# 5.2 Ethernet-Frame und MAC-Adressen Auf OSI-Schicht 2 werden Daten in sogenannten Frames übertragen. Bei Ethernet heißen diese Datenrahmen: Ethernet-Frames Ein Ethernet-Frame enthält alle Informationen, die für die lokale Übertragung im LAN notwendig sind. Besonders wichtig sind: - Ziel-MAC-Adresse - Quell-MAC-Adresse - Nutzdaten - Prüfsumme Merksatz: Ethernet-Frame = Datenrahmen für die lokale Übertragung im Ethernet-LAN. --- **Warum gibt es Frames?** Schicht 1 überträgt nur Bits als Signale. Schicht 2 muss daraus geordnete Einheiten bilden. Ein Empfänger muss erkennen können: Wo beginnt die Übertragung? Wo endet die Übertragung? Von wem kommt sie? Für wen ist sie bestimmt? Sind die Daten beschädigt? Diese geordnete Einheit ist der Frame. Merksatz: Frames machen aus einzelnen Bits eine nutzbare lokale Datenübertragung. --- **Begriff: Frame** Ein Frame ist die Protocol Data Unit der OSI-Schicht 2. PDU steht für: Protocol Data Unit Auf Deutsch sinngemäß: Protokolldateneinheit Ein Frame ist also die typische Datenform auf der Sicherungsschicht. Vergleich: | Schicht | typische Datenform | |---|---| | Schicht 1 | Bits | | Schicht 2 | Frame | | Schicht 3 | Paket | | Schicht 4 | Segment oder Datagramm | Merksatz: Schicht 2 arbeitet mit Frames. --- **Ethernet-Frame vereinfacht** Ein Ethernet-Frame besteht vereinfacht aus mehreren Teilen. | Bestandteil | Aufgabe | |---|---| | Ziel-MAC-Adresse | Empfänger im lokalen Netzwerk | | Quell-MAC-Adresse | Absender im lokalen Netzwerk | | Typ / Länge | gibt an, welches Protokoll oder welche Länge folgt | | Nutzdaten | transportierte Daten höherer Schichten | | FCS | Prüfinformation zur Fehlererkennung | Vereinfacht: Ziel Absender Inhalt Prüfung Merksatz: Ein Ethernet-Frame enthält Ziel, Absender, Inhalt und Prüfinformation. --- **Ziel-MAC-Adresse** Die Ziel-MAC-Adresse gibt an, an welches Gerät der Frame im lokalen Netzwerk gesendet werden soll. Beispiel: PC A sendet an PC B. Dann steht im Ethernet-Frame: Ziel-MAC-Adresse = MAC-Adresse von PC B Die Ziel-MAC-Adresse ist für Switches besonders wichtig. Ein Switch prüft die Ziel-MAC-Adresse und entscheidet dann, an welchen Port der Frame weitergeleitet wird. Merksatz: Ziel-MAC = lokaler Empfänger des Frames. --- **Quell-MAC-Adresse** Die Quell-MAC-Adresse gibt an, von welchem Gerät der Frame stammt. Beispiel: PC A sendet an PC B. Dann steht im Ethernet-Frame: Quell-MAC-Adresse = MAC-Adresse von PC A Switches lernen MAC-Adressen über die Quell-MAC-Adresse. Wenn ein Frame an einem Switch-Port eingeht, merkt sich der Switch: Diese MAC-Adresse ist über diesen Port erreichbar. Merksatz: Quell-MAC = lokaler Absender des Frames. --- **MAC-Adresse** MAC steht für: Media Access Control Eine MAC-Adresse ist eine lokale Hardwareadresse einer Netzwerkschnittstelle. Typische Netzwerkschnittstellen: - Ethernet-Port - WLAN-Adapter - virtuelle Netzwerkkarte - Server-Netzwerkkarte - USB-LAN-Adapter Eine MAC-Adresse identifiziert eine Schnittstelle im lokalen Netzwerk. Merksatz: MAC-Adresse = lokale Adresse einer Netzwerkschnittstelle. --- **Aufbau einer MAC-Adresse** Eine klassische