Ethernet ist der Quasi-Standard für die lokale Computervernetzung mittels Netzwerkkabel – vom kleinen Rechnerverbund im Architekturbüro bis zum Netzwerk mit Tausenden Arbeitsplätzen im internationalen Konzern. Doch was sind eigentlich Ethernet-Frames und welchen Einfluss haben sie auf Sicherheit und Geschwindigkeit Ihres Netzwerks?
Switch, Hub, Router, LAN, MAC-Adresse: Die Netzwerktechnik ist reich an Fachwörtern. Wir bringen Licht ins Dunkel, erklären Ihnen hier den Begriff Ethernet-Frame und sagen Ihnen, was Sie darüber wissen sollten.
In der Nachrichtentechnik ist ein „Frame“ (auf Deutsch: Rahmen) eine kleine, strukturell festgelegte Menge von Daten, die blockweise innerhalb eines Netzwerkes übertragen werden. Es besteht jeweils aus den eigentlichen „Nutzdaten“, also beispielsweise einem Dokument oder einer Grafikdatei, die Sie versenden möchten, sowie weiteren Informationen, die für den Datentransport benötigt werden.
Wenn man einen Frame mit einer Postsendung vergleicht, dann sind die Nutzdaten der Inhalt Ihrer Sendung. Die zusätzlichen Daten bilden das Versand-Label, das der Kurierdienst benötigt, um Ihre Informationen korrekt auszuliefern.
In Ethernet-Netzwerken erhält jedes Frame zusätzlich eine vorangestellte Bit-Folge. Bitfolge und Frame bilden zusammen ein sogenanntes Ethernet-Paket. Netzwerke, die ihre Daten in Paketen übertragen, bezeichnet man auch als paketvermittelte Netzwerke. Beispiele hierfür sind lokale Ethernet-Netze und WLAN-Netze nach WiFi-Standard. Aber auch das globale Internet, das auf den Protokollen TCP/IP basiert, arbeitet paketvermittelt.
Treffen solche Datenpakete aus dem Internet über einen Router in Ihrem Firmennetz ein, so packt Ihr Router diese Datenpakete wiederum in Ethernet-Pakete ein und transportiert sie dann innerhalb Ihres Netzwerkes als (Internet-)Paket im (Ethernet-)Paket weiter.
Frames eines Ethernet-Netzwerkes werden zur Unterscheidung von anderen Netzwerkprotokollen daher auch als „Ethernet-Frames“ bezeichnet und die zugehörigen Datenpakete entsprechend als „Ethernet-Pakete“. Im Englischen ist analog hierzu die Bezeichnung „Ethernet packet“ üblich.
Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) hat den Ethernet Standard in dessen Norm IEEE 802.3 definiert. Inzwischen gibt es zahlreiche Weiterentwicklungen und Sub-Formate des mittlerweile über 40 Jahre alten Ethernet-Standards, die sich etwa in der Übertragungsgeschwindigkeit oder dem genauen Aufbau ihrer Datenpakete unterscheiden. Sie alle funktionieren paketvermittelt und folgen weitgehend demselben Übertragungsprotokoll, allerdings mit jeweils kleineren Ergänzungen oder Streichungen.
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Jedes Computernetzwerk basiert auf einem oder mehreren Übertragungsprotokollen. Darin ist beispielsweise festgelegt:
wie sich Geräte im Netzwerk gegenseitig ansprechen („adressieren“)
wie sie ihre Daten übertragen
wie eine vollständige und fehlerfreie Übertragung aller gesendeten Daten bis hin zum Empfänger (Ziel-Rechner) sichergestellt werden kann
Die meisten Netzwerkprotokolle sind paketvermittelt und verteilen somit alle Dokumente, Grafiken oder andere Dateien vor dem Versand auf kleine Datenpakete. Auf Empfängerseite werden diese Pakete dann wieder zu einer Datei zusammengefügt. Eine solche Datenübertragung in kleineren Einheiten ist insbesondere bei Unterbrechungen und Ausfällen zeit- und ressourcensparend. Denn bei einer etwaigen Störung ist nicht gleich die gesamte Datei mit möglicherweise mehreren Gigabyte Umfang betroffen, sondern nur eine kleine Teilmenge in wenigen Paketen.
