Netzwerkschicht 2: MAC, LLC, Ethernet-Frames und Zugriffsverfahren (CSMA/CD)

Zusammenfassung

Das Dokument erklärt die Grundlagen der Sicherungsschicht (Schicht 2) des OSI-Modells: die Unterteilung in LLC und MAC, den Aufbau eines Ethernet-Frames mit Padding sowie die Adressarten Unicast, Multicast und Broadcast. Außerdem werden die Zugriffsverfahren CSMA, CSMA/CD und CSMA/CA verglichen. Abschließend werden Hubs und Switches gegenübergestellt und die Funktionsweise des Switch-Lernens, Aktualisierens und Flooding beschrieben.

Kernpunkte

Die Schicht 2 besteht aus den Unterebenen LLC (Verbindung zu höheren Schichten) und MAC (Datenkapselung und Mediumzugriff).
Ein Ethernet-Frame besteht aus Präambel (7 Bytes), SFD (1 Byte), Zieladresse (6 Bytes), Quelladresse (6 Bytes), Länge/Typ (2 Bytes), Datenfeld (42-1500 Bytes) und FCS (4 Bytes).
Padding sorgt dafür, dass ein Frame die Mindestgröße von 64 Bytes erreicht, wenn das Datenfeld kleiner als 46 Bytes ist.
Die Broadcast-Adresse lautet FF:FF:FF:FF:FF:FF; Multicast-Adressen können nur als Zieladresse verwendet werden.
CSMA/CD erkennt Kollisionen auf geteilten Medien, bricht die Übertragung ab und versucht es erneut.
Switches bieten dedizierte Bandbreite pro Port, kollisionsfreien Betrieb und Full-Duplex, im Gegensatz zu Hubs.
Ein Switch lernt MAC-Adressen dynamisch, aktualisiert Einträge über einen Zeitstempel und flutet Frames mit unbekannter Zieladresse an alle Ports außer dem Empfangsport.

Stellen Sie sich auf die Probe

Kapitel 9: Netzwerkschicht 2 Grundlagen

Schicht 2: MAC vs. LLC Unterebenen

Die Schicht 2 (Data Link Layer) verwendet auf den oberen Schichten LLC (Logical Link Control) und ein Adressschema, um Geräte zu identifizieren. Frames sind Bitgruppen, wobei MAC (Media Access Control) die Quellen der Absendung identifiziert.

LLC (Logical Link Control) stellt die Verbindung zu den oberen Schichten her. Es verarbeitet Netzwerkpakete und identifiziert das Netzwerk-Layer-Protokoll, wodurch es unabhängig von der physischen Ausrüstung bleibt.

MAC (Media Access Control) ist für die Datenkapselung zuständig (Frame-Abgrenzung, Adressierung, Fehlererkennung). Es kontrolliert den Zugriff auf das Medium (Platzierung von Daten im und aus dem Medium, Wiederherstellung von Ressourcen).

Ethernet-Frame-Felder und Padding

Ein typischer Ethernet-Frame besteht aus folgenden Feldern:

Präambel (7 Bytes)
Start of Frame Delimiter (SFD) (1 Byte)
Zieladresse (6 Bytes)
Quelladresse (6 Bytes)
Länge/Typ (2 Bytes)
Datenfeld (42-1500 Bytes)
Frame Check Sequence (FCS) (4 Bytes)

Der Padding-Bereich wird verwendet, um sicherzustellen, dass der Frame die Mindestgröße von 64 Bytes erreicht, falls das Datenfeld kleiner als 46 Bytes ist.

