Ethernet

Ethernet ist eine kabelgebundene Datennetztechnologie für lokale Datennetze (LANs). Sie ermöglicht den Datenaustausch in Form von Datenrahmen zwischen allen in einem lokalen Netz (LAN) angeschlossenen Geräten (Computer, Drucker, etc.). Nur in seiner traditionellen Ausprägung erstreckt sich das LAN dabei nur über ein Gebäude. Ethernet-Technologie verbindet heute auch Geräte über weite Entfernungen.

 

Ethernet umfasst Festlegungen für Kabeltypen und Stecker, beschreibt die Signalisierung für die Bitübertragungsschicht und legt Paketformate und Protokolle fest. Aus Sicht des OSI-Modells spezifiziert Ethernet sowohl die physikalische Schicht (OSI Layer 1) als auch die Data-Link-Schicht (OSI Layer 2). Ethernet ist weitestgehend in der IEEE-Norm 802.3 standardisiert. Es wurde ab den 1990ern zur meistverwendeten LAN-Technologie und hat alle anderen LAN-Standards wie Token Ring verdrängt oder wie beispielsweise 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 oder TCP/IP bilden.

Geschichte:

Ethernet wurde ursprünglich am Xerox Palo Alto Research Center (PARC) entwickelt. Eine weitverbreitete Geschichte besagt, dass Ethernet 1973 erfunden wurde, als Robert Metcalfe ein Memo über das Potenzial von Ethernet an seine Vorgesetzten schrieb. Er leitete das Protokoll von dem auf der Universität von Hawaii entwickelten funkbasierten ALOHAnet ab. Daher auch der Name Ethernet (engl. für ?Äther?, der nach früheren Annahmen das Medium zur Ausbreitung von (Funk-)Wellen ist). Metcalfe selbst sagt, dass Ethernet über mehrere Jahre entwickelt wurde und sich daher kein Zeitpunkt festmachen lässt.

 

Ursprünglich war es also ein firmenspezifisches und nicht standardisiertes Produkt. Diese erste Version des Ethernet arbeitet noch mit 3 Mbit/s. 1976 veröffentlichten Metcalfe und sein Assistent David Boggs einen Artikel mit dem Titel Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks.

 

Robert Metcalfe verließ Xerox 1979, um die Benutzung von Personal Computern und LANs zu fördern, und gründete die Firma 3Com. Er überzeugte erfolgreich 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 dann 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 das 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. Danach verstärkte das IEEE seine Aktivitäten in den Gebieten Ethernet-on-Twisted Pair, was 1991 zu einem Standard wurde, sowie Ethernet auf Glasfaserleitungen, was 1992 zu den 10BaseF-Standards (F für Fibre-Optics) führte. Mitte der 90er 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 (100BaseVG) 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 Fast Ethernet Alliance 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-Gigabit-Ethernet und am Ethernet in the First Mile (EFM) statt des reinen Inhouse-Betriebs bereits Universitäts- und Stadtnetze ins Visier.

Bitübertragungsschicht:

Ethernet basiert auf der Idee, dass die Teilnehmer eines LANs Nachrichten durch eine Art Funk-System versenden, allerdings nur innerhalb eines gemeinsamen Leitungsnetzes, das manchmal als Äther bezeichnet wurde (der Äther war in der Vorstellung des 19. Jahrhunderts der Stoff, durch den sich das Licht hindurch bewegte). Jeder Teilnehmer hat einen global eindeutigen 48-bit-Schlüssel, der als seine MAC-Adresse bezeichnet wird. Dies soll sicherstellen, dass alle Systeme in einem Ethernet unterschiedliche Adressen haben. Ethernet überträgt die Daten auf dem Übertragungsmedium dabei im sogenannten Basisbandverfahren, d. h. in digitalem Zeitmultiplex.

Ethernet-Medientypen:

Die verschiedenen Ethernet-Varianten unterscheiden sich in Übertragungsrate, den verwendeten Kabeltypen und der Leitungscodierung. Der Protokollstack arbeitet deshalb bei den meisten der folgenden Typen identisch.

