IEEE 802.3 / Ethernet-Grundlagen

Ethernet ist eine Familie von Netzwerktechniken, die vorwiegend in lokalen Netzwerken (LAN), aber auch zum Verbinden großer Netzwerke (WAN) zum Einsatz kommt.
Für Ethernet gibt es eine Vielzahl an Standards, für die das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) verantwortlich ist.

Das ursprüngliche Konzept von Ethernet sah die Vernetzung von Bürogeräten vor. Inzwischen ist Ethernet das Synonym für ein lokales Netzwerk. Die unter der Arbeitsgruppe 802.3 vorgeschlagenen und standardisierten Spezifikationen umfassen eine Vielzahl von Varianten und Anwendungsfälle.

  • Ethernet für LAN in Wohnungen und Rechenzentrum
  • Carrier Ethernet für MAN und WAN
  • Industrial Ethernet für Produktionsumgebungen
  • Ethernet in Fahrzeugen

Einordnung in das OSI-Schichtenmodell

2 802.1
Internet-Working
802.2
Logical Link Control (LLC)
802.1
Media Access Control (MAC)
1 802.3
Ethernet
802.4
Token-Bus
802.5
Token-Ring
802.11
Wireless LAN

Bei Ethernet spricht man von einer paketvermittelnden Netzwerktechnik, deren Standards auf den Schichten 1 und 2 des OSI-Schichtenmodells die Adressierung und die Zugriffskontrolle auf unterschiedliche Übertragungsmedien definieren. Die Nutzdaten kommen bereits in Datenpaketen von den darüberliegenden Protokollen. Zum Beispiel von TCP/IP. Diese Datenpakete werden mit einem Header versehen und anschließend im Ethernet-Netzwerk übertragen.
Die Ethernet-Standards auf der OSI-Schicht 2 sind die LLC- und MAC-Teilschichten. Sie sind unabhängig von Ethernet und werden auch für andere Übertragungstechniken verwendet. Zum Beispiel Bluetooth (IEEE 802.15) oder WLAN (IEEE 802.11).

Alle Ethernet-Varianten haben eines gemeinsam: Sie basieren auf denselben Prinzipien, die ursprünglich in den Standards 802.1, 802.2 und 802.3 festgelegt wurden. Ethernet ist unter 802.3 standardisiert und baut auf 802.1 und 802.2 auf.

Geschichtlicher Hintergrund

Ursprünglich wurde Ethernet in den siebziger Jahren im PARC (Palo Alto Research Center), im Forschungslabor der Firma Xerox, entwickelt. In Zusammenarbeit mit den Firmen DEC und Intel wurde Ethernet später zu einem offenen Standard. Dieser Standard bildete dann die Grundlage für den offiziellen 802.3-Standard des IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Neben Ethernet gab es mehrere Techniken für die Vernetzung. Zum Beispiel Token Ring (auf Basis von Koaxialkabel) und FDDI (auf Basis von Glasfaserkabel). Irgendwann in den 1990er Jahren hat sich Ethernet durchgesetzt. Insbesondere der einfache und kostengünstige Aufbau eines Ethernet-Netzwerks sorgte für die rasche Verbreitung auf der ganzen Welt. Von Arcnet, Token Ring, FDDI oder gar ATM und SDH spricht man heute fast nicht mehr. Heute werden fast alle Vernetzungen im LAN und WAN mit Ethernet-Technik realisiert.

Technischer Hintergrund

Einer der Vorläufer von Ethernet war ein Funknetz mit dem Namen ALOHA, das die Hawaii-Inseln miteinander verbunden hat. Hier war das Übertragungsmedium die Luft (Äther bzw. Ether). Ethernet wurde für die gemeinsame Nutzung eines Übertragungsmediums durch viele Hosts entwickelt. Während es für ALOHA die Luft war, wurde für Ethernet als Übertragungsmedium ein Koaxialkabel gewählt, das die Rechner in einer Bus-Topologie miteinander verbunden hat.
Für die Übertragungstechnik bedeutet das, dass es nur einen Übertragungskanal gibt, den nur einer nutzen kann. Ein Zugriffsverfahren bzw. Übertragungsprotokoll muss deshalb nach dem Prinzip Listen-before-Talk (LBT) arbeiten.
Angefangen hat man in den 1980er Jahren mit 10-Megabit-Ethernet über Koaxialkabel. Es folgten verschiedene Weiterentwicklungen für Twisted-Pair-Kabel und Glasfaserkabel mit geringeren und höheren Übertragungsraten auf längeren und kürzeren Kabeln.

