Wolfgang Lösch

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Lokale Netze (LAN) — Ethernet-Netzstrukturen

Stand: 2007 (weitere Aktualisierung eingestellt)

Ziel von 10 Gigabit-Ethernet ist die möglichst vollständige Vernichtung von ATM speziell im Bereich der Internet-Service-Provider.

Jürgen Suppan, Der Netzwerk Insider, Oktober 1999

Mit Ethernet hat man die Möglichkeit, Netzstrukturen auf der Basis verschiedenster Übertragungsmedien aufzubauen und diese Netzstrukturen darüberhinaus mit unterschiedlichen Übertragungsraten zu betreiben.

Um die einzelnen Varianten klar voneinander unterscheiden zu können, wird für jede Variante eine aussagekräftige Bezeichnung eingeführt. Die Bezeichnung setzt sich folgendermaßen zusammen: Übertragungsrate-Übertragungstechnik-Übertragungsmedium.

10-Mbit-Ethernet

Für die Übertragungsrate von 10 Mbit/s stehen folgende Netzvarianten zur Verfügung:

Ethernet-Varianten für 10 Mbit/s
max. Über­tragungs­rate Technik Kodierung Über­tragungs­medium max. Segment­länge Steck­verbindung
10 Base 5 10 Mbit/s Basis­band Manchester Koaxialkabel 500 m ---
10 Base 2 10 Mbit/s Basis­band Manchester Koaxialkabel 200 m
(genau: 185 m)
BNC
10 Broad 36 10 Mbit/s Breitband Manchester Koaxialkabel 3600 m
10 Base-T 10 Mbit/s Basis­band Manchester Twisted Pair (symmetrisches Kabel, 2-paarig) 100 m RJ45
10 Base-FL 10 Mbit/s Basis­band Manchester Fiber Optic Link (850 nm, Gradienten­faser) 2000 m ST
10 Base-FB 10 Mbit/s Basis­band Manchester erweitert Fiber Optic Backbone (Gradienten­faser) 2000 m
10 Base-FP 10 Mbit/s Basis­band Manchester errweitert Fiber Optic Passive (Gradienten­faser) 500 m ST

Alle diese Varianten sind beliebig miteinander kombinierbar. Bezüglich der räumlichen Ausdehnung sind folgende Punkte zu beachten:

Beim 10-Mbit/s-Ethernet gibt es zwei Anschlussarten für Datenendgeräte:

Die Netzwerkkarte (Network Interface Card, NIC) bereitet die elektrischen Signale auf (Kodierung und Dekodierung) und realisiert außerdem die Funktionen der Sicherungsschicht (LLC- und MAC-Schichten).

Der Transceiver (Kunstwort aus Transmitter und Receiver) besteht im wesentlichen aus einer Basisband-Sende-/Empfangseinheit und befindet sich in der Regel direkt auf der Netzwerkkarte. Er kann aber auch als externes Gerät ausgeführt sein und wird dann über ein Kabel mit der Netzadaperkarte verbunden. Der Transceiver, der auch als Medium Attachment Unit (MAU) bezeichnet wird, realisiert somit die Funktionen des Physical Medium Attachment Sublayer (PMA) im Ethernet-Referenzmodell.

Die Schnittstelle zwischen Transceiver und Übertragunsmedium wird Medium Dependent Interface (MDI) genannt. Die Schnittstelle zwischen Netzwerkkarte und Transceiver heißt Attachment Unit Interface (AUI). Das Verbindungskabel zwischen Netzwerkkarte und Transceiver wird als AUI-Kabel oder als Transceiver-Kabel bezeichnet.

Wenn ein externer Transceiver eingesetzt wird, der über ein Kabel mit der Netzwerk-Adapterkarte verbunden ist, heißt dieses Kabel AUI-Kabel oder Transceiver-Kabel. Das Kabel erfüllt folgende Spezifikationen:

10Base5

Die Variante 10Base5 wird häufig auch als klassisches Ethernet bezeichnet, weil diese Variante die erste Ethernet-Spezifikation darstellte und somit den Siegeszug von Ethernet begründete. Ethernet auf der Basis von 10Base5 ist grundsätzlich nur für Halbduplex-Betrieb geeignet. Der Anschluss von Endgeräten ist nur über einen externen Transceiver möglich. 10Base5 ist allerdings völlig veraltet und allenfalls noch im Technikmuseum zu bewundern.

Technische Daten

Es folgt eine Auflistung der wichtigsten Eigenschaften:

Das Koaxialkabel, das als gelbes Kabel (yellow Cable) oder dickes Kabel bezeichnet wird, erfüllt folgende Spezifikationen:

Netzaufbau

Durch Repeater können mehrere Kabelsegmente zu einem größeren Netz zusammengefügt werden. Eine Verbindung darf sich über maximal drei Koax-Segmente, d.h. zwei Repeater, erstrecken. Damit können zwei Datenendgeräte maximal 3 mal 500 m + 6 mal 50 m = 1800 m voneinander entfernt sein.