Außerdem kommt es in paketvermittelten Netzwerken mit vielen angeschlossenen Endgeräten nicht so leicht zu einem Datenstau, nur weil gerade eine größere Datei übertragen wird. Durch die Zerlegung in viele kleine Datenpakete können alle Geräte im Netzwerk wechselweise ihre Pakete versenden und empfangen. Anders wären zeitkritische Dienste gar nicht möglich, wie etwa bei Videokonferenzen die Echtzeitübertragung von mehreren Videostreams in einem Netzwerk.
Unterwegs verlorengegangene Pakete können vom Zielcomputer erneut angefordert werden. Dies geschieht in der Regel automatisch, sodass Sie als Benutzer:in davon nichts bemerken. Wenn sehr viele Datenpakete verloren gehen, spricht man allerdings von einem hohen „packet loss“ (auf Deutsch: Paketverlust).
Hierdurch wird eine Übertragung merklich langsamer oder bricht sogar ab. Im Einzelfall müssen Sie dann sogar aktiv werden und gegebenenfalls Ihre Netzwerkeinstellungen ändern oder Ihre Technik anders einrichten. Mehr dazu erfahren Sie weiter unten.
Der grundsätzliche Aufbau eines Ethernet-Paketes gemäß Standard Ethernet II
Datenpakete und Daten-Frames in Ethernet-Netzwerken folgen heute üblicherweise dem Standard Ethernet II. Bei diesem Standard werden die Frames manchmal auch als DIX-Frames bezeichnet. Dieses Akronym aus dem Jahr 1982 setzt sich aus den Anfangsbuchstaben des Herstellerkonsortiums DEC, Intel und Xerox zusammen. Der Vorgängerstandard Ethernet I ist inzwischen nicht mehr in Gebrauch.
Wie ein Ethernet-II-Paket genau aufgebaut ist, zeigt die folgende Darstellung. Die Hexadezimalzahlen in den Datenfeldern des Pakets kommen nur in sogenannten virtuellen Netzen zum Einsatz.
Paketaufbau auf Grundlage des aktuellen Ethernet-II- und IEEE-802.3-Standards.
Präambel und SFD
Am Anfang eines Ethernet-Paketes stehen sieben Byte, die eine Folge aus sich abwechselnden Einsen und Nullen enthalten. Daran schließt sich der sogenannte Start Frame Delimiter (SFD) mit der Bitfolge „10101011“ an. In der Vergangenheit wurde beides in Ethernet-Netzwerken benötigt, damit einzelne Netzwerkkomponenten sich untereinander besser synchronisieren und Datenpakete sicher erkennen konnten.
Inzwischen hat sich die Netzwerktechnik weiterentwickelt, sodass Präambel und SFD nur noch aus Gründen der Kompatibilität zu eventuell noch vorhandener Alt-Technik mitübertragen werden. Einen technischen Nutzen haben sie nicht mehr.
MAC-Adressen
Alle Ethernet-Pakete enthalten am Anfang des eigentlichen Ethernet-Frames eine Ziel- und Startadresse im sogenannten MAC-Format (nicht zu verwechseln mit den gleichnamigen Computern des Herstellers Apple). Auch die Absenderadresse wird benötigt, damit beispielsweise fehlerhafte Datenpakete vom Zielrechner erneut angefordert werden können.
