Die Entwicklung von Ethernet-Technologien

Die ausgereifteste und am weitesten verbreitete Netzwerkanwendung ist Ethernet. In den letzten 25 Jahren hat sich Ethernet trotz starker Konkurrenz durch modernere Netzwerkarchitekturen stark entwickelt. Allein in den letzten 10 Jahren wurde Ethernet aktualisiert und unterstützt nun Geschwindigkeiten von 100 Mbit/s, 1 Gbit/s (ca. 1000 Mbit/s) und 10 Gbit/s. Derzeit werden 40- und 100-Gigabit-Ethernet im IEEE 802.3b-Komitee standardisiert. 40- und 100-Gigabit-Ethernet werden über Glasfaser ab 100 Metern eingesetzt, und die Forschung schreitet voran, um es über UTP für Entfernungen von bis zu 10 Metern verfügbar zu machen. Dieser Artikel vermittelt Wissenswertes über die Entwicklung von Ethernet-Technologien.

10-Mbit/s-Ethernet-Systeme

Der erste Ethernet-Standard (Ethernet II) arbeitete mit einer Geschwindigkeit von 10 Mbit/s. Im Folgenden wird die damals eingesetzte Technologie beschrieben.

10Base-5

Die früheste Version von Ethernet lief über ein starres Koaxialkabel, das als Standard-Ethernet-Kabel bezeichnet wurde, aber allgemein als Thicknet bekannt war. Thicknet war zwar schwierig zu handhaben (da es nicht sehr flexibel war und sich nur schwer installieren und Knoten anschließen ließ), aber es war zuverlässig und hatte eine nutzbare Kabellänge von 500 Metern. 10Base-5-Systeme sind noch in älteren Installationen zu finden, typischerweise als Backbone-Kabel, aber es gibt heute praktisch keinen Grund mehr, ein neues 10Base-5-System zu installieren.

10Base-T 

10Base-T steht für 10 Mbit/s Ethernet über ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel. Die maximale Kabellänge (Netzwerkgerät zu Netzwerkkarte) beträgt 100 Meter. 10Base-T-Ethernet ist heute weniger verbreitet und wurde von 100Base-T abgelöst. Obwohl 10Base-T nur zwei Paare eines vieradrigen Kabels verwendet, sollten alle acht Pins für zukünftige Upgrades oder andere Netzwerkarchitekturen korrekt angeschlossen werden.

10Base-F 

Spezifikationen für die Nutzung von Ethernet über  Glasfaserkabel  gab es bereits Anfang der 1980er Jahre. Ursprünglich wurde Glasfaserkabel lediglich zum Verbinden von Repeatern verwendet, deren Abstand die Entfernungsbeschränkungen von Thicknet-Kabeln überschritt. Die ursprüngliche Spezifikation hieß Fiber-Optic Inter-Repeater Link (FOIRL) und beschrieb die Verbindung zweier Repeater mit Glasfaserkabeln von bis zu 1.000 Metern (3.280 Fuß). Die Kosten für Glasfaser-Repeater und Glasfaserkabel sanken in den 1980er Jahren erheblich und der direkte Anschluss einzelner Computer an den Hub über Glasfaserkabel wurde üblicher. Ursprünglich war die FOIRL-Spezifikation nicht für einzelne Computer gedacht, daher entwickelte das IEEE eine Reihe von Spezifikationen für Glasfasermedien. Diese Spezifikationen werden zusammen als 10Base-F bezeichnet. Heutzutage werden Glasfasern bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten kaum noch verwendet.

10Base-2 

10Base-2 eignet sich nach wie vor hervorragend, um eine kleine Anzahl von Computern in einem kleinen physischen Bereich wie einem Heimbüro, einem Klassenzimmer oder einem Labor miteinander zu verbinden. Das 10Base-2-Ethernet verwendet dünne Koaxialkabel (RG-58/U oder RG-58 A/U), um Computer miteinander zu verbinden. Dieses dünne Koaxialkabel wird auch als Thinnet bezeichnet.