Durch den Einsatz eines Multiport-Transceiver, der auch als AUI-Schnittstellenvervielfacher oder Fan out Unit bezeichnet wird, ist es möglich, auf engem Raum mehrere Datenendgeräte anzuschließen, ohne das Koaxialkabel in Schleifen legen zu müssen. Der Multiport-Transceiver selbst wird über einen normalen Transceiver (MAU) an das Koaxialkabel angeschlossen.

Um zwei Netze in entfernt stehenden Gebäuden zu einem Netz zu verbinden, gibt es spezielle Repeater, die als Remote-Repeater bezeichnet werden. Die beiden Remote-Repeater werden durch ein langes Stück Kabel verbunden, an welches keine Datenendgeräte angeschlossen werden können. Diese Punkt-zu-Punkt-Verbindung wird durch ein Glasfaserpaar realisiert und heißt Fiber Optic Inter Repeater Link (FOIRL). Ein FOIRL-Segment darf maximal 1000 m lang sein. Es können auch zwei FOIRL-Segmente à 500 m eingesetzt werden. Die Spezifikationen der Glasfaser entsprechen denen von 10Base-F. Die gesamte Anordnung, bestehend aus einem Link-Segment mit jeweils einem Remote-Repeater an den beiden Enden, zählt übertragungstechnisch wie ein herkömmlicher Repeater.

10Base2

Die Variante 10Base2 wird häufig auch als Cheapernet bezeichnet, da sie im Vergleich zu 10Base5 wesentlich preiswerter in der Beschaffung und in der Verlegung ist. Ethernet auf der Basis von 10Base2 ist grundsätzlich nur für Halbduplex-Betrieb geeignet. Auch 10Base2 ist inzwischen veraltet, so dass für Ethernet keine marktgängige Ethernet-Variante auf Koax-Basis mehr existiert.

Technische Daten

Es folgt eine Auflistung der wichtigsten Eigenschaften:

Die umständliche Anschlussweise bei 10Base5 mit externem Transceiver und AUI-Kabel ist bei 10Base2 zwar möglich, kommt aber in der Regel nicht zur Anwendung, da sich der Transceiver in der Regel bereits auf der NIC befindet (Onboard-Transceiver) und somit das Koaxialkabel direkt an die NIC angeschlossen werden kann.

Das Koaxialkabel, das als dünnes Kabel oder Cheapernet-Kabel bezeichnet wird, erfüllt folgende Spezifikationen:

Netzaufbau

Auch hier können durch Repeater mehrere Kabelsegmente zu einem größeren Netz zusammengefügt werden. Eine Verbindung darf sich wiederum über maximal drei Koax-Segmente, d.h. zwei Repeater, erstrecken. Wenn man Onboard-Transceiver einsetzt und somit keine Transceiver-Kabel anfallen, können zwei Datenendgeräte allerdings maximal 3 mal 185 m = 555 m voneinander entfernt sein.

Um nicht bei jedem Anschluss das Bus-Koaxialkabel zum Datenendgerät (genauer gesagt zum Onboard-Transceiver) schleifen zu müssen, gibt es geeignete Systeme, die aus Wand-Anschlussdose und Anschlusskabel bestehen. Das Anschlusskabel ist ein Duplex-Koaxialkabel mit BNC-Stecker für den Onboard-Transceiver. Bei nicht eingestecktem Anschlusskabel wird das Bus-Koaxialkabel in der Dose einfach durchgeschaltet. Bei eingestecktem Anschlusskabel wird das Bus-Koaxialkabel in der Dose auf die beiden im Anschlusskabel befindlichen Koaxialkabel umgeleitet. Hierbei ist zu beachten, dass die Länge des Anschlusskabels doppelt (!) in die Gesamtlänge (maximal 185 m) einbezogen werden muss.

Über einen sogenannten Multiport-Repeater können mehrere Segmente sternförmig zusammengeschlossen werden. Der Multiport-Repeater verfügt außerdem über eine AUI-Schnittstelle, die z.B. den Zugang auf das gelbe Kabel ermöglicht.

10Broad36

Diese Ethernet-Variante ist nie zur Marktreife gekommen und wäre mittlerweile ohnehin technisch völlig veraltet. Es folgt eine Auflistung der wichtigsten technischen Eigenschaften:

10Base-T

Mit der Einführung dieser Ethernet-Varianten war es erstmals möglich, strukturierte Gebäudeverkabelungen auf der Basis von symmetrischem Kupferkabel aufzubauen. Letzlich gab diese Variante den Koax-Varianten den Todesstoß.

Technische Daten

Es folgt eine Auflistung der wichtigsten Eigenschaften:

Das symmetrische Kabel erfüllt folgende Spezifikationen:

Netzaufbau

Das Zentrum der sternförmigen Topologie bildet eine Komponente, die als Sternkoppler oder Hub bezeichnet wird. Der Hub verfügt über eine Anzahl von Ports zum Anschluss von Datenendgeräten. Der Anschluss erfolgt über symmetrische Kabel mit RJ45-Steckern. Die Signale, die der Sternkoppler über einen Port von einem sendenden Datenendgerät über dessen Sendeleitung empfängt, werden verstärkt und regeneriert und auf die Empfangsleitungen aller anderen Datenendgeräte weitergeleitet. Der Hub spielt also die Rolle eines Multiport-Repeaters.