MAC-Adresse hat: 48 Bit Sie wird meist hexadezimal dargestellt. Beispiel: 00:1A:2B:3C:4D:5E Oder: 00-1A-2B-3C-4D-5E Hexadezimal bedeutet: Ziffern 0 bis 9 und Buchstaben A bis F Ein Byte wird dabei durch zwei Hex-Zeichen dargestellt. Merksatz: MAC-Adresse = 48 Bit, meist hexadezimal geschrieben. --- **OUI und Geräteanteil** Eine MAC-Adresse kann in zwei Bereiche unterteilt werden. | Bereich | Bedeutung | |---|---| | OUI | Herstellerkennung | | Geräteanteil | eindeutiger Teil für das Gerät | OUI steht für: Organizationally Unique Identifier Der OUI-Bereich zeigt, welchem Hersteller ein MAC-Adressbereich zugeordnet wurde. Wichtig: In der Praxis können MAC-Adressen auch virtuell erzeugt oder geändert werden. Deshalb ist die MAC-Adresse nicht immer ein absolut sicherer Gerätenachweis. Merksatz: OUI = Herstellerkennung in der MAC-Adresse. --- **Unicast-MAC-Adresse** Unicast bedeutet: ein Absender an einen bestimmten Empfänger Eine Unicast-MAC-Adresse gehört zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle. Beispiel: PC A sendet einen Frame direkt an PC B. Dann verwendet PC A die Ziel-MAC-Adresse von PC B. Merksatz: Unicast = einer an einen. --- **Broadcast-MAC-Adresse** Broadcast bedeutet: ein Absender an alle Geräte im lokalen Netzwerk Die Ethernet-Broadcast-MAC-Adresse lautet: FF:FF:FF:FF:FF:FF Ein Broadcast wird an alle Geräte innerhalb der Broadcast-Domäne gesendet. Typische Beispiele: - ARP-Anfrage - DHCP-Anfrage Merksatz: Broadcast = einer an alle. --- **Multicast-MAC-Adresse** Multicast bedeutet: ein Absender an eine bestimmte Gruppe von Empfängern Nicht alle Geräte sollen den Frame erhalten, sondern nur Mitglieder einer bestimmten Gruppe. Multicast wird zum Beispiel verwendet bei: - Streaming - IPTV - bestimmten Protokollen - Gruppenkommunikation Merksatz: Multicast = einer an eine Gruppe. --- **Unicast, Broadcast und Multicast im Vergleich** | Art | Bedeutung | Beispiel | |---|---|---| | Unicast | einer an einen | PC an Server | | Broadcast | einer an alle | ARP-Anfrage | | Multicast | einer an eine Gruppe | Streaming-Gruppe | Prüfungstauglich: Unicast = gezielt. Broadcast = alle. Multicast = Gruppe. --- **EtherType** Im Ethernet-Frame gibt es ein Feld, das häufig angibt, welches Protokoll in den Nutzdaten enthalten ist. Dieses Feld nennt man: EtherType Beispiele: | EtherType | Bedeutung | |---|---| | 0x0800 | IPv4 | | 0x86DD | IPv6 | | 0x0806 | ARP | Wichtig: Der Ethernet-Frame kann Daten verschiedener höherer Protokolle transportieren. Merksatz: EtherType zeigt, welches Protokoll im Frame transportiert wird. --- **Nutzdaten im Ethernet-Frame** Die Nutzdaten sind der Inhalt, den der Ethernet-Frame transportiert. Das können zum Beispiel sein: - ein IPv4-Paket - ein IPv6-Paket - eine ARP-Nachricht - andere Protokolldaten Wichtig: Der Ethernet-Frame transportiert Daten höherer Schichten. Schicht 2 interessiert sich dabei nicht für die vollständige Bedeutung der Anwendung. Merksatz: Ethernet transportiert Nutzdaten höherer Schichten lokal weiter. --- **FCS** FCS steht für: Frame Check Sequence Die FCS ist eine Prüfinformation am Ende des Ethernet-Frames. Sie