Ethernet: So funktioniert kabelgebundene Datenübertragung

Ethernet – dieses Wort taucht im Zusammenhang mit Vernetzung, Datenübertragung und dem Internet immer wieder auf. Doch was steckt eigentlich hinter dem Begriff und welcher Zusammenhang besteht zu LAN-Kabeln, Switches und WLAN? Wir erklären, was der Standard für kabelgebundene Datenübertragung in geschlossenen Netzwerken bedeutet, wie ein Ethernet-Anschluss aufgebaut ist und welche Kabelarten es für die Verbindung gibt.

Das Internet, wie wir es heute kennen, wäre ohne Ethernet-Verbindungen kaum denkbar. Zwar laufen immer mehr Internetverbindungen mobil ab, im Grunde aber findet die gesamte Datenübertragung in Serverfarmen, Büronetzwerken und vielen Heimumgebungen über sogenannte Ethernet- beziehungsweise LAN-Kabel statt. Für weitere Strecken wiederum kommen heutzutage fast ausschließlich Glasfaserkabel mit sehr hohen Übertragungsraten zum Einsatz.

Wir geben Ihnen einen Überblick über die Funktionsweise und die verschiedenen Übertragungsraten im Ethernet-Bereich – von Netzwerken in Büros bis in die Industrie.

Ethernet – was ist das eigentlich?

Die zugrunde liegende Technologie für Ethernet-Verbindungen zwischen Computern stammt von Robert Melancton Metcalfe, der diese 1973 am Xerox Palo Alto Research Center in den USA entwickelt und skizziert hat. Obwohl der Name „Ethernet” in Anlehnung an den „Äther” eine Funkübertragung vermuten lässt und es tatsächlich auf dem drahtlosen „ALOHAnet” (eine Pionierarbeit der Universität von Hawaii) basiert, ist das Ethernet eine Bezeichnung für rein kabelgebundene Datennetzwerke.

Über die Jahre entwickelte man die Übertragungstechnologie im Ethernet fortlaufend weiter. Damit stiegen die Datenübertragungsraten von etwa drei Megabit pro Sekunde zu Beginn auf theoretisch bis zu 400 Gigabit pro Sekunde (Stand: 2023). Sie kommt vorwiegend in lokalen Netzwerken (LAN) zum Einsatz, dient teilweise aber auch für den Datentransport im Wide Area Network (WAN) und inzwischen auch für industrielle Echtzeit-Anwendungen.

Das heutige Ethernet basiert dennoch nach wie vor auf den Prinzipien, die zunächst als IEEE 802.1, dann als IEEE 802.2 und heute im IEEE 802.3-Standard definiert sind. IEEE steht hierbei für das „Institute of Electrical and Electronics Engineers”, einen weltweiten Berufsverband von Elektrotechnik- und Informationstechnik-Ingenieuren mit Sitz in New York und Piscataway, New Jersey, USA.

Ethernet-Verbindungen ab 1.000 Megabit pro Sekunde bezeichnet man als Gigabit-Ethernet, darunter und ab zehn Megabit pro Sekunde als Fast Ethernet. Bei Übertragungsraten von mehr als 100 Gigabit pro Sekunde wiederum spricht man von Terabit-Ethernet.

 

Die Vorteile der Ethernet-Verbindung

Anfang des 21. Jahrhunderts kamen zunehmend Drahtlosnetzwerke, also sogenannte WLANs (Wireless Local Area Networks), zum Einsatz. In diesem Zusammenhang sagten viele Expert:innen bereits das Ende der bis dato üblichen Ethernet-Verkabelung voraus. Doch das Gegenteil ist der Fall: Via WLAN lassen sich zwar theoretisch jede Menge Geräte drahtlos mit einem zentralen Knotenpunkt verbinden, doch in der Praxis funktioniert das nicht immer reibungslos.

Das Problem bei WLAN: Innerhalb von Wohn- oder Bürohäusern konkurrieren häufig mehrere WLAN-Router um dieselben Frequenzen. Außerdem können andere Geräte in der Umgebung für Störungen sorgen: Mikrowellen, Garagenöffner, Funklautsprecher und so weiter.

