2018-01-03 09:24:49

Ethernet-Frames und Pakete

Worin besteht der Unterschied?... und warum ist dieser Unterschied wichtig?

Mathias Hein

Bei den Diskussionen um Ethernet-Daten werden die Begriffe "Rahmen" (Frame) und "Paket" häufig synonym verwendet. Frames und Pakete sind die elektronischen Container, die unsere Daten von Punkt zu Punkt durch die LANs und WANs transportieren. Da beide Begriffe ähnliche Funktionen bereitstellen, werden deren Unterschiede oft missverstanden.

Worin liegt der Unterschied?

Um die Dinge zu vereinfachen, stellen wir uns Frames und Pakete als Umschläge von Informationen vor, die von einer Person zur anderen geschickt werden. Der entscheidende Unterschied zwischen einem Frame und einem Paket besteht darin wie die Informationen gekapselt werden. Dies hängt davon ab, wo die Informationen versendet werden.

Frames sind Frames sind Frames....

Stellen wir uns ein Unternehmen mit einer internen Postabteilung vor, die es einer Person ermöglicht seine Dokumente an eine andere Person innerhalb des eigenen Unternehmens zu verschicken. Der Inhalt wird in einen internen Versendungsumschlag gelegt und der Absender notiert darauf:

  • im Feld "Von" wird sein Namen und seine Abteilung verzeichnet,
  • im Feld "Zu" wird der Name und die Abteilung des Empfängers angegeben

Wenn der Umschlag versendet wird, erkennt die interne Postabteilung den internen Versendungsumschlag, liest den Zielnamen und die Abteilung aus, nutzt ein Verzeichnis, um diese Informationen in einen physischen Standort (Gebäude/Büro) zu übersetzen und diesen anschließend an den betreffenden Empfänger zu übermitteln. Der Umschlag verlässt nie das private Unternehmen und der ganze Prozess nutzt nur lokale Ressourcen, die die betreffenden Umgebungen genau kennen.

Ein interner Versendungsumschlag kann nicht außerhalb des Unternehmens genutzt werden, da der Umschlag über keine Möglichkeit zur Anbringung einer vollständigen Postanschrift verfügt. Um den Inhalt an ein Büro außerhalb des örtlichen Bereichs zu versenden, muss der interne Versendungsumschlag in einen Briefumschlag gelegt und mit einer entsprechenden Postanschrift versehen werden.

Ein Ethernet-Frame funktioniert in ähnlicher Weise. Es handelt sich um einen Container für Daten mit einer Quell- und Zieladresse, um Informationen (die so genannte Payload) zwischen zwei Standorten im selben Netzwerk zu übermitteln. Statt eines Namens und einer Abteilung werden als die Quell- und Zieladresse eines Frames die entsprechenden MAC-Adressen (Media Access Controller) eines Computers, Tablets, IP-Telefons, IoT-Geräts usw. genutzt. Die MAC-Adressen agieren als Kennung für jedes Ethernet-Gerät und sind weltweit eindeutig.

Frames werden auf der Schicht 2 des TCP/IP-Stacks von der Netzwerkschnittstelle erzeugt. Die jeweilige Nutzdatengröße des Frames hängt von der Art der zu übertragenden Daten ab. Der Rahmen wird auf das Netzwerk gesendet. Der an dem Kabelsegment angeschlossene Ethernet-Switch überprüft die Zieladresse des Frames gegen eine MAC-Lookup-Tabelle in seinem Speicher. Die MAC-Lookup-Tabelle teilt dem Switch mit, welcher physikalische Zielport mit dem Empfänger verknüpft ist bzw. die Tabelle teilt mit, welche MAC-Adresse mit der Zieladresse des Rahmens übereinstimmt. Der Switch leitet anschließend den Rahmen an den physischen Zielport weiter. Empfängt das Zielgerät den Frame ist die Übertragung abgeschlossen. Befindet sich das Zielgerät an einen anderen Switch, wiederholt der nächste Switch den Lookup- und Forward-Prozess, bis der Frame das gewünschte Ziel erreicht.

Wichtig dabei ist: Dies geschieht alles auf den Layer 2 Switches im LAN. Wie bei der internen Postabteilung kann ein Frame niemals außerhalb des lokalen Netzwerks verschickt werden und kann daher auch nie das Internet erreichen. Grund hierfür: Der Frame enthält nicht die richtige Adresse. Um Daten an ein Gerät in einem anderen Netzwerk oder ins Internet zu übermitteln, muss ein Frame in ein Paket umgebaut werden.