dient zur Fehlererkennung. Der Empfänger kann damit prüfen, ob der Frame während der Übertragung beschädigt wurde. Merksatz: FCS = Prüfinformation zur Fehlererkennung im Frame. --- **CRC** CRC steht für: Cyclic Redundancy Check CRC ist ein Verfahren zur Fehlererkennung. Die FCS im Ethernet-Frame basiert auf einem CRC-Verfahren. Wenn die Prüfung fehlschlägt, gilt der Frame als beschädigt. Dann wird er verworfen. Merksatz: CRC erkennt Übertragungsfehler. --- **Fehlererkennung, aber keine Fehlerkorrektur** Ethernet kann über FCS/CRC beschädigte Frames erkennen. Aber: Ethernet korrigiert den beschädigten Frame normalerweise nicht selbst. Ein fehlerhafter Frame wird verworfen. Wenn eine erneute Übertragung nötig ist, passiert das durch höhere Schichten. Beispiel: TCP kann fehlende Daten erneut übertragen lassen. Merksatz: Schicht 2 erkennt viele Fehler, korrigiert sie aber normalerweise nicht selbst. --- **Präambel und SFD** Vor dem eigentlichen Ethernet-Frame gibt es technische Felder zur Synchronisation. Dazu gehören: Präambel SFD SFD steht für: Start Frame Delimiter Aufgabe: Der Empfänger soll erkennen, dass ein Frame beginnt. Für die Prüfung ist meist nur wichtig: Ethernet braucht eine Möglichkeit, den Beginn eines Frames zu erkennen. Merksatz: Präambel und SFD helfen beim Erkennen des Frame-Beginns. --- **Ethernet-Frame grob dargestellt** Vereinfacht sieht ein Ethernet-Frame so aus: | Bereich | Aufgabe | |---|---| | Präambel / SFD | Synchronisation und Frame-Beginn | | Ziel-MAC | lokaler Empfänger | | Quell-MAC | lokaler Absender | | Typ / Länge | Protokoll oder Längenangabe | | Nutzdaten | Inhalt höherer Schichten | | FCS | Fehlererkennung | Wichtig: Für AP1/AP2 sind vor allem Ziel-MAC, Quell-MAC, Nutzdaten und FCS wichtig. --- **Frame-Größe** Ein normaler Ethernet-Frame hat eine begrenzte Größe. Typisch ist eine maximale Nutzlast von: 1500 Byte Diese Nutzlast nennt man oft: MTU MTU steht für: Maximum Transmission Unit Wichtig: MTU beschreibt die maximale Größe der Nutzdaten, die auf einer Verbindung ohne Fragmentierung übertragen werden können. Merksatz: MTU = maximale Nutzdaten-Größe einer Verbindung. --- **Jumbo Frames** Jumbo Frames sind Ethernet-Frames mit größerer Nutzlast als der Standardwert. Sie werden manchmal in Rechenzentren oder Speichernetzwerken verwendet. Vorteil: weniger Overhead bei großen Datenübertragungen Nachteil: alle beteiligten Geräte müssen Jumbo Frames unterstützen und passend konfiguriert sein Wichtig: In normalen LANs sind Standard-Frames üblich. Merksatz: Jumbo Frames brauchen durchgängige Unterstützung auf der Strecke. --- **Frame, Paket und Segment im Ablauf** Wenn eine Anwendung Daten sendet, werden diese durch die Schichten gekapselt. Vereinfacht: Anwendung erzeugt Daten. TCP macht daraus Segmente. IP macht daraus Pakete. Ethernet macht daraus Frames. Schicht 1 überträgt Bits als Signale. Beim Empfänger läuft der Prozess umgekehrt. Merksatz: Segment in Paket, Paket in Frame, Frame in Bits. --- **Kapselung im Ethernet-Frame** Ein Ethernet-Frame kann ein IP-Paket transportieren. Vereinfacht: Ethernet-Frame enthält