Duplex Mism

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Langsames Ethernet Netzwerk durch Duplex Mismatch und Autonegotiation

Vollduplex/Halbduplex

Mit Vollduplex oder Halbduplex bezeichnet man in der Kommunikationstechnologie die Richtungsabhängigkeit von Kommunikationskanälen. Halbduplex  bedeutet, dass Informationen au den selben Leitungen in beide Richtungen fließen können, allerdings nicht gleichzeitig. Da bei dieser Übertragungsart gleichzeitig nur Senden ODER Empfangen möglich ist, kann es vorkommen, dass ein ausgesendetes Datenpaket auf ein anderes Datenpaket trifft, das gerade in die entgegen gesetzte Richtung läuft. In diesem Fall "vernichten" sich die Datenpakete gegenseitig. Wenn eine Kollision erkannt wird, überträgt die sendende Station ein 32bit langes Daten-Stau-Signal (jam signal). Daten, die während der Übertragung durch Kollisionen beschädigt wurden, werden Kollisionsfragmente oder Runts genannt. Durch das "Jam-Signal" werden die jeweiligen Sendestationen veranlasst, ihre Datenpakete nochmals zu einem zufälligen Zeitpunkt neu zu senden.

Vollduplex lässt die Übertragung der Informationen auf verschiedenen Leitungen in beide Richtungen zu gleicher Zeit zu. Dies verdoppelt natürlich die Netzwerkleistung und verhindert somit Kollisionen. In einem 10 Mbps-Netz wird eine Steigerung auf 20 Mbps erreicht, in einem 100 Mbps-Netz auf 200 Mbps.

Wird Halbduplex mit Vollduplex zusammengesteckt, so gibt es zwar scheinbar eine Datenübertragung, aber mit einer extremen Anzahl an Kollisionen, was mit der Zeit bis zu einem völligem Stillstand des gesamten Netzes führen kann. Gigabit-Ethernet (1000Base-T, 1000Base-SX, 1000Base-LX) wird immer nur Vollduplex übertragen. Hubs oder alte Printserver sind nur für Halbduplex geeignet. Vollduplex gibt es nur bei Switches.

Für den Netzwerkbenutzer zeigt sich ein Duplex-Mismatch durch eine extrem schlechte Netzwerkleistung. Eine Leistungssteigerung um bis zu 200% durch eine einfache Anpassung der Einstellungen ist tatsächlich möglich. Die Verschlechterung der Leistung durch eine Duplex-Fehlanpassung ist richtungsabhängig. Besonders stark fällt die Leistung des Halbduplex-Ports beim Senden ab.

Autonegotiation

Duplex Mismatch durch AutonegotiationAutonegotiation arbeitet auf der Schicht 1 des OSI-Modells und ist im IEEE Standard 802.3u (Kapitel 28) definiert. Autonegotiation ermöglicht es zwei Linkpartnern im Ethernet sich optimal zu konfigurieren. Dazu tauschen die Geräte über einen Link Pulse Informationen aus. Der NLP-Puls ist ein Erkennungspuls, der von 10Base-T-Stationen gesendet wird. Autonegotiation auf TP-Kabel verwendet eine erweiterte Form des im 10BaseT-Standard spezifizierten NLP, den Fast Link Pulse (FLP). In der FLP Signalfolge teilt die Station ihrem Verbindungspartner ihre unterstützten Einstellungen mit. dabei werden Parameter zur Geschwindigkeits-, Duplexeinstellung und Flusskontrolle übertragen. Autonegotiation stellte die Firma National Semiconductor 1994 erstmals der 100Base-TX-Arbeitsgruppe als N-way Autonegotiation vor. Deshalb sprach man lange Zeit auch oft einfach nur von N-way. N-way Autonegotiation versetzt also Ethernetgeräte in die Lage, Bandbreite und Kodierungsverfahren für die Übertragung selbsttätig zu wählen.

Unterstützen beide Komponenten am jeweiligem Ende eines Segments Autonegotiation, gilt es, die höchste gemeinsame Übertragungsrate und den höchstmöglichen Übertragungsmodus ausfindig zu machen. Dazu tauschen die beiden Geräte Link-Codewörter aus. Über sie erfahren autonegotiationsfähige Komponenten von ihrem Gegenüber dessen Möglichkeiten und teilen ihre eigenen mit. Darüber können sich die gegenüberliegenden Geräte eines Segments mit den in den Link-Codewörtern enthaltenen Informationen aufeinander einstellen. In der Regel sind Ethernet-Geräte dadurch in der Lage, durch die Autonegotiation selbst auszuhandeln, was die höchstmögliche Bandbreite und der beste Modus ist. Autonegotiation führt jedoch keine Überprüfung der Verbindung durch. Unterstützen beide Karten Gigabit Ethernet, so werden auch über ein unzureichendes Kabel 1GBit/s eingestellt. In der Praxis gibt es aber auch Probleme, Bauteile unterschiedlicher Hersteller, mit Autonegotiation zu verbinden.

