Data Link Layer - Ethernet

Ideen: M. Metz, A. Grella, A. Grupp, Elektronikschule Tettnang und Cisco Networking Academy

Bevor Daten wie ein Zug auf die Reise durch das Netzwerk gehen, werden diese in Frames verpackt. Um immer in die richtige Richtung zu fahren müssen Weichen gestellt werden. Dazu sind eine eindeutige Adressierung und andere Maßnahmen notwendig.

In diesem Artikel lernst Du die Funktion des Data-Link-Layers und den Aufbau eines Frames kennen. Netzwerktopologien für Weitverkehrsnetze (WANs) und lokale Netze (LANs) werden erklärt, sowie Kommunikationsarten. Darüber hinaus werden die verschiedenen Protokolle für LANs und WANs benannt.

Der Data Link Layer Frames

Auf der Ebene 2 werden die Daten für die Reise auf dem Physical Layer vorbereitet. Dazu werden die aus Ebene 3 aufbereiteten Daten (IPv4- oder IPv6-Packet mit Start- und Ziel-IP) in einen sogenannten Frame verpackt.

Ein Frame enthält die Ziel- und Start-MAC-Adresse und unter anderem Fehlerkorrekturbytes. Diese Frames werden in der Netzwerkkarte (engl. network interface card - NIC) gebildet. Dabei gibt es zwei Sublayer, LLC (logical link control) und MAC (media access control), welche diese Aufgaben übernehmen. Ist der Frame fertig wird er an den Physical Layer weitergegeben und geht auf die Reise.

Passiert der Frame einen Switch, wird beim Durchqueren die Zieladresse ausgelesen und der Frame entsprechend weitergeleitet. Akzeptiert ein Router einen ankommenden Frame, wird er entkapselt, da hier die MAC-Adressen wechseln. Dann wird der Frame neu zusammengesetzt (gekapselt) und geht erneut auf die Reise bis er sein Ziel erreicht.

Topologien WANs und LANs

Man unterscheidet zwischen physischen und logischen Netzwerktopologien. Während physisch ein Switch im Raum A steht kann dieser logisch zu einem Rechner im Raum B gehören.

Weitverkehrsnetze WAN (engl. wide area network) verbinden große geographische Bereiche. Man unterscheidet drei Topologien:

Point-to-Point Direktverbindung, die häufigste Verbindungsart.
Hub and Spoke Verbindung mit zentralem Knoten wie bei einer Radnabe (deutsch Nabe und Speiche). Diese wird auch als Sterntopologie bezeichnet.
Mesh vermaschtes Netzwerk, bei dem jeder Router mit jedem anderen Router verbunden ist. Dadurch hat man maximale Anzahl an Verbindungswegen aber auch hohe Kosten.

Lokale Netzwerke LAN (engl. local area network) werden in Heimnetzen oder Unternehmen eingesetzt. Sie werden typischerweise in Sterntopologie (hub and spoke) verbunden. Wird ein LAN mit mehr als einem Switch bedient, spricht man von einer erweiterten Sterntopologie (extended star topology). Man beachte, das die Bus- und Ringtopologie veraltet ist.

Bei der Kommunikation zwischen den Netzwerkkomponenten unterscheidet man zwischen Half-Duplex-Kommunikation und Full-Duplex-Kommunikation. Dabei können beide Netzwerkkomponenten senden und empfangen, bei Full-Duplex geht dies auch simultan. Im WLAN ist bspw. nur Half-Duplex möglich.

Der Data Link Frame

Die Daten, das Packet, wird in einem Frame gekapselt, welcher einen Header und einen Trailer hat.

Header

Packet

Trailer

Jeder Frameheader besteht aus vier Bereichen, der Frametrailer aus zwei.

Start

Address

Type

Control

Packet

Error Detection

Stop

Frames haben folgenden Inhalt

Start- und Stop: Flag um den Beginn und Ende eines Frames zu identifizieren und zu synchronisieren,
Address: MAC-Adressen von Start und Ziel,
Type: Layer 3 Protokollinformationen,
Control: zur Priorisierung von bspw. VoIP-Daten,
Data: IPv4- oder IPv6-Packet,
Error detection: zur Fehlererkennung.

Layer-2-Adressen

Layer-2-Adressen sind die MAC-Adressen der jeweiligen Geräte innerhalb eines LANs. Sie stehen zu Beginn des Frames, so dass die Netzwerkkarte (engl. network interface card NIC) sofort entscheiden kann, ob die Nachricht für den eigenen Rechner ist oder zu verwerfen ist.

