Ethernet (IEEE 802.3)
Der weltweite Standard für kabelgebundene Netzwerke
Ethernet (IEEE 802.3)
Ethernet ist der mit Abstand am weitesten verbreitete Standard für kabelgebundene Netzwerke. Von 10 Mbit/s in den 1980ern bis zu 400 Gbit/s heute – Ethernet hat sich ständig weiterentwickelt und ist das Rückgrat des Internets.
IEEE 802.3 – Ethernet
Der Standard für kabelgebundene Local Area Networks (LANs). Definiert die physikalische Übertragung und den Medienzugriff.
1. Geschichte von Ethernet
Robert Metcalfe erfindet Ethernet am Xerox PARC. Die erste Version hatte eine Geschwindigkeit von 2,94 Mbit/s und nutzte ein Koaxialkabel als gemeinsames Medium.
Digital, Intel und Xerox veröffentlichen den "DIX-Standard" (Ethernet II) mit 10 Mbit/s. Dieses Frame-Format wird bis heute verwendet.
IEEE verabschiedet den ersten offiziellen Standard 802.3, der weitgehend mit Ethernet II kompatibel ist. Beginn der weltweiten Verbreitung.
IEEE 802.3u bringt 100 Mbit/s. Verwendet Twisted-Pair-Kabel (Cat5) und ist abwärtskompatibel zu 10 Mbit/s.
IEEE 802.3z definiert Gigabit über Glasfaser, 802.3ab für Kupfer (Cat5e). Standard für moderne Netzwerke.
IEEE 802.3ae bringt 10 Gbit/s – zunächst nur für Glasfaser, später auch für Kupfer (Cat6a/Cat7).
IEEE 802.3ba definiert 40 Gbit/s und 100 Gbit/s für Rechenzentren und Backbones.
IEEE arbeitet an 802.3df für 800 Gbit/s und 1,6 Tbit/s für zukünftige Rechenzentren.
2. Ethernet-Geschwindigkeiten
Ethernet hat sich über 40 Jahre von 10 Mbit/s auf 400 Gbit/s entwickelt – eine Steigerung um den Faktor 40.000!
| Bezeichnung | IEEE-Standard | Geschwindigkeit | Kabeltyp | Einführung |
|---|---|---|---|---|
| Ethernet | 802.3 | 10 Mbit/s | Koaxial, Cat3 | 1983 |
| Fast Ethernet | 802.3u | 100 Mbit/s | Cat5 | 1995 |
| Gigabit Ethernet | 802.3ab | 1000 Mbit/s | Cat5e | 1999 |
| 2.5G/5G Ethernet | 802.3bz | 2,5/5 Gbit/s | Cat5e/Cat6 | 2016 |
| 10 Gigabit Ethernet | 802.3ae | 10 Gbit/s | Cat6a/Cat7, Glasfaser | 2002 |
| 25 Gigabit Ethernet | 802.3by | 25 Gbit/s | Cat8, Glasfaser | 2016 |
| 40 Gigabit Ethernet | 802.3ba | 40 Gbit/s | Glasfaser | 2010 |
| 100 Gigabit Ethernet | 802.3ba | 100 Gbit/s | Glasfaser | 2010 |
| 200 Gigabit Ethernet | 802.3bs | 200 Gbit/s | Glasfaser | 2017 |
| 400 Gigabit Ethernet | 802.3bs | 400 Gbit/s | Glasfaser | 2017 |
3. Kabelkategorien (Twisted Pair)
Die am weitesten verbreiteten Ethernet-Kabel sind Twisted-Pair-Kabel mit RJ45-Steckern. Die Kategorie bestimmt die maximale Geschwindigkeit und Frequenz.
Cat5
Frequenz: 100 MHz
Geschwindigkeit: 100 Mbit/s (Fast Ethernet)
Max. Länge: 100 m
Einsatz: Ältere Netzwerke, veraltet
Cat5e
Frequenz: 100 MHz
Geschwindigkeit: 1 Gbit/s (Gigabit)
Max. Länge: 100 m
Einsatz: Standard für Heimnetzwerke
Cat6
Frequenz: 250 MHz
Geschwindigkeit: 10 Gbit/s (bis 55m)
Max. Länge: 100 m (1 Gbit/s)
Einsatz: Professionelle Netzwerke
Cat6a
Frequenz: 500 MHz
Geschwindigkeit: 10 Gbit/s (100m)
Max. Länge: 100 m
Einsatz: Rechenzentren, 10G-Ethernet
Cat7
Frequenz: 600 MHz
Geschwindigkeit: 10 Gbit/s
Abschirmung: Vollgeschirmt (S/FTP)
Einsatz: Hochsicherheitsbereiche
Cat8
Frequenz: 2000 MHz (2 GHz)
Geschwindigkeit: 25/40 Gbit/s
Max. Länge: 30 m
Einsatz: Rechenzentren, Server-Racks
Glasfaser
Typen: Multimode (OM3/OM4), Singlemode (OS2)
Geschwindigkeit: bis 400 Gbit/s
Max. Länge: 40 km (Singlemode)
Einsatz: Backbones, Rechenzentren
4. MAC-Adressen – Die Hardware-Kennung
Jede Ethernet-Netzwerkkarte hat eine weltweit eindeutige MAC-Adresse (Media Access Control). Sie wird vom Hersteller vergeben und ist 48 Bit lang.