Pakete sind Pakete sind Pakete....

Ähnlich wie im Beispiel der internen Postabteilung, muss auch ein Briefumschlag bereitgestellt werden, um die Daten an ein anderes Büro außerhalb des eigenen Unternehmens zu übermitteln. In diesem Fall wird die Information in ein IP-Paket eingepackt welches wiederum von einem Ethernet-Frame gekapselt wird.

Bei MAC-Adressen von Netzwerkkomponenten handelt es sich um eindeutige und permanente Adresse, Im Gegensatz dazu werden IP-Adressen in der Regel zeitlich einem Netzwerkgerät zugewiesen und ändern sich, wenn das Gerät mit einem anderen Netzwerk verbunden wird. Beispielsweise ändert sich die IP-Adresse eines Tablets jedes Mal, wenn das Gerät mit einem anderen WLAN-Netzwerk verbunden wird.

Die Pakete werden auf dem Layer 3 des Netzwerks kreiert und erlauben den Transport der Information zwischen verschiedenen LANs. Dieser Inter-Netzwerk-Transport erfolgt typischerweise über Router. Ein Router verbindet ein Netzwerke (LANs) und ermöglicht den Informationsaustausch in einem viel größeren Maßstab als auf der Ethernet-Ebene (Layer 2). Die Paketweiterleitung über Router erfolgt immer unter Verwendung von IP-Adressen anstelle von MAC-Adressen.

Layer-3-Pakete ermöglichen Routern die Bereitstellung von Inter-Netzwerk-Datenübermittlung. Hierzu werden ausschließlich die IP-Adressen genutzt. Diese setzen sich aus der jeweiligen Netzwerkkennung und der temporäre IP-Endgerätadresse des betreffenden Geräts im Netzwerk zusammen. Erreicht ein Layer-3-Paket, dann erfolgt die Datenweiterleitung in den lokalen Netzen auf Basis von Layer 2-Switches. Diese lesen die MAC-Adresse des Frames aus und leiten das Frame an das Zielgerät weiter. Dort angekommen extrahiert der Ethernet-Controller die Daten-Payload und die Datenübermittlung der Informationen zwischen den Geräten auf verschiedenen Netzwerken wird abgeschlossen.

Warum spielt es eine Rolle?

Die Unterschiede zwischen Frames und Paketen sind bei der Auswahl von Ethernet-Testgeräten zu Daten- und Performance-Tests wichtig. Verschiedene Datenübertragungstester erscheinen auf den ersten Blick von ihren Funktionen her sehr ähnlich. Allerdings arbeiten verschiedene Tester unter Umständen nur bestimmten Netzwerkebenen.

Einige Tester beschränken ihr Tätigkeitsfeld auf reine Layer 2-Netzwerke (LANs). Bei diesen Geräten ist kein Netzwerkkonfigurationsprozess erforderlich, um eine Netzprüfung durchzuführen zu können. Layer 2-Tests werden auf Basis von Frames durchgeführt. Diese nutzen die MAC-Adressen zur eindeutigen Kennung der jeweiligen Netzwerkkomponenten. Solange die Haupt- und Remote-Einheiten des Testers im selben LAN arbeiten, können diese Systeme miteinander kommunizieren und das dazwischenliegende Netzwerk überprüfen.

Müssen jedoch die Daten zwischen verschiedenen Netzwerken oder über das Internet gesendet werden, kommen andere Testgeräte zum tragen. Das Testgerät muss dazu die richtigen IP-Pakete erzeugen können. Beim Testen von Layer 3- (und  höher) Verbindungen kann die Konfiguration der beiden hierzu notwendigen Testkomponenten sehr kompliziert sein. Da sich die IP-Adressen der Testkomponenten in verschiedenen Netzwerken befinden, muss der Benutzer über ein genaues Verständnis des Netzwerks an jedem der Standorte verfügen. Nur so kann er sicherzustellen, dass die Tester miteinander kommunizieren können und keine Konflikte mit anderen Geräten im Netzwerk auftreten.

Man merke: Layer-3-4-Tests werden für die Überprüfung der Bandbreite zwischen Netzwerken (WANs) und Layer-2-Tests für die Überprüfung der Bandbreite innerhalb des gleichen Netzwerks (LANs) genutzt.

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