100-Mbit/s-Ethernet-Systeme

Die 100-Mbit/s-Version von 802.3 Ethernet spezifiziert eine Reihe verschiedener Methoden zur Verkabelung eines Fast-Ethernet-Systems, darunter 100Base-TX, 100Base-T4 und 100Base-FX.

100Base-TX 

Die 100Base-TX-Spezifikation verwendet von ANSI entwickelte Spezifikationen für physikalische Medien, die ursprünglich für FDDI (ANSI-Spezifikation X3T9.5) definiert und für Twisted-Pair-Kabel angepasst wurden . 100Base-TX erfordert Kabel der Kategorie 5e oder höher, nutzt aber nur zwei der vier Paare. Die achtpolige Modularbuchse (RJ-45) verwendet dieselben Pin-Nummern wie 10Base-T-Ethernet.

100Base-T4

Die 100Base-T4-Spezifikation wurde als Teil der 100Base-T-Spezifikation entwickelt, damit bestehende Systeme der Kategorie 3 auch Fast Ethernet unterstützen können. Die Entwickler erreichen einen Datendurchsatz von 100 Mbit/s auf Kategorie-3-Kabeln durch die Nutzung aller vier Adernpaare; 100Base-T4 erfordert mindestens Kabel der Kategorie 3. Diese Anforderung erleichtert die Migration zur 100-Mbit/s-Technologie.

100Base-FX 

Wie sein Kupfer-Cousin 100Base-TX verwendet 100Base-FX eine von ANSI für FDDI entwickelte Spezifikation für physikalische Medien. Die 100Base-FX-Spezifikation wurde entwickelt, um die Nutzung von 100-Mbit/s-Ethernet über Glasfaserkabel zu ermöglichen. Obwohl die Verkabelung sternförmig aufgebaut ist, handelt es sich bei 100Base-FX um eine Busarchitektur.

Gigabit-Ethernet (1000 Mbit/s)

1000-Mbit/s-Ethernet wurde nur über Glasfaserkabel unterstützt. Die Spezifikation IEEE 802.3z umfasste die Unterstützung von drei Physical-Media-Optionen (PHYs), die jeweils für unterschiedliche Entfernungen und Kommunikationsarten ausgelegt waren:

1000Base-SX

1000Base-SX ist auf Intra-Building-Backbones und horizontale Verkabelungsanwendungen wie Workstations und andere Netzwerkknoten ausgerichtet und für den Einsatz mit Multimode-Glasfaserkabeln mit einer Wellenlänge von 850 nm ausgelegt.

1000Base-LX

1000Base-LX wurde für die Unterstützung von Backbone-Verkabelungen wie beispielsweise Campus-Backbones zwischen Gebäuden entwickelt und ist für Singlemode-Glasfaserkabel bei 1310 nm vorgesehen. Multimode-Glasfasern können jedoch für kurze Backbones zwischen Gebäuden und Verkabelungsanwendungen innerhalb von Gebäuden verwendet werden.

1000Base-CX

Diese Spezifikation wurde für die Verbindung von Geräteclustern entwickelt und verwendet 150-Ohm-STP-Kabel, ähnlich wie IBM Typ 1-Kabel, über Entfernungen von maximal 25 Metern. Bei der Verkabelung für Gigabit-Ethernet mit Glasfaser sollten Sie die ANSI/TIA-568-C-Standards für 62,5/125 Mikron oder 50/125 Mikron Multimode-Glasfaser für die horizontale Verkabelung und 8,3/125 Mikron Singlemode-Glasfaser für die Backbone-Verkabelung einhalten. Siehe Tabelle 6 in Anhang D in ANSI/TIA-568-C.0.