OUI (Hersteller) + NIC-spezifisch
Beispiel: 00:1A:2B steht für Cisco Systems, 3C:4D:5E ist die gerätespezifische Nummer.
OUI (Organizationally Unique Identifier)
Die ersten 24 Bit (3 Bytes) identifizieren den Hersteller. Die IEEE vergibt diese Nummern an Unternehmen.
Beispiele:
00:1A:2B– Cisco Systems00:14:22– Dell Inc.00:1F:29– Apple Inc.00:50:56– VMware
NIC-spezifischer Teil
Die letzten 24 Bit werden vom Hersteller vergeben und sollten weltweit eindeutig sein. In der Praxis wird heute oft randomisiert (Privacy Extensions).
Besondere MAC-Adressen:
FF:FF:FF:FF:FF:FF– Broadcast01:80:C2:00:00:00– STP (Spanning Tree)33:33:00:00:00:01– IPv6 Multicast
5. Vom gemeinsamen Medium zur Vollduplex-Kommunikation
CSMA/CD (historisch)
Bei den ersten Ethernet-Varianten (10Base2, 10Base5) teilten sich alle Geräte ein gemeinsames Kabel (Bus-Topologie).
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection:
- Hören, ob das Medium frei ist
- Senden, wenn frei
- Bei Kollision: Störsignal senden, warten, neu versuchen
Heute durch Switches und Vollduplex ersetzt.
Vollduplex & Switches
Moderne Ethernet-Netzwerke verwenden Switches. Jedes Gerät hat eine dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindung zum Switch.
Vorteile:
- Keine Kollisionen (CSMA/CD nicht mehr nötig)
- Gleichzeitiges Senden und Empfangen (Vollduplex)
- Höhere Effizienz
- Geringere Latenz
6. Ethernet-Frame (Aufbau)
Ein Ethernet-Frame verpackt die Daten für die Übertragung. Das Format hat sich über die Jahre kaum verändert.
Ethernet II Frame (heute am häufigsten)
│ Präambel │ Ziel-MAC │ Quell-MAC │ Typ │ Daten │ FCS │
│ 8 Bytes │ 6 Bytes │ 6 Bytes │ 2 Bytes │ 46-1500 B │ 4 Bytes │
└─────────────┴─────────────┴─────────────┴─────────────┴─────────────┴─────────────┘
- Präambel: Synchronisation (7 Bytes + 1 Byte Start Frame Delimiter)
- Ziel-MAC: Empfänger-Adresse
- Quell-MAC: Absender-Adresse
- Typ: Protokoll (z.B. 0x0800 für IPv4, 0x86DD für IPv6)
- Daten: Nutzlast (bei IPv4 mindestens 46 Bytes, sonst Padding)
- FCS: Frame Check Sequence (CRC-Prüfsumme)
7. Praxisbeispiele & Kennzahlen
Übertragungszeiten
| Datenmenge | 100 Mbit/s | 1 Gbit/s | 10 Gbit/s |
|---|---|---|---|
| 1 MB | 80 ms | 8 ms | 0,8 ms |
| 1 GB | 80 s | 8 s | 0,8 s |
| HD-Film (4,7 GB) | 6,3 min | 38 s | 3,8 s |
Maximale Längen
- Twisted Pair (Cat5e/6/6a): 100 m
- Twisted Pair (Cat8, 25/40G): 30 m
- Glasfaser Multimode (OM4): 150 m (10G), 100 m (40G/100G)
- Glasfaser Singlemode (OS2): 10-40 km (je nach Optik)
Steckertypen
- RJ45 (8P8C): Standard für Twisted Pair
- LC, SC: Glasfaser-Stecker
- SFP+, QSFP: Steckbare Module für 10G/40G/100G
- QSFP28: 100G, QSFP-DD: 400G
8. Zukunft von Ethernet
Ausblick
Ethernet entwickelt sich weiter – die Nachfrage nach höheren Geschwindigkeiten steigt durch Cloud-Computing, KI und Video-Streaming.
- IEEE 802.3df (in Entwicklung): 800 Gbit/s und 1,6 Tbit/s für Rechenzentren
- Single-Pair Ethernet (SPE): Für IoT und Industrie (10 Mbit/s über 1 km mit nur 2 Adern)
- Power over Ethernet (PoE): Immer höhere Leistungen (bis 90W mit PoE++)
- Time-Sensitive Networking (TSN): Echtzeit-Ethernet für Industrie 4.0
Das Wichtigste zu Ethernet
Grundlagen
- IEEE 802.3 – Standard seit 1983
- Weltweit dominierender LAN-Standard
- Geschwindigkeiten von 10 Mbit/s bis 400 Gbit/s
- MAC-Adressen (48 Bit) zur Identifikation
Praxis-Tipps
- Für Heimnetzwerke: Cat5e oder Cat6
- Für 10 Gbit/s: Cat6a oder Glasfaser
- Maximale Kabellänge: 100 m (Kupfer)
- Vollduplex mit Switches – keine Kollisionen