Geht eine Nachricht über das lokale Netzwerk hinaus entscheidet ein Router anhand der festen IP-Adresse in Layer 3, wo die Reise hingeht und setzt einen neunen Frame mit geänderten MAC-Adressen zusammen.

Layer-2-Protokolle

802.3 Ethernet für kabelgebundene LANs,
802.11 Wireless für WLAN,
802.15 WPAN für Bluetooth und RFID,
Point-to-Point-Protocol (PPP) für Direktverbindung im WAN,
High-Level Data Link Control (HDLC) für WAN,
Frame Relay für WAN.

Übung 2 Data-Link-Layer

Benutze die logische UND-Verknüpfung um die Netzwerkadresse herauszufinden. Gib die Netzwerkadresse und Subnetzmaske in dezimaler Schreibweise an.

Beschreibe wie der Frame eindeutig einem Endgerät zugeordnet werden kann.Erkläre wieso diese Adresse zu Beginn des Frames steht.
Benenne die vier Aufgaben, welche ein Router an einem Frame abarbeitet. Vergleiche diese Aufgaben mit einem Switch.
Beschreibe den Unterschied zwischen logischer und physischer Topologie
Benenne vier verschiedene WAN-Topologien.

Erkläre welche Topologien im LAN zum Einsatz kommen.
Erkläre den Unterschied zwischen Half-Duplex- und Full-Duplex-Kommuniktaion.
Beschreibe welche zwei Aufgaben das Startflag eines Frames hat.
Nenne die drei LAN-Protokolle. Wann spricht man von einem Ethernet-Frame?

Ethernet kabelgebundenes LAN

Als Ethernet bezeichnet man die kabelgebundene LAN-Technologie, welche im IEEE-Standard 802.2 und 802.3 definiert ist. Neben Twisted-Pair-Kablen werden Glasfaser- und Koaxialkabel eingesetzt. Verfügbare Datenraten sind: 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps, 40 Gbps und 100 Gbps.

Ethernetframes haben eine Mindestlänge von 64 Byte und eine Maximallänge von 1518 Bytes. Falls die Länge größer oder kleiner ist, wird sie vom Empfänger fallen gelassen.

SFD

Destination

Source

Type

Data

FCS

Man beachte das in früheren Technologien, mit Half-Duplex-Kommunikation, es bei gleichzeitigem Senden zu Kollisionen kam. Zur Vermeidung bzw. Erkennung wurde deshalb "carrier sense multiple access/collision detection" (CSMA/CD) eingesetzt.

Ethernetframes bestehen aus:

Start Frame Delimiter - SFD	einer Preamble (7 Bytes), welche auf den eigentlichen Start vorbereitet folgt der Framestart mit dem SFD-Byte zur Synchronisation
Destination MAC	Ziel-MAC-Adresse (6 Bytes)
Source MAC	Start-MAC-Adresse (6 Bytes)
Type	Das Feld (2 Bytes) enthält Protokollinfos aus Layer 3: 0x800 für IPv4, 0x86DD für IPv6 and 0x806 für ARP
Data	Das Datenfeld enthält ein IPv4- oder IPv6-Packet (45 - 1500 Bytes)
Frame Check Sequence - FCS	Das FCS-Feld (4 Bytes) wird zur Fehlererkennung verwendet. Dazu wird ein sich wiederholendes Muster redundant überprüft (cyclic redundancy check - CRC)

Ethernet MAC-Adressen 12 Hexadezimalziffern

Die MAC-Adressen des Ethernetframes bestehen aus 12 Hexadezimalziffern.

$$A0-16-FD-BB-83-00$$

Diese entsprechen 16 Dezimalwerten zwischen 0 und 16 oder 16 4-Bit-Mustern. Da zwei 4-Bit-Muster einem Byte entsprechen, werden die Hexadezimalziffern typischerweise in einem Zweierblock angeordnet. Eine MACadresse hat somit eine Länge von 8 Byte. Man beachte, dass im Binärbereich bei 4 Bits alle Kombinationsmöglichkeiten erschöpft sind.

