Informations- und Kommunikationstechnik

Topologie im Ethernet

Diese Seite hält einen allgemeinen Überblick bereit zur physikalischen Topologie, also der strukturierten Verkabelung, die im Ethernet zur Anwendung kommt. Sie unterscheidet sich von der logischen Topologie, die den Datenaustausch regelt. Für das Ethernet sind Standards für Kabeltypen und deren Steckern entwickelt worden. Zusammen mit den Protokollen zur geregelten Datenübertragung ergeben sich für die einzelnen physikalischen Systeme charakteristischen Eigenschaften.

Die Arbeitsgruppe 802 im Institute of Electrical and Electronics Engineers entwickelte 1980 einen ersten Standard mit der Bezeichnung IEEE 802.1. Vorgesehen für LAN-Systeme bis 20Mbit/s wurden sehr schnell Erweiterungen eingeführt, zum Beispiel CSMA/CD (802.3), Token Bus (802.4) und Token Ring (802.5). Die 10Base2-Technik kam 1983 dazu. Ab 1985 gibt es mit ISO/DIS 8802/3 einen internationalen Standard. Das IEEE erstellte 1991 Richtlinien zum 10Base-T mit Twisted-Pair-Kabel und 1992 die Glasfasertechnik mit 10Base-F. Seit 1995 bestehen in IEEE 802.3u Standards für das 100Mbit/s-Ethernet und in 802.11 die Regeln für das Wireless-LAN (WLAN).

10Base-5 / Thick-Wired-Ethernet

Aus der Bezeichnung lassen sich die wichtigsten Eigenschaften ablesen. Die erste Ziffer weist auf die maximale Datenrate von 10 Mbit/s hin. BASE oder Base bezeichnet die Übertragung nach dem Basisbandverfahren, also mit unmoduliertem Signal. Die letzte Ziffer ist der Faktor, der mit 100 m multipliziert die maximale Segmentlänge angibt. Es handelt sich um ein durchgehendes Kabelsegment ohne Trennstellen. Weitere Eigenschaften sind:

Das Bussystem mit RG-8 Kabel ist durch seine Abschirmung störunempfindlich gegen elektrische Felder. Die relativ großen Leiterdurchmesser ergeben ein dämpfungsarmes Kabel und ermöglichen eine Segmentlänge von 500 m. Es lassen sich fünf Segmente mit vier Repeatern zu größeren Netzen zusammenschalten. Dabei ist die 5-4-3-Regel einzuhalten. Sie besagt, dass bei Verlängerung auf fünf Segmente an nur drei Segmenten Rechnerknoten angeschlossen sein können. Das voll belegte Netz versorgt 300 Rechner. Im 10Base-5 Bussystem ist nur das Halbduplex-Verfahren, eine wechselseitige Datenübertragung in jeweils nur einer Richtung möglich.

Die Verbindung zum Kabel erfolgt beim Thick-Ethernet durch einen Transceiver mittels Spezialklemme. Die Bezeichnung Transceiver ist zusammengesetzt aus Transmitter, der Sendeeinheit und Receiver, der Empfangseinheit und beschreibt so auch seine Funktion im System.

Tranceiver mit RG-8 Koaxkabel

Das RG8-Koaxialkabel wird an einer markierten Stelle durchbohrt. Die im Bild oben geöffnete Vampirklemme stellt mit einer Kontaktspitze (2) die leitende Verbindung zur Seele her. Bei Schließen der Klemme wird das Kabel fixiert und zwei weitere Kontaktspitzen (1) durchbohren den Mantel und sorgen für die leitende Verbindung zur Abschirmung. Die Klemme und der Transceiver bilden die Anschlusseinheit am Kabel. Der Transceiver wird auch als Medium Attachment Unit (MAU) bezeichnet.

