eine schnelle Verbindung möglich. Strategie in gemischten Netzen: Tauschen sie zuerst alte Hubs gegen intelligente Switches. Danach werden Server und Router auf 100BaseT umgestellt, erst zuletzt alle anderen Geräte. Intelligente Switches verfügen evtl. über eigene IP-Adressen für jeden angeschlossenen Port.

1000BaseT
Die "Gigabit-Ethernet"-Technologie dürfte den Endpunkt der Kupferkabel-Technik darstellen. Die nominelle Daten-Rate beträgt 1 GBit/s (Gigabit pro Sekunde = 1000 MBit/s). 1000BaseT erfordert absolut normgerecht verlegte CAT5-Kabel. Höhere Geschwindigkeiten und größere Distanzen sind wirtschaftlich nur mit Lichtleitern erreichbar. Lichtleiter sind im Gegensatz zu Kupfer-Kabeln und zur Funk-Übertragung weitgehend immun gegen Abhör-Versuche.	Die Steigerung der Übetragungs-Geschwindigkeit gegenüber 100BaseT lässt sich nur schwer vorhersagen. Die Anteile von PC, Festplatte und Netzwerk liegen bei 1000BaseT in der gleichen Größenordnung, daher ist die Geschwindigkeit stark von jeder einzelnen Komponenten abhängig. Eine Steigerung um den Faktor 4..6 ist realistisch. Gigabit-Ethernet ist daher vorläufig nur auf schnellen PC mit möglichst schnellen Festplatten sinnvoll - z.B. zur Kommunikation zwischen mehreren leistungsfähigen Servern.
Ein 10GBit Ethernet wird diskutiert. Diese Zukunfts-Variante befindet sich im "Whitepaper"-Stadium, d.h. man kann Vorschläge und Kommentare von ExpertInnen dazu lesen. Insbesondere die Medien-Industrie hat daran Interesse, z.B. am Live-Konsum von TV-Sendungen.	Der Einsatz derart schneller Verbindungen macht allerdings nur Sinn, wenn auch die Verarbeitung damit Schritt hält - z.B. mit 128Bit-PC, mit mehreren Parallel-Prozessoren, etc. Das wiederum freut die PC-Industrie . .

Frame - Ethernet Daten-Paket

Ethernet überträgt Daten wie jede andere Technologie in Form von verpackten Paketen (Frames). Die Daten-Pakete können eine variable Länge haben.

Pro Paket werden mindestens 54 Byte, maximal 1500 Byte übertragen. Verschiedene Frame-Formate sind möglich (Hier wird das häufigste demonstriert).

Typischer Ethernet-Frame nach Standard IEEE 802.3:

Byte	Bytes	Name	Kommentar
0..7	8	Preamble	Präambel - Erkennung und Synchronisation
8..13	6	Destination	Empfänger MAC-(Hardware)-Adresse
14..19	6	Source	Absender MAC-(Hardware)-Adresse
20..21	2	EtherType	Daten-Typ (z.B. #0800→IPv4)
22..	64..1500	Data (Payload)	Nutz-Daten (inkl. IP-Header)
	4	CRC (FCS)	Prüfsumme

Präambel

Insgesamt 8 Bytes (hexadezimal)

#AA AA AA AA AA AA AA AB

Die Zahl 10. = #A = binär 1010 eignet sich als Bit-Muster ideal zur Erkernnung und Synchronisation der Taktrate zwischen Sender und Empfänger.

EtherType

Bezeichnet den Daten-Typ, z.B. #0800 für → IPv4 oder #86DD für → IPv6

CRC-Prüfsumme

(Frame Control Sum FCS) insgesamt 4 Byte. CRC (Cyclic Reduncy Check) ist ein Standard-Verfahren, mit dem die Integrität der Übertragung sichergestellt wird.
Die Überprüfung erfolgt allerdings erst in der nächsten → OSI-Schicht (3 - IP).
CRC bietet keine Garantie, aber eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, Fehler zu erkennen.

