Ethernet: So funktioniert kabelgebundene Datenübertragung

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Datum 12.02.2019
Lesezeit 7 Min.

Ethernet: So funktioniert kabelgebundene Datenübertragung

Ethernet – dieses Wort taucht im Zusammenhang mit Vernetzung, Datenübertragung und dem Internet immer wieder auf. Doch was steckt eigentlich hinter dem Begriff und welcher Zusammenhang besteht zu LAN-Kabeln, Switches und Co.?

Das Internet, so wie wir es heute kennen, wäre ohne die Ethernet-Technologie kaum denkbar. Zwar laufen immer mehr Internetverbindungen mobil ab, aber im Grunde findet die gesamte Datenübertragung in Serverfarmen, in Büronetzwerken und teils auch im Heimbereich über sogenannte Ethernet- oder LAN-Kabel statt. Für weitere Strecken wiederum kommen heutzutage fast ausschließlich Glasfaserkabel mit sehr hohen Übertragungsraten zum Einsatz. Wir geben Ihnen einen Überblick über die Funktionsweise und die verschiedenen Übertragungsraten im Ethernet-Bereich.

 

IEEE 802.3: Ethernet ist die Grundlage kabelgebundener Netzwerke

Die zugrunde liegende Technologie für Ethernet-Verbindungen wurde 1973 von Robert Melancton Metcalfe am Xerox Palo Alto Research Center in den USA entwickelt und skizziert. Obwohl der Name „Ethernet” in Anlehnung an den „Äther” eine Funkübertragung vermuten lässt und es tatsächlich auf dem drahtlosen „ALOHAnet” der Universität von Hawaii basiert, ist das Ethernet eine Bezeichnung für rein kabelgebundene Datennetzwerke. 

Über die Jahre wurde die Übertragungstechnologie im Ethernet immer weiterentwickelt und von etwa drei Megabit pro Sekunde am Anfang auf bis zu 400 Gigabit pro Sekunde (Stand: 2019) gesteigert. Sie wird vorwiegend in lokalen Netzwerken (LAN) eingesetzt, dient teils aber auch für den Datentransport im Wide Area Network (WAN). Das heutige Ethernet basiert nach wie vor auf den Prinzipien, die zunächst als IEEE 802.1, dann als IEEE 802.2 und heutzutage im IEEE 802.3-Standard definiert sind. IEEE steht hierbei für das „Institute of Electrical and Electronics Engineers”, einen weltweiten Berufsverband von Elektrotechnik- und Informationstechnik-Ingenieuren mit Sitz in New York und Piscataway, New Jersey, USA.

Ethernet-Verbindungen ab 1.000 Megabit pro Sekunde werden als Gigabit-Ethernet bezeichnet. Bei Übertragungsraten von mehr als 100 Gigabit pro Sekunde wiederum spricht man von Terabit-Ethernet.

 

CSMA/CD: So funktioniert die Datenübertragung im LAN

Es handelt sich bei Ethernet um eine paketorientierte Übertragungstechnik, die ursprünglich für Koaxialkabel (Token-Ring-Systeme) entwickelt wurde. Jedem Paket, das übertragen werden soll, wird für eine gewisse Zeit das Medium exklusiv reserviert.

Damit mehrere Geräte wie beispielsweise Computer, Drucker oder Smart-TVs untereinander kommunizieren und Pakete austauschen können, ist somit eine Zugriffskontrolle auf das physische Medium für die Datenübertragung, also das LAN-Kabel an sich, notwendig. Diese ist auch unter dem Namen „Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection” (CSMA/CD) bekannt.

Hierbei „wartet” das Sendemedium zunächst eine „freie” Zeitspanne ab, um mit der Übertragung zu beginnen, und reserviert sich dann das Medium. Versuchen hier zwei Geräte gleichzeitig, die Übertragung zu beginnen, warten sie jeweils eine zufällige Zeitspanne ab und beginnen dann erneut mit der Übertragung. So werden Paketüberlagerungen im Kabel und damit Fehlübertragungen vermieden.

