Standards für lokale Netze

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Teil 7 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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Die Standardisierung Lokaler Netze wurde ab Mitte der 80er Jahre von der Gruppe 802 des IEEE vorgenommen. In diesem langen Entwicklungszeitraum wurden viele Teilstandards entwickelt, die zu Systemen geführt haben, die es mittlerweile gar nicht mehr gibt. Für jede neue Entwicklung wurden auch neue Standards geschaffen, allerdings hat man auch viele Altlasten mitgeschleppt.

IEEE 802 (ISO 8802) sah zu Beginn vor, dass es vier unterschiedliche Schicht-2-Verfahren, nämlich CSMA/CD, FDDI, Token Bus und Token Ring gibt, welche von einer Reihe unterschiedlicher technischer Systeme unterstützt werden, wobei es sowohl Basisbandversionen auf Twisted Pair, Koaxialkabel und Lichtwellenleiter-Medien als auch Breitbandversionen gibt. Die interessanten und tatsächlich benutzten Varianten werden permanent weiterentwickelt.

Alle diese verschiedenen Netztypen werden dann einheitlich unter einer sog. Logischen Verbindungskontrolle zusammengebunden, so dass für alle Schichten ab der Oberkante der Schicht 2 ein einheitliches LAN-Transportsystem existiert. Die Logical Link Control LLC stellt je nach Implementierung einen oder mehrere folgender drei Services zur Verfügung:

  • LLC 1: Nichtbestätigter verbindungsloser Service: Er liefert die Hilfsmittel, mit denen Netzwerkanschlüsse Dateneinheiten der Verbindungsebene austauschen können, ohne dass eine logische Verbindung der Schicht zwei aufgebaut werden müsste. Der Datentransfer mittels Datagrammen kann Punkt-zu-Punkt, Punkt-zu-Vielpunkt oder durch Rundsendung erfolgen. Empfangsbestätigungen werden nicht erwartet.
  • LLC 2: Verbindungsorientierter Service: Hier werden die Hilfsmittel vorgesehen, um logische, virtuelle Verbindungen auf der Schicht 2 einzurichten, zu benutzen und zu terminieren.
  • LLC 3: Bestätigter verbindungsloser Service: Wie LLC 1, nur mit Empfangsbestätigungen auf der Verbindungsschicht.

Datagramme sind kleine Datenpakete mit Sender- und Empfängerangabe und natürlich einem – hoffentlich – sinnvollen Inhalt. Zwei Stationen können massenhaft Datagramme untereinander austauschen, aber diese Datagramme stehen in keinem Zusammenhang miteinander. Für kurze Nachrichten, wie sie ja zwischen Rechnern immer wieder vorkommen, reichen Datagramme. Die maximale Größe eines Datagramms richtet sich nach der maximal von dem LAN-Typ unterstützten Länge für ein Datenpaket. Bei Ethernet sind das z. B. ca. 1 500 Bytes. Bei der Übertragung größerer Datenmengen stehen wir vor dem Problem, dass das Netz (im Gegensatz zur Post) nur kleine Einheiten übertragen kann. Das hat sich besonders bei LANs herausgestellt, denn wenn jemand ein fast endloses Datenpaket übertragen würde, kämen in der Zwischenzeit ja all die anderen überhaupt nicht zum Zuge. Das möchte man vermeiden, denn ein LAN ist grundsätzlich für alle angeschlossenen Stationen da. Also muss man sich etwas anderes einfallen lassen, und das ist die so genannte virtuelle Verbindung. Virtuell heißt ja: gedacht.

Eine virtuelle Verbindung muss zwischen den beiden beteiligten Partnern aufgebaut werden, dabei werden eine Menge von Vereinbarungen getroffen, unter anderem auch über die Art der Nummerierung der Datenpäckchen. Soll jetzt also eine größere Datei in Form einer Menge von Datenpäckchen übertragen werden, so wird sie erst einmal in passende Teile zerlegt und diese werden nummeriert. So kann der Empfänger sie wieder viel leichter zusammenbauen. Sollte mittendrin eins verlorengehen, ist es möglich dies oder eine ganze Reihe von Päckchen neu anzufordern, damit man das Puzzle zusammenbringt. Sind die Stationen fertig, können sie die virtuelle Verbindung wieder abbauen. Haben sie aber vor, bald wieder zu kommunizieren, lassen sie sie einfach stehen.

