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Ethernet und TCP/IP in der AutomatisierungApr 11, 2023, Seite 1

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The diagram .. was drawn by Dr. Robert M. Metcalfe in 1976 to present Ethernet to the National Computer Conference in June of that year.


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Inhalt

• Historie, Standards, Begriffe• Übertragungsmedien• Topologien• Protokoll• Zugriffsverfahren, Kollisionsbewältigung


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Was ist Ethernet ?

Das Ethernet ist ein bestimmter Typ eines lokalen Netzwerkes (LAN), das von Robert Metcalfe 1972 im berühmten PARC-Forschungszentrum von Xerox in Palo Alto entwickelt wurde. Von den Firmen Intel, DEC und Xerox wurde inzwischen ein gemeinsamer Standard erarbeit, der in der IEEE-Norm 802.3 festgelegt wurde.


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Historie

• 1969 entwickelt der Student Robert Metcalfe (gründet 1979 3Com) für DEC einen Host Interface Controller für DARPA (Defense Advanced

Research Projects Agency)

• 1970 wird an der Universität Hawaii das ALOHA-Netz (Mehrfachzugriffsprotokoll) entwickelt und erprobt

• 1972 wurde die Idee vom XEROX Palo Alto Research Center aufgegriffen (Metcalfe arbeitet dort). Das Projektziel lautete: experimental Ethernet


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Historie

• 1976 werden die Ergebnisse des Projektes veröffentlicht. Die Firmen DEC, Intel und Xerox schliessen sich zusammen zur Firmen- gruppe DIX und führen Ethernet zur Produktreife.

• 1980 wird die Ethernet-Version 1.0 verabschiedet.

• 1981 Normungsbemühungen durch IEEE und im wesentlichen wird die Ethernet-Spezifikation übernommen.

• 1982 Veröffentlichung der Ethernet-Version 2.0

• 1985 weltweite Anerkennung des Ethernet-Standard als ISO/DIS 8802/3


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Historie

• 1986 Veröffentlichung des 10Base2- und 10BroadT-Standards

• 1987 Standardisierung der 10BaseT-Spezifikation

• 1991 Veröffentlichung des 10BaseF-Standards

• 1994 über 10.000 Hersteller unterstützen global das Ethernet- Verfahren

• 1995 Normung des 100-Mbit/s Ethernets

• 1997 Normungsbemühungen des Gigabit-Ethernet und Präsentation der ersten Produkte noch vor der Standardisierung


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Zugriffsverfahren: CSMA/CD

Station ist sendebereit

“Ether” abhören

Senden der Daten und abhören des

“Ethers”

Warten gemäßBack-Off-

Algorithmus

Kanalbelegt

Kollision entdeckt

Kanalfrei

Jam-Signalsenden

keine Kollision

neuer Versuch


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Back-Off Algorithmus

• Fand eine Kollision statt, senden die Station nach einer bestimmten Zeit nochmal.

• Nach der ersten Kollision stehen 2 verschiedene Zeiten zur Verfügung, aus denen zufällig eine ausgewählt wird. Übertragungswahrscheinlichkeit 50%

• Nach der zweiten aufeinanderfolgenden Kollision stehen 4 verschieden Zeiten zur Verfügung, aus den eine zufällig ausgewählt wird.

• Übertragungswahrscheinlichkeit 75%


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Truncated Binary Exponential Back-Off-Algorithmus

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13

14

15

16

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......

.........

...............

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...............

Anzahl der Wartezeiten, aus denen zufällig auswählt wird

2

4

8

16

32

64

128

256

512

1024

1024

1024

1024

1024

1024

1024

50%

75%

87,5%

93,75%

96,88%

98,44

99,22%

99,61%

99,80%

99,90%

99,90%

99,90%

99,90%

99,90%

99,90%

99,90%


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Welche Wartezeiten werden verwendet ?

• Es werden 0...1023 fache der zweifachen max. Signallaufzeit zw. den entferntesten Stationen + Offset verwendet.

• Beim 10 Mbit/s Ethernet heißt das:

• Die Wartezeit wird auch als Kollisionsfenster, der Offset (9,6µs) als Gap bezeichnet.

• Erst nachdem die Zeit des Kollisionsfensters vergangen ist, ist sichergestellt, daß es zu keiner Kollision mehr kommt.

Station 1 Station 225,6µs

25,6µs

51,2µs


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Beispiel

• Nach der ersten Kollision wählen die sendewilligen Stationen eine zufällige Wartezeit von entweder 9,6µs oder 9,6µs plus 51,2µs (Dauer des Kollisionsfensters). Bedingung: Nur zwei beteiligte Stationen, es kommen während der Kollisionsbewältigung keinen neuen Stationen hinzu.