 

Ethernet-Pakete: Der Aufbau

Unabhängig von der zugrunde liegenden Kabelart (Glasfaser, Kupferkabel, oder (veraltet): Koaxialkabel) müssen die Daten in standardisierter Form durch die Leitungen geschickt werden, damit alle beteiligten “Empfänger” mit den Informationen etwas anfangen können. Die Daten werden daher in kleineren Portionen in sogenannten Ethernet-Frames in etwas größere Ethernet-Pakete „eingepackt” und auf die Reise geschickt. Grund hierfür ist unter anderem, dass die Datenübertragung in kleineren Portionen weniger fehleranfällig ist, da bei einer Störung nicht gleich die gesamte Datenmenge betroffen ist, sondern nur eine Anzahl von klar eingegrenzten Paketen. Außerdem lässt sich nur so wie oben beschrieben ein „fairer” Zugriff auf das gemeinsame Medium sicherstellen.

Wie ein solches Ethernet-Paket grundsätzlich aufgebaut ist, zeigt nachfolgende Darstellung (die genannten Hexadezimalzahlen in den einzelnen Datenfeldern des Pakets dienen im Wesentlichen der Veranschaulichung):

 

Ausklappbare Informationsgrafik

Infografik: Eigenkreation / Wikipedia

 

Das Bild zeigt den Paketaufbau nach dem aktuellen Ethernet-II- und IEEE-802.3-Standard. Dieser Standard steht inzwischen synonym für den Begriff Ethernet, da Ethernet-I schon seit Längerem überholt ist.

Die Ethernet-Pakete haben jeweils einen einheitlichen Aufbau: Sie haben eine bestimmte Größe und beinhalten neben den eigentlichen Daten auch eine Prüfsumme sowie die Start- und Zieladresse des Pakets in Form von sogenannten MAC-Adressen. Hierbei handelt es sich um die sechs Byte langen und weltweit eindeutigen Adressen der Quell- und Zielrechner , die an der Kommunikation beteiligt sind. Im Unterschied zu den dynamisch vergebenen IP-Adressen liegt den MAC-Adressen jeweils eine bestimmte Netzwerkkarte zugrunde, deren Hardware-Adresse grundsätzlich nicht änderbar ist.

Über die Informationen, die in dem Sektor VLAN (Virtual Local Area Network) enthalten sind, können Geräte innerhalb eines virtuellen Subnetzes separat adressiert werden. In größeren Netzwerkstrukturen verbessern solche Subnetze die Performance, da die Grundlast des Datenaustausches zwischen den vernetzten Geräten auf das VLAN beschränkt bleibt. 

Weitere Bereiche des Ethernet-Pakets enthalten Informationen zur Netzwerkart und zur Art der Daten – etwa Protokolldaten oder Nutzdaten – und schließlich die eigentlichen Daten im Umfang von bis zu 1.500 Byte. Das PAD-Feld (wie “Padding”, also „Auffüllen”) ist variabel und dient nur dazu, den eingebetteten Ethernet-Frame auf die erforderliche Minimalgröße von 64 Bit zu bringen. Anschließend wird noch die sogenannte CRC („Cyclic Redundancy Check”)-Prüfsumme übertragen, mit der die Datenübertragung selbst kontrolliert wird.

Ein Ethernet-Paket gilt erst dann als vollständig zugestellt, wenn es komplett empfangen wurde und die mitgeschickte Prüfsumme korrekt ist. Ist das nicht der Fall, könnten die Daten unterwegs beispielsweise durch Signalstörungen verfälscht worden sein. In dem Fall wird das Ethernet-Paket erneut gesendet.

Sogenannte Switches sorgen im Ethernet dafür, dass die Pakete jeweils an die passenden Zielports zugestellt werden und kein unnötiger Datenverkehr mit Rechnern erfolgt, die gar keine Daten erwarten. Heute übliche, sogenannte Full-Duplex-Switches sind in der Lage, Pakete gleichzeitig zu senden und zu empfangen, was die Datenübertragungsrate deutlich verbessert hat.