Bei den MAC-Adressen handelt es sich um jeweils sechs Byte lange und weltweit eindeutige Adressen aller Quell- und Zielrechner. Im Unterschied zu den dynamisch vergebenen IP-Adressen im Internet gehört eine MAC-Adresse jeweils zu einer ganz bestimmten Netzwerkkarte oder einem ganz bestimmten Netzwerkchip in einem Computer. Die MAC-Adresse ist theoretisch so einmalig wie eine Seriennummer oder ein KFZ-Kennzeichen.
In der Praxis arbeiten manche Geräte und Programme heute jedoch mit wechselnden MAC-Adressen, die sie jeweils per Software simulieren und dann anstelle der echten MAC-Adresse im Netzwerk verwenden. Man spricht hierbei auch vom „MAC Spoofing“, was auf Deutsch so viel wie Verschleierung bedeutet.
Betriebssysteme für das iPhone wie iOS 14 und höher unterstützen Spoofing sogar serienmäßig, etwa für das Anmelden in offenen WLAN-Netzwerken. So weiß der Netzbetreiber nicht, mit welchem Gerät Sie in seinem Netz surfen (Anonymität). Aber auch Cyberkriminelle nutzen das Spoofing gerne, um in Netzwerken beispielsweise die MAC-Identität von anderen Geräten anzunehmen.
Intelligente Vermittlungsknoten in Ihrem Firmennetz, sogenannte Switches und Router, speichern intern in Tabellen ab, wo in Ihrem Firmennetz jeweils ein Gerät mit einer bestimmten MAC-Adresse zu finden ist. Sie leiten („routen“) die Datenpakete anhand der enthaltenen MAC-Adressen entsprechend in die richtige Richtung.
Switches erzeugen also keinen unnötigen Datenverkehr mit Rechnern, die gar keine Daten erwarten. Sie sind daher zu bevorzugen, weil sie Ihre Netzwerkinfrastruktur weniger belasten. Damit unterscheiden sich Switches von simplen Netzwerk-Hubs, die alle eingehenden Daten einfach in alle Richtungen weiterleiten.
Die heute üblichen Full-Duplex-Switches sind sogar in der Lage, zeitgleich Pakete zu senden und zu empfangen. Das verbessert die Datenübertragungsraten in der Praxis erheblich.
TPID und TCI mit VLAN-Tag (nicht zwingend vorhanden)
Im erweiterten Protokoll Ethernet tagged folgen an dieser Stelle vier zusätzliche Bytes für virtuelle Netzwerke. Es handelt sich hierbei um einen Protocol Identifier (TPID) und eine Tag Control Information (TCI), die beide weiter unten näher beschrieben werden.
Typ-Feld
Das Typ-Feld gibt an, welches Ebene-3-Protokoll in diesem Frame Daten über das Ethernet-Netzwerk transportiert. Die Kennung 0x0800 zeigt beispielsweise an, dass ein Frame Nutzdaten für das Internet-Protokoll (IPv4) enthält. Mit 0x809B werden Daten von AppleTalk gekennzeichnet und 0x86DD steht für das Internet-Protokoll (IPv4).
Daten („Nutzdaten“)
An dieser Stelle steht das eigentliche Ethernet-Frame mit einem Umfang von bis zu 1.500 Byte.
PAD-Füllfeld
Das nachfolgende PAD-Feld (wie „Padding”, auf Deutsch: „Auffüllen”) dient zum Vergrößern besonders kleiner Ethernet-Frames, sofern nicht genug Nutzdaten vorhanden sind. Ein Ethernet-Frame muss immer eine Mindestgröße von 64 Byte haben. Kleinere Frames werden daher mithilfe des PAD-Feld aufgefüllt.
Die Mindestlänge von Ethernet-Paketen ist eine technische Notwendigkeit, da innerhalb eines Netzwerkes Überlagerungen von Datenpaketen mehrerer gleichzeitig sendender Endgeräte sonst nicht zuverlässig erkannt werden können.
CRC-Prüfsumme
Im sogenannten ISO/OSI-Schichtenmodell definiert das Ethernet-Protokoll die Schichtenebene 2, die sogenannte Sicherungsschicht. Auf dieser Ebene muss es unter anderem auch gewährleisten, dass alle Daten von der Quelle zum Ziel korrekt übertragen werden.