Das kabelgebundene Ethernet ist hingegen dank ineinander verdrillter Adernpaare und einem zusätzlichen Schutzmantel gegen derartige Einflüsse besser geschützt. Erst der schnelle Mobilfunkstandard 5G ist – auch, aber nicht nur dank deutlich höherer Übertragungsfrequenzen – in der Lage, die typischen Schwachstellen von WLANs sinnvoll zu adressieren und beispielsweise sehr geringe Latenzzeiten (also Verzögerungszeiten beim Datentransport) zu garantieren.

Ethernet ist und bleibt also weiterhin der de-facto-Standard bei der Vernetzung von Computern, Druckern und anderen Geräten. Er ist

  • besonders störungsresistent
  • ermöglicht niedrige Bandbreiten und Latenzzeiten
  • und gewährleistet schnelle Datenübertragungen.

Über Ethernet können Sie somit störungsfreie Übertragungsraten von mehreren Gigabit pro Sekunde auch über weitere Strecken hinweg erreichen. Bei WLAN ist die mögliche Übertragungsgeschwindigkeit sowohl in der Theorie als auch in der Praxis deutlich geringer.

Darüber hinaus steht jedem angeschlossenen Gerät die volle Bandbreite gemäß des verwendeten Standards bis zum nächsten Knotenpunkt (beispielsweise einem Switch) zur Verfügung und wird nicht geteilt. Im Vergleich zu WLAN ist Ethernet obendrein weitgehend abhörsicher, was besonders bei unverschlüsselten WLANs nicht der Fall ist.

Ein weiterer Vorteil: Über konventionelle Ethernet-Kabel (mit Kupferadern, siehe unten) können Sie sogar Telefone mit Strom versorgen. Wie das geht, verraten wir Ihnen in unserem separaten Ratgeber zu Power-over-Ethernet (PoE).

Welche Nachteile hat eine Ethernet-Verkabelung?

Wo Licht ist, ist fast immer auch Schatten: Eine Ethernet-Verkabelung zu realisieren, kann sehr aufwändig sein. Unter Umständen müssen Sie dafür Wände durchbohren, Kabel verlegen und Switches zur Verteilung der Netzwerkdaten einsetzen. Die benötigte Länge an Ethernet-Kabel in einem Unternehmensgebäude kann außerdem schnell mehrere hundert Meter oder gar Kilometer betragen.

Insgesamt ist ein Ethernet-Netzwerk also deutlich starrer, was die Flexibilität angeht und in der Anschaffung teurer als beispielsweise eine WLAN-Verkabelung oder ein 5G-Campusnetz. Hinzu kommt, dass beispielsweise Smartphones, Tablets und manche Notebooks nicht zwingend über einen kabelgebundenen Ethernet-Anschluss verfügen. Daher setzen Netzwerklösungen in Büros häufig auf eine Kombination aus Ethernet-Verkabelung und WLAN-Zugriffspunkten.

 

Diese Arten von Ethernet-Kabeln gibt es

Grundsätzlich unterscheidet man drei Kabelarten für die Übertragung:

  • Ethernet über Koaxialkabel („Token-Ring”, „BNC”) – heute kaum noch verwendet
  • Ethernet über achtadrige Kupferkabel (auch als LAN-Kabel, CAT-Kabel oder RJ-45-Kabel bekannt)
  • Ethernet über optische Glasfaserkabel

Die bekannten, achtadrigen LAN-Kupferkabel mit RJ-45-Steckern übertragen die Daten über sogenannte verdrillte Adernpaare (sogenannte „Twisted-Pair-Leitungen”), die normalerweise von einer Ummantelung aus Aluminium und Kunststoff geschützt sind. Dies gewährleistet neben einer hohen Datenübertragungsrate gleichzeitig minimale Übertragungsverluste und Schutz gegen äußere Störeinflüsse. Die einzelnen Adern des Kabels haben üblicherweise einen Durchmesser von 0,4 oder 0,6 Millimetern.

Ein Glasfaserkabel wiederum besteht aus einem inneren Kern und einem Mantel aus Quarzglas oder polymeren optischen Fasern. Auch diese Kabelart ist mit Kunststoff ummantelt und gegebenenfalls mechanisch verstärkt. Im Zentrum des Kabels findet die Lichtführung statt, während der Mantel vor allem dazu dient, das Kabel biegen zu können, ohne dass das Lichtsignal unterbrochen wird.