Das Ethernet-Universum

»Ethernet« wurde schon 1980 von DEC, Intel und Xerox vorgestellt, also lange bevor die ersten Token-Ring-Produkte verfügbar waren. Diesen »Heim- oder Zeitvorteil« hat Ethernet bis heute halten können, Ethernet wurde allerdings mehrfach modifiziert. Ethernet ist also nicht gleich Ethernet! Zum Teil sind die Protokolle sogar zueinander nicht kompatibel. Dies kann häufig zu Problemen führen, wenn mit unterschiedlichen Protokollversionen in einem LAN gearbeitet wird. Bekannt sind bis heute die Varianten:

  • Ethernet Version 1 (das allerdings so gut wie nicht mehr eingesetzt wird),
  • Ethernet Version 2, heute noch in der Umgebung von DEC-Rechnern zu finden,
  • das Standard-Ethernet IEEE 802.3 mit 10 Mbit/s Gesamtleistung,
  • das Fast Ethernet IEEE 802.3u 100 BASE T mit 100 Mbit/s Gesamtleistung,
  • das Dedicated Ethernet, was die Leistung der letzten beiden Varianten mit einem Switch für jede angeschlossene Station verfügbar macht,
  • das Gigabit Ethernet mit 1000 Mbit/s Gesamtleistung, vorzugsweise direkt als geswitchte Version mit 1000 Mbit/s für jedes Gerät.
  • das 10 Gigabit Ethernet mit 10 000 Mbit/s Gesamtleistung, rein geswitcht für Storage Area Networks, Power LAN Backbones, MANs und den WAN-Access.
  • Das 40/100 Gigabit Ethernet mit 40 000 oder 100 000 Mbit/s Gesamtleistung für die Fälle, in denen auch das 10 Gigabit Ethernet nicht mehr ausreicht, z.B. innerhalb eines Rechenzentrums

Basis für diese Varianten ist, auch wenn es bei den letzten drei Varianten nur in Form einer Notlüge verwendet wird, das CSMA/CD Protokoll. Alle Varianten bis auf die ersten zwei verwenden das gleiche Paketformat nach IEEE 802.3. Die meisten PC-Adapter und Ethernet-Brücken können jedoch sowohl Ethernet 2.0 als auch IEEE 802.3 -Pakete parallel bearbeiten, weshalb der Unterschied nicht mehr allzu stark ins Gewicht fällt.

Der große Vorteil von Ethernet ist bis heute seine recht weite Verbreitung und Akzeptanz in der Industrie und in der Forschung und Entwicklung. Im folgenden wird mit Ethernet immer die gesamte Systemfamilie ab IEEE 802.3 Basissystem bezeichnet, wenn nicht explizit die einzelnen Varianten aufgeführt werden.

Ethernet Version 2 sowie 802.3 arbeiten mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 10 MBit/s und nutzten in den letzten Jahren vorwiegend als Übertragungsmedium Koaxialkabel. Der passive Anschluss der Endgeräte erfolgt hierbei über Transceiver (Transmitter-Receiver) in Abständen von minimal 2,5 m, die die Informationen bidirektional auf dem Bus übertragen. Die maximale Entfernung zwischen zwei Transceivern ohne Verwendung von Regeneratoren beträgt 2,5 km, wobei bis zu 1024 Endgeräte an ein Ethernet (Token-Ring 260) anschließbar sind. Das 50-Ohm-Kabel ist in einzelne Kabelsegmente von max. bis zu 500 m Länge unterteilt. Die Verbindung zum nächsten Kabelsegment wird mit Hilfe von Repeatern hergestellt. Dadurch wird eine phasenmäßige Aufaddierung der Signalreflexionen verhindert. Die Dämpfung eines Signals sollte kleiner als 8,5 dB/Segment sein.

Pro Bus-Segment sind max. 100 Transceiver anschließbar. Der Transceiver sichert eine regenerationsfreie Datenübertragung über mind. 500 m Kabellänge, empfängt bitserielle Datenströme vom Koaxialkabel, führt die Kollisionserkennung durch und übernimmt das Carrier Sensing. Das Transceiverkabel verbindet den Transceiver mit dem Ethernet Controller im Endgerät. Es kann bis zu 50 m lang sein. Die Signalrundlaufzeit muss kleiner als 3,08 Mikrosekunden sein.

Der Controller deckt die unteren beiden Ebenen des ISO-Modells ab, kann aber je nach Hersteller auch Funktionen bis inkl. Ebene 4/5 abdecken (NETBIOS, TCP/IP…). Er basiert auf zwei unterschiedlichen VLSI-Chips, dem MEC (Manchester Encoding Chip) und dem LANCE (LAN Controller for Ethernet).

Im Zuge der strukturierten Verkabelung baut man moderne Ethernet-Systeme heute jedoch sternförmig auf: Jede Station bekommt einen eigenen Anschluss an einen Sternverteiler (Hub), in dem praktisch der Bus auf sehr kleinem Raum realisiert ist. So kann man z. B. Fehler viel schneller isolieren. Außerdem betrifft ein Fehler auf einer Leitung zwischen Hub und Endgerät nur diese und nicht mehr das ganze Netz. Wenn die Leistung nicht mehr ausreicht, kann man den Hub gegen einen Switch austauschen, ohne die Verkabelung großartig ändern zu müssen.

Für die Realisierung des technischen Übertragungssystems gibt es im Standard IEEE 802.3/ISO 8802.3 verschiedene Alternativen. Es gibt ein zusätzliches Bezeichnungsszenario, auf das an dieser Stelle der Vollständigkeit halber hingewiesen werden soll, weil es häufiger benutzt wird. Eine nicht immer konsistente Codierung der Form nn BASE/BROAD k/T/F bezeichnet mit nn die Nominal-Datenrate in Mbit/s, mit BASE oder BROAD Basisband oder Breitband-Übertragung (letztere gibt es hier gar nicht mehr), mit k die maximale Ausdehnung eines Segmentes in 100 m, T steht für Twisted Pair und F für Fiber Optic.