Der der Hub ein einlaufendes Signal nicht mehr zurück an das sendende Datenendgerät schickt, kann das sendende Datenendgerät eine Kollision sehr leicht feststellen. Wenn es während seiner Übertragung gleichzeitig über die Empfangsleitung irgend etwas empfängt, interpretiert es dies als Kollision und bricht nach Aussenden des Kollisionssignals (Jam Signal) die Übertragung ab.

Durch das Kaskadieren mehrerer Hubs kann man zu einem mehrstufig verzweigten Netz kommen. Eine Verbindung darf sich über maximal vier Hubs erstrecken.

Aufgrund seiner Repeater-Eigenschaft ist der Hub oder Sternkoppler nur für Halbduplex-Betrieb geeignet.

10Base-FL

Die Spezifikationen von 10Base-FL sind weitgehend identisch mit den Spezifikationen des Fiber Optic Inter Repeater Link (FOIRL), der in einer 10Base5-Umgebung eingesetzt wird.

Technische Daten

Es folgt eine Auflistung der wichtigsten Eigenschaften:

Da es sich beim Übertragungsmedium um Glasfaser handelt, wird der Transceiver auch als Fiber Optic Medium Attachment Unit (FOMAU) bezeichnet. In der Regel ist der Transceiver auch hier bereits onboard. Ansonsten ist zum Anschluss der NIC wiederum ein AUI-Kabel erforderlich.

10Base-FB

Diese Variante dient ausschließlich dazu, Sternkoppler oder Repeater eines Backbone durch Link-Strecken zu verbinden. Durch spezielle Synchronisierungsmechanismen kann die Schrumpfung des Interframe Gap beim Durchgang von Ethernet-Rahmen auf ein Minimum beschränkt werden. Auf diese Weise kann die Zahl der Repeater erhöht werden.

Technische Daten

Es folgt eine Auflistung der wichtigsten Eigenschaften:

10Base-FP

In Umgebungen, in denen keine Stromversorgung für einen aktiven Hub oder Sternkoppler zu Verfügung steht, bietet sich als Ausweg die 10Base-FP-Variante an. Der passive (d.h. stromlose) Sternkoppler ist in der Lage, bis zu 33 Datenendgeräte zu bedienen.

Technische Daten

Es folgt eine Auflistung der wichtigsten Eigenschaften:

Netzstrukturen mit Repeatern

Durch die Verwendung von Repeatern (einfache Repeater, Multiport-Repeater, Repeating Hubs) ist es möglich, sehr komplexe Netze aufzubauen. Beachtet werden muss hierbei jedoch, dass Repeater nur im Halbduplex-Betrieb einsetzbar sind. Im Vollduplex-Betrieb steht dieses Kopplungselement nicht zur Verfügung, da Repeater prinzipiell nicht für Vollduplex-Betrieb ausgelegt sind. Hier muss man also auf Brücken, Switches oder Router zurückgreifen. (Eine Ausnahme bildet der weiter unten beschriebene, speziell für Gigabit-Ethernet entwickelte Vollduplex-Repeater, der eine Art Zwitter aus einem "echten" Repeater und einer Brücke darstellt.)

Repeater

In einem Ethernet-Netzwerk fallen einem Repeater folgende Aufgaben zu:

Signalregenerierung:
Der Repeater regeneriert die gemäß dem entsprechenden Kodierungsverfahren (z.B. Manchester-Code) erzeugten Signale nach Takt und Amplitude.
Kollisionserkennung:
Der Repeater erkennt Kollisionen und sendet ein Kollisionssignal (Jam Signal) aus.
Präambel-Erzeugung:
Durch die Synchronisation gehen die ersten Bits der Präambel eines Ethernet-Rahmens verloren. Der Repeater bringt die Präambel jedes Ethernet-Rahmens wieder auf die volle Länge.
Fehlererkennung:
Der Repeater erkennt fehlerhafte Signale und kann das entsprechende Netzsegment separieren. (Der Repeater kann selbstverständlich KEINE Bit- oder Rahmenfehler oder gar fehlerhafte Daten erkennen.)

Durch den Einsatz von Repeatern erhöht sich die Signallaufzeit im Netz. Damit ist gleichzeitig eine Verzögerung der durchlaufenden Ethernet-Rahmen verknüpft, so dass möglicherweise der Abstand zweier aufeinanderfolgenden Rahmen immer kleiner wird. (Interframe Gap Shrinkage). Damit der Abstand nicht zu gering wird, dürfen daher in einer Kollisionsdomäne maximal 4 Repeater auf einem Übertragungsweg hintereinandergeschaltet sein.