Am Ende eines Ethernet-Paketes steht daher die Frame Check Sequence (FCS). Sie enthält eine Prüfsumme, die auch als CRC-Summe bezeichnet wird. Diese Abkürzung steht für „Cyclic Redundancy Check”. Auf Deutsch bedeutet dies so viel wie Zyklische Übereinstimmungsprüfung.
Die Prüfsumme wird vor dem Paketversand nach einem standardisierten Verfahren vom Quellcomputer aus den Nutzdaten errechnet und dann an dieser Stelle im Ethernet-Paket mit übertragen. Der Zielcomputer wiederum berechnet nach dem Empfang eines Datenpaketes nach dem gleichen Verfahren erneut die CRC-Prüfsumme des Frames. Dann vergleicht er, ob seine eigene Prüfsumme mit der Prüfsumme aus dem Datenpaket identisch ist.
Ist dies nicht der Fall, gab es unterwegs offenbar eine Übertragungsstörung, wodurch Daten im Frame verfälscht wurden. Dann wird das gesamte Datenpaket verworfen und beim Quellcomputer neu angefordert.
Nach jedem Ethernet-Paket folgt abschließend noch eine kurze Sendepause, der sogenannte Interpacket Gap oder Inter Frame Gap (auf Deutsch: Zwischen-Paket- oder Zwischen-Frame-Lücke) mit einer Länge von 96 Bitzeiten. Deren tatsächliche Dauer in Mikrosekunden ergibt sich aus Laufzeiten und Übertragungsrate im jeweiligen Netzwerk.
Sie haben die Wahl: Mit Switched Ethernet oder Dedicated Ethernet bestens vernetzt
Bei Switched Ethernet basiert Ihre Standort-Vernetzung auf Ethernet via sicherheitszertifizierter MPLS-Technologie. Mit EPL (Point-to-Point), EVPL (Hub & Spoke), EP-LAN (Any-to-Any) und/oder E-Tree (Hub & Spoke mit nur 1 EVC) werden beispielsweise der Standort A und B mit dem Zentralsitz verbunden werden, oder es findet eine Verbindung aller Standorte untereinander via Vollvermaschung statt.
Dedicated Ethernet wiederum liegt eine Verbindungstechnologie von Ethernet via optischem Netz per Optical Transmission Network (OTN/DWDM) zugrunde. Die Vernetzungsoption basiert auf einer P2P-Topologie und hat Bandbreiten von 1 Gbit/s bis zu 100 Gbit/s inklusive Fiber Channel. Sie profitieren dabei außerdem von besonders geringen Latenzzeiten.
Welche Frame-Varianten gibt es?
Wie bereits oben ausgeführt, gibt es unterschiedliche Paketstandards und -erweiterungen für Ethernet-Pakete und Ethernet-Frames.
Virtuelle Netzwerke mit Ethernet II tagged
Größere Netzwerke von Firmen und anderen Organisationen werden heute häufig in mehrere virtuelle Netzwerke (“Virtual Local Area Networks”, kurz: VLAN) aufgeteilt, die jeweils hinter einem Switch angesiedelt sind. Dadurch können beispielsweise einzelne Dienste nur in bestimmten Bereichen eines LAN bereitgestellt werden und bestimmte Datenverkehre zielgerichteter geleitet (geroutet) werden.
Zudem können virtuelle Netzwerke mithilfe von Zugriffskontrolllisten besser gegen Cyberangriffe von außen und innen geschützt werden.
Technisch definiert sind solche virtuellen Netzwerke über den Standard 802.1Q, der wiederum auf den bestehenden Ethernet-II-Standard aufbaut. Manchmal wird hierfür auch die Bezeichnung Ethernet II tagged verwendet.
