5. Vernetzungstechnologien

5.1. Was sind Vernetzungstechnologien? 

Computer können auf unterschiedliche Art und Weise miteinander verbunden werden. Damit sie aber überhaupt miteinander kommunizieren können, müssen sie sowohl bzgl. ihrer Hardware (Netzwerkkarten, Kabel, Verbindungsgeräte..) als auch bzgl. der Übertragungssoftware und
-methoden auf gemeinsame Standards und Festlegungen zurückgreifen. In den letzten Jahrzehnten haben sich deshalb mehrere Verfahren der Netzwerkverbindungen von Computern herausgebildet.

5.2. Ethernet –Standard für die meisten lokalen Computernetze 

Die zur Zeit am weitesten verbreitete Technik für lokale Netze ist Ethernet. Der Name (Ether = Äther) weist noch auf die ersten Funknetze hin. Auf dem Ethernet können verschiedene Protokolle laufen, z. B. TCP/IP, IPX/SPX (Novell), etc.

Die Nachfrage nach Standards für lokale Netzwerke (LAN - Local Area Network) ließ die Organisation IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) eine Arbeitsgruppe einrichten. Seit dem steht der Name Ethernet als Synonym für alle unter der Arbeitsgruppe 802.3 vorgeschlagenen und standardisierten Spezifikationen. Angefangen hat es in den neunzehnhundertachziger Jahren beim 10-MBit-Ethernet über Koaxialkabel, dann Fast Ethernet mit 100 MBit/s und Gigabit Ethernet mit 1000 MBit/s und 10 GBit/s. Alle Ethernet-Varianten basieren auf denselben Prinzipien.

Ethernet ist weitestgehend in der IEEE-Norm 802.3 standardisiert. Es wurde ab den 1990ern zur meistverwendeten LAN-Technologie und hat alle anderen LAN-Standards wie Token Ring, FDDI und ARCNET verdrängt. Das Ethernet besteht physikalisch aus verschiedenen Typen von 50-Ohm-Koaxkabeln oder paarweise verdrillten Leitungen (Twisted-Pair), Glasfasern, oder anderen Medien. Die Datenrate beträgt typisch 100 MBit/s (früher 10 MBit/s, 1000 MBit/s läuft an). Die wichtigsten Eigenschaften nach der ursprünglichen Spezifikation sind:

Die Daten werden in Paketen gesendet und mit Verwaltungs- und Prüfsignalen versehen (Ethernet-Frame).

5.2.1. Ethernet Datenpaket 

Ethernet ist ein paketvermittelndes Netzwerk. Die Daten werden in Pakete aufgeteilt. Diese Pakete werden Frames genannt. In einem Frame werden neben den Daten auch die Zieladresse, die Quelladresse und Steuerinformationen verpackt. Als Adressen dienen die MAC-Adressen.

Die MAC-Adresse (Media Access Control) ist die Hardware-Adresse eines jeden Netzwerkgerätes (Netzwerkkarte, Switches), die zur eindeutigen Identifikation des Geräts im Netzwerk dient. Die MAC-Adresse wird fest in einem Chip eingebrannt und kann in der Regel nicht mehr verändert werden.

Die maximale Länge/Größe eines Ethernet-Paketes beträgt 1526 Byte. Davon sind 1500 Byte Daten enthalten. Die minimale Länge beträgt 72 Byte, mit 46 Byte Daten. Ist die Datenmenge größer als 1500 Byte, so werden die Daten voneinander getrennt, und in 1500 Byte-Blöcken übertragen. Nach dem Senden eines Paketes erfolgt eine Pause von 9,6 µs. Diese Pause wird als Inter Frame GAP bezeichnet.

5.2.2. Aufbau eines Ethernet-Frames nach IEEE 802.3 

5.2.3. Übertragungsmedium und Netzwerk-Topologie 

Das ursprüngliche Ethernet nutzte ein Koaxialkabel als Übertragungsmedium. Dabei wurde mit einem Kabel jeweils eine Station mit mehreren anderen Stationen verbunden. Das Netzwerk wurde dann als so genannter Bus aufgebaut. Jeweils am Kabelende wurde die Kabelstrecke mit einem Widerstand abgeschlossen.