1000Base-T

Gigabit-Ethernet über UTP-Kabel der Kategorie 5 oder höher, sofern die Installation die Leistungstests gemäß ANSI/TIA/EIA-568-B bestanden hat. Die maximale Entfernung zwischen Geräteanschluss und Switch beträgt 100 Meter. Das IEEE entwickelte 1000Base-T mit der Absicht, Gigabit-Ethernet für Desktop-Computer zu unterstützen. Eines der wichtigsten Entwicklungsziele war die Unterstützung der bestehenden Verkabelung der Kategorie 5 .

10 Gigabit Ethernet (10.000 Mbit/s)

Das IEEE hat im Juni 2002 die erste Gigabit-Ethernet-Spezifikation verabschiedet: IEEE 802.3ae. Sie definiert eine Ethernet-Version mit einer nominalen Datenrate von 10 Gbit/s. Im Laufe der Jahre wurden die folgenden 802.3-Standards für 10GbE veröffentlicht: 802.3ae-2002 (Glasfaser-PMDs (Physical Media Dependent Devices) -SR, -LR, -ER und -LX4), 802.3ak-2004 (CX4-Kupferkabel (Twin-Ax InfiniBand), 802.3an-2006 (10GBASE-T-Kupfer-Twisted Pair), 802.3ap-2007 (Kupfer-Backplane-PMDs (KR und -KX4)) und 802.3aq-2006 (LRM über herkömmliche Multimode-Glasfaser-PMDs (LRM) mit elektronischer Dispersionskompensation (EDC). Die Änderungen 802.3ae-2002 und 802.3ak-2004 wurden im Standard IEEE 802.3-2005 zusammengefasst. IEEE 802.3-2005 und die anderen Änderungen wurden im Standard IEEE 802.3-2008 zusammengefasst. In der Gebäudeumgebung wird 10-Gigabit-Ethernet hauptsächlich in Speicherservern von Rechenzentren, Hochleistungsservern und in einigen Fällen für gebäudeinterne Backbones verwendet. Es kann für die direkte Verbindung zum Desktop verwendet werden.

10GBASE-SR

10GBASE-SR (kurze Reichweite) verwendet 850-nm-VCSEL-Laser über Multimode-Fasern. Niedrigbandbreite 62,5/125 Mikron (OM1) und 50/125 Mikron (OM2) Multimode-Fasern unterstützen begrenzte Entfernungen von 33 bis 82 Metern. Um 300 Meter zu unterstützen, hat die Glasfaserindustrie eine höherbandige Version der 50/125 Mikron-Faser entwickelt, die für den Einsatz bei 850 nm optimiert ist.

10GBASE-LR 

10GBASE-LR (Long Range) nutzt 1310-nm-Laser für die Übertragung über Singlemode-Glasfasern bis zu 10 Kilometer. Fabry-Pérot-Laser werden häufig in optischen 10GBASE-LR-Modulen eingesetzt. Fabry-Pérot-Laser sind teurer als 850-nm-VCSELs, da sie Präzision und Toleranzen erfordern, um auf sehr kleine Singlemode-Kerndurchmesser (8,3 Mikrometer) zu fokussieren. 10GBASE-LR-Ports werden typischerweise für die Fernkommunikation verwendet.

10GBASE-LX4

10GBASE-LX4 nutzt grobes Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM), um 300 Meter über standardmäßige Multimode-Glasfaserkabel mit geringer Bandbreite von 62,5/125 Mikron (OM1) und 50/125 Mikron (OM2) zu unterstützen. Dies wird durch den Einsatz von vier separaten Laserquellen erreicht, die bei 3,125 Gbit/s im Bereich von 1300 nm auf einzigartigen Wellenlängen arbeiten. Dieser Standard unterstützt auch 10 Kilometer über Singlemode-Glasfaser. 10GBASE-LX4 wird verwendet, um sowohl Standard-Multimode- als auch Singlemode-Glasfaser mit einem einzigen optischen Modul zu unterstützen. Bei Verwendung mit Standard-Multimode-Glasfaser ist ein teures Patchkabel zur Moduskonditionierung erforderlich. Das Patchkabel zur Moduskonditionierung ist ein kurzes Stück Singlemode-Glasfaser, das so mit der Multimode-Glasfaser verbunden wird, dass der Strahl vom zentralen Defekt in der herkömmlichen Multimode-Glasfaser weg bewegt wird. Da 10GBASE-LX4 vier Laser verwendet, ist es teurer und größer als 10GBASE-LR. Um den Platzbedarf von 10GBASE-LX4 zu verringern, wurde 2006 ein neues Modul, 10GBASE-LRM, standardisiert.