IP-Paket enthält TCP-Segment enthält Anwendungsdaten Das nennt man: Kapselung Merksatz: Schicht 2 kapselt Schicht-3-Daten in Frames. --- **Lokale Zustellung mit MAC-Adressen** MAC-Adressen werden für die lokale Zustellung verwendet. Beispiel im gleichen LAN: PC A will PC B erreichen. Dann benötigt PC A die MAC-Adresse von PC B. Der Ethernet-Frame wird lokal an diese Ziel-MAC-Adresse gesendet. Merksatz: Im gleichen LAN wird direkt an die Ziel-MAC gesendet. --- **Zustellung zu einem anderen Netzwerk** Wenn das Ziel in einem anderen IP-Netz liegt, sendet der PC den Frame nicht direkt an die MAC-Adresse des entfernten Servers. Stattdessen sendet er den Frame lokal an die MAC-Adresse des Standard-Gateways. Beispiel: PC will Webserver im Internet erreichen. Dann gilt: Ziel-IP im IP-Paket = Webserver Ziel-MAC im Ethernet-Frame = Router / Standard-Gateway Merksatz: Entferntes Netz: Ziel-MAC ist das Gateway, Ziel-IP bleibt das eigentliche Ziel. --- **MAC-Adresse ändert sich pro Abschnitt** Bei einer Übertragung über mehrere Router ändert sich der Ethernet-Frame auf jedem lokalen Abschnitt. Das bedeutet: Quell-MAC und Ziel-MAC ändern sich von Link zu Link. Die IP-Adressen bleiben grundsätzlich erhalten, außer bei NAT. Beispiel: PC → Router 1 Router 1 → Router 2 Router 2 → Server Jeder Abschnitt hat eigene MAC-Adressen. Merksatz: MAC-Adressen gelten nur lokal bis zum nächsten Router. --- **IP-Adresse bleibt netzübergreifend** Im Gegensatz zur MAC-Adresse wird die IP-Adresse für die netzübergreifende Zustellung verwendet. Das IP-Paket enthält: Quell-IP Ziel-IP Diese IP-Adressen bleiben über Router hinweg grundsätzlich erhalten. Ausnahme: NAT oder PAT kann IP-Adressen verändern. Merksatz: MAC = lokal. IP = netzübergreifend. --- **ARP und MAC-Adresse** ARP wird verwendet, um zu einer IP-Adresse die passende MAC-Adresse im lokalen Netz zu finden. ARP steht für: Address Resolution Protocol Beispiel: PC kennt die IP-Adresse des Gateways. PC braucht die MAC-Adresse des Gateways. Dann sendet der PC eine ARP-Anfrage. Merksatz: ARP findet MAC-Adresse zu IP-Adresse im lokalen Netz. --- **ARP-Anfrage als Broadcast** Eine ARP-Anfrage wird als Broadcast gesendet. Grund: Der Absender kennt die MAC-Adresse des Zielgeräts noch nicht. Deshalb fragt er alle Geräte im lokalen Netz: Wer hat diese IP-Adresse? Die Broadcast-MAC-Adresse lautet: FF:FF:FF:FF:FF:FF Merksatz: ARP-Anfrage = Broadcast. --- **ARP-Antwort als Unicast** Die ARP-Antwort kommt normalerweise als Unicast zurück. Das Gerät mit der gesuchten IP-Adresse antwortet: Diese IP-Adresse gehört zu dieser MAC-Adresse. Danach kann der Absender den Frame gezielt an diese MAC-Adresse senden. Merksatz: ARP-Antwort = meistens Unicast. --- **MAC-Adresstabelle und Ethernet-Frames** Ein Switch verwendet Ethernet-Frames, um seine MAC-Adresstabelle zu füllen. Er schaut auf die Quell-MAC-Adresse eingehender Frames. Beispiel: Frame kommt an Port 5 an. Quell-MAC ist 00:11:22:33:44:55. Der Switch lernt: 00:11:22:33:44:55 ist an Port 5 erreichbar. Merksatz: Switch lernt über die Quell-MAC. --- **Weiterleitung bekannter Ziel-MAC** Wenn der