Auf Grund der Nachteile von Netzwerken mit Bus-Topologie und Koaxialkabel wurde Ethernet um den Einsatz von Twisted-Pair-Kabel der Kategorie 3 und 5 erweitert. Es handelt sich dabei um 8-adrige Kabel, deren Adern jeweils paarweise verdrillt sind. Die Leitungsführung ist als Stern-Topologie mit Switches oder Hubs als Verteilstationen aufgebaut. Mit Switches kommt man ohne Kollisionserkennung aus und kann Vollduplex-Übertragung nutzen.

Twisted-Pair-Kabel haben allerdings eine Reichweite von nur 100 Metern, was sie für die Vernetzung von Gebäuden oder als Backbone ungeeignet macht. Aus diesem Grund wurde Ethernet auch für Glasfaserkabel standardisiert. Heute spielt das Koaxialkabel keine Rolle mehr. Für Neuinstallationen werden generell Twisted-Pair-Kabel nach Kategorie 5, 5e oder besser 6 eingesetzt. Zur Überbrückung von längeren Strecken wird Glasfaserkabel verwendet.

5.2.4. Netzwerktechniken des Ethernet 

5.2.4.1. 10Base5

10Base5 ist eine Methode, Ethernet mit einer Bandbreite von 10 Mbit/s über ein dickes Koaxial-Kabel (RG-8A/U) zu betreiben (Thick Ethernet). Die maximale Kabellänge eines Segments beträgt 500 Meter. Die beiden Kabelenden müssen mit Endwiderständen von 50 Ohm abgeschlossen werden. Mögliche Anschlüsse auf der Netzwerkkarte sind das AUI (Access Unit Interface) und MAU (Media Attachment Unit). Pro Segment dürfen 100 Endgeräte angeschlossen werden. Die jeweiligen Stichleitungen dürfen dabei nicht länger als 50 Meter lang sein.

5.2.4.2. 10Base2

10Base2 ist eine Methode Ethernet mit einer Bandbreite von 10 MBit/s über ein dünnes Koaxial-Kabel (RG-58) zu betreiben (Thin Ethernet). Die Maximale Kabellänge eines Segmentes beträgt 185 Meter. Die beiden Kabelenden müssen mit Endwiderständen von 50 Ohm abgeschlossen werden. Das Netzwerkkabel wird direkt von Workstation zu Workstation geführt. Mögliche Anschlüsse auf der Netzwerkkarte sind das AUI (Access Unit Interface) und MAU (Media Attachment Unit). Stichleitungen von der Netzwerkkarte zum Kabelstrang sind nicht zulässig. Das nachträgliche Anfügen zusätzlicher Workstations erfordert die kurzzeitige Unterbrechung des Netzwerks. Pro Segment können maximal 30 Geräte angeschlossen werden.

5.2.4.3. 10BaseT

10BaseT ist ein Ethernet-Netzwerk (mit 10 MBit/s) in dem alle Stationen über ein einziges UTP-Kabel (Twisted Pair) stern- oder baumförmig an einem zentralen Hub angeschlossen sind. Über Crossover-Kabel ist es möglich zwei Stationen oder Hubs direkt miteinander zu verbinden. Bei mehr als zwei Stationen ist jedoch zwingend ein Hub notwendig. Die maximale Kabellänge zwischen Station und Hub beträgt maximal 100 Meter. Als Anschlusstechnik kommt die RJ45-Technik (breite Western-Stecker, 8polig) zum Einsatz. Der Standard ist im IEEE 802.3i festgelegt.

5.2.4.4. FOIRL

FOIRL(Fiber Optic Inter-Repeater Link) ist eine Methode, um Ethernet-Repeater mit 10 Mbit/s Bandbreite mit Glasfaserkabel zu verbinden. Dabei nutzt man die Vorteile der Glasfaser hinsichtlich Störanfälligkeit und EMV. Die maximale Länge der Verbindung beträgt 1 Kilometer. FOIRL ist offiziell von 10BaseFL abgelöst worden.

5.2.4.5. 10BaseFL

10BaseFL definiert Ethernet mit 10 MBit/s über eine sternförmige Glasfaserverkabelung mit zentralem Hub. Die maximale Länge des Kabels beträgt bei Multimode-Glasfaser mit einer Wellenlänge von 850 nm bis zu 2 km, bei einer Wellenlänge von 1300 nm bis zu 5 km und mit Monomode-Glasfaser bei einer Wellenlänge von 1300 nm bis zu 20 km.