Wartezeit(A) Wartezeit(B) Übertragung9,6µs 9,6µs NEIN9,6µs 9,6µs+51,2µs JA9,6µs+51,2µs 9,6µs JA9,6µs+51,2µs 9,6µs+51,2µs NEIN


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Verzögerung in Abhängigkeit der Netzwerkauslastung

Verzögerung

20 % 40 %30 %10 % 50 % 60 % 70 % 80 %

Netzwerkauslastung

niedrig

hoch Hoher Durchsatz

Beginnende Probleme Overload


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Ethernet Adresse

• Auch "MAC-Adresse"

• Weltweit eindeutige Kennung eines Adapters

• Festgebrannt im ROM, nicht änderbar

• Sechs Byte, verschlüsseln Hersteller, Adapter-Modell, Seriennummer des Exemplars

• Auslesbar mit verschiedenen Hilfsprogrammen z.B. WINIPCFG


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Ethernet-Adresse

WIN-NT: ipconfig /all


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Ethernet-Telegramm

Preamble SFD DA SA LEN FCSPadData

7 1 6 6 2 >=46 4

Preamble DA SA Type FCSPadData

8 6 6 2 >=46 4

Ethernet II DIX Frame:

IEEE 802.3 Frame:


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Ethernet Telegramm

PreambleVorspann, besteht aus dem Bitmuster “0101010101...” und dient der Bit-Synchronisation des Empfängers.

SFD (Start Frame Delimiter)Startzeichen, besteht aus dem Bitmuster “10101011” und zeigt dem Empfänger, daß ab jetzt die Informationen des Empfängers folgen.

DA (Destination Address)Empfängeradresse, wird vom Adressfilter des Empfängers ausgewertet, nur für ihn bestimmte Pakete werden an die Kommunikationssoftware weitergeleitet.

SA (Source Address)Absender Addresse

LEN (Length) Gibt nach IEEE 802.3 die Länge des folgenden Datenfeldes in Bytes an.


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Ethernet Telegramm

Data und PadDas Datenfeld darf 46 bis 1500 Nutzdatenbytes enthalten. Sind weniger als 46 Datenbytes vorhanden, ergänzt der Ethernet-Controller selbstständig Füllbytes (Padding Bytes) bis die Gesamtzahl (Data + Pad) 46 beträgt. Diese Mindestlänge ist notwendig, damit das CSMA/CD-Verfahren einwandfrei arbeitet. Das Datenfeld kann völlig frei genutzt werden, es muß nur vollständige Bytes enthalten.

FCS (Frame Check Sequence)Prüfzeichen, entspricht dem Polynom-Divisionsrest, der sich durch Anwendung des CRC-Verfahrens (Cyclic Redundancy Check) auf die Bitsequenz von den Adressfeldern bis einschließlich des Pad-Feldes ergibt Beim Auftreten eines Fehlers wird das Paket ignoriert, d.h. nicht an die Anwendungssoftware weitergeleitet.


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Ethernet TCP/IP

Ethernet-Header

Ethernet-DATA FCS

IP-Header

IP-DATA

IP-Paket

TCP-Header

TCP-DATA

TCP-Segment

Ethernet-Paket

LAYER 7 Modbus etc.


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Ethernet Topologien


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Ethernet Medien


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Bezeichnung der Kabelsysteme

• Bsp.: 10base5– 10 Übertragungsrate in MBit/s– base Base oder Broadband– 5 Segmentlänge in 100m

• UTP unshielded twisted pair

• STP shielded twisted pair

• S/STP screened shielded twisted pair


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Ausdehnung

• Die Ausdehnung hängt vom verwendeten Medium und der Übertragungsrate ab, hier einige Beispiele:

– 10base5 Segment: 500mGesamt: 2500m (mit 4 Repeatern)

– 100baseTX UTPHub-Station: 100m

– 100baseFX Hub-Station: 400m25km (bei Monomodefaser)

– 1000baseSX Hub-Station: 550m


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Repeater / Hub

RepeaterHub


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Bridge

Bridge

A

B

C

D

E F


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Switch = Multiport Bridge

Bridge

Switch


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Hub - Switch

Switch

AB

C

DEF

G

H

Hub

A

B

C

DE

F

G

H

Hub

A

B

C

DE

F

G

H

Zei

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Eigenschaften der Switches

• Cut-Trough Switch – keine Kontrolle der Datenrahmen

• Store-and-Forward – Kontrolle der Datenrahmen

• Gleiches Ziel– interner Kurzzeitspeicher– Datenrahmen verwerfen oder Kollision wird erzeugt

• Broadcast Meldungen– gehen an alle Stationen (z.B. ARP), daher bringt der Switch

keinen Vorteil mehr– es gibt spezifische Möglichkeiten, div. Switchhersteller den

Broadcast-Datenverkehr zu reduzieren


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Typische Büroverkabelung

Hub/Switch

Hub/Switch

Pat

chfe

ldP

atch

feld

Netzwerkdose

Patchkabel

„normales“ Cat 5 Kabel

RJ 45


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www

• http://www.gigabit-ethernet.org• http://wwwhost.ots.utexas.edu/ethernet/• http://www.3com.com/technology/tech_net/white_papers/

index.html#ethernet• http://www.iaopennetworking.com/

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