 

Bytes versus Bits: Die Ethernet-Geschwindigkeitsangaben

100 Mbit/s sind nicht 100 Megabyte pro Sekunde: Während für den Anwender vor allem die Information spannend ist, wie viele Megabyte pro Sekunde auf den eigenen Rechner übertragen werden können, wird die Datenübertragungsrate in Megabit pro Sekunde angegeben. Ein Byte entspricht hierbei acht Bit und so schafft ein 100-Megabit-Anschluss in der Praxis etwa 12,5 Megabyte pro Sekunde an Downloadrate – sofern keine anderen Geräte diesen zeitgleich nutzen und es keine anderen Störeinflüsse gibt.

 

Diese Arten von Ethernet-Kabeln gibt es

Grundsätzlich werden drei Kabelarten für die Übertragung unterschieden:

  • Ethernet über Koaxialkabel („Token-Ring-Kabel”) – heute kaum noch verwendet
  • Ethernet über achtadrige Kupferkabel (auch als LAN-Kabel bekannt)
  • Ethernet über optische Glasfaserkabel

Die achtadrigen Kupferkabel übertragen die Daten über sogenannte verdrillte Adernpaare („Twisted-Pair-Leitungen”), die normalerweise von einer Ummantelung aus Aluminium und Kunststoff geschützt sind. Dies gewährleistet neben einer hohen Datenübertragungsrate gleichzeitig minimale Übertragungsverluste und Schutz gegen äußere Störeinflüsse. Die einzelnen Adern des Kabels haben üblicherweise einen Durchmesser von 0,4 oder 0,6 Millimetern.

Ein Glasfaserkabel wiederum besteht aus einem inneren Kern und einem Mantel aus Quarzglas oder polymeren optischen Fasern. Auch diese Kabelart ist mit Kunststoff ummantelt und gegebenenfalls noch mechanisch verstärkt. Im Zentrum des Kabels findet die Lichtführung statt, während der Mantel vor allem dazu dient, das Kabel biegen zu können, ohne dass das Lichtsignal unterbrochen wird.

 

Die einzelnen Klassen der Ethernet-Kabel

Je nach Verlegeart, Kabellänge und Qualität werden Ethernet-Kabel in verschiedene Kategorien unterteilt:

  • Cat-1- bis Cat-4-Kabel: Diese herkömmlichen, relativ dünnen Ethernet-Kabel sind meist ungeschirmt („Unshielded Twisted Pair”, UTP) und kommen vorwiegend bei ISDN-Anschlüssen zum Einsatz. Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt bis zu 100 Megabit pro Sekunde über kurze Entfernungen hinweg.
  • CAT-5-/5e-Kabel: Diese Kabelart ermöglicht höhere Datenübertragungsraten von bis zu einem Gigabit pro Sekunde. Während Cat-5e-Kabel immer bis zu 1.000 Megabit (ein Gigabit) pro Sekunde (auf Strecken unter 45 Metern auch mehr) übertragen können, schaffen Cat-5-Kabel dies nicht in allen Fällen und sollten vor entsprechender Verwendung überprüft werden.
  • Cat-6(A)-Kabel: Diese Kabel ermöglichen eine noch höhere Datenrate von zehn Gigabit pro Sekunde über eine Strecke von bis zu 100 Metern. Sie sind häufig bei bestehenden Gebäudeinstallationen und zwischen Knotenpunkten verlegt, werden aber mehr und mehr durch Glasfaserkabel abgelöst.
  • Cat-7- und Cat-8-Kabel: Diese Kabel sind für noch höhere Übertragungsraten ausgelegt. Mit ihnen sind (im Falle von Cat-8) Übertragungsraten von 40 Gigabit pro Sekunde und mehr möglich. Erreicht wird dies unter anderem durch die separate Abschirmung jedes einzelnen Adernpaars anstatt des gesamten Kabels.
  • Glasfaser: Diese derzeit modernste Art der Datenübertragung basiert nicht auf elektrischen, sondern auf Lichtimpulsen, die durch ein flexibles Kabel aus Glasfaser, basierend auf Quarzglas, realisiert wird. Mit ihnen können nicht nur Daten über mehrere Kilometer Entfernung hinweg übertragen werden. Es sind auch Datenübertragungen von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde und pro Farbe bei geringer Störanfälligkeit möglich.

