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Ethernet einfach erklärt: Frames, Switches und LAN
Ethernet ist eine standardisierte Technik zur kabelgebundenen Datenübertragung. Sie verbindet Geräte in lokalen Netzen und legt unter anderem fest, wie Daten in Frames gegliedert, adressiert und auf Übertragungsfehler geprüft werden.
Auf dieser Seite verfolgst du einen Ethernet-Frame vom Sender zum Empfänger. Dabei lernst du auch, warum moderne Switch-Netze ohne die Kollisionen früherer gemeinsamer Leitungen auskommen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Ethernet verbindet Geräte im lokalen Netz
Stell dir einen Computer vor, der eine Datei an einen Heimserver sendet. Ethernet beschreibt wichtige Regeln und technische Voraussetzungen für diese kabelgebundene Übertragung.
Ethernet
Ethernet ist eine Familie standardisierter Netzwerktechniken. Sie legt vor allem Funktionen der Bitübertragung und der Sicherungsschicht fest, etwa Übertragungsmedien, Signalformen, Datenraten, MAC-Adressierung und Frameformate. Die wichtigste Spezifikationsfamilie ist IEEE 802.3.
LAN und Ethernet bedeuten nicht dasselbe:
- Ein LAN ist ein räumlich begrenztes lokales Netzwerk.
- Ethernet ist eine verbreitete Technik, mit der ein solches Netzwerk umgesetzt werden kann.
- WLAN verbindet Geräte im lokalen Netz per Funk und gehört nicht zu IEEE 802.3.
- Das Internet ist ein Verbund vieler Netze. Eine Ethernet-Verbindung kann den Zugang dazu ermöglichen, ist aber nicht selbst das Internet.
Im Alltag heißen Ethernet-Kabel häufig einfach „LAN-Kabel“. Gemeint sind dabei meist verdrillte Kupferleitungen mit Steckern, die oft als RJ45 bezeichnet werden. Ethernet kann jedoch auch andere Medien wie Glasfaser verwenden.
Ein PC ist per Ethernet-Kabel mit einem Switch verbunden. Der Switch ist wiederum mit einem Drucker und einem Router verbunden. Der PC kann über das lokale Netz den Drucker erreichen. Über den Router kann er zusätzlich Daten mit anderen Netzen austauschen.
Ein Frame ordnet die übertragenen Daten
Ethernet sendet Daten nicht als ungegliederten Strom. Es fasst zusammengehörige Informationen in Frames zusammen.
Ethernet-Frame
Ein Ethernet-Frame ist eine strukturierte Dateneinheit. Er enthält Adressen, Angaben zum transportierten Inhalt, Nutzdaten und eine Prüfsumme zur Fehlererkennung.
Auf der Leitung stehen Präambel und SFD unmittelbar vor dem eigentlichen MAC-Frame. Sie helfen bei der Synchronisation und markieren dessen Beginn, gehören aber nicht zum MAC-Frame selbst.
| Bestandteil | Aufgabe |
|---|---|
| Präambel und SFD | stehen vor dem MAC-Frame, unterstützen die Synchronisation und markieren seinen Beginn |
| Ziel-MAC-Adresse | bezeichnet die vorgesehene Netzwerkschnittstelle |
| Quell-MAC-Adresse | bezeichnet die sendende Netzwerkschnittstelle |
| Type/Length | kennzeichnet je nach Frameformat den Protokolltyp oder die Datenlänge |
| Nutzdaten | enthalten die zu übertragenden Informationen |
| PAD | füllt einen zu kurzen Datenbereich bis zur nötigen Mindestlänge auf |
| FCS | enthält eine CRC-Prüfsumme zur Erkennung von Übertragungsfehlern |
Eine MAC-Adresse ist eine Adresse einer Netzwerkschnittstelle. Ethernet-Switches verwenden sie, um Frames innerhalb des lokalen Netzes weiterzuleiten. Sie ist nicht mit einer IP-Adresse gleichzusetzen.
Die Ziel-MAC-Adresse beantwortet „An welche Netzwerkschnittstelle soll dieser Frame?“. Die FCS beantwortet „Ist der Frame wahrscheinlich unverändert angekommen?“.
Der Empfänger berechnet die Prüfsumme erneut. Passt sie nicht zur übertragenen FCS, gilt der Frame als fehlerhaft und wird verworfen. Die CRC erkennt Fehler, repariert die beschädigten Daten aber nicht. Falls eine erneute Übertragung nötig ist, wird sie durch andere Mechanismen oder höhere Protokollschichten veranlasst.
Switches leiten Frames gezielt weiter
Frühe Ethernet-Netze verwendeten ein gemeinsames Übertragungsmedium. Wenn zwei Geräte nahezu gleichzeitig sendeten, konnten sich ihre Signale überlagern. Das nennt man eine Kollision.
CSMA/CD
CSMA/CD steht für Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. Ein Gerät prüft zunächst, ob das gemeinsame Medium frei erscheint. Entsteht trotzdem eine Kollision, erkennt es diese, bricht die Übertragung ab, wartet eine zufällige Zeit und versucht es erneut.
In modernen Netzen ist die Situation anders. Ein Switch verbindet Geräte über getrennte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Er lernt, an welchen Ports bestimmte MAC-Adressen erreichbar sind, und sendet gewöhnliche Unicast-Frames im Regelfall nur zum passenden Port.
Bei Vollduplex können beide Seiten gleichzeitig senden und empfangen. Die Richtungen nutzen getrennte Übertragungswege. Deshalb entstehen dort keine Kollisionen dieser Art, und CSMA/CD wird nicht benötigt.