10GBASE-LRM

10GBASE-LRM (Long Reach Multimode) unterstützt Entfernungen von bis zu 220 Metern bei Standard-Low-Bandbreiten von 62,5/125 Mikron (OM1) und 50/125 Mikron (OM2) mit einem 1310-nm-Laser. Bei Verwendung von Standard-Glasfasern kann zudem ein teures Mode-Conditioning-Patchkabel erforderlich sein. Die Reichweite von 10GBASE-LRM ist nicht ganz so groß wie die des älteren 10GBASE-LX4-Standards. Es besteht jedoch die Hoffnung, dass 10GBASE-LRM-Module kostengünstiger und stromsparender sein werden als 10GBASE-LX4-Module. (Sie werden jedoch immer noch teurer sein als 10GBASE-SR.)

10GBASE-T

10GBASE-T unterstützt 10 Gbit/s über abgeschirmte Twisted-Pair-Kabel der Kategorie 6A UTP oder der Kategorie 7 (gemäß ISO/IEC 11801Ed. 2) über Entfernungen von bis zu 100 Metern. Kategorie 5e wird aufgrund seiner begrenzten Bandbreite nur über deutlich geringere Entfernungen unterstützt. Bei der Installation von Kabeln der Kategorie 6A ist besondere Sorgfalt geboten, um die Signalleistung durch Fremdkopplung zu minimieren.

40 und 100 Gigabit Ethernet

100-Gigabit-Ethernet (100GbE) und 40-Gigabit-Ethernet (40GbE) sind Computernetzwerktechnologien zur Übertragung von Ethernet-Frames mit Geschwindigkeiten von 100 bzw. 40 Gigabit pro Sekunde. Die Technologie wurde erstmals im Standard IEEE 802.3ba-2010 definiert. Sie wird über OM3 50/125 Multimode-Glasfaser über 100–200 Meter eingesetzt. Derzeit wird daran geforscht, sie über UTP für Entfernungen von bis zu 10 Metern verfügbar zu machen. Dies könnte der Geschwindigkeitspunkt sein, an dem eine Massenumstellung von Kupfer- auf Glasfasersysteme erfolgt.

Abschluss

Ethernet hat sich zur einheitlichen Technologie entwickelt, die die Kommunikation über das Internet und andere IP-basierte Netzwerke ermöglicht. Seine Popularität hat zu einem komplexen Ökosystem zwischen Carrier-Netzwerken, Rechenzentren, Unternehmensnetzwerken und Verbrauchern geführt, in dem eine symbiotische Beziehung zwischen den verschiedenen Teilen besteht. Obwohl die verschiedenen Anwendungen im Ethernet-Ökosystem symbiotisch sind, wachsen sie unterschiedlich schnell: Server- und Computeranwendungen wachsen langsamer als Netzwerkaggregationsanwendungen. Diese unterschiedlichen Wachstumsraten führten zur Einführung zweier höherer Geschwindigkeiten für die nächste Ethernet-Generation: 40-Gigabit-Ethernet für Server- und Computeranwendungen und 100-Gigabit-Ethernet für Netzwerkaggregationsanwendungen. Dadurch kann sich Ethernet mit seinen bewährten niedrigen Kosten, seiner bekannten Zuverlässigkeit und Einfachheit weiterentwickeln und zur allgegenwärtigen Verbindung für den Datenverkehr im Internet werden.

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