Der VLAN-Standard beinhaltet eine Erweiterung von Ethernet-Paketen um sogenannte VLAN-Tags. Jedes VLAN-Tag besteht wiederum aus jeweils zwei Bytes für den Tag Protocol Identifier (TPID) und zwei Byte für die Tag Control Information (TCI).
Das TPID zeigt an, ob das aktuelle Ethernet-Paket speziell an ein VLAN adressiert ist und die TCI enthält unter anderem 12 Bit für die eigentliche Netzwerknummer des jeweiligen VLAN. Bis zu 4.094 virtuelle Netzwerke können parallel in einem LAN adressiert und betrieben werden.
Ein normales Ethernet-II-Frame kann bis zu 1518 Byte lang sein. Ein Frame für ein VLAN kann hingegen eine Länge von bis zu 1522 Byte haben – wegen der zusätzlichen vier Bytes für TPID und TCI.
Voraussetzung für die Verwendung von VLAN sind VLAN-fähige Switches an den jeweiligen Netzwerkknoten Ihres Firmennetzes. Diese können auch Mischverkehre aus Ethernet-Paketen mit und ohne VLAN-Tag verarbeiten.
Weitere Frame-Typen anderer Ethernet-Protokolle
Neben Ethernet II gibt es noch weitere Protokolle für Ethernet-Netzwerke, die ihre Frames geringfügig anders aufbauen. Die bekanntesten Protokolle sind:
Ethernet 802.3raw: Dieses Protokoll ist eine Eigenentwicklung der Firma Novell aus der Frühzeit des Ethernets. Vor den Nutzdaten überträgt es anstelle einer Typkennung für das darüber liegende Netzwerkprotokoll nur die hexadezimale Zeichenfolge „FF“. Technisch ist es nur mit den IPX-Prokoll kombinierbar und daher nur noch von geringer Bedeutung. Es ist kein offizielles Protokoll der IEEE und trägt somit diese vier Buchstaben auch nicht im Namen.
Ethernet IEEE 802.3: Gegenüber Ethernet II hat dieses Protokoll zusätzlich noch die Datenfelder DSAP („Destination Service Access Point“) und SSAP („Source Service Access Point“). Dafür entfallen die Felder für Typ oder Länge.
Ethernet IEEE 802.3 SNAP: Dieses Protokoll ist ähnlich zu Ethernet IEEE 802.3, enthält aber außerdem noch ein fünf Byte langes Datenfeld, das als SNAP bezeichnet wird („Subnetwork Access Protocol“). Hiermit werden eine Herstellerkennung und eine weitere Protokollnummer übertragen.
Ethernet IEEE 802.3 tagged: Auch IEEE 802.3gibt es einer tagged-Variante für die Verwendung virtueller LAN. Das Ethernet-Frame ist hier grundsätzlich identisch mit Ethernet IEEE 802.3, allerdings folgen nach der Quelladresse vier Byte für eine virtuelle Netzwerkadressierung. Damit erhöht sich die Gesamtlänge eines Frames auf zwischen 68 und 1522 Byte.
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Die einzelnen Ethernet-Protokolle geben für Ethernet-Frames eine Maximallänge von rund 1.500 Byte vor. Dieser Wert wird auch als MTU bezeichnet. Die Abkürzung steht für „Maximum Transmission Unit“, übersetzt etwa: Maximale Übertragungseinheit.
Abweichend von diesen Standards können Sie in Ihrem Firmennetz aber durchaus größere Frames erlauben. Solche großen Frames von bis zu 9.000 Bytes werden auch als Jumbo-Frames bezeichnet. Sie eignen sich besonders für die Übertragung von großen Datenströmen, beispielsweise für Videokonferenzen oder bei der Datensicherung.
Die entsprechende Einstellung finden Sie in der Regel im Konfigurationsmenü Ihrer Netzwerkkarte oder Ihres Netzwerkchips. Unter Windows erreichen Sie dieses Menü über den Gerätemanager des Betriebssystems.