Daten:

64 - 1500 Byte binäre (Nutz)-Daten.
► Kleinere Daten-Mengen werden auf 64 Byte aufgefüllt.
► Größere Mengen müssen vorher von einer höheren Kommunikations-Schicht (z.B. → TCP) in Pakete <=1500 Byte zerlegt werden.
► Die Nutz-Daten enthalten bereits den gesamten Verwaltungs-Overhead höherer Schichten. Bei einem Standard → IP-Header von 20 Byte können daher in 1 Ethernet-Frame max. 1480 Byte Nutz-Daten transportiert werden.
► Bei Anwendung von DSL (ADSL) wird zwischen Ethernet und IP das Protokoll PPP (Point-to-Point-Protocol) verwendet. PPP verbraucht selbst 8 Byte pro Frame. In diesem Fall beträgt die Größe der verwendeten Nutz-Daten max. 1452 Byte.
► Jede höhere Schicht (z.B. → TCP) 'verdünnt' die Nutzdaten etwas mehr. Sehen sie dazu das → OSI-Modell.

Ablauf einer Ethernet Daten-Übertragung:

Vorbedingung:

Die übergeordnete Software (z.B. → ARP) muss dafür sorgen, dass die → MAC-Adresse des Empfängers bekannt ist.
Dazu dienen Broadcast-Rundsprüche, die (mindestens) beim Hochfahren eines Geräts (PC) die → MAC-Adresse seines Ethernet-Interface an alle Netzwerk-Teilnehmer melden.

Senden:

★ Die Zerlegung von Daten in Pakete erfolgt in OSI-Schicht 4 (Transport, TCP).
★ Die Pakete werden an Schicht 3 (Vermittlung - Network - IP) übergeben.
IP versucht, die Pakete zu versenden (z.B. über Ethernet).

Empfangen:

★ Empfangene Daten-Pakete werden von → IP geprüft (CRC-Prüfsumme). Dabei werden defekte Pakete sofort ausgeschieden, ohne die Transport-Schicht (TCP) davon zu informieren.
★ Erst die Transport-Schicht (TCP) versucht, die Daten-Pakete wieder zusammenzusetzen. Dabei werden sie in die richtige Reihenfolge gebracht.
★ Wenn → TCP ein fehlendes Paket entdeckt, wird es von → IP erneut angefordert.
★ Die fertig zusammengesetzten Daten werden von → TCP an die höheren OSI-Schichten (5..7 - Software) zur Verarbeitung übergeben.

Ethernet-Effizienz

Jeder Frame erfordert 26 Byte für die Verwaltung, dazu kommen die Daten.
• Bei Übertragung sehr weniger Daten ist die Effizienz Nutzdaten / Übertragene Daten gering.
• Bei 26 Daten-Bytes wird 50% Effizienz erreicht (Anzahl Daten-Bytes = Anzahl Overhead-Bytes).
• Bei 232 Daten-Bytes wird 90% Effizienz erreicht.
• Bei Übertragung größerer Daten-Mengen ist der Verwaltungs-Overhead für Ethernet-frames praktisch vernachlässigbar - Allerdings wurden die Original-Daten bereits durch höhere → Schichten verdünnt, dadurch liegt die Gesamt-Effizienz etwas niedriger.

Anteil der Nutz-Daten ( 1 Byte .. 10kB ) an der Gesamt-Menge übertragener Daten
Ethernet_Effizienz