Der Transceiver und die Netzwerkkarte sind über ein Kabel miteinander verbunden. Diese elektrisch mechanische Schnittstelle, mit 15-poligen SUB-D Anschlüssen, nennt sich Attachment Unit Interface (AUI) und darf maximal 50 m lang sein. Die Netzwerkkarte, der Ethernet-Controller, wird als Media Access Control (MAC) bezeichnet.

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10Base-2 / Thin-Wired-Ethernet

Das Netz ist in einer Bustopologie mit Koaxialkabeln des Typs RG-58 verbunden. Die Datenrate erreicht 10 Mbit/s. Die Übertragung erfolgt nach dem Basisbandverfahren. Das dünnere und leichter verlegbare Kabel gibt dem Netz den Namen Thinnet. Die Busverbindungen und Anschlüsse erfolgen preisgünstiger durch BNC-T-Adapter, daher auch die Bezeichnung Cheapernet. Das Leitungssegment ist nicht mehr durchgehend, sondern an jedem Anschluss durch den T-Adapter unterbrochen. Jeder offene Anschluss im Netz muss zur Vermeidung von Signalreflexionen mit einem 50 Ω Widerstand terminiert sein. Besondere Eigenschaften des 10Base-2 Netzes sind:

Der Transceiver ist auf der Netzwerkkarte integriert. Das 10Base-2 Netz arbeitet im Halbduplexverfahren mit wechselseitigem Datentransport, wobei immer nur eine Station Daten auf einen freien Bus geben kann. Für einen geregelten Datenverkehr ist ein Kollisionsmanagement notwendig. Das Netz kann nach der 5-4-3-Regel mit vier Repeatern auf maximal 985 m verlängert werden, wobei an drei Segmenten maximal je 30 Arbeitsstationen angeschlossen sein können.

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10Base-T-Ethernet

Das Ethernet nach 10Base-T entspricht dem Standard IEEE 802.3 Clause 14 (ehemals IEEE 802.3i). Verwendet werden Twisted-Pair-Kabel und das modulare Verbindungssystem RJ-45. Der Datenverkehr nutzt ein Leitungspaar zum Senden und ein weiteres Paar zum Empfang, damit ist das Vollduplexverfahren möglich. Die sichtbare Topologie ist ein Sternnetz, wo jede Stationen über eine Punkt-zu-Punkt Verbindung direkt mit dem zentralen Hub oder Switch verbunden ist. Das Zu- oder Abschalten einzelner Knoten an den Sternverteiler hat keinen Einfluss auf das Netz. Die Netztopologie im Sternverteiler entspricht einem Bussystem. Weitere Kenndaten sind:

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10Base-F-Ethernet

Das Medium, das zwischen den Repeatern die Verbindung herstellte, war anfangs ein Glasfaserkabel (Fiber-optic). Die Spezifikationen nannten sich FOIRL, Fiber-optic inter-repeater link. 10BASE-FL (IEEE 802.3 Clause 18) ist der überarbeitete Standard und dazu abwärts kompatibel. Die neue Bezeichnung ist 10Base-F (IEEE 802.3 Clause 15, ehemals IEEE 802.3j). Verwendet werden meistens Multimodefasern und eine Wellenlänge von 850 nm. Die Datenrate beträgt 10Mbit/s.

Die Endkomponenten sind über Transceiver, FOMAU (Fiber-Optic Medium Attachment Unit), angeschlossen. Sie sind zur Datensteuerung und elektrisch-optischen Wandlung notwendig. Jede FOMAU ist direkt mit dem Sternkoppler verbunden. Die maximale Segmentlänge im 10Base-F-Ethernet kann 2000 m betragen. Die Datenübertragung erfolgt nach dem Halbduplexverfahren.

Der Aufwand im optischen Netz ist größer, da noch zwischen aktiven (10Base-FA) und passiven (10Base-FP) sowie reinen Backbonekomponenten (10Base-FB) unterschieden wird. Die Signale sind nicht immer kompatibel zueinander und müssen angepasst werden. Unter Beachtung der Repeater-Regel sind die Netze erweiterbar. Das voll ausgebaute Netz kann 1024 Knoten umfassen.

