Ethernet

Was ist ein Ethernet?

Mit Ethernet wird eine kabelgebundene Netzwerktechnologie beschrieben, mit der Software (Protokolle) und Hardware (Kabel, Netzwerkkarten) für den Einsatz in kabelgebundenen Netzen spezifiziert werden. Die Technik wurde ursprünglich für lokale Datennetze entwickelt, weswegen Ethernet auch oft synonym zu dem Begriff LAN benutzt wird. Die Ethernet-Technik ermöglicht, dass einzelne Geräte (PCs, Drucker), die an das selbe LAN-Netzwerk angeschlossen sind, Daten in Form von Datenframes untereinander austauschen. In der ursprünglichen Form waren LAN-Netzwerke auf den Einsatz in Gebäuden beschränkt. Heutzutage existieren jedoch Varianten, die über Glasfaserkabel-Systeme eine Reichweite bis zu 70 Kilometer erreichen können.

Geschichte des Ethernets

Die Ethernet-Technik wurde vom drahtlosen Forschungsnetzwerk ALOHA abgeleitet und sollte ursprünglich dazu eingesetzt werden, um Computer im Xerox Palo Alto Research Center mit einem Internetzugang und einem Laserdrucker zu verbinden. Eigenen Angaben von Robert Metcalfe zufolge wurde das Konzept für dieses System erstmals am 22. Mai 1973 in einem internen Memo skizziert. In den folgenden Jahren arbeiteten die beiden Elektroingenieure Robert Metcalfe und David Boggs gemeinsam daran, die Idee von diesem ersten Konzept weiterzuentwickeln und in ein praktisches System umzuwandeln. Als Resultat dieser Bemühungen veröffentlichten die beiden Ingenieure 1976 ihr erstes White-Paper unter dem Titel “Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks”, womit der Siegeszug des Ethernets offiziell eingeläutet wurde.

Die erste Version des Ethernets ermöglichte eine bidirektionale Datengeschwindigkeit von bis zu 3 Mbit/s. Für die Datenübertragung des frühen Ethernets wurde ein einzelnes Koaxialkabel genutzt, das an die Decke gehängt wurde und in der Literatur mit der Anmutung eines Gartenschlauches beschrieben wurde. Von Metcalfe und seinem Team wurde das Medium jedoch als “Ether” beschrieben. Das Protokoll lehnte sich im hohen Maße an das funkbasierte ALOHAnet an, das einige Jahre zuvor an der Universität von Hawai entwickelt wurde. Bei dieser ersten Version handelte es sich noch um eine firmenspezifische Lösung und nicht um ein standardisiertes Produkt. Der genaue Anfangszeitpunkt des Ethernets lässt sich nicht genau festlegen, da Metcalfe selbst sagte, dass das Projekt über mehrere Jahre entwickelt worden sein.

Im Jahr 1979 verließ Metcalfe Xerox, um seine eigene Firma 3Com zu gründen und um die Verbreitung von Personal Computern und LAN-Netzwerken zu fördern. Er arbeitete mit Intel, Xerox und DEC an der Weiterentwicklung des Ethernets zusammen, was schließlich zu der Standardisierung von Ethernet führte. Ab 1980 übernahm das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) die Zuständigkeit für die Weiterentwicklung des Standards. Ursprünglich war nur ein LAN-Standard für Transfergeschwindigkeiten zwischen 1 und 20 Mbit/s vorgesehen. Ab 1981 arbeitete das IEEE an drei unterschiedlichen Techniken, und zwar:

  • CSMA/CD (802.3)
  • Token Bus (802.4)
  • Token Ring (802.5)

Im Laufe der Jahre wurde der Standard fortwährend weiterentwickelt und durch zusätzliche Funktionen und Features ergänzt. Vom sogenannten “thick Ethernet“, das aus einem durchgängigen 10 Millimeter dicken Koaxialkabel bestand und per Vampirklemme angezapft wurde, hat sich das Transportmedium nach und nach zu einem flexibleren und weitaus dünneren Koaxialkabel mit BNC-Koppelung entwickelt. Um die Fehleranfälligkeit zu minimieren und um Probleme im Netzwerk schneller ausfindig zu machen, wurde eine neue Topologie entwickelt, welche auf einem neuen Medium basierte. Bei der neuen Topologie kam ein zentraler Hub zum Einsatz, an den die Clients, nicht mehr über ein durchgängiges Koaxial-Kabel angeschlossen wurden, sondern die Verbindung zwischen Hub und Clients wurde über Telefonkabel aus Kupfer realisiert. Die Datentransferraten blieben jedoch unverändert. Die gesamte Infrastruktur verhielt sich immer noch, als ob alle Clients über ein einziges Kabel miteinander verbunden waren. Dies änderte sich erst mit der Einführung des geswitchten Ethernets.