Die einzelnen Klassen der Ethernet-Kabel

Je nach Verlegeart, Kabellänge und Qualität unterteilt man Ethernet-Kabel in verschiedene Kategorien („Cat-”X). Auf Basis dieser Kabelart(en) erfolgt auch die Benennung: Hierbei steht vorne immer die maximale Übertragungsgeschwindigkeit, gefolgt vom Wort „Base”-X für „Basisband”, also der Übertragungstechnik, sowie einem Buchstaben für die Kabelart:

  • Cat-1- bis Cat-4-Kabel (10Base2, 10Base5 und 10Base-T): Netzwerke auf Basis dieser Kabelart verwenden herkömmliche, relativ dünne Ethernet-Kabel, die obendrein meist ungeschirmt sind („Unshielded Twisted Pair”, UTP). Sie kamen vorwiegend bei herkömmlichen ISDN-Telefonen zum Einsatz und sind gewöhnlich nicht mehr im Einsatz. Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt bis zu 100 Megabit pro Sekunde über kurze Entfernungen hinweg. Eigentlich ist diese Kabelart aber für nicht mehr als zehn Megabit pro Sekunde im dauerhaften Einsatz konzipiert.
  • CAT-5-/5e-Kabel (100Base-T, 1000Base-T): Diese Kabelart ermöglicht höhere Datenübertragungsraten von bis zu einem Gigabit pro Sekunde. Während Cat-5e-Kabel immer bis zu 1.000 Megabit (ein Gigabit) pro Sekunde (auf Strecken unter 45 Metern auch mehr) übertragen können, schaffen Cat-5-Kabel dies nicht in allen Fällen und sollten vor entsprechender Verwendung überprüft werden.
  • Cat-6(A)-Kabel (1000Base-T und 10GBase-T): Diese Kabel ermöglichen eine Datenrate von zehn Gigabit pro Sekunde über eine Strecke von bis zu 100 Metern. Sie sind häufig bei bestehenden Gebäudeinstallationen und zwischen Knotenpunkten verlegt, werden aber mehr und mehr durch Glasfaserkabel abgelöst.
  • Cat-7- und Cat-8-Kabel (1000Base-T und 10GBase-T): Diese Kabel sind für noch höhere Übertragungsraten ausgelegt. Mit ihnen sind (im Falle von Cat-8) Übertragungsraten von 40 Gigabit pro Sekunde und mehr möglich. Dies lässt sich durch die separate Abschirmung jedes einzelnen Adernpaars anstatt „nur” des gesamten Kabels erreichen.
  • Glasfaser (1000Base-FX, SX und LX sowie 10GBase-SR, SW, LR, LW, ER, EW und LX4): Die derzeit modernste Art der Datenübertragung basiert nicht auf elektrischen, sondern auf Lichtimpulsen. Sie bewegen sich durch ein flexibles Kabel aus Glasfaser, basierend auf Quarzglas. Dadurch sind nahezu verlustfreie Datenübertragungen von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde und pro Farbe bei geringer Störanfälligkeit über mehrere Kilometer Entfernung hinweg möglich.

Die Verbindung der jeweiligen Kabel erfolgt über genormte Steckverbinder mit den passenden Ports am Router, Wand- oder Bodenauslass oder am zugehörigen Datenverarbeitungsgerät. Dabei hat sich der Kabelstandard in Bezug auf den Ort teilweise verändert: Früher fanden sich zum Beispiel in Büroumgebungen Cat-4- oder Cat-5-Verbindungen, heute sind dort mindestens Cat-6 oder Cat-7, oder sogar Glasfaserleitungen der Standard.

Im Büro und im Heimbereich liegt die maximale interne Übertragungsrate normalerweise bei bis zu einem Gigabit pro Sekunde – was für die meisten aktuellen Anwendungen dort ausreichen dürfte. Der eigentliche „Flaschenhals” bei der Datenübertragung in Gigabit-Netzwerken sind häufig nicht die verwendeten Ethernet-Kabel, sondern die Geschwindigkeit der beteiligten Rechner, speziell die der eingebauten Festplatte(n). Auch die Switches, die mehrere Gigabit-Ports gleichzeitig versorgen, können die tatsächlich erreichte Geschwindigkeit mindern.