Übertragungsmedium und Netzwerk-Topologie

Vom Bus zum Stern

Das ursprüngliche Ethernet basiert auf einem Koaxialkabel als Übertragungsmedium. Dabei wurden mit einem Kabel mehrere Stationen hintereinander zu einer Kette verbunden. Die Netzwerk-Topologie hat man als Bus bezeichnet.
Später wurden weitere Ethernet-Varianten für Backplanes, Twinax-Kabel, Glasfaser und Twisted-Pair entwickelt.

Der entscheidende Durchbruch von Ethernet im LAN kam durch den Umstieg von Shared- auf Switched-Media (von Bus zu Stern-Topologie) in Verbindung mit einer strukturierten Verkabelung. Gleichzeitig hat die konsequente Rückwärtskompatibilität dazu geführt, dass Investitionen bis zu einem gewissen Grad zukunftsfähig blieben. Alte Komponenten für 10 und 100 MBit/s können mit Komponenten für 1 GBit/s kombiniert werden. Im Zweifelsfall bedarf es nur eines Medienkonverters.

Übertragungstechnik

Ethernet transportiert Daten paketweise ohne festes Zugriffsraster. Damit unterscheidet sich Ethernet von anderen paketorientierten Systemen, die mit einem festen Zeitraster jedem Teilnehmer eine Mindestbandbreite garantieren können. Deshalb bereitet Ethernet Probleme bei allen Arten von zeitkritischen Anwendungen. Bei Ethernet gibt es keine Garantie, dass die Daten innerhalb einer bestimmten Zeit den Empfänger erreichen. Das bedeutet, der Erfolg einer Übertragung ist nicht sicher. Er unterliegt nur einer gewissen Wahrscheinlichkeit. So verwerfen Ethernet-Komponenten Datenpakete, wenn nicht genug Bandbreite zur Verfügung steht.
Wegen der unzuverlässigen Übertragungstechnik ist Ethernet auf Fehlerbehandlung höherer Protokolle angewiesen. Das ist auch ein Grund, warum in bestimmten Bereichen heute noch andere Vernetzungstechniken bevorzugt werden. Im Vergleich dazu ist Ethernet eine einfach zu implementierende Vernetzungstechnik, die sich über Jahrzehnte hinweg in lokalen Netzwerken bewährt und durchgesetzt hat.

Übertragungsgeschwindigkeit

Die tatsächliche Übertragungsgeschwindigkeit (Netto-Datenrate) von Ethernet hängt von der Geschwindigkeitsstufe und der TCP-Verbindungsqualität ab.

  • Bei Fast Ethernet mit 100 MBit/s erreicht man knapp 0,094 GBit/s, also ca. 10 MByte/s.
  • Bei Gigabit Ethernet mit 1 GBit/s erreicht man knapp 0,94 GBit/s, also ca. 100 MByte/s.
  • Bei Gigabit Ethernet mit 2,5 GBit/s erreicht man knapp 2,4 GBit/s, also fast 300 MByte/s.
  • Bei Gigabit Ethernet mit 10 GBit/s erreicht man netto 9,4 GBit/s, also umgerechnet etwas über 1.100 MByte/s.

Diese Geschwindigkeitsangaben entsprechen in etwa den zu erwartenden Durchsätzen für HTTP-Verbindungen, FTP-Downloads und Windows-Freigaben.
Die Differenz zwischen der Brutto- und Netto-Datenrate geht für die Protokoll-Header auf Layer 2 und 3 drauf.

Zum Vergleich die Übertragungsgeschwindigkeit von PC-Schnittstellen:

  • USB 2.0: ca. 40 MByte/s
  • USB 3.0: ca. 450 MByte/s
  • SATA-Festplatten: ca. 500 MByte/s
  • PCIe-SSDs: über 3.000 MByte/s

Erweiterungen

Erweiterungen wandeln das anfangs kollisionsbehaftete Übertragungsprotokoll zu einer sicheren, redundanten, vielseitigen und schnellen Vernetzungstechnik.

  • Energy Efficient Ethernet (EEE)
  • hochauflösende Zeitsynchronisation (IEEE 1588v2)
  • Verschlüsselung auf MAC-Ebene (MACSec)
  • Energieversorgung bis 100 Watt (PoE)
  • Trunking bzw. Link Aggregation
  • Übertragung auf nur einem Adernpaar (Single Pair)
  • Einsatz als Feldbus
  • Storage-Anbindung

Übersicht: Ethernet-Technik

Übersicht: Standards und Übertragungsgeschwindigkeit

Weitere Ethernet-Standards:

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