Regeln

Für jeden im Netz möglichen Übertragungsweg zwischen zwei beliebigen Datenendgeräten müssen folgende Regeln beachtet werden:

Regeln für den Netzaufbau von 10-Mbit/s-Ethernet
Merkmal Maximaler Wert
Anzahl von beliebigen Segmenten 5
Anzahl von Repeatern (Repeater, Hubs, Sternkoppler) 4
Anzahl von Koax-Segmenten mit Datenendgeräten 3
Anzahl von FOIRL-Segmenten 2
Länge eines 10Base5-Segments 500 m
Länge eines 10Base2-Segments 185 m
Länge eines 10Base-T-Segments 100 m
Länge eines FOIRL-Segments 1000 m (bei 5 Segmenten oder bei 2 FOIRL-Segmenten: 500 m)
Länge eines 10Base-FL/FB-Segments
(zwischen zwei Repeatern)
2000 m (bei 4 Segmenten: 1000 m, bei 5 Segmenten: 500 m)
Länge eines 10Base-FL-Segments
(zwischen Repeater und Datenendgerät)
2000 m (bei 4 Segmenten: 400 m, bei 5 Segmenten: 500 m)
Länge eines 10Base-FP-Segments
(zwischen zwei Repeatern(*))
1000 m (bei 4 Segmenten: 700m, bei 5 Segmenten: 300 m)
Länge eines 10Base-FP-Segments
(zwischen Repeater(*) und Datenendgerät)
1000 m (bei 4 oder 5 Segmenten: 300 m)

100-Mbit- oder Fast-Ethernet

Die wesentlichen Unterschiede zwischen Fast-Ethernet und Ethernet liegen in der Übertragungsgeschwindigkeit und in der Art der Bit-Kodierung. Auch ist es bei Fast-Ethernet nicht mehr ohne weiteres möglich, mehrere Segmente über Repeater oder Hubs zu kaskadieren. Wenn man eine Netzstruktur plant, die solche Verstärkerelemente enthält, müssen genau die Signallaufzeiten und Verzögerungszeiten beachtet werden.

Für die Übertragungsrate von 100 Mbit/s stehen folgende Netzvarianten zur Verfügung:

Ethernet-Varianten für 100 Mbit/s
max. Über­tragungs­rate Technik Kodierung Über­tragungs­medium max. Segment­länge Steck­verbindung
100 Base-TX 100 Mbit/s Basis­band 4B/5B + MLT-3 Twisted Pair (UTP Kategorie 5, optional STP Type 1, 2-paarig) 100 m RJ45
100 Base-T4 100 Mbit/s Basis­band 8B/6T Twisted Pair (UTP Kategorie 3, 4-paarig) 100 m RJ45
100 Base-T2 100 Mbit/s Basis­band PAM5 Twisted Pair (UTP Kategorie 3, 2-paarig) 100 m RJ45
100 Base-SX 100 Mbit/s Basis­band 4B/5B Short Wave (850 nm, Gradienten­faser) 300 m SC
100 Base-FX 100 Mbit/s Basis­band 4B/5B + NRZI Fiber Optic (1300 nm, Gradientenfaser) Halbduplex: 412 m SC, MIC, ST
Vollduplex: 2000 m

Das X in den Bezeichnungen 100Base-TX/SX/FX steht dabei für die 4B/5B-Kodierung.

Auch bei Fast-Ethernet kann man bestimmte Funktionen in einer Art Transceiver zusammenfassen und diesen und über die MII-Schnittstelle (siehe Ethernet-Referenzmodell) mit der Netzwerkkarte verbinden. Hierbei wird der Transceiver entweder direkt über eine MII-Steckverbindung auf die Netzwerkkarte aufgesteckt oder über ein MII-Kabel angeschlossen. In der Regel wird die MII-Schnittstelle allerdings intern versteckt sein und der Transceiver direkt auf der Adapterkarte integriert sein. Das MII-Kabel erfüllt folgende Spezifikationen:

Die GMII-Schnittstelle von Gigabit-Ethernet ist nur noch als interne Schnittstelle definiert. Der externe Anschluss eines Transceivers ist dann nicht mehr möglich.

Auto-Negotiation

Wenn zwei Datenendgeräte, die über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung an ein Kabelsegment angeschlossen sind, mehrere Ethernet-Varianten unterstützen, muss ein Administrator eine gemeinsame Variante aussuchen und diese entsprechend einstellen. Wenn die beiden Datenendgeräte in der Lage sind, dies automatisch und ohne Eingreifen eines Administrators durchzuführen, spricht man von Auto-Negotiation. In diesem Fall wird zwischen den beiden Datenendgeräten diejenige Variante ausgehandelt, die die höchste Priorität besitzt und von beiden Datenendgeräten beherrscht wird. Häufig wird Auto-Negotiation auch als Auto-Sensing bezeichnet. Dieser Begriff ist allerdings missverständlich und sollte daher nicht verwendet werden.