10 BASE 5 ist also die IEEE-Version des bekannten Basis-Ethernet und die Weiterentwicklung von V.2. Das sogenannte Cheapernet mit dünnerem Koaxialkabel wird mit 10 BASE 2 bezeichnet, da die Segmente nur 200 m (185 m) lang werden dürfen. Weil es so ein schlechtes System mit sehr hoher Fehleranfälligkeit ist, nennen Profis das Ding auch schlicht Scheppernet. Sollten Sie so ein Netz haben und damit tatsächlich zufrieden sein, sagen Sie es nicht weiter: Es liegt dann nämlich die Vermutung nahe, dass Sie gar nicht darauf arbeiten. Das so genannte STARLAN auf der Basis eines Twisted-Pair-Multistars heißt 1 BASE 5, während das 10 bzw. 100 Mbit/s. Twisted Pair System die Bezeichnung 10 Base T bzw. 100 Base T besitzt und mit dem Fiber Optic System 10 Base F das Schicksal teilt, dass man die maximale Größe eines Segmentes nicht mehr der Abkürzung entnehmen kann. Das Gigabit-Ethernet gibt es in verschiedenen Varianten 1000 Base T, 1000 Base F usf. Außerdem gibt es noch weitere Buchstabenkombinationen, deren Erklärung hier aber zu weit führen würde.

Durch die Entwicklung der unternehmensweiten Hubs sind eigentlich nur noch die Varianten 10/100/1000 Base T und 10/100/1000 Base F von Interesse, die eigentlichen Bus-Ethernets mit Koaxialkabeln sind aufgrund der schlechten Möglichkeiten zur Fehlerisolation und der Einschränkung auf einen Systemtyp langsam ausgestorben.

Die 10, 100 BASE T- und 1 Gigabit-Varianten werden heute oft zusammen implementiert. Um den Besitzern von älteren Netzen den Übergang zur schnelleren Variante zu erleichtern, hat man Adapterkarten gebaut, die beide Geschwindigkeiten und dazu auch noch eine Reihe unterschiedlicher Übertragungsmodi (z. B. Halbduplex abwechselnd oder Vollduplex im dauernden Gegenbetrieb) unterstützen. Da man dafür einmal einen Chip gegossen hatte, wurde dieser gleichzeitig auch bei Hubs und Switches verwendet. Eine Adapterkarte verhandelt selbständig mit den Hubs oder Switches, welche Datenrate denn nun unterstützt werden soll. Dafür wurde der Protokollstapel unten noch um die sog. Autonegotiation-Funktion erweitert. Der Grundzustand ist immer 10 BASE T, wenn also ein neuer Switch versucht, mit einer alten Karte zu verhandeln, wird er schnell merken, dass diese das Protokoll nicht unterstützt, und auf 10 BASE T gehen. Die 10/100/1000-Adapterkarten sind nicht nennenswert teurer als vergleichbare Karten mit nur einer Datenrate. Also kauft man mit neuen PCs nur noch die automatischen Karten, falls sie nicht ohnehin schon im PC drin sind, was INTEL eigentlich möchte. Die kann man erst einmal an ein Netz hängen, wo ein alter Hub und sonst alte PCs mit alten Karten alle 10 BASE T machen. Kauft man nun einen neuen Hub oder Switch, so kann dieser mit den automatischen Karten sofort 100 Base T reden, mit den alten redet er weiter 10 BASE T. Irgendwann hat man nur noch neue PCs mit neuen Karten, die dann alle 100 BASE T unterstützen usw. Das Schöne an dieser Konstruktion ist, dass alte und neue Karten miteinander kommunizieren können, weil die unterschiedliche Geschwindigkeit ja nur auf dem Weg zwischen Karte und Hub/Switch vorkommt und ansonsten ja das genau identische Paketformat verwendet wird.

Die Vorteile dieser Varianten liegen besonders im gemischten Betrieb bei Client/Server-Umgebungen. Statistisch erzeugen alle Clients zusammen nämlich die gleiche Anzahl von Paketen (Anfragen) wie die Server (Antworten). Es gibt aber normalerweise viel mehr Clients als Server. Also entsteht ein Engpass, wenn man einen Server mit der gleichen Leistung an ein Netz anschließt wie einen Client. Haben aber die Clients 10 BASE T-Anschlüsse, und die Server 100 BASE T, ist es viel ausgewogener.

Heute haben moderne Unternehmen und Organisationen überwiegend 1 Gigabit Ethernet-Anschlüsse an den Endgeräten. Es ist eigentlich schon intuitiv klar, dass man bei diesen Geschwindigkeiten mit den alten Konzepten nicht mehr wirklich zurechtkommt.

Für ein modernes unternehmensweites LAN benötigen wir:

  • strukturierte Verkabelung
  • Ethernet-Standards für höhere Datenraten (1,10, 40 und 100 Gbit)
  • geeignete Switches

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