Ethernet-Werkzeug
Die angeführten Programme betreffen neben Ethernet meist auch höhere Schichten, z.B. → IP, → TCP, .. Die meisten Programme sind in allen gängigen Betriebssystemen verfügbar. Linux bietet jedoch weitaus mehr Programme, Optionen und Hilfe für professionelle Arbeit.	Viele der Programme bieten zahlreiche Optionen. Verwenden sie die Hilfe für Detail-Informationen. Hier werden nur die passiven Optionen (Lesen der Daten) vorgestellt. Viele Programme bieten auch Optionen zum Einstellen (Schreiben) von Daten an - Vorsicht - Wenden sie diese nur an, wenn sie sich über mögliche Folgen genau informiert haben !
Linux Ethernet-Interface werden der Reihe nach mit eth0, eth1, ... benannt. Das Konsolen-Programm ifconfig zeigt umfangreiche Daten aller installierten Interface, zusätzlich eines virtuellen Interface lo (Local Loopback) als Selbst-Test # ifconfig -a # ifconfig eth0 • Option -a zeigt auch die abgeschalteten Interface an. • Ein Interface-Name (z.B. eth0) als Argument zeigt exklusiv dessen Daten. • Das Programm bietet umfangreiche Optionen zur Änderung der gesamten Einstellung (Vorsicht !). • Hilfe mit Befehl man ifconfig	Windows Das → Konsolen-Programm ipconfig zeigt Daten aller installierten Interface C:\> ipconfig /all • Option /all zeigt zusätzlich technische Informationen, z.B. die MAC-Adresse (Physikalische Adresse). • Das Programm kann man in begrenztem Umfang auch zur Änderung der Einstellung verwenden. • Option /renew erneuert eine mit → DHCP vergebene IP-Adresse. • Hilfe mit Befehl ipconfig /?
In manchen Linux-Versionen ist ifconfig dem Administrator root vorbehalten. In diesem Fall verwendet man # ip addr show # ip addr show \| grep inet # ip addr show \| grep 'inet ' Die Ausgabe zeigt mit grep-Filter nur dier Adressen bzw. nur die IPv4-Adressen.
Die Programm-Gruppe ifstatus, ifprobe, ifrenew, ifup, ifdown # ifstatus eth0 ifstatus zeigt einen umfangreichen Live-Status an. ifprobe testet, ob die Konfiguration geändert wurde. ifrenew erneuert eine mit → DHCP vergebene IP-Adresse. ifup, ifdown schalten ein Interface ein / aus • Hilfe mit man ifstatus
Das Programm arp zeigt die MAC-Adressen und IP-Adressen aller bekannten Kommunikations-Partner im lokalen Netzwerk an. # arp • Hilfe mit man arp	Das Programm arp zeigt die MAC-Adressen (Physikalischen Adressen) aller bekannten Kommunikations-Partner im lokalen Netzwerk an. C:\> arp -a • Hilfe mit arp /?
Das Programm ping wird zum Testen der Verbindung zwischen 2 Ethernet-Interface (PC, Drucker, ...) mit dem Protokoll ICMP verwendet. # ping -c3 192.168.0.3 • Ping ohne Argumente arbeitet endlos, Abbruch mit Strg-C bzw. Ctrl-C • Hilfe mit man ping	Das Programm ping wird zum Testen von Netzwerk - Verbindungen verwendet. Tipp: Testen sie bei Problemen immer in beide Richtungen ! C:\> ping 192.168.0.3 • Hilfe mit ping /?
Programm ethtool liefert technische Details eines Interface # ethtool eth0 • Hilfe mit man ethtool
Das Programm route zeigt die Routing-Tabelle an # route • Hilfe mit man route	Das Programm route zeigt die Routing-Tabelle und Interface-Daten an. C:\> route print • Hilfe mit route /?
Das Programm netstat bietet umfangreiche Optionen zur Netzwerk-Statistik # netstat --statistics • Hilfe mit man netstat	Das Programm netstat bietet umfangreiche Optionen zur Netzwerk-Statistik C:\> netstat -e Zeigt die Ethernet-Statisttik an • Hilfe mit netstat /?

Vorsicht mit Alternativen !

▲ Ethernet ist die meist verbreitete Kommunikations-Technologie. Jeder PC und jedes andere für ein Netzwerk konzipierte Gerät beherrscht zwangsläufig Ethernet, um am Markt zu bestehen. Daher ist Ethernet in jedem Fall die verlässlichste Variante.

▲ Ethernet-Komponenten sind vergleichsweise kostengünstig, da sie in großen Stückzahlen gefertigt werden.