Die allgemeine Auslastung an Ihrem Netzwerkadapter ermitteln Sie außerdem unter Windows mithilfe Ihres Ressourcenmonitors. Den erreichen Sie, indem Sie WIN + R drücken, in das Command-Feld „resmon“ eintippen und dann auf Enter drücken. Im Untermenü „Netzwerk“ sehen Sie nun die Netzwerkauslastung an Ihrem Anschluss. Eventuell können neue Treiber für Ihre Netzwerkkarte bereits eine Verbesserung bringen.
Packet-Loss-Kontrolle
Ein Kriterium für die Geschwindigkeit in Ihrem Ethernet-Netzwerk ist auch die technische Qualität Ihrer gesamten Netzwerkinstallation. Denn durch schlecht geschirmte Netzwerkdosen, Kabel älterer Kabelkategorien oder Probleme mit einzelnen Switches und Hubs kann es beispielsweise zu Verzögerungen und zu Packet Loss kommen, also zum Verlust von Daten zwischen Quell- und Zielcomputern. Sind nur einzelne Endgeräte betroffen, so prüfen Sie gezielt deren Netzwerkkabel auf lockere Stecker oder mögliche Kabelquetschungen und ersetzen Sie die Kabel gegebenenfalls durch Ethernet-Kabel höherer Qualität.
Die Leistungsfähigkeit von Ethernet-Kabeln wird in Kategorien angegeben. Die Kategorie eines Kabels finden Sie jeweils auf das Kabel aufgedruckt. Sogenannte CAT-7-Kabel (also Kategorie 7) sind inzwischen Standard bei Neuinstallationen. CAT-8 ist derzeit nur in Hochleistungsnetzen verbreitet. Natürlich ist jedes Netzwerk nur so schnell wie seine langsamsten Komponenten. Ein CAT-7-Kabel in einer CAT-5-Netzwerkdose nutzt Ihnen wenig. Daher lohnt ein Kabeltausch auch nur dann, wenn dieses tatsächlich den Flaschenhals Ihrer Installation darstellt.
Geräte, die Ihr Ethernet ausbremsen können
Einzelne Geräte können den gesamten Datenverkehr in Ihrem Firmennetz verlangsamen. Typische Kandidaten hierfür sind:
Überwachungskameras, die ihre Aufnahmen rund um die Uhr auf einer Festplatte im Netzwerk speichern
Backup-Laufwerke, die permanent Voll-Backups von Ihren aktuellen Daten fahren
Langsame Firewalls, die zu klein für das vorhandene Firmennetz sind und daher je nach Konfiguration insbesondere den gemeinsamen Internetanschluss ausbremsen
Wenn Sie den Verdacht haben, dass einzelne Geräte Ihr Ethernet verlangsamen, sollten Sie diese – falls möglich – kurzzeitig vom Netz nehmen und dann die Datenraten erneut kontrollieren.
Das Wichtigste zu Ethernet-Frames und -Paketen in Kürze
Kabelgebundene Netzwerke nach dem Ethernet-Standard übertragen ihre Nutzdaten in Datenblöcken, den sogenannten Frames.
Zusammen mit einer vorangestellten Bitfolge zur Netzwerksynchronisierung ergibt das Ethernet-Frame ein sogenanntes Ethernet-Paket.
Ethernet-Netzwerke gehören zu den paketvermittelten Netzwerken, da sie ihre Daten in Pakete zerlegen und dann übertragen.
Abweichend vom Standard Ethernet II gibt es noch weitere Protokolle für das Ethernet, die sich beim Aufbau der Frames jeweils geringfügig unterscheiden.
Sogenannte tagged-Protokolle enthalten zusätzliche Informationen für Virtual Local Area Networks (VLAN). Damit können Sie in Kombination mit entsprechender Switch-Technik virtuelle Unternetze in Ihrem Firmennetz errichten.
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