5.2.4.6. 10BaseFB

10BaseFB ermöglicht den Anschluss mehrerer Geräte über Glasfaserkabel an einen passiven Hub.

5.2.4.7. 100BaseTx

100BaseT ist die allgemeine Bezeichnung für Ethernet mit 100 MBit/s. Die Stationen sind über sternförmig über Twisted-Pair an einem zentralen Hub angeschlossen. Die maximale Länge der Kabelverbindung beträgt 100 Meter (Kabellänge + Patchkabel).

5.2.4.8. 100BaseT4

100BaseT4 ermöglicht Ethernet mit einer Bandbreite von 100 MBit/s über UTP-Kabel der Kategorie 3 zu betreiben. Der Unterschied zur normalen Ethernet-Verkabelung, ist die Verwendung aller Adernpaare.

5.2.4.9. 100BaseFx

100BaseFx ist eine Methode für den Einsatz von Ethernet mit 100 MBit/s über Multimode- und Monomode-Glasfaserkabel. Diese Methode ist ähnlich wie FDDI spezifiziert.

5.2.4.10. 100BaseVG

100VG-AnyLAN ist die Bezeichnung einer Entwicklung von IBM und HP. In dieser Technik ist die Token-Ring-Technologie für ein 100 MBit-Netzwerk vereint.

5.2.4.11. HDLC (High Level Data Link Protokoll)

HDLC wird in Schicht 2, der Sicherungsschicht, des OSI-Schichtenmodells verwendet. Das HDLC-Protokoll eignet sich für den Vollduplex-Betrieb. Zusätzlich zur Prüfsumme erhält ein Block eine Adresse und ein Steuerfeld. Wurde die Übertragung eines Blocks gestört, so kann der Empfänger diesen nochmals anfordern. Anwendung findet HDLC als D-Kanal-Protokoll im ISDN, in IEEE 802.2 von LANs und in Schicht 2 bei X.25.

5.2.4.12. 100BaseSx

100BaseSx entspricht 100BaseFx mit einer Wellenlänge von 850 nm bie einer maximalen Kabellänge von 300 m. Die Komponenten dieser Technik sind wesentlich billiger als die von 100BaseFx.

5.2.4.13. 1000BaseSx

Ethernet mit 1000 MBit/s über Mulitmode- oder Monomode-Glasfaser bei einer Wellenlänge von 850 nm. Die maximale Kabellänge beträgt zwischen 220 und 550 m zwischen Verteiler und Station.

5.2.4.14. 1000BaseLx

Ethernet mit 1000 MBit/s über Multimode- oder Monomode-Glasfaser bei einer Wellenlänge von 1270 (1300) nm. Die maximale Kabellänge liegt bei 550 und 5000 m zwischen Verteiler und Station.

5.2.5. Hochgeschwindigkeitsnetze 

5.2.5.1. Fast-Ethernet

Fast Ethernet ist die Weiterentwicklung des Ethernet-Standards mit 100 MBit/s über Twisted-Pair-Kabel. Um die Übertragungsrate von 10 MBit/s auf 100 MBit/s anzuheben wurde der Leitungscode 4B5B eingesetzt. Dabei werden 4-Bit binäre Dateninformationen in 5-Bit binäre Übertragungsinformationen codiert. Die Reichweite blieb auf nur 100 Meter beschränkt.

5.2.5.2. Gigabit-Ethernet

Die hohe Netzlast, verursacht durch vielerlei Anwendungen (z. B. Internet, Multimedia, elektronischer Dokumentenaustausch) ist es notwendig zentrale Ethernet-Stationen, wie z. B. Server und Switches mit mehr Bandbreite zu verbinden als die übrigen Stationen.

Gigabit-Ethernet wurde auf der Grundlage der ursprünglichen Norm entwickelt. Erst für Glasfaserkabel, später auch für Twisted-Pair-Kabel der Kategorie 5. Beide Varianten erlauben die Übertragung von Daten mit 1000 MBit/s. Auf Grund der geringeren Störanfälligkeit von Glasfaserverbindungen ist das Medium Glasfaser für schnelle Übertragungen nach oben hin offen. Bei Twisted-Pair-Kabeln müssen mehrere Tricks angewendet werden, um auf diese hohe Geschwindigkeit zu kommen. Grundsätzlich nutzt Gigabit-Ethernet über Twisted-Pair-Kabel alle 4 Adernpaare. Der Datenstrom wird mit PAM5x5 (Pulse Amplituden Modulation mit 5 verschiedenen Regeln) codiert. Außerdem kommt eine neue Fehlerkorrektur zum Einsatz. Von Vorteil ist diese Technik bei einer vorhandenen strukturierten Kupferverkabelung (Twisted Pair). Diese kann bei geeigneten Kabeln übernommen werden.