Computer A und Computer B sind jeweils direkt mit einem Switch verbunden. Beide Verbindungen arbeiten im Vollduplexbetrieb. A kann einen Frame zum Switch senden, während es zugleich einen Frame vom Switch empfängt. Weil A seine Leitung nicht mit B teilt, konkurrieren beide Geräte nicht um ein gemeinsames Kabel.
Ein Switch sendet nicht jeden Frame immer nur an genau einen Port. Broadcasts erreichen alle Teilnehmer der Broadcast-Domäne. Auch Frames mit einer noch unbekannten Ziel-MAC-Adresse können zunächst über mehrere Ports weitergegeben werden.
Kabel, Datenrate und Reichweite gehören zusammen
Die Aufschrift einer hohen Datenrate auf einem Gerät garantiert noch nicht, dass die gesamte Verbindung diese Rate erreicht. Entscheidend ist die vollständige Übertragungsstrecke.
Dazu gehören:
- die unterstützte Ethernet-Variante;
- die Ports der Endgeräte;
- Switches und Router auf dem Weg;
- Kabeltyp und Kabelqualität;
- Leitungslänge, Steckverbindungen und Störeinflüsse.
Verbreitete Bezeichnungen sind:
| Bezeichnung | Datenrate |
|---|---|
| Standard Ethernet | 10 Mbit/s |
| Fast Ethernet | 100 Mbit/s |
| Gigabit Ethernet | 1 Gbit/s |
| 10-Gigabit-Ethernet | 10 Gbit/s |
Bei häufig verwendeten Kupfervarianten wie 10BASE-T, 100BASE-TX und 1000BASE-T beträgt die typische maximale Strecke 100 Meter. Diese Zahl lässt sich nicht pauschal auf jede Ethernet-Variante übertragen. Datenrate, Medium und Kabelkategorie bestimmen gemeinsam, welche Entfernung zulässig ist.
Glasfaser kann je nach Variante deutlich größere Entfernungen überbrücken. Sie überträgt Signale als Licht und reagiert nicht wie eine Kupferleitung auf elektromagnetische Einstrahlung.
Ein Computer besitzt einen Gigabit-Port, ist aber über einen älteren Switch mit einem 100-Mbit/s-Port verbunden. Die Strecke arbeitet deshalb nicht mit 1 Gbit/s. Das langsamere Glied begrenzt die nutzbare Verbindungsrate.
Beurteile nie nur das Kabel oder nur den Computer. Die erreichbare Ethernet-Rate hängt von der gesamten Strecke und der von beiden Enden ausgehandelten Verbindung ab.
Ethernet oder WLAN passend auswählen
Ethernet und WLAN erfüllen unterschiedliche Bedürfnisse. Ethernet ist besonders sinnvoll, wenn ein stationäres Gerät eine stabile Verbindung mit geringer Verzögerung benötigt. WLAN ist praktisch, wenn Bewegungsfreiheit und eine kabellose Verbindung wichtiger sind.
Typische Kandidaten für Ethernet sind:
- Desktop-PCs und Spielekonsolen;
- Smart-TVs und Streaminggeräte;
- Netzwerkspeicher und Heimserver;
- feste Arbeitsplätze mit großen Dateiübertragungen oder Videokonferenzen.
Mobile Geräte wie Smartphones und Tablets nutzen meist WLAN. In vielen Netzen ist eine Kombination sinnvoll: stationäre, datenintensive Geräte verwenden Ethernet, mobile Geräte WLAN.
Eine Kabelverbindung ist jedoch nicht automatisch sicher. Der physische Zugang lässt sich oft leichter kontrollieren als bei Funk. Trotzdem können angeschlossene Geräte, manipulierte Weiterleitungstabellen oder unverschlüsselte Daten weiterhin Risiken darstellen.
Power over Ethernet
Power over Ethernet, kurz PoE, überträgt Daten und elektrische Energie über dieselbe Twisted-Pair-Verkabelung. So können geeignete Geräte wie Netzwerkkameras oder Zugangspunkte ohne separate Stromleitung versorgt werden.
PoE funktioniert nur, wenn die beteiligten Komponenten passende Verfahren unterstützen. Eine gewöhnliche Ethernet-Verbindung liefert nicht automatisch Strom.
Ein WLAN-Zugangspunkt wird an der Decke montiert. Ein PoE-fähiger Switch versorgt ihn über dasselbe Ethernet-Kabel mit Netzwerkdaten und Energie. Am Montageort ist deshalb kein separates Netzteil nötig.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Ethernet
- Einordnung
- Technik für kabelgebundene Netze
- nicht gleichbedeutend mit LAN oder Internet
- Frame
- MAC-Adressen für Sender und Ziel
- Nutzdaten als übertragener Inhalt
- FCS zur Fehlererkennung
- Weiterleitung
- gemeinsames Medium mit möglichen Kollisionen
- Switch mit getrennten Verbindungen
- Vollduplex ohne CSMA/CD
- Übertragungsstrecke
- Datenrate abhängig von allen Komponenten
- Reichweite abhängig von Variante und Medium
- Anwendung
- stabile Verbindung für stationäre Geräte
- PoE für Daten und Energie über ein Kabel
- Einordnung
Abschluss-Check
Du kannst Ethernet nun auf drei Ebenen betrachten: als standardisierte Übertragungstechnik, als Weiterleitung von adressierten Frames und als konkrete Verbindung aus passenden Geräten, Ports und Medien. Prüfe bei einer Netzwerksituation deshalb zuerst, wer verbunden werden soll, welche Strecke die Frames nehmen und welche Anforderungen an Datenrate, Reichweite und Beweglichkeit bestehen.