Hoe werkt ethernet

Hoe werkt Ethernet?

De werking van Ethernet komt neer op het verpakken van data in frames met een bestemmings- en bron-MAC-adres, die een switch op basis van een zelf geleerde adrestabel naar de juiste poort doorstuurt, terwijl IP, ARP en de default gateway bepalen of verkeer binnen het eigen subnet blijft of via een router verder gaat. Ethernet zelf werkt op laag 1 en 2 van het OSI-model; IP-adressen, subnetmaskers en gateways horen bij laag 3. Wie snapt hoe die lagen samenwerken, kan storingen tussen PLC’s, HMI’s en servers veel sneller vinden. Dit artikel beschrijft de werking stap voor stap; voor geschiedenis, kabeltypen en snelheden zie het hoofdartikel Ethernet.

🧠 Op welke lagen van het OSI-model werkt Ethernet?

Ethernet is gestandaardiseerd als IEEE 802.3 en beschrijft de fysieke laag en de datalinklaag. Op laag 1 definieert de standaard snelheden van 10 Mbit/s tot 800 Gbit/s (IEEE 802.3df, 2024) over twisted pair, coax en glasvezel; in de fabriek is 100 Mbit/s tot 1 Gbit/s gebruikelijk. Alles boven laag 2, van IP tot OPC UA, wordt in het Ethernet-frame meegedragen als payload.

Niet elk industrieel protocol gebruikt alle lagen. PROFINET RT en EtherCAT zetten hun realtimedata direct in een Ethernet-frame, zonder IP en TCP, om vertraging te beperken. Modbus TCP en IP lopen wel via de volledige TCP/IP-stack.

📦 Hoe is een Ethernet-frame opgebouwd?

Elk bericht op een Ethernet-netwerk reist als frame. De opbouw is sinds de jaren tachtig vrijwel gelijk gebleven:

Een frame is zonder preamble minimaal 64 bytes en maximaal 1.518 bytes (1.522 met VLAN-tag). Het minimum komt voort uit de oorspronkelijke slot time van 512 bits, die nodig was om botsingen op een gedeelde kabel te detecteren. Tussen twee frames moet een zender minimaal 96 bittijden (12 bytes) stil blijven. Jumbo frames tot ongeveer 9.000 bytes worden door veel switches ondersteund, maar zijn geen onderdeel van IEEE 802.3.

Het EtherType-veld vertelt de ontvanger wat er in de payload zit. Een waarde van 1.500 of lager is een lengte (het oude IEEE 802.3-formaat), een waarde vanaf 0x0600 is een protocolcode:

🤖 Hoe werkt een MAC-adres?

Een MAC-adres is het 48-bits adres (EUI-48) van een netwerkinterface op laag 2, meestal genoteerd als zes hexadecimale paren, bijvoorbeeld 00:1A:2B:3C:4D:5E. De eerste drie bytes vormen de OUI (Organizationally Unique Identifier), die de IEEE aan een fabrikant toekent; de laatste drie bytes nummert de fabrikant zelf.

Twee bits in de eerste byte hebben een speciale betekenis:

• I/G-bit (laagste bit) - 0 betekent unicast naar één ontvanger, 1 betekent een groepsadres (multicast of broadcast)
• U/L-bit (tweede bit) - 0 betekent een wereldwijd uniek fabrieksadres, 1 een lokaal beheerd adres

Het broadcastadres FF:FF:FF:FF:FF:FF bereikt alle apparaten in hetzelfde netwerksegment. Het fabrieksadres wordt vaak burned-in genoemd, maar de meeste interfaces laten zich softwarematig een ander adres geven. Dat is legitiem bij virtuele machines en bij telefoons en laptops die hun MAC-adres willekeurig maken voor privacy. Een aanvaller gebruikt dezelfde mogelijkheid voor spoofing, waardoor MAC Filtering alleen geen sterke beveiliging is.

🔀 Hoe beslist een switch waar een frame heen gaat?