Switch die Ziel-MAC-Adresse kennt, leitet er den Frame gezielt weiter. Beispiel: Ziel-MAC ist an Port 8 bekannt. Dann sendet der Switch den Frame nur an Port 8. Vorteil: weniger unnötiger Datenverkehr bessere Effizienz mehr Sicherheit als Hub Merksatz: Bekannte Ziel-MAC = gezielte Weiterleitung. --- **Unbekannte Ziel-MAC und Flooding** Wenn der Switch die Ziel-MAC-Adresse nicht kennt, muss er den Frame verteilen. Er sendet den Frame an alle passenden Ports außer dem Eingangsport. Das nennt man: Flooding Wenn die Zielstation antwortet, lernt der Switch deren MAC-Adresse. Merksatz: Unbekannte Ziel-MAC = Flooding. --- **Broadcast und Flooding unterscheiden** Broadcast und Flooding werden manchmal verwechselt. | Begriff | Bedeutung | |---|---| | Broadcast | Frame ist ausdrücklich an alle adressiert | | Flooding | Switch verteilt Frame, weil Ziel-MAC unbekannt ist | Beide können dazu führen, dass Frames an mehrere Ports gehen. Aber der Grund ist unterschiedlich. Merksatz: Broadcast = Ziel ist alle. Flooding = Ziel ist unbekannt. --- **Frame-Fehler und Switch-Port-Statistiken** Switches können Fehler zählen. Typische Hinweise: - CRC-Fehler - FCS-Fehler - zu kurze Frames - zu lange Frames - verworfene Frames - Kollisionen bei alten Halbduplex-Links Solche Fehler können auf Schicht-1- oder Schicht-2-Probleme hinweisen. Merksatz: Frame-Fehler helfen bei der Fehlersuche. --- **Schicht 2 und Schicht 1 zusammen** Schicht 2 ist auf Schicht 1 angewiesen. Beispiel: Wenn das Kabel defekt ist, kommen Bits fehlerhaft an. Dann können Frames beschädigt werden. Schicht 2 erkennt den Fehler über FCS/CRC und verwirft den Frame. Merksatz: Schlechte Signale können beschädigte Frames verursachen. --- **Was ein Ethernet-Frame nicht enthält** Ein Ethernet-Frame enthält keine vollständige Information über den gesamten Weg durch das Internet. Er enthält nur Informationen für den lokalen Abschnitt. Ein Ethernet-Frame enthält nicht als Hauptaufgabe: - Routingentscheidung über mehrere Netze - DNS-Name - HTTP-URL - Benutzername - TCP-Sitzungsverwaltung Diese Themen gehören zu höheren Schichten. Merksatz: Ethernet-Frame = lokale Zustellung, nicht kompletter Internetweg. --- **Typische Fehler mit Frames und MAC-Adressen** Mögliche Fehler: - falsches VLAN - MAC-Adresse wird nicht gelernt - MAC-Adresstabelle veraltet - Broadcast-Sturm - Schleife im Switch-Netz - falsche Port-Konfiguration - beschädigte Frames durch Signalprobleme - doppelte MAC-Adresse - ARP-Probleme Merksatz: Schicht-2-Probleme betreffen lokale Zustellung und Frames. --- **Typische IHK-Fragen** In AP1 und AP2 kann zum Beispiel gefragt werden: - Was ist ein Ethernet-Frame? - Welche wichtigen Felder enthält ein Ethernet-Frame? - Was ist eine Ziel-MAC-Adresse? - Was ist eine Quell-MAC-Adresse? - Wie ist eine MAC-Adresse aufgebaut? - Was ist die Broadcast-MAC-Adresse? - Was ist der Unterschied zwischen Unicast, Broadcast und Multicast? - Was macht die FCS? - Was bedeutet CRC? - Was ist die MTU? - Warum ändern sich MAC-Adressen auf dem Weg über Router? - Warum bleibt die IP-Adresse grundsätzlich erhalten? - Was macht ARP? - Was