3.3 Ethernetgrundlagen

Ethernet innerhalb des OSI-Modells

IEEE 802.3 beschreibt Ethernet-Funktionen der Sicherungsschicht und zahlreiche zugehörige Varianten der Bitübertragungsschicht. Auf Schicht 2 werden MAC-Adressen und Frames verarbeitet. Auf Schicht 1 legen die jeweilige PHY-Variante, das Medium, die Reichweite, Steckverbinder und die Signalcodierung fest, wie die Bits tatsächlich übertragen werden.

Ein Switch arbeitet bei der gewöhnlichen Weiterleitung auf Schicht 2. Jeder seiner Ports bildet eine eigene Kollisionsdomäne. Repeater und klassische Hubs arbeiten dagegen nur auf Schicht 1 und geben empfangene Signale an andere Ports weiter. Sie trennen deshalb keine Kollisionsdomänen und sind in heutigen produktiven Ethernet-Netzen praktisch bedeutungslos.

Halbduplex, Vollduplex und Kollisionsdomänen

Halbduplex bedeutet, dass eine Station auf einem gemeinsamen Segment entweder sendet oder empfängt. Senden mehrere Stationen gleichzeitig, kann eine Kollision entstehen. Klassisches CSMA/CD erkennt diesen Fall und startet nach einer zufälligen Wartezeit einen neuen Versuch. Das Verfahren und sein Backoff werden auf der Lernseite 2.5 ausführlich behandelt.

Bei einer korrekt ausgehandelten Vollduplex-Punkt-zu-Punkt-Verbindung können beide Seiten gleichzeitig senden. Es gibt auf diesem Link keine Kollisionen und CSMA/CD wird nicht eingesetzt. Moderne Switch-Netze arbeiten deshalb normalerweise im Vollduplexbetrieb. Eine Duplex-Fehlanpassung - eine Seite Voll-, die andere Halbduplex - kann dennoch starke Leistungseinbrüche, Fehler und Wiederholungen verursachen.

Auto-Negotiation und Duplex-Fehlanpassung

Ethernet-Schnittstellen handeln bei unterstützten Twisted-Pair-Varianten ihre gemeinsamen Fähigkeiten aus. Dazu gehören insbesondere Geschwindigkeit und Duplexmodus; weitere Funktionen können ebenfalls signalisiert werden. Gewöhnlich sollte Auto-Negotiation auf beiden Seiten aktiv sein. Eine feste Konfiguration ist nur sinnvoll, wenn sie technisch erforderlich und auf beiden Seiten abgestimmt ist.

Zeigt ein Link zwar Verbindung, liefert aber ungewöhnlich wenig Durchsatz, gehören ausgehandelte Geschwindigkeit, Duplexmodus, Fehlerzähler, Verkabelung und Transceiver zu den ersten Prüfpunkten. Ein auf 100 Mbit/s zurückgefallener Gigabit-Link kann beispielsweise auf ein beschädigtes oder nicht vollständig aufgelegtes Aderpaar hinweisen.

• Beide Linkpartner auf Auto-Negotiation betreiben oder eine erforderliche feste Konfiguration auf beiden Seiten identisch setzen.
• Linkstatus, ausgehandelte Geschwindigkeit und Duplexmodus an beiden Enden vergleichen.
• CRC-/FCS-Fehler, Alignment-Fehler, Drops und Link-Flaps nicht isoliert, sondern zusammen mit Medium und Transceivern bewerten.
• Bei Glasfaser zusätzlich Transceivertyp, Wellenlänge, Faserart, Polarität und optische Pegel prüfen.

Bitzeit, Interpacket Gap und Slot Time

Die Bitzeit ist die Dauer eines einzelnen Bits bei einer gegebenen Datenrate. Bei 10 Mbit/s dauert ein Bit 100 ns, bei 100 Mbit/s 10 ns und bei 1 Gbit/s 1 ns. Sie ist nicht mit der Slot Time gleichzusetzen. Die Slot Time des klassischen CSMA/CD umfasst 512 Bitzeiten bei 10 und 100 Mbit/s; bei Gigabit-Halbduplex wurden 4096 Bitzeiten vorgesehen. Im heutigen Vollduplexbetrieb ist sie für den normalen Medienzugriff nicht mehr relevant.

Der Interpacket Gap beträgt im klassischen MAC-Zeitmodell 96 Bitzeiten. Seine absolute Dauer sinkt mit steigender Datenrate. Die maximale Framezahl pro Sekunde hängt deshalb von Framegröße, Präambel/SFD und dieser Pause ab. Die Lernseite 3.2 zeigt die daraus entstehende Medienbelegung im Detail.

Ethernet-Fehler richtig einordnen

Ethernet-Schnittstellen und Switches führen Zähler für unterschiedliche Empfangs- und Übertragungsprobleme. Die genaue Benennung variiert nach Hersteller und Gerät. Ein einzelner Zähler beweist noch keine bestimmte Ursache; entscheidend sind Entwicklung, betroffene Ports, Richtung und Zusammenhang mit Linkereignissen oder Last.

Ein beschädigter Frame mit falscher FCS weist auf einen Fehler zwischen sendender MAC und prüfendem Empfänger hin. Sehr kurze Frames werden häufig als Runts oder Fragments bezeichnet, übergroße als Giants beziehungsweise Jabber, wobei Definitionen geräteabhängig sein können. Moderne Vollduplex-Links sollten keine echten Kollisionen melden. Kollisionszähler sind deshalb ein Hinweis auf Halbduplexbetrieb, Fehlkonfiguration oder eine gerätespezifische Zählerbedeutung.

Systematische Ethernet-Fehlersuche

Die Fehlersuche beginnt unten im Schichtenmodell und vergleicht immer beide Linkenden. Erst wenn der physische Link stabil und passend ausgehandelt ist, werden VLAN-Zuordnung, MAC-Lernen, IP-Konfiguration und höhere Protokolle geprüft. Diese Reihenfolge verhindert, dass ein Kabel- oder Duplexproblem fälschlich als Anwendungsfehler behandelt wird.