Bei symmetrischem Kupferkabel gilt folgende Prioritätstabelle:

Auto-Negotiation
Priorität Variante Modus
1 1000Base-T Vollduplex
2 1000Base-T Halbduplex
3 100Base-T2 Vollduplex
4 100Base-TX Vollduplex
5 100Base-T2 Halbduplex
6 100Base-T4 Halbduplex
7 100Base-TX Halbduplex
8 10Base-T Vollduplex
9 10Base-T Halbduplex

Da es häufig zu Problemen führt, wenn der eine Kommunikationspartner fest eingestellt ist und der andere mit Auto-Negotiation arbeitet, sollte man beide Kommunikationspartner entweder mit Auto-Negotiation betreiben (falls beide dies unterstützen) oder beide fest einstellen. Wenn in einem Netz (Repeating-)Hubs, Repeater oder Konverter, die prinzipiell nicht Vollduplex-fähig sind, oder Datenendgeräte mit nicht Vollduplex-fähigen Netzkwerkadaptern eingesetzt werden, ist besondere Vorsicht geboten, da der Mischbetrieb von nur Halbduplex-fähigen Netzkomponenten mit Vollduplex-fähigen Netzkomponenten mit Auto-Negotiation zu unvorhersehbaren Schwierigkeiten führen kann.

Bei den Glasfaser-Varianten für 10 Mbit/s und 100 Mbit/s ist eine Auto-Negotiation nicht definiert. Hier muss die Konfiguration manuell vorgenommen werden.

100Base-TX

Werden zwei Datenendgeräte direkt verbunden, benötigt man ein sogenanntes Cross-over-Kabel, bei dem das Sende-Aderpaar des einen Datenendgerätes auf das Empfangs-Aderpaar des anderen Datenendgerätes gelegt wird, und umgekehrt. Wird ein Datenendgerät an einen Repeater oder Hub angeschlossen, geschieht dies über ein normales Kabel und die Cross-over-Funktion wird innerhalb des Repeaters durchgeführt.

Technische Daten

100Base-T4

Die Besonderheit bei diesem Verfahren ist, dass neben den beiden Aderpaaren für Senden und Empfangen zwei weitere Aderpaare zur Verfügung stehen, die jeweils nach Bedarf eingesetzt werden können. Ein Datenendgerät, das Daten versenden will, kann daher parallel drei Aderpaare nutzen. Dadurch ist aber Vollduplex-Betrieb nicht möglich.

Technische Daten

100Base-T2

Auch dieses Verfahre weist eine Besonderheit auf: Auf jedem der beiden Aderpaare findet Duplex-Betrieb statt, d.h. auf jedem Aderpaar kann gleichzeitig gesendet und empfangen werden. Dadurch ist es möglich, auf einem 2-paarigen Kabel schlechter Qualität Fast-Ethernet zu betreiben.

Technische Daten

100Base-FX

Die Variante 100Base-FX ist der einzige IEEE-Standard im Bereich 100 Mbit/s auf Glasfaser. In der Praxis bedeutet dies, dass bei einem Wechsel von 10 Mbit/s (10Base-FL) auf 100 Mbit/s (100Base-FX) die bereits vorhandene 850-nm-Technologie durch 1300-nm-Technologie ersetzt werden muss.

Technische Daten

Es folgt eine Auflistung der wichtigsten Eigenschaften:

100Base-SX

Leider ist die Variante 100Base-SX bis heute nicht in den IEEE-Standard 802.3 aufgenommen worden. Es handelt sich hierbei um einen Standard der Telecommunications Industry Association (TIA), der aber in der Praxis von erheblicher Bedeutung ist. In vielen Fällen ist durch 10Base-FL bereits 850-nm-Technologie im Einsatz, die dann nahtlos weiterverwendet bzw. ausgebaut werden kann.

Technische Daten

Es folgt eine Auflistung der wichtigsten Eigenschaften:

Netzstrukturen mit Repeatern

Auch bei Fast-Ethernet ist es möglich, durch die Verwendung von Repeatern (einfacher Repeater, Sternkoppler, Hub) größere Netze aufzubauen. Und auch hier ist wiederum zu beachten, dass Netzstrukturen, in denen Repeater vorkommen, auf Halbduplex-Betrieb beschränkt bleiben müssen. Die folgenden Ausführungen sind daher nur für ein CSMA/CD-Netz von Bedeutung.

Repeater

Bei Fast-Ethernet gibt es Repeater in zwei Ausfürungen:

Class I:
Ein Class-I-Repeater wird eingesetzt, wenn Segmente verschiedener Signaltechnik gekoppelt werden sollen, z.B. ein 100Base-FX- oder ein 100Base-TX-Segment mit einem 100Base-T4-Segment. 100Base-T4 verwendet eine Kodierung mit niedrigerer Baudrate als die beiden anderen Varianten. Bei der Weiterleitung muss daher zwischengepuffert werden, was zu einer höheren Laufzeitverzögerung führt. Die Verzögerung eines Rahmens beim Durchlaufen des Repeaters darf jedoch maximal 168 bit betragen. Aufgrund der relativ langen Verzögerungszeit, darf in einer Kollisionsdomäne nur ein Repeater verwendet werden.
Class II:
Mit einem Class-II-Repeater können nur Segmente gleicher Signaltechnik gekoppelt werden. Die Verzögerung eines Rahmens beim Durchlaufen des Repeaters darf maximal 92 bit betragen. Aufgrund der kurzen Verzögerungszeit können in einer Kollisionsdomäne zwei Repeater dieses Typs eingesetzt werden.