Welche Voraussetzungen muss ein Ethernet-Netzwerk erfüllen und was benötigen Sie dafür?

Wenn Sie ein Ethernet-Netzwerk „aus dem Nichts” aufbauen oder eine vorhandene, veraltete Büroverkabelung modernisieren wollen, können Sie sich ganz auf die Vodafone-Netzwerkspezialist:innen verlassen. Diese helfen Ihnen, was die Planung, die Installation und die Inbetriebnahme Ihres hausinternen Ethernet-Netzwerks oder sogar eines standortübergreifenden Firmennetzwerks mit Unterstützung durch MPLS und SD-WAN angeht.

Ansonsten benötigen Sie neben einem Verlegeplan für Ihr Netzwerk unter anderem Folgendes:

  • eine ausreichende Menge an Verlegekabel, am besten CAT-6 oder höher für die Gebäudeinstallation (alternativ auch Glasfaser)
  • eine entsprechende Anzahl fertig konfektionierter Cat-5e-Kabel für die Verbindung zwischen der Hausinstallation und dem eigentlichen Computer oder Gerät
  • eine Bohrmaschine mit Aufsatz für Wanddurchbrüche (Brandschutz beachten!)
  • eines oder mehrere Patch-Panels in einem Anschlussraum und/oder Ihrem Serverraum, an dem die Gebäudeinstallation anliegt und mit Portnummern versehen ist
  • eine passende Anzahl von Gigabit-Switches, passend zu der verlegten Kabelart pro Etage oder Bereich
  • eine entsprechende Anzahl an Bodentanks oder Wanddosen für die Aufnahme von Ethernet-Ports
  • ein passendes Crimp-Set, um Kabel abzulängen und mit Ethernet- oder Glasfaser-Steckern zu versehen

Was nach viel Arbeit klingt, ist in der Praxis je nach Umfang der Installation und Besonderheiten vor Ort von Profis innerhalb weniger Tage erledigt. Anschließend verfügen Sie über ein eigenes, hausinternes Ethernet-Netzwerk, das Sie anschließend softwareseitig gegenüber dem öffentlichen Internet abschirmen können und sollten.

Wie ist ein Ethernet-Paket aufgebaut?

Unabhängig von der zugrunde liegenden Kabelart (Glasfaser, Kupferkabel, oder (veraltet): Koaxialkabel) müssen die Ethernet-Verbindungen Daten in standardisierter Form durch die Leitungen schicken. Alle beteiligten Sender und Empfänger (dazu gehören auch Drucker und andere Geräte) sollen mit den Informationen etwas anfangen können und die übrigen Geräte nicht stören.

Die eigentlichen Daten werden daher in kleineren „Portionen” mit Hilfe sogenannter Ethernet-Frames in etwas größere Ethernet-Pakete „eingepackt” und dann auf die Reise geschickt. Grund dafür ist unter anderem, dass die Datenübertragung in kleineren Portionen weniger fehleranfällig ist. Bei einer Störung ist nicht gleich das gesamte Datenpaket betroffen, sondern nur eine kleine Teilzahl von klar eingegrenzten Paketen.

Außerdem lässt sich nur auf diese Art wie oben beschrieben ein „fairer” Zugriff auf das gemeinsame Medium sicherstellen. Wäre dies nicht der Fall, würde ein Rechner, der riesige Datenmengen verschickt, für die Dauer dieses Sendevorgangs einen Großteil des Ethernet-Netzwerks blockieren. Anderen Computer könnten dann weder etwas versenden noch empfangen.

Wie ein solches Ethernet-Paket grundsätzlich aufgebaut ist, zeigt die folgende Darstellung (die Hexadezimalzahlen in den einzelnen Datenfeldern des Pakets dienen nur der Veranschaulichung):

 

Ausklappbare Informationsgrafik

 

Das Bild zeigt den Paketaufbau auf Grundlage des aktuellen Ethernet-II- und IEEE-802.3-Standards. Dieser Standard steht inzwischen synonym für den Begriff Ethernet, da Ethernet-I schon seit Längerem überholt ist.

