Ethernet

Ethernet ist aus einem Projekt der Unternehmen Digital Equipment, Intel und Xerox in den siebziger Jahren hervorgegangen, das unter der Bezeichnung DIX bekannt wurde. Dieses Projekt zielte auf die gemeinsame Nutzung eines Übertragungsmediums durch mehrere gleichberechtigte Datenstationen und war für den lokalen Bereich konzipiert. Die Struktur dieses lokalen Netzes war die eines Busses an den alle Datenstationen angeschlossen werden konnten. Das Buskonzept war in seiner Ausdehnung, in der Anzahl der anschließbaren Stationen und in Datenrate auf 3 Mbit/s begrenzt und daher nur für den lokalen Bereich geeignet. Aus dem DIX-Projekt wurde 1982 Ethernet. Die Spezifizierung und Standardisierung übernahm das IEEE, das die Spezifikationen DIX Ethernet V2.0 veröffentlichte.


Da sich Ethernet in den folgenden Jahrzehnten rasant entwickelte und die Bezeichnung Ethernet auch für Hochgeschwindigkeitsvarianten benutzt wird, wird das ursprüngliche Ethernet auch als solches bezeichnet.

Das klassische Ethernet

Das von der IEEE-Arbeitsgruppe 802.3 spezifizierte Ethernet ist ein lokales Netz an dessen Übertragungsmedium gleichberechtigte Datenstationen angeschlossen werden. Die Datenstationen arbeiten mit einem stochastischen Zugangsverfahren bei dem sie Signale auf dem Übertragungsmedium erkennen und dann, wenn kein anderes Signal vorhanden ist, es für die eigene Datenübertragung nutzen. Das Zugangsverfahren ist CSMA/CD und kann zu Kollisionen zwischen den übertragenen Datensignalen führen.

Das Ur-Ethernet nach 10Base-5 arbeitet mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s. Alle Datenstationen sind gleichberechtigt und werden direkt an das Übertragungsmedium angeschlossen. Die Anzahl an Datenstationen ist auf max. 256 Stationen pro Ethernet-Segment begrenzt, die Längenausdehnung wird durch die Signallaufzeit und die Framelänge eingeschränkt. Mit zunehmender Segmentlänge wird die Laufzeit zwischen den beiden am weitesten voneinander entfernten Stationen größer, was sich negativ auf die Zeit auswirkt, die zum Erkennen einer Kollision benötigt wird. Alle drei Parameter, die Anzahl der Stationen, die Framelänge und die Segmentlänge, bestimmen die Performance von Ethernet. Je kürzer die Framelänge und je höher die Anzahl der sendebereiten Stationen, desto geringer wird die Performance. Die Framelänge des Ethernet-Frames beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit insofern, als dass das Verhältnis von Nutzdaten zur Framelänge bei niedriger werdender Rahmengröße immer geringer wird.

Die zulässige Netzausdehnung eines Ethernet ist abhängig von der Ethernet-Variante und damit von der Übertragungsgeschwindigkeit auf dem Netz. Generell verringert sich die Ausdehnung mit steigender Übertragungsgeschwindigkeit. Betrachtet man das klassische Ethernet mit 10-Mbit/s-Übertragungsgeschwindigkeit, dann ermittelt sich die zulässige Netzausdehnung aus der Umlaufverzögerung auf dem Übertragungsmedium. Diese wird durch die Laufzeit zwischen den beiden entferntesten Stationen bestimmt. Bei einer kabelspezifischen Signallaufzeit von 0,77c ergibt sich für ein 500-m-Segment eine Laufzeitverzögerung von 2,165 µs. Ausgehend von der minimalen Paketlänge eines Ethernet-Frames von 64 Byte und der Übertragungsrate von 10 Mbit/s, ergibt sich als Hin- und Rücklaufzeit zwischen den beiden entferntesten Stationen eine Zeit von 51,2 µs, die einfache Laufzeit beträgt also 25,6 µs. Diese Umlaufverzögerung entspricht einer Ausdehnung von etwa 5 km. Unter Berücksichtigung der Signallaufzeiten in den Transceiver-Kabeln und der Verzögerungszeiten der aktiven Komponenten sind damit Ethernet-Ausdehnungen von ca. 3.000 m möglich.

Ethernet-Schichtenmodell für klassisches Ethernet

Ethernet-Schichtenmodell für klassisches Ethernet

Die Funktionalität von Ethernet wird durch das Ethernet-Schichtenmodell sichergestellt. Beim klassischen Ethernet ist die Sicherungsschicht in die zwei Teilschichten Medium Access Control (MAC) und Logical Link Control (LLC) unterteilt. Die Bitübertragungsschicht besteht funktional aus den Teilschichten Physical Layer Signalling (PLS), Access Unit Interface (AUI) und Medium Attachment Unit (MAU).