Unicast, Multicast und Broadcast über MAC-Adressen

Ethernet auf Schicht 2 verwendet verschiedene MAC-Adressen für:

Unicast: Dies ist die eindeutige Adresse, die verwendet wird, wenn ein Frame von einem einzelnen sendenden Gerät an ein einzelnes Zielgerät gesendet wird.
Broadcast: In diesem Fall wird ein Paket an alle Hosts in einem Netzwerk gesendet. Die Ziel-MAC-Adresse besteht aus lauter Einsen (FF:FF:FF:FF:FF:FF).
Multicast: Ermöglicht das Senden eines Pakets an mehrere Geräte. Multicast-Adressen repräsentieren eine Gruppe von Adressen und können nur als Zieladresse eines Pakets verwendet werden.

CSMA, CSMA/CD und CSMA/CA: Konzepte und Unterschiede

Wenn Computer Ethernet über dasselbe Medium nutzen, kommt eine verteilte Koordinierungsregelung zum Einsatz:

CSMA (Carrier Sense Multiple Access): Erkennt die elektrische Aktivität im Kabel, bevor gesendet wird.
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): Steuert den Zugriff auf gemeinsam genutzte Medien. Kommt es zu einer Kollision, wird die Übertragung der Pakete abgebrochen und erneut versucht.
Latenz: Beschreibt die Zeit, die ein elektrisches Signal für die Übertragung benötigt. Jeder Hub oder Repeater im Signalweg erhöht die Latenz, da er die Bits von einem Port zum anderen weiterleitet.
Bitzeit: Ist die Zeitspanne, in der ein Bit im Medium platziert und erkannt werden kann.
Interframe Gap (IFG) oder Raum zwischen den Frames: Bei Ethernet ist nach einer Kollision ein bestimmter Abstand erforderlich, bevor ein neues Frame gesendet werden kann.

Hubs vs. Switches: Vor- und Nachteile

Nachteile von Hubs: In einem Hub-Netzwerk steigt die Anzahl der Kollisionen, was zu einer höheren Latenz führt. Die Skalierbarkeit ist begrenzt, da die Bandbreite mit jedem neuen Gerät abnimmt.

Im Gegensatz dazu bietet ein Switch eine dedizierte Bandbreite für jeden Port, eine kollisionsfreie Umgebung und Full-Duplex-Betrieb, was bedeutet, dass Daten gleichzeitig gesendet und empfangen werden können.

Funktionsweise eines Switches: Lernen, Aktualisieren, Flooding

Lernen (Learning): Die MAC-Adresstabelle eines Switches muss mit den MAC-Adressen und den entsprechenden Ports gefüllt werden. Dieser Prozess ermöglicht es, diese Zuordnungen während des normalen Betriebs dynamisch zu erlernen.
Aktualisieren (Updating): Die durch Lernen erworbenen MAC-Einträge haben einen Zeitstempel. Wenn dieser Null erreicht, wird der Eintrag aktualisiert oder gelöscht, um die Tabelle aktuell zu halten.
Flooding (Überschwemmung): Falls der Switch die Ziel-MAC-Adresse eines Frames nicht in seiner Tabelle findet, sendet er den Frame an alle Ports weiter, mit Ausnahme des Ports, über den der Frame empfangen wurde.

Häufige Fragen

Was ist der Unterschied zwischen LLC und MAC?

LLC stellt die Verbindung zu den oberen Schichten her und identifiziert das Netzwerkprotokoll. MAC ist für die Datenkapselung, Adressierung, Fehlererkennung und die Kontrolle des Mediumzugriffs zuständig.

Warum hat ein Ethernet-Frame ein Padding?

Das Padding stellt sicher, dass der Frame mindestens 64 Bytes groß ist, wenn das Datenfeld kleiner als 46 Bytes ist.

Was passiert bei einer Kollision bei CSMA/CD?

Die Übertragung der Pakete wird abgebrochen und nach einem Interframe Gap erneut versucht.

Warum sind Switches besser als Hubs?

Switches bieten für jeden Port eine dedizierte Bandbreite, eine kollisionsfreie Umgebung und Full-Duplex-Betrieb. Hubs erhöhen dagegen mit jedem Gerät die Kollisionen und die Latenz.