Wenn ein Gerät nicht auf die FLPs antwortet, greift als nächster Schritt die Parallel Detection, die den Übertragungsstandard anhand der Signalform und der Kodierung erkennt.  Die autonegotiationfähige Station erkennt an der Kodierung des Gegenübers deren Geschwindigkeit. Diese wird dann auch korrekt eingestellt. Eine Bestimmung des Duplex-Modus ist dabei nicht möglich; Deshalb wird standardmäßig der Halbduplexbetrieb ausgewählt. Dies führt dann zu Problemen, wenn das andere Gerät manuell auf Vollduplexbetrieb eingestellt wurde.

Duplex Fehlanpassung

Die möglichen Duplex- und Geschwindigkeits-Kombinationen zwischen zwei Netzwerkgeräten:

Switch NIC Ergebnis
100 Halbduplex 100 Halbduplex 100 Halbduplex, bei Last entstehen viele Kollisionen
100 Halbduplex 100 Vollduplex Duplex-Mismatch, viele Fehler (excessive collisions), schlechtes Leistungsverhalten
100 Halbduplex Autonegotiaton  NIC geht auf 100 Halbduplex
100 Vollduplex 100 Vollduplex  die schnelle und sichere Methode
100 Vollduplex Autonegotiaton Duplex-Mismatch, NIC geht auf 100 Halbduplex, excessive collisions, schlechtes Leistungsverhalten
Autonegotiaton Autonegotiaton bei 100Mbps Teilnehmern gehen meist beide auf 100 Vollduplex, manchmal tritt aber auch ein Duplex Mismatch auf. Bei zwei Gigabit Teilnehmern funktioniert 1Gbps/Full

Einen Duplex-Mismatch erkennt man an den Fehlerzählern eines Netzwerkgerätes. Typische Anzeichen für falsche Duplexeinstellungen sind CRC/FCS-Errors, excessive collisions (Anzahl der Pakete, die nach 16maliger Kollision nicht gesendet wurden) und Runts auf der Vollduplexseite.
Auf der Seite mit "Halbduplex" sind viele verspätete Kollisionen ein Hinweis für eine Duplex-Fehlanpassung. Verspätete Kollisionen sind Zusammenstöße, die außerhalb des Kollisionsfensters von 512 Bit, also verspätet, auftreten. Dafür gibt es sonst eigentlich nur noch wenige Ursachen: Entweder eine Station mit Netzwerkkartendefekt oder die Kabellänge ist nicht eingehalten worden (zu lange Signallaufzeit). Auf einem Cisco Switch erkennen Sie diese "late collisions" an Fehlermeldungen wie: %AMDP2_FE-5-LATECOLL; %DEC21140-5-LATECOLL; %ILACC-5-LATECOLL; %LANCE-5-LATECOLL; %PQUICC-5-LATECOLL; %PQUICC_ETHER-5-LATECOLL; %PQUICC_FE-5-LATECOLL; %QUICC_ETHER-5-LATECOLL.

Netzwerkgeräte richtig konfigurieren

Unter Microsoft Windows XP, Vista oder Windows 7 erfolgt die Einstellung in den Eigenschaften der "Netzwerkumgebung":

Mit der rechten Maustaste auf der LAN-Verbindung / "Eigenschaften" auswählen:

Anschließend beim verwendeten NIC "Konfigurieren" anwählen:


Im Reiter "Erweitert" wird jetzt die passende Übertragungsrate und die Duplexeinstellung ausgewählt:

Windows XP mit 10/100-NIC:

Windows 7 mit Gigabit-NIC:



Viele nicht managebare Switche bieten keine Duplexeinstellungen und arbeiten immer mit Autonegotiation. An diesen Switchen sind die Endgeräte also zwangsweise auch auf Autonegotiation einzustellen. Einige NIC-Hersteller bezeichnen Autonegotiation auch als autosensing, autodetection oder mediasensing. Clients die an einen Hub angeschlossen sind, müssen immer auf Halbduplex eingestellt werden.

Auf Cisco Switches mit Cisco IOS benutzt man das Kommando "speed 10|100|1000|auto" zur Einstellung der Übertragungsrate und "duplex half|full|auto" zur Einstellung des Duplex Modus. Die aktuell eingestellten Werte auf den Ports werden mit "sh int" angezeigt.

Es hat sich leider gezeigt, dass die Kombination Autonegotiaton/Autonegotiaton nicht immer verlässlich funktioniert. Daher sollten am besten beide Partner fest auf die gleichen Vorgaben eingestellt werden.

Es gilt also immer: Für die volle Ausnutzung der Bandbreite, müssen beide Linkpartner (Switch, PC) auf die selben Duplexeinstellungen konfiguriert werden. Entweder beide fest auf Vollduplex oder beide auf Autonegotiation.

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