Een switch werkt op laag 2 en stuurt frames door (forwarding); routeren gebeurt pas op laag 3. Het principe heet transparent bridging en volgt vijf stappen:

1. Leren - bij elk binnenkomend frame noteert de switch het bron-MAC-adres en de poort in zijn MAC-adrestabel
2. Opzoeken - de switch zoekt het bestemmings-MAC-adres op in die tabel
3. Doorsturen - staat het adres erin, dan gaat het frame alleen naar die ene poort
4. Flooden - is het adres onbekend, of is het een broadcast, dan gaat het frame naar alle poorten in hetzelfde VLAN behalve de ontvangende poort
5. Verouderen - een geleerd adres verdwijnt na een vaste tijd zonder verkeer; IEEE 802.1D adviseert 300 seconden

Omdat elke switchpoort een eigen verbinding in full duplex heeft, kunnen beide kanten tegelijk zenden en ontstaan er geen botsingen. Het oude toegangsmechanisme CSMA/CD (luisteren, zenden, bij een botsing stoppen en willekeurig wachten) is alleen nog nodig bij half duplex; vanaf 10 Gbit/s kent Ethernet uitsluitend full duplex. Switches werken meestal store-and-forward (eerst het hele frame ontvangen en de FCS controleren) of cut-through (doorsturen zodra het bestemmingsadres binnen is, wat de latency verlaagt).

Lussen in een geswitcht netwerk zijn gevaarlijk: een broadcast blijft dan eindeloos rondgaan en legt het netwerk plat (broadcast storm). Protocollen als RSTP blokkeren daarom redundante paden. Een managed switch voegt daarnaast VLAN’s, QoS en een spiegelpoort (SPAN) voor analyse met Wireshark toe.

🌐 Wat doen IP-adres, subnetmasker en default gateway?

Een IP-adres is een logisch adres op laag 3: IPv4 gebruikt 32 bits (bijvoorbeeld 192.168.1.10), IPv6 128 bits. Het subnetmasker bepaalt welk deel het netwerk aanduidt en welk deel het apparaat. Apparaten met hetzelfde netwerkdeel kunnen elkaar direct via Ethernet bereiken; voor alle andere bestemmingen is een router nodig.

De default gateway is het IP-adres van de router in het eigen subnet. Een apparaat met adres 192.168.1.20/24 en gateway 192.168.1.1 stuurt verkeer naar bijvoorbeeld 8.8.8.8 naar die gateway, die het verder routeert. De gebruikte adresblokken 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12 en 192.168.0.0/16 zijn privéadressen volgens RFC 1918; ze worden op internet niet gerouteerd en vereisen NAT voor internettoegang. Een apparaat zonder adres van DHCP geeft zichzelf vaak een link-local adres in 169.254.0.0/16, een bekend symptoom achter de melding “PLC onbereikbaar”.

🔧 Hoe verloopt communicatie tussen twee apparaten stap voor stap?

Stel: een HMI met adres 192.168.1.20/24 wil een waarde lezen uit een PLC op 192.168.1.50.

1. Subnetcontrole - de HMI vergelijkt het netwerkdeel van beide adressen en ziet dat de PLC in hetzelfde subnet zit
2. ARP-cache - de HMI kijkt of het MAC-adres van 192.168.1.50 al bekend is
3. ARP-request - zo niet, dan stuurt de HMI een broadcast “wie heeft 192.168.1.50?” (EtherType 0x0806); ARP is vastgelegd in RFC 826 uit 1982
4. ARP-reply - alleen de PLC antwoordt met zijn MAC-adres, rechtstreeks aan de HMI
5. Frame bouwen - de HMI zet het IP-pakket met de TCP- of UDP-data in een frame met het MAC-adres van de PLC als bestemming en EtherType 0x0800
6. Switching - de switch stuurt het frame naar de poort van de PLC, die de FCS controleert en de data verwerkt

Ligt de bestemming buiten het subnet, dan verandert stap 3: de HMI zoekt via ARP het MAC-adres van de default gateway op en adresseert het frame daaraan. Het IP-bestemmingsadres blijft dat van het eindapparaat; de router pakt het frame uit, kiest de volgende hop en bouwt een nieuw frame. Zo veranderen MAC-adressen bij elke hop, maar IP-adressen niet (behalve bij NAT). IPv6 gebruikt geen ARP maar Neighbor Discovery (RFC 4861) via ICMPv6-multicast.

🏭 Waar moet u in industriële netwerken extra op letten?