Netzausdehnung

Die maximale Netzausdehnung, d.h. die maximale Ausdehnung einer Kollisionsdomäne, kann folgender Tabelle entnommen werden.

Maximale Netzausdehnung bei Fast-Ethernet
Repeater-Typ Maximale Netzausdehnung einer Kollisionsdomäne (in Meter) bei Aufbau des Netzes aus einem oder mehreren der folgenden Segmente
nur Kupfersegmente nur LWL-Segmente T4-Kupfersegment + LWL-Segment TX-Kupfersegment + LWL-Segment
ohne Repeater 100 412 --- ---
ein Class-I-Repeater 200 272 100+131=231 (*) 100+160=260 (*)
ein Class-II-Repeater 200 320 --- 100+208=308 (*)
zwei Class-II-Repeater 205 228 --- 100+5+111=216 (**)

Die folgende Abbildung zeigt die Kopplung von zwei Kupfersegmenten über zwei Class-II-Repeater.

Repeater-Kopplung bei Fast-Ethernet
Repeater-Kopplung bei Fast-Ethernet

Round Trip Delay

Auch bei Fast-Ethernet müssen im Halbduplex-Betrieb die durch das CSMA/CD-Verfahren bedingten Signallaufzeiten eingehalten werden. Daher muss auch hier stets beachtet werden, dass der Round Trip Delay, d.h. die doppelte Signallaufzeit zweier maximal entfernter Datenendgeräte, kleiner als die Slot Time ist: Round Trip Delay < Slot Time = 5.12 µs.

Die folgende Tabelle hilft bei der Berechnung des Round Trip Delay. Dazu ermittelt man die beiden Datenendgeräte, die im Netz am weitesten voneinander entfernt sind (worst case), wobei hier die Entfernung in Verzögerungszeiten gemeint ist und nicht in Metern. Dann addiert man die Bits aller zwischen diesen beiden Datenendgeräten liegenden Netzkomponenten (einschließlich der Datenendgeräte selbst). Wenn das Ergebnis kleiner als die minimale Rahmenlänge Lmin = 64 Byte = 512 bit ist, sollte das CSMA/CD-Kollisionsverfahren funktionieren und für das Netz ein stabiler Betrieb möglich sein.

Maximale Verzögerungszeiten bei Fast-Ethernet
Netzkomponente Maximaler Anteil am Round Trip Delay (in Bits)
Zwei TX-/FX-Datenendgeräte 100
Zwei T4-Datenendgeräte 138
Eine T4- und eine TX-/TF-Datenendgeräte 127
Kabelsegment Kupfer UTP Kategorie 3 (100 m) 114 (1.14 bit pro m)
Kabelsegment Kupfer UTP Kategorie 4 (100 m) 114 (1.14 bit pro m)
Kabelsegment Kupfer UTP Kategorie 5 (100 m) 111 (1.11 bit pro m)
Kabelsegment Kupfer STP (100 m) 111 (1.11 bit pro m)
Kabelsegment LWL (400 m) 400 (1.0 bit pro m)
Class I Repeater 168
Class II Repeater (TX/FX) 92
Class II Repeater (T4) 67

Wenn zum Beispiel zwei TX-Datenendgeräte jeweils über 100 m lange UTP-Segmente an einen Class-I-Repeater angesschlossen sind, erhält man nach obiger Tabelle

Lges = 100 bit + 111 bit + 111 bit + 168 bit = 490 bit < Lmin = 512 bit.

Zeitlich ausgedrückt lautet diese Beziehung folgendermaßen:

Round Trip Delay = LgesR = 490 bit 100Mbits = 4.9 µs < 5.12 µs = Slot Time.

Gigabit-Ethernet

Um Gigabit-Ethernet schnell zur Marktreife zu führen, wurde für die Glasfaser-Übertragung kein neues Verfahren entwickelt, sondern auf die bereits vorhandene Technik des Fibre Channel zurückgegriffen. Praktisch wird Gigabit-Ethernet nur im Vollduplex-Betrieb eingesetzt; Halbduplex-Betrieb ist jedoch nach wie vor möglich.

Für die Übertragungsrate von 1 Gbit/s stehen folgende Netzvarianten zur Verfügung:

Ethernet-Varianten für 1 Gbit/s
max. Über­tragungs­rate Technik Kodierung Über­tragungs­medium max. Segment­länge Steck­verbindung
1000 Base-T 1000 Mbit/s Basis­band PAM5 Twisted Pair (UTP Kategorie 5, 100 Ω, 4-paarig) 100 m RJ45
1000 Base-CX 1000 Mbit/s Basis­band 8B/10B + NRZ Copper (Twinax-Kabel 150 Ω, 2-paarig) 25 m HSSC, DB-9
1000 Base-SX 1000 Mbit/s Basis­band 8B/10B + NRZ Short Wave (850 nm, 62.5/125 µm Gradienten­faser) Halb-/Vollduplex: 275 m Duplex SC
Short Wave (850 nm, 50/125 µm Gradienten­faser) Halbduplex: 316 m
Vollduplex: 500 m
1000 Base-LX 1000 Mbit/s Basis­band 8B/10B + NRZ Long Wave (1310 nm, Gradienten­faser) Halbduplex: 316 m Duplex SC
Vollduplex: 550 m
Long Wave (1310 nm, Singlemode­faser) Halbduplex: nicht empfohlen
Vollduplex: 5000 m

Das X in den Bezeichnungen 1000Base-CX/SX/LX steht dabei für die 8B/10B-Kodierung.