ist der Unterschied zwischen Broadcast und Flooding? --- **Typische Prüfungsfallen** Frame ist Schicht 2. Paket ist Schicht 3. Segment ist Schicht 4 bei TCP. MAC-Adressen gelten lokal. IP-Adressen gelten netzübergreifend. Ziel-MAC ist nicht immer die MAC-Adresse des endgültigen Internetservers. Bei Ziel in anderem Netz ist Ziel-MAC die MAC-Adresse des Gateways. Switches lernen über Quell-MAC-Adressen. Broadcast-MAC-Adresse ist FF:FF:FF:FF:FF:FF. ARP-Anfragen sind Broadcasts. ARP-Antworten sind meistens Unicast. Broadcast und Flooding sind nicht dasselbe. FCS/CRC erkennt Fehler, korrigiert sie aber nicht automatisch. --- **Wichtige Begriffe kurz erklärt** | Begriff | Kurze Erklärung | |---|---| | Ethernet-Frame | Datenrahmen auf Schicht 2 | | Frame | Protocol Data Unit der Sicherungsschicht | | Ziel-MAC-Adresse | lokaler Empfänger des Frames | | Quell-MAC-Adresse | lokaler Absender des Frames | | MAC-Adresse | lokale Hardwareadresse einer Netzwerkschnittstelle | | OUI | Herstellerkennung in einer MAC-Adresse | | Unicast | einer an einen | | Broadcast | einer an alle | | Multicast | einer an eine Gruppe | | Broadcast-MAC | FF:FF:FF:FF:FF:FF | | EtherType | Feld zur Angabe des enthaltenen Protokolls | | Nutzdaten | transportierter Inhalt höherer Schichten | | FCS | Frame Check Sequence | | CRC | Prüfsummenverfahren zur Fehlererkennung | | MTU | Maximum Transmission Unit | | Jumbo Frame | Frame mit größerer Nutzlast | | ARP | sucht MAC-Adresse zu IP-Adresse | | Flooding | Weiterleitung an mehrere Ports bei unbekannter Ziel-MAC | --- **IHK-sichere Kurzformulierung** Ein Ethernet-Frame ist die Datenübertragungseinheit auf OSI-Schicht 2. Er enthält unter anderem eine Ziel-MAC-Adresse, eine Quell-MAC-Adresse, Nutzdaten und eine Prüfinformation zur Fehlererkennung. MAC-Adressen dienen der lokalen Zustellung innerhalb eines Netzwerks. Switches leiten Frames anhand der Ziel-MAC-Adresse weiter und lernen MAC-Adressen über die Quell-MAC-Adresse eingehender Frames. Wenn das Ziel in einem anderen IP-Netz liegt, wird der Frame lokal an die MAC-Adresse des Standard-Gateways gesendet, während die Ziel-IP-Adresse im IP-Paket das eigentliche entfernte Ziel bleibt. Über FCS/CRC können beschädigte Frames erkannt und verworfen werden. --- **Merksätze** Ethernet-Frame = Schicht 2. IP-Paket = Schicht 3. TCP-Segment = Schicht 4. Frame = lokaler Datenrahmen. Ziel-MAC = lokaler Empfänger. Quell-MAC = lokaler Absender. MAC-Adresse = 48 Bit. MAC-Adressen werden meist hexadezimal geschrieben. Unicast = einer an einen. Broadcast = einer an alle. Multicast = einer an Gruppe. Broadcast-MAC = FF:FF:FF:FF:FF:FF. EtherType zeigt das enthaltene Protokoll. FCS/CRC erkennt beschädigte Frames. Ethernet korrigiert beschädigte Frames normalerweise nicht selbst. MTU = maximale Nutzdaten-Größe. MAC gilt lokal. IP gilt netzübergreifend. Entferntes Ziel: Ziel-MAC = Gateway. ARP findet MAC zu IP im lokalen Netz. ARP-Anfrage = Broadcast. ARP-Antwort = meistens Unicast. Switch lernt über Quell-MAC. Bekannte Ziel-MAC = gezielt. Unbekannte Ziel-MAC = Flooding. Broadcast und Flooding sind nicht dasselbe.