Die Ethernet-Pakete verfügen jeweils über einen einheitlichen Aufbau: Sie haben eine bestimmte Größe und beinhalten neben den eigentlichen Daten auch eine Prüfsumme sowie die Start- und Zieladresse des Pakets in Form von sogenannten MAC-Adressen. Hierbei handelt es sich um die sechs Byte langen und weltweit eindeutigen Adressen der Quell- und Zielrechner, die an der Kommunikation beteiligt sind. Im Unterschied zu den dynamisch vergebenen IP-Adressen liegt den MAC-Adressen jeweils eine bestimmte Netzwerkkarte zugrunde, deren Hardware-Adresse zumindest in der Theorie nicht änderbar ist.

Über die Informationen, die gemäß der Abbildung im Sektor „VLAN” (Virtual Local Area Network) enthalten sind, können Geräte innerhalb eines virtuellen Subnetzes separat adressiert werden. In größeren Netzwerkstrukturen verbessern solche Subnetze die Performance, da die Grundlast des Datenaustausches zwischen den vernetzten Geräten auf das VLAN beschränkt bleibt.

Weitere Bereiche des Ethernet-Pakets enthalten Informationen zur Netzwerkart und zur Art der Daten – etwa Protokolldaten oder Nutzdaten – und schließlich die eigentlichen Daten im Umfang von bis zu 1.500 Byte. Das PAD-Feld (wie „Padding”, also „Auffüllen”) ist variabel und dient nur dazu, den eingebetteten Ethernet-Frame auf die erforderliche Minimalgröße von 64 Bit zu bringen. Anschließend enthält das Paket noch die sogenannte CRC („Cyclic Redundancy Check”)-Prüfsumme, welche die Datenübertragung selbst kontrolliert.

Ein Ethernet-Paket gilt erst dann als vollständig zugestellt, wenn es komplett empfangen wurde und die mitgeschickte Prüfsumme korrekt ist. Ist das nicht der Fall, könnten beispielsweise Signalstörungen die Daten unterwegs verfälscht haben. In dem Fall erfolgt die Sendung des Ethernet-Pakets erneut.

Sogenannte Switches sorgen im Ethernet dafür, dass die Pakete jeweils an den passenden Zielports landen. Somit erfolgt kein unnötiger Datenverkehr mit Rechnern, die gar keine Daten erwarten. Die heute üblichen Full-Duplex-Switches sind in der Lage, Pakete gleichzeitig zu senden und zu empfangen. Das hat die Datenübertragungsrate deutlich verbessert.

CSMA/CD: So funktioniert die Ethernet-Datenübertragung „kollisionsfrei”

Es handelt sich bei Ethernet um eine paketorientierte Übertragungstechnik. Jedes zu übertragende Paket erhält für eine gewisse Zeit eine Reservierung innerhalb des Mediums.

In Netzwerken kommunizieren allerdings mehrere Geräte, wie beispielsweise Computer, Drucker und Smart-TVs, gleichzeitig miteinander und tauschen Pakete aus. Aus diesem Grund ist eine Zugriffskontrolle auf das physische Medium für die Datenübertragung, also das LAN-Kabel an sich, notwendig. Diese ist auch unter dem Namen „Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection” (CSMA/CD) bekannt.

Hierbei „wartet” das Sendemedium zunächst eine „freie” Zeitspanne ab, um mit der Übertragung zu beginnen und reserviert sich dann das Medium. Versuchen zwei Geräte gleichzeitig, die Übertragung zu beginnen, warten sie jeweils eine zufällige Zeitspanne ab und beginnen dann erneut mit der Übertragung. Paketüberlagerungen im Kabel und damit Fehlübertragungen bleiben damit aus.

 

Klassisches Ethernet und Industrial Ethernet – Gemeinsamkeiten und Unterschiede

Wo Maschinen und Anlagen miteinander vernetzt sind, kommt es häufig auf garantierte, maximale Latenzzeiten an. Hier ist Ethernet gegenüber (bisherigen) drahtlosen Standards zwar grundsätzlich im Vorteil – tatsächliche Garantien für bestimmte Netzwerkeigenschaften gibt es jedoch nur, wenn ein sogenanntes Bussystem oder eine Ringverkabelung mit speziellen Protokollen zum Einsatz kommen. Solche speziellen Anforderungen sind im Standard-Büro-Netzwerk normalerweise kein Thema – im Bereich der Robotersteuerung oder etwa der Tele-Chirurgie können sie hingegen von entscheidender Bedeutung sein.

