IEEE Ethernet
IEEE 802.3 – Ethernet
Überblick
IEEE 802.3 ist der grundlegende Standard für kabelgebundene lokale Netzwerke (LAN). Er definiert die physikalische Schicht (Layer 1) und die Sicherungsschicht (Layer 2, genauer: den MAC-Sublayer) des OSI-Modells. Der Standard wurde 1983 erstmals verabschiedet und seither kontinuierlich erweitert.
Ethernet ist heute die dominierende Technologie für kabelgebundene Netzwerke in Unternehmens-, Rechenzentrums- und Heimumgebungen.
Grundlagen: Wie funktioniert Ethernet?
Rahmenstruktur (Ethernet Frame)
Jede Ethernet-Übertragung erfolgt in Frames (Rahmen). Ein Ethernet-Frame nach IEEE 802.3 hat folgende Struktur:
| Feld | Größe | Beschreibung |
|---|---|---|
| Preamble | 7 Byte | Synchronisierungssequenz (Bitmuster 10101010…) |
| Start Frame Delimiter (SFD) | 1 Byte | Markiert den Beginn des Frames (10101011) |
| Destination MAC | 6 Byte | MAC-Adresse des Empfängers |
| Source MAC | 6 Byte | MAC-Adresse des Senders |
| EtherType / Länge | 2 Byte | Protokolltyp (z. B. 0x0800 = IPv4, 0x86DD = IPv6, 0x8100 = VLAN) |
| Payload (Nutzdaten) | 46–1500 Byte | Eigentliche Daten (z. B. IP-Paket) |
| Frame Check Sequence (FCS) | 4 Byte | CRC-32-Prüfsumme zur Fehlererkennung |
- Minimale Framegröße: 64 Byte (inkl. Header, ohne Preamble/SFD)
- Maximale Framegröße (Standard): 1518 Byte (ohne VLAN-Tag) bzw. 1522 Byte (mit 802.1Q VLAN-Tag)
- Jumbo Frames: Hersteller-spezifische Erweiterung auf bis zu 9000 Byte Payload – nicht durch IEEE 802.3 standardisiert, aber in Rechenzentren verbreitet
MAC-Adressen
Jedes Netzwerkgerät besitzt eine weltweit eindeutige MAC-Adresse (Media Access Control Address):
- Länge: 48 Bit (6 Byte), dargestellt als Hexadezimalzahl, z. B.
00:1A:2B:3C:4D:5E - Aufbau: Die ersten 3 Byte sind der OUI (Organizationally Unique Identifier) des Herstellers, die letzten 3 Byte sind gerätespezifisch
- Bit 0 von Byte 1: 0 = Unicast, 1 = Multicast
- Bit 1 von Byte 1: 0 = global vergeben (OUI), 1 = lokal administriert
Sonderadressen:
FF:FF:FF:FF:FF:FF– Broadcast (an alle Geräte im Segment)01:00:5E:xx:xx:xx– IPv4-Multicast
CSMA/CD – Kollisionsvermeidung (historisch)
Frühe Ethernet-Varianten (10BASE-T, Halbduplex) nutzen CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection):
- Carrier Sense: Gerät prüft, ob das Medium frei ist
- Multiple Access: Mehrere Geräte teilen sich das Medium
- Collision Detection: Wird eine Kollision erkannt, senden alle Beteiligten ein Jam-Signal und warten eine zufällige Zeit (Binary Exponential Backoff)
Duplex-Modi
| Modus | Beschreibung | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| Halbduplex | Senden oder Empfangen – nicht gleichzeitig. CSMA/CD aktiv. | Alte Hubs, Legacy-Geräte |
| Vollduplex | Senden und Empfangen gleichzeitig. Kein CSMA/CD. | Alle modernen Switch-Verbindungen |
Fast Ethernet – IEEE 802.3u (100 Mbit/s)
Entstehung
Fast Ethernet wurde 1995 mit dem Amendement IEEE 802.3u eingeführt, um die Bandbreite gegenüber dem klassischen 10-Mbit/s-Ethernet (10BASE-T) auf 100 Mbit/s zu steigern. Die Rückwärtskompatibilität zu 10BASE-T (gleiches Kabel, gleiche RJ45-Stecker) war dabei ein wesentliches Designziel.
Fast Ethernet führte auch das Auto-Negotiation-Verfahren ein, mit dem Geräte automatisch die beste gemeinsam unterstützte Geschwindigkeit und den Duplex-Modus aushandeln.
Varianten
| Bezeichnung | Medium | Max. Reichweite | Leitungscode | Besonderheit |
|---|---|---|---|---|
| 100BASE-TX | Cat5 (2 Paare, UTP/STP) | 100 m | 4B5B + MLT-3 | Standardvariante, heute überall verbaut |
| 100BASE-FX | Multimode-Glasfaser (2 Fasern) | 412 m (HD) / 2000 m (FD) | 4B5B + NRZI | Für längere Strecken oder EMV-sichere Umgebungen |
| 100BASE-T4 | Cat3 (4 Paare) | 100 m | 8B6T | Veraltet; war für ältere Cat3-Kabel gedacht |
| 100BASE-T2 | Cat3 (2 Paare) | 100 m | PAM5 | Selten eingesetzt |
In der Praxis ist 100BASE-TX die einzige relevante Variante.