5.2.5.3. 10-Gigabit-Ethernet

Das 10-Gigabit-Ethernet kennt kein Twisted-Pair-Kabel mehr. Den Standard mit Kupferkabel zu nutzen wurde nicht berücksichtigt. Für 10-Gigabit-Ethernet kommt nur noch Glasfaserkabel zum Einsatz. Um den Standard flexibel zu halten unterstützt er gleich 7 verschiedene Glasfasertypen. Unabhängig vom Glasfaserkabel kann 10-Gigabit-Ethernet eingesetzt werden.

Erstmal wurde bei Ethernet auf das Zugriffsverfahren CSMA/CD verzichtet. Der Betrieb erfolgt ausschließlich im Vollduplex-Modus. Obwohl Ethernet für lokale Netzwerke (LAN - Local Area Network) entwickelt ist, streckt der 10-Gigabit-Ethernet Standard seine Fühler in Richtung Weitverkehrsnetze (WAN - Wide Area Network) aus. Er konkurriert damit direkt mit ATM, Sonet (Synchronous Optical Network) und SDH (Syncronous Digital Hierarchy).

5.2.5.4. Ethernet-Standards im Überblick

5.2.6. Verfahren zur Energieversorgung beim Ethernet: Power-over-Ethernet (PoE) 

Die Stromversorung von Endgeräten in der Netzwerktechnik wurde bisher den Herstellern der Endgeräte selber überlassen. Die lösten die Stromversorgung mit geringen Leistungen meist über Steckernetzteile. Dazu ist neben jeder Netzwerkdose auch eine Steckdose des 230V-Netzes erforderlich. Mit dem IEEE-Standard Power-over-Ethernet (PoE) bzw. IEEE 802.3af wurde dieses altbekannte Problem endlich gelöst.

Der Hauptvorteil von Power over Ethernet besteht darin, dass die bestehende Netzwerkverkabelung mit Twisted Pair (TP Cat. 3/4/5/7) weiterverwendet werden kann. Die physikalischen Grenzen des Kabels wurde bei der Ausarbeitung des Standards berücksichtigt. So eignen sich die Twisted-Pair-Kabel wegen ihres geringen Leitungsquerschnitts und der RJ45-Stecker nur für ein Leistung von rund 15 Watt. Der Standard beschreibt außerdem exakt, wie viel Strom über das Netzwerkkabel fließen darf und sieht den Schutz von Altgeräten ohne PoE-Unterstützung vor.

Weil RJ45-Stecker und Twisted Pair Kabel nicht für Ströme im Ampere-Bereich ausgelegt sind, wird eine Spannung zwischen 44 V und 57 V, im Mittel 48 V, verwendet, was den Anforderungen an eine Schutzkleinspannung entspricht. Dabei ist ein Strom von maximal 350 mA vorgesehen. Durch die relativ hohe Spannung bleibt die Verlustleistung und damit die Wärmeentwicklung in den Kabeln und an den Steckerübergängen gering.

5.3. Weitere Vernetzungstechnologien

5.3.1. Token-Ring 

Die Token-Ring Technologie ist erstmals 1985 von IBM vorgestellt worden und versucht einen Nachteil des Ethernets zu korrigieren: Die mögliche Kollisionen von Daten. Hierbei wird ein Token (eine Art Sendeerlaubnis) im Kreis von Computer zu Computer weitergegeben. Token-Ring-Netzwerke werden für zeitkritische Anwendungen verwendet, die notwendigen Verbindungsgeräte (Netzwer

5.3.2. ArcNET 

ArcNET steht für Attached Resource Computer Network und stellt einen Standard für lokale Netzwerke (LANs) dar. ArcNET war eine relativ leistungsfähige Technologie, konnte sich aber nicht gegen Ethernet und Token-Ring durchsetzen, da es keine durchgehende Normung gab. Es arbeitet auch mit einem Token, ist aber nicht wie Token-Ring an Computer in Ringtopologie gebunden.