DATENNETZE - Datennetze / Ethernet

Ethernet - Medienzugriff

Ob nun Ethernet, Token Ring oder Wireless LAN, ursprünglich waren alle lokalen Netzwerke so genannte „Shared Networks“. „Shared“ ist englisch und bedeutet teilen. Bei diesen Netzwerken wurde der gemeinsame Kanal (im Basisbandverfahren) über das Übertragungsmedium (=Kabel) geteilt. Das hatte zur Folge, dass sich die mittlere Kapazität mit der Anzahl angeschlossener Endgeräte im Netzwerk verringert. Ebenso kann auch nur halbduplex übertragen werden, denn der gemeinsam zu nutzende Kanal kann von einem Endgerät zu einer Zeit auch nur in eine Übertragungsrichtung genutzt werden. Wichtig bei Shared Networks ist natürlich die möglichst faire Regelung der Nutzungsreihenfolge dieses eben einzigen Kanals. Deshalb wurden Medienzugriffsverfahren entwickelt, das im Ethernet CSMA/CD heißt. CSMA/CD war ursprünglich für Funkübertragungen gedacht, daher der Verweis auf ein Trägersignal (engl. „Carrier“) im Namen.

CSMA/CD steht für Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. Da wir uns beim ursprünglichen Ethernet in einem Bussystem befinden, kann es natürlich passieren, dass zwei Endgeräte quasi gleichzeitig senden woollen. Die dadurch auf dem Kabel entstehenden Kollisionen führen zwar zur Zerstörung beider Pakete, gehören aber zum Verfahren und sind damit erlaubt, wenn auch unerwünscht. Das „Carrier Sensing“ bedeutet nichts anderes als das Kabel auf anliegende Daten zu prüfen. Ist dies der Fall, wartet eine sendewillige Station. Ist das Kabel und damit der Kanal frei, kann gesendet werden. Das „Multiple Access“ deutet darauf hin, das mehrere Stationen eine Zugriffsmöglichkeit auf das Kabel haben und dezentral für sich selbst entscheiden können, ob gesendet wird oder nicht. Letztlich gibt es noch das „Collision Detection“. Dies ist eine Voraussetzung wenn Kollisionen möglich sind. Denn damit muss ein Senden eines Paketes auch darauf hin geprüft werden, ob es kollisionsfrei übertragen werden konnte. Dazu ist aber nur eine bestimmte Zeit zu prüfen, denn ist das ganze Kabel mit einem Paket ausgeleuchtet worden, erkennen die anderen Stationen per Carrier Sensing den Belegtzustand des Kabels und warten mit ihrer Sendung. Diese Zeit wird Kollisionsfenster genannt und beträgt beim 10 Mbit/s Ethernet 51,2 Mikrosekunden und beim Fast Ethernet 5,12 Mikrosekunden. Im Umkehrschluss bedeutet dies aber auch, dass ein Shared Network nicht unendlich lang sein darf. Genau gesagt nur so lange, dass Daten in 25,6 bzw. 2,56 Mikrosekunden von einem Ende bis zum anderen kommen, denn die Kollisionsfenstergröße ist ein Round Trip Delay. Dies ist ein Grund für die 5-4-3 Regel beim Einsatz von Repeatern in einem 10 Mbit/s Ethernet.

Die Kollisionsfenstergröße kommt nicht von ungefähr. Per Spezifikation der IEEE wurde festgelegt, das im Ethernet mindestens 512 Bits gesendet werden müssen. Danach muss das gesamte Shared Network mit dieser Sendung „ausgeleuchtet“ worden sein. Hieraus lässt sich mit dem Faktor 8 die Mindestpaketgröße von 64 Bytes bei einem Ethernet-Paket bestimmen.

Ethernet überträgt im Basisband, d.h. ohne Modulation und hat daher keinen Träger. Er wird durch eine Folge von Bytes am Anfang jedes Datenpakets simuliert, die das Bitmuster "10101010" enthalten. So kann auf dem Medium der Beginn einer Übertragung bereits erkannt werden, bevor Nutzdaten kommen.

Ein sendendes Endgerät prüft laufend, ob die vom Medium empfangenen Daten mit seinen Sendedaten identisch sind. Wenn nicht, liegt offensichtlich eine Kollision vor. Die Übertragung wird dann abgebrochen und der Sender wartet eine zufällige Zeitspanne (zwischen 0 und 51,2 Mikrosekunden bei 10 Mbit Ethernet), bis er es erneut versucht. Kollidiert das Datenpaket dann erneut, wird die Wartezeit aus einem größeren Zeitintervall (0 - 153,6 Mikrosekunden) gewählt und ein weiterer Versuch gestartet. Beim 15. Wiederholungsversuch ist das Zeitintervall bei 0 - 52377,6 Mikrosekunden angekommen. Schlägt auch dieser Versuch fehl, wird das Paket verworfen und ein Fehler an die übergeordnete Netzwerkschicht gemeldet.