Die jeweiligen Kabel werden über genormte Steckverbinder mit den passenden Ports am Router, Wand- oder Bodenauslass oder am zugehörigen Datenverarbeitungsgerät verbunden. Welcher Kabelstandard heutzutage wo verlegt wird, hat sich teilweise verändert: Früher waren es zum Beispiel in Büroumgebungen Cat-4- oder Cat-5-Verbindungen, heute ist mindestens Cat-6 oder Cat-7 der übliche Standard. Im Büro und im Heimbereich liegt die maximale interne Übertragungsrate normalerweise bei bis zu einem Gigabit pro Sekunde – was für die meisten Anwendungen dort ausreichen dürfte. Der eigentliche „Flaschenhals” bei der Datenübertragung in Gigabit-Netzwerken sind häufig nicht mehr die verwendeten Ethernet-Kabel, sondern die Geschwindigkeit der beteiligten Rechner, speziell die der eingebauten Festplatte(n). 

Ethernet und WLAN: Unterschiede und Gemeinsamkeiten

Als vor einigen Jahren Drahtlosnetzwerke, also sogenannte WLANs (Wireless Local Area Networks), eingeführt wurden, wurde bereits das Ende der üblichen Ethernet-Verkabelung vorausgesagt. Doch das Gegenteil ist der Fall: Via WLAN lassen sich zwar theoretisch jede Menge Geräte drahtlos mit einem zentralen Knotenpunkt verbinden, doch in der Praxis funktioniert das nicht immer reibungslos.

Ein wesentlicher Vorteil von kabelgebundenen Ethernet-Infrastrukturen ist, dass sie deutlich weniger störanfällig sind als WLAN-Verbindungen. Innerhalb von Wohn- oder Bürohäusern konkurrieren zudem häufig mehrere WLAN-Router um dieselben Funkfrequenzen. Außerdem können andere Geräte in der Umgebung für Störungen der Funkverbindung sorgen – Mikrowellen, Garagenöffner, Funklautsprecher und so weiter. Das kabelgebundene Ethernet ist gegen solche Einflüsse besser geschützt.

Ein weiterer Vorteil: Über konventionelle Ethernet-Kabel (mit Kupferadern) können Sie sogar Geräte im Büro mit Strom versorgen. Wie das geht, verraten wir Ihnen in unserem separaten Ratgeber über Power-over-Ethernet (PoE).

 

Video: YouTube / René Stelljes – Freude an der IT

 

Ethernet – eine Erfolgsgeschichte im Überblick

  • Beim Ethernet handelt es sich um eine kabelgebundene Übertragungstechnologie, die als Standard moderner Netzwerke gilt.
  • Sie wird in den meisten Büro- und Serverinfrastrukturen verwendet.
  • Der Ethernet-Standard wurde ursprünglich in den 1970er-Jahren entworfen und seither kontinuierlich weiterentwickelt.
  • Inzwischen sind dank modernster Glasfasertechnologie Datenübertragungsraten von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde möglich.

 

Bei weitergehenden Fragen zum Thema Ethernet-Verkabelung und für Ihren konkreten Bedarf hilft Ihnen gern das Vodafone Ethernet Business Services-Team weiter. Rufen Sie uns an: 0800 – 444063 3869, Montag bis Freitag von 8 bis 20 Uhr, außer an Feiertagen.

 

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