Hier kurze Angaben zu den gängigsten Varianten:

- 10 Mbit/s Ethernet: Beim 10-MBit-Ethernet kommt eine einfache Manchesterkodierung zum Einsatz, die je Datenbit zwei Leitungsbits überträgt (somit 20 MBaud). Mit dieser Verdopplung der Signalisierungsrate und dabei alternierend übertragenen Datenbits wird die Gleichspannung effektiv unterdrückt und gleichzeitig die Taktrückgewinnung im Empfänger nachgeführt, das Spektrum reicht bis 10 MHz. Die Leitung wird nur belegt, wenn ein Ethernet-Paket tatsächlich gesendet werden muss. Meistens Verbindung über Koaxialkabel.

- 10 Mbit/s Ethernet mit Twisted-Pair-Kabel

- 10 Mbit/s Ethernet mit Glasfaser-Kabeln

- 100 MBit/s Ethernet (Fast Ethernet):

Beim Übergang von 10- auf 100-MBit-Ethernet wurde die Signalisierungsebene weiter unterteilt, um auf eine klarere Definition dessen zu kommen, was den PHY, (die physikalische Schicht, OSI-Schicht 1), vom MAC trennt. Gab es bei 10-MBit-Ethernet PLS (Physical Layer Signaling, Manchester-Codierung, identisch für alle 10 MBit/s-Standards) und PMA (Physical Medium Attachment, Coaxial-, Twisted-Pair- und optische Anbindungen), sind es bei Fast Ethernet nunmehr PCS (Physical Coding Sublayer) mit PMA sowie PMD (Physical Medium Dependent). PCS, PMA und PMD bilden gemeinsam die physikalische Schicht. Es wurden drei verschiedene PCS-PMA-Kombinationen entworfen, von denen jene für 100Base-T4 und 100Base-T2 (IEEE 802.3 Clauses 23 und 32) aber nie wirtschaftliche Bedeutung erlangen konnten.

 

Durchgesetzt hat sich einzig 100Base-X (IEEE 802.3 Clause 24) für Twisted-Pair-Kabel und Glasfasern, welches statt der Manchesterkodierung den effizienteren 4B5B-Code einsetzt. Dieser ist zwar nicht gleichspannungsfrei, die Symbolrate liegt aber mit 125 MBaud nur geringfügig über der Datenrate. Da es hier keine physikalischen Busse sondern nur mehr Punkt-zu-Punkt-Verbindungen gibt, wurde eine kontinuierliche Übertragung favorisiert, die die aufwändigen Einschwingvorgänge des Empfängers auf die Hochfahrphase des Segments beschränkt. Ein Scrambling-Verfahren sorgt für ein (statistisch) gleichmäßiges Frequenzspektrum unabhängig von der Leitungsauslastung. Die verwendeten Leitungscodeworte garantieren eine für die Bitsynchronisation beim Empfänger ausreichende minimale Häufigkeit von Leitungszustandswechseln.

- Gigabit Ethernet:Bei 1000-MBit-Ethernet (Gigabit Ethernet) kommen im wesentlichen zwei verschiedene Kodiervarianten zum Einsatz. Bei 1000Base-X (IEEE 802.3 Clause 36) wird der Datenstrom in 8-Bit breite Einheiten zerlegt und mit dem 8B10B-Code auf eine Symbolrate von 1250 MBaud gebracht. Damit wird ein kontinuierlicher, gleichspannungsfreier Datenstrom erzeugt, der bei 1000Base-CX über einen Transformator auf einem verdrillten Adernpaar zum Empfänger fließt oder bei 1000Base-SX/LX/ZX die optische Trägerwelle moduliert. Bei 1000Base-T hingegen wird der Datenstrom in 4 Teilströme unterteilt, die jeweils mit PAM-5 und Trellis-Codierung in ihrer Bandbreite geformt und über die 4 Adernpaare gleichzeitig gesendet und empfangen werden.

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