1000Base-T

Technische Daten

Bei 1000Base-T kann auf allen 4 Aderpaaren gleichzeitig gesendet und empfangen werden. Da durch die PAM5-Kodierung pro Symbol 2 Bits übermittelt werden, können über die 4 Adernpaare somit parallel 8 Bits = 1 Byte übertragen werden. Mit der relativ niedrigen Baudrate von 125 Mbaud erhält man dadurch die gewünschte Übertragungsrate von 4 (Paare) × 125 (Mbaud) × 2 (bit) = 1000 (Mbit/s).

1000Base-CX

Technische Daten

1000Base-SX

Technische Daten

1000Base-LX

Technische Daten

Netzstrukturen mit Repeatern

Bei Gigabit-Ethernet wird man in der Regel auf Vollduplex-Betrieb gehen und Netzstrukturen auf der Basis von Switch-Systemen aufbauen. Allerdings gibt es nach wie vor auch den auf dem CSMA/CD-Algorithmus basierenden Halbduplex-Betrieb. Und um im Halbduplex-Betrieb Netzsegmente koppeln zu können, benötigt man Repeater.

Repeater

Bei Gigabit-Ethernet gibt es eine Besonderheit. Neben dem üblichen (Halbduplex-)Repeater gibt es auch einen sogenannten Vollduplex-Repeater.

Der Halbduplex-Repeater verfügt über keinen Pufferspeicher und die Verzögerung eines Ethernet-Rahmens beim Durchlaufen darf maximal 976 bit betragen.

Der Vollduplex-Repeater ist eigentlich kein reiner Repeater mehr, der er bereits einige Funktionen der MAC-Schicht enthält und somit in den Bereich von Brücken und Switches vordringt. Der Vollduplex-Repeater verfügt über Pufferspeicher und ist in der Lage, über Pause-Rahmen eine Flusskontrolle durchzuführen.

Netzausdehnung

Werden einzelne Kabelsegmente über Repeater oder Switches miteinander gekoppelt, müssen bestimmte Längenrestriktionen beachtet werden. Die maximal möglichen Segmentlängen können folgender Tabelle entnommen werden.

Maximale Netzausdehnung bei Gigabit-Ethernet
Kabel-Typ Maximale Länge eines Kabelsegments (in Meter)
Datenendgerät Repeater Datenendgerät Datenendgerät (Switch)
Halbduplex Vollduplex Halbduplex Vollduplex
UTP 1000Base-T 100 100 100 100
STP 1000Base-CX 25 25 25 25
50 µm Gradientenfaserr 1000Base-SX 110 110 316 500
1000Base-LX 110 550 316 550
62.5 µm Gradientenfaser 1000Base-SX 110 275 275 275
1000Base-LX 110 550 316 550
Singlemodefaser 1000Base-LX --- --- --- 5000

10-Gigabit-Ethernet

10-Gigabit-Ethernet wird definitiv nur noch im Vollduplex-Betrieb eingesetzt. Das Rahmenformat, insbesondere die minimale und die maximale Rahmenlänge, wird vom klassischen 10-Mbit-Ethernet unverändert übernommen.

Mit 10-Gbit-Ethernet werden erstmals nicht nur LAN-Spezifikationen, sondern auch WAN-Spezifikationen festgelegt. Der 10-Gigabit-Ethernet-Standard ist eindeutig daraufhin ausgerichtet, ein einheitliches und durchgängiges Übertragungsverfahren sowohl für den LAN-, als auch für den WAN-Bereich zur Verfügung zu stellen. In den Kurzbezeichnungen spiegelt sich dies wieder: X steht für LAN mit 8B/10B-Kodierung, R für LAN mit 64B/66B-Kodierung und W für WAN in SONET/SDH-Technologie (Synchronous Optical Network / Synchronous Digital Hierarchy).

In die Kurzbezeichnung der Glasfaservarianten wird zur weiteren Differenzierung noch folgendes Übertragungsmerkmal aufgenommen: 1 steht für das übliche, serielle Zeit­multiplex­verfahren (TDM), wobei die Zahl 1 in der Bezeichnung auch gänzlich fehlen kann, n steht für die Zahl der Kanäle im Wellen­längen­multiplex­verfahren (WDM).