Leitungscodierung bei 100BASE-TX
100BASE-TX verwendet eine zweistufige Codierung:
- 4B5B
- Je 4 Datenbits werden als 5-Bit-Symbol codiert (kein langer Gleichspannungsanteil, DC-Balancing). Ergibt eine Symboldurchrate von 125 MBaud.
- MLT-3 (Multi-Level Transmit 3)
- Das 5-Bit-Signal wird mit drei Spannungspegeln übertragen (−1, 0, +1), was die benötigte Bandbreite des Kabels auf 31,25 MHz senkt und die Einhaltung von EMV-Grenzwerten ermöglicht.
Kabelanforderungen
| Kabelkategorie | 100BASE-TX |
|---|---|
| Cat3 | Nein |
| Cat4 | Nein |
| Cat5 | Ja (Mindestanforderung) |
| Cat5e / Cat6 / Cat6a | Ja (empfohlen, zukunftssicher) |
Auto-Negotiation
Auto-Negotiation (IEEE 802.3u, Clause 28) ermöglicht es zwei verbundenen Geräten, automatisch die optimalen Betriebsparameter zu ermitteln:
- Geschwindigkeit (10 / 100 Mbit/s)
- Duplex (Halb / Voll)
Die Aushandlung erfolgt über Fast Link Pulse (FLP)-Bursts beim Verbindungsaufbau. Beide Seiten tauschen eine Technology Ability Field (TAF)-Bitmap aus und wählen gemeinsam die beste Option (höchste Priorät: Vollduplex mit höchster Geschwindigkeit).
Gigabit Ethernet – IEEE 802.3ab / 802.3z (1000 Mbit/s)
Entstehung
Gigabit Ethernet (GbE) wurde in zwei getrennten Standards eingeführt:
- IEEE 802.3z (1998): Glasfaser- und Twinax-Varianten (1000BASE-SX, -LX, -CX)
- IEEE 802.3ab (1999): Kupfer-Variante über Cat5e (1000BASE-T)
Ziel war die Steigerung auf 1 Gbit/s bei gleichzeitiger Beibehaltung der Kompatibilität mit bestehender Kupferverkabelung (für 1000BASE-T).
Varianten
| Bezeichnung | Standard | Medium | Max. Reichweite | Typischer Einsatz |
|---|---|---|---|---|
| 1000BASE-T | 802.3ab | Cat5e / Cat6 (4 Paare) | 100 m | Desktop, Server, Standard-Switching |
| 1000BASE-SX | 802.3z | Multimode-Glasfaser (MMF) | 220–550 m | Gebäudevernetzung, Rechenzentrums-Backbone |
| 1000BASE-LX | 802.3z | Single-Mode (SMF) / MMF | 550 m (MMF) / 5 km (SMF) | Campus-Vernetzung, WAN-nahe Verbindungen |
| 1000BASE-CX | 802.3z | Twinax (Koax-Kupfer) | 25 m | Selten; schnell durch SFP-DAC verdrängt |
| 1000BASE-LX10 | 802.3ah | SMF | 10 km | Gebäude-zu-Gebäude (EFM) |
1000BASE-T im Detail
1000BASE-T ist die meistgenutzte Gigabit-Variante und nutzt alle 4 Adernpaare eines Cat5e/Cat6-Kabels gleichzeitig – sowohl für Sende- als auch Empfangsrichtung (Bidirektional, Vollduplex auf jedem Paar durch Hybrid-Schaltungen / Echo-Cancellation).
Leitungscodierung: 4D-PAM5
1000BASE-T verwendet 4D-PAM5 (4-dimensionales Pulsamplitudenmodulations-Verfahren mit 5 Pegeln):
- 5 Amplitudenpegel pro Adernpaar: −2, −1, 0, +1, +2
- Alle 4 Paare übertragen gleichzeitig
- Symboldurchrate: 125 MBaud pro Paar
- Effektive Datendurchrate: 4 Paare × 2 bit/Symbol × 125 MBaud = 1000 Mbit/s
- Zusätzlich wird ein 5. Symbol-Zustand für Vorwärtsfehlerkorrektur (Trellis-Coding) genutzt
Kabelanforderungen für 1000BASE-T
| Kabelkategorie | 1000BASE-T |
|---|---|
| Cat5 | Bedingt (nur wenn alle 4 Paare korrekt verdrahtet und Dämpfungswerte eingehalten) |
| Cat5e | Ja (Mindestanforderung, empfohlen) |
| Cat6 | Ja (bessere Reserven, weniger Übersprechen) |
| Cat6a | Ja (für 10GBase-T ausgelegt, aber auch für GbE nutzbar) |
Glasfaser-Varianten im Detail
1000BASE-SX
- Medium: Multimode-Glasfaser (MMF), typisch OM1/OM2/OM3
- Wellenlänge: 850 nm (Kurzwelle)
- Reichweite:
- OM1 (62,5 µm): 220 m
- OM2 (50 µm): 550 m
- OM3/OM4 (50 µm, optimiert): 550 m
- Typischer Einsatz: Serverraumvernetzung, kurze Backbone-Verbindungen
1000BASE-LX
- Medium: Single-Mode-Glasfaser (SMF, 9 µm) oder Multimode-Glasfaser
- Wellenlänge: 1310 nm (Langwelle)
- Reichweite:
- MMF (62,5 µm / 50 µm): bis 550 m (mit Mode-Konditionierungs-Patchkabel bei MMF)
- SMF: bis 5 km
- Typischer Einsatz: Campus-Vernetzung, Gebäude-zu-Gebäude
SFP-Module (Small Form-factor Pluggable)
Glasfaser-Gigabit-Ethernet wird in der Praxis fast ausschließlich über SFP-Module angebunden. SFP ist ein standardisierter Hot-Plug-Transceiver-Formfaktor (MSA-Standard), der in entsprechende Cage-Buchsen an Switch oder Server gesteckt wird.