Klassisches Ethernet

Bei der ursprünglichen Form des Ethernets wurde ein Algorithmus mit dem Namen “Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection” eingesetzt, um den Zugriff der Systeme auf das gemeinsame Medium zu regeln. Dieser Algorithmus lässt sich als eine Diskussionsrunde ohne Moderator visualisieren, bei der alle Teilnehmer ein gemeinsames Medium (die Luft) nutzen, um miteinander zu kommunizieren. Bevor einer zu sprechen beginnt, wartet er höflich, bis der andere Teilnehmer aufgehört hat zu reden. Im Kontext des klassischen Ethernets lauscht der Client, der die Daten senden möchte, auf dem Medium (Übertragungskabel), ob bereits ein anderer Client aktiv ist, und sendet erst dann, wenn die Leitung frei ist. Da zwei Clients zu der selben Zeit anfangen können zu senden, kann es zu einer sogenannten “Kollision” kommen, welche durch den Collision Detection-Mechanismus festgestellt wird. Daraufhin hören beide Clients mit dem Senden auf und warten eine zufällige Zeit, bis ein erneuter Versuch eingeleitet wird.

Geswitchtes Ethernet

Das klassische Ethernet funktioniert gut, solange das Datenvolumen relativ niedrig im Vergleich zu der nominalen Bandbreite ist. Da das Risiko für Kollisionen proportional mit der Anzahl der Clients steigt, tritt bei einer Auslastung oberhalb der 50%-Marke eine als Congestion (Stau) bekannte Erscheinung auf, wodurch die Effizienz des gesamten Netzwerks verringert wird. Um dieses Problem zu beheben und die verfügbaren Übertragungsraten zu optimieren, wurden ein neuer Typ von Netzwerkgeräten (Switch) entwickelt, sodass man in diesem Kontext von geswitchten Ethernet spricht. Switches speichern die Pakete, die von den Clients ausgehen und beschränken die Kollisionen (Kollisionsdomäne) auf Geräte, die an dem entsprechenden Port des Switches angeschlossen sind. Eine Weiterentwicklung dieses Systems, die heutzutage weitverbreitet eingesetzt wird, sind vollduplex-fähige Netzwerke, die eine kollisionsfreie Kommunikation ermöglichen. Dieses sogenannten FDX-Ethernet-Netzwerke werden realisiert, indem aus einem Netzwerk alle Hubs und Repeater entfernt werden und durch fullduplex-fähige Geräte ersetzt werden. Der Fullduplex-Modus ermöglicht, dass Daten gleichzeitig gesendet und empfangen werden können, ohne auf Kollisionen achten zu müssen.

Sicherheit

In den ersten Versionen wurde der gesamte Datenaustausch über einen gemeinsamen Bus in Form eines durchgehenden Koaxialkabels realisiert. An diesen wurden alle Clients entweder per T-Stück oder Vampierklemme angeschlossen. Alle Daten, die von einem Computer gesendet wurden, wurden auch von allen anderen Clients empfangen, sodass die Geräte kontinuierlich Daten ausfiltern mussten, die nicht für sie bestimmt waren. Diese Tatsache konnte genutzt werden, um den gesamten Datenverkehr auf der Leitung aufzuzeichnen, was ein wesentliches Sicherheitsproblem darstellte. Obwohl im Laufe der Jahre ein Verschlüsslungsverfahren entwickelt wurde, welches auf den höheren Protokollebenen eingesetzt wurde, um den Datenverkehr zu schützen, konnte dennoch keine hundertprozentige Sicherheit und Anonymität innerhalb von Ethernetnetzwerken gewährleistet werden. Dieses Problem wurde erst mit der Einführung der Switches behoben. Switches befördern Daten direkt vom Sender zum Empfänger, wodurch das Ausspionieren und Mithören erschwert wird.

Neue Einsatzbereiche

Mit den Begriffen “Metro Ethernet” und “Power over Ethernet” werden neue Einsatzbereiche des Ethernet-Standards beschrieben, mit denen diese Netzwerksysteme auch auf anderen Ebenen eingesetzt werden können. So handelt es sich bei Metro Ethernet um ethernetbasierte Metropolitan Area-Netze (MAN), mit denen versucht wird, die Einfachheit und die Kostenstruktur des Ethernet-Standards auf Wide Area-Netzwerke zu übertragen. Ebenso zu der Familie des Ethernet-Standards gehört das sogenannte “Power over Ethernet”. Durch den Einsatz dieses Verfahrens lassen sich sämtliche ethernetfähige Geräte über Twisted-Pair-Kabel mit Strom versorgen.


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