Ethernet einfach erklärt: Frames, Switches und LAN

Ein lokales Netz verbindet Geräte in einem begrenzten Bereich, etwa in einem Schulgebäude. Es heißt kurz LAN. Die englischen Wörter Local Area Network bedeuten lokales Netz. Ethernet legt Regeln und technische Eigenschaften für den Datenaustausch per Kabel fest. Darüber können zum Beispiel Computer und Drucker Daten austauschen.

WLAN bedeutet Wireless Local Area Network, also drahtloses lokales Netz. Bei WLAN gelangen die Daten per Funk zwischen den Geräten und dem Funkzugang zum Netz. Ethernet nutzt dafür Kabel. In einem lokalen Netz können Geräte mit Kabelverbindung und Geräte mit Funkverbindung zusammenarbeiten.

Ein Router ist ein Gerät, das unterschiedliche Netze verbindet. Er kann das LAN mit dem Internet verbinden. Das Internet besteht aus vielen miteinander verbundenen Netzen weltweit. Für den Internetzugang brauchst du außerdem eine funktionierende Verbindung zu einem Internetanbieter.

Ein Frame ist eine abgegrenzte Einheit für die Übertragung von Daten. Wir betrachten hier einen vereinfachten Aufbau mit einem Typ-Feld. Der MAC-Frame enthält Adressfelder, das Typ-Feld und Nutzdaten. Das Kürzel MAC bezeichnet die Regelung des Zugangs zum Netz. Die hier besprochenen Felder sind ein Ausschnitt des Frame-Aufbaus.

Ein Bit kann den Wert 0 oder 1 haben. Acht Bit bilden ein Byte. Vor dem MAC-Frame steht in unserem Übertragungsmodell die Präambel: ein regelmäßiges Bitmuster von sieben Byte. Sie hilft dem Empfänger, den zeitlichen Abstand der Bits zu erkennen. Danach folgt ein Byte als Startmarkierung. Diese heißt SFD, kurz für englisch Start Frame Delimiter. Präambel und SFD liegen vor dem MAC-Frame und sind keine Felder darin. Moderne Verbindungen können den Bit-Takt auch zwischen Übertragungen beibehalten. Die technische Umsetzung der Takt- und Startkennzeichnung kann deshalb vom einfachen Modell abweichen.

Die Ziel-MAC-Adresse gibt an, für wen der Frame bestimmt ist: für einen einzelnen Netzwerkanschluss, eine Gruppe von Anschlüssen oder alle Anschlüsse im LAN. Die Quell-MAC-Adresse bezeichnet den Anschluss des Absenders. Beide Adressfelder sind jeweils sechs Byte beziehungsweise 48 Bit lang. Ein Protokoll ist eine Sammlung von Regeln für den Datenaustausch. Das Typ-Feld, auch EtherType genannt, sagt, nach welchem weiteren Protokoll die Nutzdaten gelesen werden. Die Nutzdaten sind der transportierte Inhalt. Bei den hier betrachteten Standard-Frames passen höchstens 1.500 Byte in das Nutzdatenfeld. Besondere größere Frames gehören nicht zu diesem Modell.

Eine MAC-Adresse dient als Adresse eines Netzwerkanschlusses. Sie umfasst 48 Bit. Solche Adressen sollen weltweit eindeutig sein. Trotzdem können sie mehrfach vorkommen und auch geändert werden. Im selben LAN müssen doppelte MAC-Adressen vermieden werden, weil sie zu Fehlern führen können.

Ein Switch ist ein Verteiler mit mehreren Netzwerkanschlüssen. Wir betrachten ein einfaches LAN ohne zusätzliche Unterteilung. Kennt der Switch den Anschluss zur Ziel-MAC-Adresse eines einzelnen Empfängers, leitet er den Frame gezielt dorthin. Kennt er die Zieladresse noch nicht, verteilt er den Frame an die übrigen Anschlüsse des LANs. Auch ein Rundruf, englisch Broadcast, ist für alle Geräte im LAN bestimmt. Deshalb erhält nicht jeder Frame bloß eine gezielte Weiterleitung zu einem einzelnen Gerät.

Vollduplex bedeutet: Die beiden Geräte an einer direkten Verbindung können gleichzeitig senden und empfangen. Die beiden Richtungen arbeiten unabhängig voneinander. Auf dieser Verbindung entstehen dadurch keine Kollisionen. Eine Kollision ist ein Zusammenstoß von Übertragungen, deren Signale einander stören. Trotz Vollduplex können Frames verloren gehen: Ein Switch speichert eintreffende Frames kurz zwischen. Treffen zu viele für einen Ausgang ein, kann dieser Zwischenspeicher voll werden. Dann kann der Switch Frames verwerfen.

Bei älterem Ethernet mit einem gemeinsam genutzten Übertragungsweg hilft das Verfahren CSMA/CD. Das Kürzel steht für ein Verfahren zum Prüfen der Leitung und Erkennen von Kollisionen. Ein Gerät prüft zuerst, ob die Leitung frei ist. Ist sie frei, beginnt es zu senden. Zwei Geräte können aber gleichzeitig beginnen. Erkennen sie eine Kollision, senden sie kurz ein Störungssignal und brechen die Übertragung ab. Nach einer zufällig gewählten Wartezeit versuchen sie es erneut. Auch dabei ist eine weitere Kollision möglich. Bei einer Vollduplex-Verbindung wird dieses Verfahren nicht eingesetzt.

Die Übertragungsrate gibt an, wie viele Bits pro Sekunde übertragen werden können. Gbit/s bedeutet Gigabit pro Sekunde. Ein Gigabit sind eine Milliarde Bit. Die Angabe 1 Gbit/s bezeichnet also eine Milliarde Bit pro Sekunde, 10 Gbit/s bezeichnet zehn Milliarden. Das bedeutet nicht, dass tatsächlich in jeder Sekunde so viele Daten übertragen werden.

1000BASE-T und 10GBASE-LR sind Namen zweier Ethernet-Varianten. 1000BASE-T nutzt Kupferkabel. Darin werden die Daten mit elektrischen Signalen übertragen. Das Kabel muss mindestens zur Kategorie 5 gehören. Eine Kabelkategorie beschreibt bestimmte technische Eigenschaften des Kabels. 10GBASE-LR nutzt dagegen Glasfaser. Eine Glasfaser ist ein dünner Lichtleiter: Sie überträgt Signale mit Licht. Singlemode ist der Name der hier benötigten Glasfaserart.

Die Tabelle nennt die Datenrate und die Höchstlänge einer einzelnen Verbindung unter passenden technischen Bedingungen. Dazu gehören geeignete Kabel und passende Geräte. Die Längen sind keine Zusage für beliebige Kabel. Das Zeichen m steht für Meter, km für Kilometer. Ein Kilometer sind 1.000 Meter. Für eine Auswahl prüfst du deshalb drei Dinge: die benötigte Datenrate, die passende Kabelart und die Länge der Verbindung.