Die oben beschriebene CSMA/CD-Kollisionserkennung als Teil des Ethernet-Standards sorgt normalerweise dafür, dass Datenpakete nur dann übertragen werden, wenn der benötigte Leitungsabschnitt „frei” ist. So entstehen in der Praxis Verzögerungszeiten von meist unter zehn Millisekunden. Dennoch kann es vorkommen, dass „Datenstaus” entstehen – was bei industriellen Anwendungen ein Problem sein kann.

Aus diesem Grund wurde der Ethernet-Standard nach und nach um (teils nicht standardisierte) Anforderungen in der Industrie erweitert. Zu ihnen zählen beispielsweise:

  • Garantierte Paketübertragung innerhalb einer bestimmten Zeit
  • Garantierte Netzwerk-Bandbreiten
  • Hohe Störsicherheit gegenüber elektromagnetischen Feldern
  • Erweiterter Betriebstemperaturbereich
  • Höhere IP-Schutzklasse bei den Steckverbindungen, beispielsweise in feuchten, öligen oder sterilen Umgebungen
  • Schnelle Störungserkennung und Absicherung von Bauteilen durch potentialfreie Meldekontakte
  • Feldbusbasierter Sensoren- und Aktorenanschluss zur Vermeidung von Datenkollisionen

Um diesen Anforderungen zu erfüllen, gibt es besondere Hardware-Komponenten wie sogenannte „Industrial Ethernet Hubs”, die passend abgeschirmt sind. Außerdem gibt es spezielle, staub- und spritzwassergeschützte RJ45-Stecker und echtzeitfähige Protokolle auf IP-Basis wie SERCOS III, Profinet, Powerlink und EtherCAT. Des Weiteren kann es notwendig sein, von der üblichen Sternverkabelung (oder Baumverkabelung bei mehreren Netzabschnitten) in Standard-Ethernet-Umgebungen abzuweichen.

Bus- und Ringverkabelung versus Sternverkabelung

Häufig greifen Industrial-Ethernet-Umgebungen auf eine Bus- oder Ringverkabelung zurück. Im Gegensatz zur Sternverkabelung, die von einem zentralen Punkt aus alle Geräte miteinander verbindet, verbinden diese Verkabelungsmethoden die Netzwerkkomponenten entweder über ein spezielles Zentralsystem (den „Feldbus”) oder als Ring hintereinander.

Letztere Art der Verkabelung bietet den entscheidenden Vorteil, dass immer nur ein einzelner Sender und Empfänger bei zusammenhängenden Komponenten die dazwischen liegende Leitung benutzt. Datenpaket-Kollisionen und demzufolge Verzögerungen sind somit praktisch (oder wie der Fachmann sagt: „by design”) ausgeschlossen.

 

Ethernet im Überblick: Das sollten Sie wissen

  • Beim Ethernet handelt es sich um eine kabelgebundene Übertragungstechnologie, die als Standard moderner Netzwerke gilt.
  • Sie findet sich bis heute in den meisten Büro- und Serverinfrastrukturen und ist dort in einer sternförmigen Verkabelung angelegt.
  • Der Ethernet-Standard stammt aus den 1970er-Jahren und hat sich seither kontinuierlich weiterentwickelt.
  • Inzwischen sind dank modernster Glasfasertechnologie Datenübertragungsraten von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde möglich.
  • Gegenüber WLAN punktet Ethernet mit höheren Geschwindigkeiten, mehr Stabilität und größerer Abhörsicherheit.
  • Beim Thema Flexibilität sind hingegen WLAN-Umgebungen, auch in Kombination mit Mobilfunk, im Vorteil.
  • Der ideale Kompromiss ist meist eine Kombination aus mehreren Technologien.
  • Industrial-Ethernet-Umgebungen greifen häufig auf spezielle Zusatzprotokolle, besonders geschützte Bauteile und Sonderformen der Verkabelung wie Bus oder Ring zurück.

Quelle:

https://www.vodafone.de/business/featured/technologie/ethernet-was-ist-das-eigentlich/