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.