In de industriële automatisering draait Ethernet steeds vaker tot op machineniveau, al zijn Profibus en andere veldbussen in bestaande installaties nog volop in gebruik. Industrial Ethernet stelt extra eisen aan de werking:

• Realtime en determinisme - standaard Ethernet is best effort; jitter ontstaat door wachtrijen in switches. VLAN-prioriteit, QoS en TSN (IEEE 802.1) maken timing voorspelbaar.
• Autonegotiatie en duplex - sinds IEEE 802.3u (1995) spreken twee poorten automatisch snelheid en duplex af; bij 1000BASE-T is dat verplicht. Zet u één kant vast op 100 Mbit/s full duplex en laat u de andere op auto, dan valt die terug naar half duplex. Dat duplex mismatch geeft late collisions aan de ene kant en FCS-fouten aan de andere, en is een klassieke oorzaak van haperende I/O.
• Broadcastbelasting - ARP-, DHCP- en discoveryverkeer bereikt elk apparaat in het VLAN. Eenvoudige veldapparaten kunnen daar slecht tegen, dus houd productie-VLAN’s klein.
• Netwerksegmentatie - scheid zones met VLAN’s en firewalls volgens IEC 62443 en het Purdue Model.
• Laag-2-aanvallen - Ethernet en ARP hebben geen authenticatie. ARP Spoofing laat een aanvaller verkeer tussen HMI en PLC onderscheppen; Dynamic ARP Inspection, port security en 802.1X beperken dat.

❓ Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen een MAC-adres en een IP-adres?

Een MAC-adres is het vaste 48-bits adres van een netwerkinterface en werkt alleen binnen één Ethernet-segment op laag 2. Een IP-adres is een logisch adres op laag 3 dat u zelf toekent en dat routering tussen netwerken mogelijk maakt. ARP koppelt bij IPv4 beide adressen aan elkaar.

Waarom heeft een apparaat een default gateway nodig?

Een apparaat stuurt alle verkeer naar bestemmingen buiten het eigen subnet naar de default gateway, de router die weet hoe die netwerken te bereiken zijn. Zonder default gateway kan een PLC of HMI alleen apparaten in het eigen subnet bereiken. Dat is soms bewust, bijvoorbeeld in een afgeschermd machinenetwerk.

Hoe lang onthoudt een switch een MAC-adres?

Een switch verwijdert een geleerd MAC-adres uit zijn tabel als er een tijd geen verkeer van dat adres is langsgekomen. IEEE 802.1D adviseert hiervoor 300 seconden, en de meeste switches gebruiken die standaardwaarde. Daarna wordt verkeer naar dat adres weer naar alle poorten geflood totdat het apparaat opnieuw iets verstuurt.

Bestaan er nog botsingen op Ethernet?

Op een moderne geswitchte Ethernet-verbinding in full duplex ontstaan geen botsingen, omdat elke poort een eigen verbinding met aparte zend- en ontvangstpaden heeft. CSMA/CD was nodig voor gedeelde coaxkabels en hubs in half duplex. Botsingen die u nu nog ziet, wijzen meestal op een duplex mismatch.

Waarom gebruikt PROFINET geen IP voor realtimedata?

PROFINET RT zet I/O-data direct in een Ethernet-frame met EtherType 0x8892, zonder IP- en TCP-laag. Dat scheelt verwerkingstijd in de apparaten en maakt cyclustijden van enkele milliseconden of korter mogelijk. Voor het opbouwen van verbindingen en het lezen en schrijven van parameters gebruikt PROFINET wel UDP/IP; de naamtoekenning via DCP loopt net als de realtimedata direct op laag 2.

Wat is het verschil tussen een switch en een router?

Een switch stuurt Ethernet-frames binnen één netwerk door op basis van MAC-adressen op laag 2. Een router verbindt verschillende IP-subnetten en kiest op laag 3 op basis van IP-adressen de route. Een laag-3-switch combineert beide functies in één apparaat.

📌 Samengevat

• Ethernet (IEEE 802.3) verpakt data in frames van 64 tot 1.518 bytes met bestemmings- en bron-MAC-adres, EtherType en CRC-controle
• Een switch leert MAC-adressen per poort, stuurt bekende adressen gericht door en floodt onbekende en broadcastframes
• ARP vertaalt bij IPv4 een IP-adres naar een MAC-adres; het subnetmasker bepaalt of verkeer direct of via de default gateway gaat
• In industriële netwerken vragen realtimegedrag, duplexinstellingen, broadcastbelasting en laag-2-beveiliging extra aandacht

Ethernet werkt doordat frames met MAC-adressen via zelflerende switches binnen een subnet worden afgeleverd, terwijl IP, ARP en de default gateway bepalen hoe verkeer daarbuiten komt. Wie deze keten begrijpt, lost de meeste netwerkstoringen in kantoor en fabriek zelf op.