▲ Jedes gängige Betriebssystem bietet volle Ethernet-Unterstützung, dafür braucht man keine zusätzliche Software.
PCs aller Betriebssysteme und Versionen lassen sich problemlos in jedes Ethernet-Netzwerk integrieren.

▲ In fremder Umgebung können sie ihr Notebook rasch und problemlos an jedes Standard Ethernet Netzwerk anschließen - Wenn sie dazu die Berechtigung erhalten.

▲ Wenn das Betriebssystem den Netzwerk-Zugang eingerichtet hat, dann ist dieser ohne weitere Maßnahmen für alle Programme verfügbar.

● Sonder-Lösungen versprechen gelegentlich "PC-Verbindung ohne Netzwerk", "PC-Netzwerk ohne Hub", oder andere Tricks. Solche Lösungen werden insbesondere zur Verbindung von 'nur' 2 PC angeboten.

Typische Nachteile von Sonder-Lösungen:

▼ Nur selten vom Betriebssystem unterstützt, und wenn dann nur von einem bestimmten System oder gar nur von einer Version. Wenn Spezial-Software installiert werden muss, dann machen sie sich vom Hersteller unnötig abhängig. Außerdem schließen sie damit die Vernetzung mit PCs anderer Betriebssysteme aus, ebenso mit Druckern, Routern und anderen Geräten.

▼ In fremder Umgebung kaum verwendbar. Zur Verbindung mit Geräten von Kunden etc. können sie ihre Sonder-Lösung kaum verwenden, schon gar nicht ihre dazu erforderliche Software installieren.

▼ Spezial-Software ist meist für andere Programme nicht benutzbar, d.h. diese können das Pseudo-Netzwerk nicht verwenden.

Netzwerk	Zusammenarbeit - Lokal und weltweit
OSI	Das Standard Kommunikations-Modell (Ethernet, MAC, IP, Port, Router, TCP, ..)
Ethernet	Grundbegriffe: Multiplex, KeepAlive, Broadcast, Unicast
Hardware	Kabel und Stecker - OSI Schicht 1
10Base2	Thin Coax - Ethernet mit BNC-Rundsteckern
10BaseT	Standard Twisted Pair - Ethernet mit RJ45 Flachsteckern
100BaseT	Fast Ethernet
Hub & Switch	Verteiler oder Schalter im Zentrum eines Stern-Netzwerks
1000BaseT	Gigabit - Ethernet
Frame	Ethernet Daten-Pakete
Werkzeug	Ethernet Werkzeug - Programme
Tricks	Vorsicht mit Alternativen zum "Einsparen" von Ethernet
Links	Ausgewählte Links zum Thema Ethernet

Ausgewählte Links zum Thema Ethernet
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - Standards: Suchen sie Nr. 802 - Download ist leider kostenpflichtig. 100MBit Ethernet (IEEE 802.3), WLAN Ethernet (IEEE 802.11) Elektronik-Kompendium (de): Netzwerk, Ethernet (IEEE 802), Uni Bielefeld (Michael Blume): IEEE 802 Ethernet	Wikipedia (de) - Ethernet (de), Repeater, Bridge, Hub, Switch, CRC, WLAN,

Ethernet

Weltweit dominierende Netzwerk-Technologie IEEE 802

Ethernet

Zeit-Multiplex

KeepAlive

Serielle Übertragung

Terminierung

Broadcast

Unicast

Kabel und Stecker - OSI Schicht 1 (Physical)

10Base2 - ThinWire

Kabel & Stecker

Länge:

Durchsatz:

Topologie

10BaseT - Twisted Pair

Kabel und Stecker

Länge

Topologie:

Durchsatz:

Hub oder Switch

Passiver Hub

Aktiver Switch

Anschluss:

Markierung

UpLink:

Integrierte Router-Lösungen

100BaseT

Topologie:

Durchsatz:

1000BaseT

Frame - Ethernet Daten-Paket

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EtherType

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Daten:

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