MAC-Adressen im jeweiligen LAN-Segment müssen eindeutig sein. Herstellen müssen sich deshalb bei IEEE registrieren und erhalten eine organisationsabhängige einmalige Nummer (engl. Organizationally Unique Identifier - OUI). Typischerweise werden die MAC-Adressen eines Gerätes ins ROM geschrieben und dann beim Booten ins RAM kopiert. Um etwaige Herstellerfehler korrigieren zu können, kann man die MAC-Adressen auch per Software ändern.

dez	hex	dual
$0$	$0$	$0000$
$1$	$1$	$0001$
$2$	$2$	$0010$
$3$	$3$	$0011$
$4$	$4$	$0100$
$5$	$5$	$0101$
$6$	$6$	$0110$
$7$	$7$	$0111$

dez	hex	dual
$8$	$8$	$1000$
$9$	$9$	$1001$
$10$	$A$	$1010$
$11$	$B$	$1011$
$12$	$C$	$1100$
$13$	$D$	$1101$
$14$	$E$	$1110$
$15$	$F$	$1111$

Ethernet switching wie ein Switch arbeitet

Jede MAC-Adresse eines eingehenden Frames wird von der Netzwerkkarte kontrolliert. Start-MAC-Adressen sind immer Unicastadressen. Ziel-MAC-Adressen als Unicast werden bei IPV4 über ARP ermittelt, bei IPV6 über ND. Zum senden einer Nachricht an alle Teilnehmer in einem LAN-Segment gibt es die Broadcastadresse:
$FF-FF-FF-FF-FF-FF$.
Router leiten einen Broadcast grundsätzlich nicht weiter. Des weiteren ist ein Multicast an eine Gruppe von Teilnehmern möglich. Diese beginnen mit $01-00-5E$.

Jeder Switch hinterlegt die MAC-Adressen der einzelnen Nutzer in seiner MAC-Adresstabelle (engl. MAC Address Table). Dabei hat der Switch beim Start keinerlei Wissen über die angeschlossenen Geräte.

Sendet PC-A an PC-D eine Nachricht, speichert der Switch die Adresse $00-0A$ in seine MAC-Adresstabelle. Da der Switch für PC-D noch keine Zuordnung gespeichert hat, wird die Nachricht an alle angeschlossenen Nutzer gesandt.

Antwortet PC-D an PC-A speichert der Switch $00-0D$ in der Adresstabelle. Der Switch lernt somit eine neue Adresse und kann in diesem Fall schon zielgerichtet antworten.

Man beachte, dass der Switch beim senden einer Nachricht nur die Start-MAC-Adresse lernen kann, d.h. die Ziel-MAC-Adresse wird nicht gespeichert. Pro Port können auch mehrere MAC-Adressen gespeichert werden, falls bspw. ein weiterer Switch angeschlossen ist. Tabelleneinträge werden, wenn sie nicht regelmäßig aufgefrischt werden oder wenn ein Port inaktiv wird.

Beim Switching der Frames gibt es drei Modi zum Weiterleiten.

Store-and-Forward: der Frame wird komplett empfangen, CRC-kontrolliert und falls nicht verworfen auf Basis der MAC-Adresstabelle weitergeleitet,
Cut-Through-Fast-Forward: da die MAC-Zieladresse zu Beginn des Frames steht, wird der Frame direkt auf Basis der MAC-Adresstabelle weitergeleitet,
Cut-Through-Fragment-Free: da die meisten Kollisionen innerhalb der ersten 64 Bytes erkannt werden können, werden die 64 Bytes eines Frames eingelesen und dann falls nicht verworfen auf Basis der MAC-Adresstabelle weitergeleitet.

Wortliste und Satzbausteine

der Frame, -s	Der Frame (zu deutsch Rahmen) beinhaltet einen Header, das IP-Packet und einen Trailer. Sie besitzen ein Start- und Stop-Flag, MAC-Adressen, Layer-3-Protokollinformationen, Steuerungsbytes zur Priorisierung von Daten, das IP-Packet und Fehlerkorrekturbytes.
WLAN	drahtloses lokales Netzwerk - wireless local area network
NIC	Netzwerkkarte - network interface card
WAN	weltweites Netzwerk - wide area network
die Topologie, -n	Anordnung der Geräte in einem Netzwerk
point to point (PPP) network	Netzwerk mit Direktverbindung
hub spoke network	Netzwerk mit Zentralknoten (auch star network), alle Geräte sind wie bei einem Rad mit Speichen (spoke) mit einem Zentralknoten (Nabe - hub) verbunden

full mesh network	vermaschtes Netzwerk, fällt ein Knoten aus, gibt es eine redundante Verbindung drum herum
das Ethernet, -	kabelgebundene LAN-Technologie, welche im IEEE-Standard 802.2 und 802.3 definiert ist
der Ethernetframe, -s	Ethernetframes haben eine Mindestlänge von 64 Byte und eine Maximallänge von 1518 Bytes
FCS	die Frame Check Sequence wird zur Fehlererkennung in Ethernetframes verwendet
Store-and-Forward	Switch-Weiterleitungsmethode, bei der gesamte Frame zwischengespeichert wird.
Fast-Forward	Switch-Weiterleitungsmethode, bei der direkt nach Einlesen der MAC-Adresse weitergeleitet wird.