Gängige SFP-Typen:
| SFP-Typ | Standard | Reichweite | Wellenlänge |
|---|---|---|---|
| SFP SX | 1000BASE-SX | bis 550 m | 850 nm (MMF) |
| SFP LX | 1000BASE-LX | bis 5 km | 1310 nm (SMF) |
| SFP LH / EX | 1000BASE-LX10 | bis 10–40 km | 1310 / 1550 nm (SMF) |
| SFP-T (Copper SFP) | 1000BASE-T | bis 100 m | — (RJ45) |
| SFP DAC | — | bis 7 m | — (Twinax-Direktkabel) |
Vergleich: 10 Mbit/s – Fast Ethernet – Gigabit Ethernet
| Merkmal | 10BASE-T | 100BASE-TX (Fast Ethernet) | 1000BASE-T (Gigabit) |
|---|---|---|---|
| IEEE-Standard | 802.3i (1990) | 802.3u (1995) | 802.3ab (1999) |
| Geschwindigkeit | 10 Mbit/s | 100 Mbit/s | 1000 Mbit/s (1 Gbit/s) |
| Kabel | Cat3 / Cat5 | Cat5 (2 Paare) | Cat5e (4 Paare) |
| Adernpaare genutzt | 2 | 2 | 4 |
| Leitungscodierung | Manchester | 4B5B + MLT-3 | 4D-PAM5 |
| Symboldurchrate | 20 MBaud | 125 MBaud | 125 MBaud/Paar |
| Duplex | Halb/Voll | Halb/Voll | Nur Voll |
| CSMA/CD | Ja (Halbduplex) | Ja (Halbduplex) | Nein |
| Auto-Negotiation | Optional (NWAY) | Ja (Standard) | Ja (Standard) |
| Typischer Einsatz heute | Legacy, IP-Telefone | Ältere Geräte, einfache IoT | Standard für Desktops und Server |
Ausblick: 10-Gigabit-Ethernet und darüber hinaus
Nach Gigabit Ethernet folgten weitere Geschwindigkeitsstufen:
| Standard | Geschwindigkeit | Kupfer (max.) | Glasfaser (max.) |
|---|---|---|---|
| IEEE 802.3an | 10GBASE-T | 100 m (Cat6a) | — |
| IEEE 802.3ae | 10GBASE-SR/LR | — | 300 m / 10 km |
| IEEE 802.3bz | 2.5GBASE-T / 5GBASE-T | 100 m (Cat5e / Cat6) | — |
| IEEE 802.3ba | 40G / 100G | — | je nach Variante |
| IEEE 802.3bs | 200G / 400G | — | je nach Variante |
=
Strukturierte Verkabelung (EN 50173)
Ethernet-Verkabelung in Gebäuden folgt dem Standard EN 50173 (bzw. ISO/IEC 11801):
- Primärverkabelung (Campusbereich)
- Verbindung zwischen Gebäuden – typisch Glasfaser (SMF/MMF)
- Sekundärverkabelung (Gebäudebereich)
- Verbindung zwischen Stockwerk-Verteilern und Gebäudeverteiler – typisch Glasfaser oder Cat6a
- Tertiärverkabelung (Etagenbereich)
- Verbindung vom Etagenverteiler (Patchpanel) zum Anschlussdose – typisch Cat6 / Cat6a, max. 90 m Festverkabelung + 2×5 m Patchkabel = 100 m gesamt
Weiterführende Links
Siehe auch
- IEEE 802 – Übersicht der 802-Standardfamilie
- IEEE 802.11 – WLAN
- IEEE 802.1Q – VLAN-Tagging
- OSI-Modell – Schichtenmodell
- SFP – Small Form-factor Pluggable Transceiver
- Strukturierte Verkabelung – EN 50173 / ISO 11801
- Auto-Negotiation – Automatische Parameteraushandlung