Historisches Yellow Cable für 10Base-5

Historisches Yellow Cable für 10Base-5

Das Übertragungsmedium von 10Base-5 war ein dickes Koaxialkabel, das sogenannte Yellow Cable, das wegen der komplizierten und fehleranfälligen Anschlusstechnik nur bis Ende der achtziger Jahre eingesetzt und durch ein dünneres Koaxialkabel, durch TP-Kabel und Lichtwellenleiter ergänzt wurde. Dementsprechend war die erste Ethernet-Schnittstelle 10Base-5 für eine Entfernung von 500 m. Es folgten 10Base-2, 10Base-T für Twisted Pair und 10Base-F für Fiber.

Vom klassischen Ethernet mit 10 Mbit/s bis zu 400-Gigabit-Ethernet.

Ethernet hat eine rasante Entwicklung durchgemacht und hat sich in allen Geschwindigkeits- und Anwendungsbereichen etabliert. Waren es in den achtziger Jahren die 10-Mbit/s-Varianten, die mit Koaxialkabel arbeiteten, so kamen in den neunziger Jahren die verschiedenen TP-Kabel dazu, ebenso wie die Glasfaser.

Ethernet 
   im LAN-, AN-, MAN-, WAN- und industriellen Bereich

Ethernet im LAN-, AN-, MAN-, WAN- und industriellen Bereich

1995 kamen Fast-Ethernet mit 100 Mbit/s und die Switching-Systeme hinzu und bereits 1998 Gigabit-Ethernet (GbE), das ebenso wie 10-Gigabit-Ethernet (10GbE) standardisiert ist. 2010 hat IEEE 802.3 die HS-Varianten 40-Gigabit-Ethernet (40GbE) und 100-Gigabit-Ethernet und in den folgenden Jahren 400-Gigabit-Ethernet standardisiert. Ethernet-Varianten mit Datenraten über 100 Gbit/s werden als Terabit-Ethernet (TbE) bezeichnet, obwohl 400 Gbit/s einer Datenrate von 0,4 Terabit pro Sekunde (Tbit/s) entsprechen.

Was die Zugangsverfahren betrifft, so wurde das klassische CSMA/CD bis Fast-Ethernet beibehalten, erst bei Gigabit-Ethernet (GbE) machte man diesbezüglich gewisse Einschränkungen und bei 10-Gigabit-Ethernet (10GbE) hat man sich ganz von diesem Verfahren verabschiedet.

Ethernet für die verschiedensten Anwendungsbereiche

Zwischenzeitlich wurden für Ethernet auch Lösungen im Metro- und im Anschlussbereich erarbeitet: Ethernet in the First Mile (EFM), Metro-Ethernet und Midband-Ethernet sind interessante Ansätze für Anschluss- und Stadtnetze. Auch im Weitverkehrsbereich gibt es mit Carrier-Ethernet, 40-Gigabit-Ethernet und 100-Gigabit-Ethernet Ethernet-Lösungen, die auch als Backplane-Ethernet in Servern eingesetzt werden.

Einsatzbereiche von Ethernet

Einsatzbereiche von Ethernet

Trotzdem schien es so, dass bestimmte Anwendungen nicht realisiert werden konnten. So beispielsweise der verlustfreie Datentransfer wie er in Rechenzentren und Speichernetzen gefordert wird. Für diese Anwendung wurde Lossless Ethernet entwickelt, das in Data Center Ethernet (DCE) und Fibre Channel over Ethernet (FCoE) eingesetzt wird. Eine weitere anscheinend eingeschränkte Anwendung ist die Übertragung zeitkritischer Signale, so wie sie bei der Internettelefonie, bei Live-Streaming und im industriellen Bereich vorkommen. Für diese Anwendungen wurden Echtzeit-Ethernet und Industrial Ethernet entwickelt, die mit geringstmöglicher, bekannter Latenz arbeitet. Die in der Produktion und Automation eingesetzten Netze benutzen Ethernet-basierte Techniken mit Echtzeitverhalten. Einige Feldbusse arbeiten mit Ethernet als Kommunikations-Infrastruktur für die Integration der verteilten Feldgeräte, Anlagenmodule und Steuergeräte, so u.a. EtherCAT, TTEthernet, Ethernet-Powerlink und EtherNet/IP.

Auch in der Automotive-Technik wird Ethernet als UTSP-Ethernet, Unshielded Twisted Single Pair, eingesetzt, einem Verfahren, dass mit nur einem verdrillten Adernpaar arbeitet.

Informationen zum Artikel
Deutsch: Ethernet
Englisch: Ethernet
Veröffentlicht: 22.03.2017
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Tags: #Ethernet
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