Ethernet-Varianten für 10 Gbit/s
max. Über­tragungs­rate Technik Kodierung Wellen­länge Einsatz­bereich Über­tragungs­medium max. Segment­länge
10G Base-T 10 Gbit/s Basis­band PAM16 n.a. LAN Twisted Pair (UTP Kategorie 6e oder 6a, 100 Ω, 4-paarig) 55 m (Kategorie 6e), 100 m (Kategorie 6a)
10G Base-CX4 10 Gbit/s Basis­band 8B/10B n.a. LAN Copper 4-Lane (Kupfer­kabel mit 8 Adern­paaren) 15 m
10G Base-LX4 10 Gbit/s Basis­band 8B/10B Long Wave, 4 Kanäle WWDM, 1275 / 1300 / 1325 / 1350 nm LAN Gradienten­faser (optional: Singlemode­faser) 240 m bei 400 MHz⋅km, 300 m bei 500 MHz⋅km (Singlemode­faser: 10 km)
10G Base-SR 10 Gbit/s Basis­band 64B/66B Short Wave 850 nm LAN Gradientenfaser 26 bis 300 m (abhängig vom Band­breiten­längen­produkt*)
10G Base-LR 10 Gbit/s Basis­band 64B/66B Long Wave 1310 nm LAN Singlemodefaser 10 km
10G Base-LRM 10 Gbit/s Basis­band 64B/66B Long Wave 1310 nm LAN Gradientenfaser (Multimodefaser) 100 m bei 400 MHz⋅km, 220 m bei 500 MHz⋅km
10G Base-ER 10 Gbit/s Basis­band 64B/66B Extra Long Wave 1550 nm LAN Singlemodefaser 40 km
10G Base-SW 9.58464 Gbit/s Basis­band SONET/SDH Sort Wave 850 nm WAN Gradientenfaser 26 bis 300 m (abhängig vom Band­breiten­längen­produkt*)
10G Base-LW 9.58464 Gbit/s Basis­band SONET/SDH Long Wave 1310 nm WAN Singlemode­faser 10 km
10G Base-EW 9.58464 Gbit/s Basis­band SONET/SDH Extra Long Wave 1550 nm WAN Singlemode­faser 40 km
 

40- und 100-Gigabit-Ethernet

IEEE hat sich das Ziel gesetzt, bis zum Jahre 2010 den Ethernet-Standard 802.3 um eine 40-Gbit- und um eine 100-Gbit-Variante zu erweitern. Folgende Vorgaben sollen hierbei erfüllt werden:

Bei 40 Gbit/s sollen folgende Übertragungsmedien möglich sein:

Bei 100 Gbit/s sollen folgende Übertragungsmedien möglich sein:

Ethernet in the First Mile (EFM)

Der IEEE-Standard 802.3 umfasst neben den bisher beschriebenen Ethernet-Varianten, die in erster Linie für den Einsatz in LANs (im 10-Gigabitbereich auch in WANs) vorgesehen sind, noch weitere Varianten im Bereich der Teilnehmer-Anschlussnetze (Subscriber Access Networks). Man spricht hier von Ethernet in der letzten Meile bzw. — je nach Blickwinkel — auch von Ethernet in der ersten Meile. IEEE hat sich für den Begriff Ethernet in the First Mile (EFM) entschieden.

Die folgende Tabelle zeigt die von IEEE standardisierten Varianten.

Ethernet in the First Mile (EFM)
max. Über­tragungs­rate Technik Über­tragungs­medium max. Segment­länge Anmerkungen
2 Base-TL 2 Mbit/s Basis­band Telefonleitung (Kategorie 1) 2.7 km Point-to-Point (P2P), basiert auf SHDSL-Technik
10 Pass-TS 10 Mbit/s Pass­band Telefonleitung (Kategorie 1) 750 m Point-to-Point (P2P), basiert auf VDSL-Technik
100 Base-BX10 100 Mbit/s Basis­band Singlemodefaser (Long Wave Bidirectional) 10 km Point-to-Point (P2P), 1 Faser für beide Richtungen
100 Base-LX10 100 Mbit/s Basis­band Singlemodefaser (Long Wave) 10 km Point-to-Point (P2P)
1000 Base-BX10 1000 Mbit/s Basis­band Singlemodefaser (Long Wave Bidirectional) 10 km Point-to-Point (P2P), 1 Faser für beide Richtungen
1000 Base-LX10 1000 Mbit/s Basis­band Singlemodefaser (Long Wave) 10 km Point-to-Point (P2P)
1000 Base-PX10 1000 Mbit/s Basis­band Singlemodefaser (Long Wave Passive) 10 km Point-to-Multipoint (P2MP), max. 16 Anschlüsse
1000 Base-PX20 1000 Mbit/s Basis­band Singlemodefaser (Long Wave Passive) 20 km Point-to-Multipoint (P2MP), max. 16 Anschlüsse

Ethernet in der Backplane

Der IEEE-Standard 802.3 umfasst noch einen weiteren Bereich, nämlich den Backplane-Bereich für Server, Router und Switches. In den Kurzbezeichnungen wird dies durch den Buchstaben K ausgedrückt.

Die folgende Tabelle zeigt die von IEEE standardisierten Varianten.

Ethernet in der Backplane
max. Über­tragungs­rate Technik Über­tragungs­medium max. Segment­länge Anmerkungen
1000 Base-KX 1 Gbit/s Basis­band Kupferkabel 1 m
10G Base-KX4 10 Gbit/s Basis­band Kupferkabel 1 m
10G Base-KR 10 Gbit/s Basis­band Kupferkabel 1 m