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Fast Ethernet / 100 Mbit/s-Ethernet

Je leistungsfähiger die Rechner wurden, desto wichtiger wurden schnellere Datennetze. Ein neuer Standard wurde 1995 als Fast Ethernet und der allgemeinen Bezeichnung 100Base-T eingeführt. Es bestehen drei unterschiedliche Standards, wobei sich der 100Base-Tx in der Praxis durchsetzen konnte. Das Fast Ethernet erlaubt eine maximale Segmentlänge von 100 m.

100Base-T4

Das 100Base-T4 war der erste Standard (IEEE 802.3 Clause 23) im Fast Ethernet. Es reicht eine Twisted-Pair-Verkabelung mit vier Leitungspaaren nach Cat-3. Der Datenstrom nutzt drei Paare, das vierte Paar dient dem Kollisionsmanagement. Die Manchester-Codierung der Daten ist durch eine dreistufige Pulsamplitudenmodulation, PAM-3 ersetzt worden. Der Standard arbeitet nur im Halbduplexverfahren, bei dem nur in eine Richtung Daten gesendet oder empfangen werden können. Praktische Bedeutung hat das Verfahren nicht erlangt, die Technologie findet man weiterentwickelt im späteren 1000Base-T.

100Base-T2

Dieses Verfahren nach IEEE 802.3 Clause 32 kommt ebenfalls mit einer Twisted-Pair-Verkabelung nach Cat-3 aus, wobei aber nur zwei Paare benötigt werden. Der Standard erlaubt den Vollduplexbetrieb, nutzt aber nicht das Basisbandverfahren und die Manchester-Codierung. Die Daten werden in einer fünfstufigen Pulsamplitudenmodulation, PAM-5 übertragen. Zwischen der Bitfolge und dem Signalpegel besteht der folgende Zusammenhang:

Bitsymbol 000 001 010 011 100
Signalpegel 0 +1 −1 −2 +2

Das 100Base-T2-Verfahren arbeitet mit speziellen Transceivern, die auf beiden Leitungspaaren den Vollduplexbetrieb ermöglichen und so die hohe Datenrate bei der verfügbaren Bandbreite erreichen. Die Senderseite überlagert ihr Sendesignal mit dem Signal der Empfangsrichtung und sendet das Überlagerungssignal. Die Empfängerseite subtrahiert ihr gesendetes Signal vom empfangenen Überlagerungssignal und gewinnt so das eigentliche Sendesignal. Eine zusätzlich notwendige Echo-Kompensation unterdrückt auftretende Signalreflexionen. Praktische Bedeutung hat das 100Base-T2 nicht erlangt, ging aber in die Entwicklung des 1000Base-T-Verfahrens ein.

100Base-Tx

Das Verfahren entspricht dem Standard IEEE 802.3 Clause 25 (ehemals IEEE 802.3u) und benötigt Twisted-Pair-Kabel nach Cat-5, wobei nur je ein Leitungspaar zum Senden und Empfangen verwendet wird. Das Verfahren hat sich in der Praxis durchgesetzt. Die maximale Segmentlänge beträgt 100 m, die Bandbreite des Kabels 100 MHz. Das Verfahren ermöglicht den Vollduplexbetrieb.

Die Manchester-Codierung musste durch einen 4B5B-Code ersetzt werden. Bei dieser Codierung gibt es innerhalb jedes 4 oder 5 Bit langen Datenblocks mindestens einen Pegelwechsel. Es ist die Voraussetzung zur sicheren Taktrückgewinnung, damit sich der Empfänger zur korrekten Datenverarbeitung auf den Sender synchronisieren kann.

Der Arbeitstakt dieser Codierung beträgt 125 MHz und ist größer als die Leitungsbandbreite. Eine weitere Codierung fasst mehrere Bits zu einem Symbol zusammen und ordnet diese je einem der drei Spannungspegel (−1, 0, +1) zu. Das Verfahren wird als MLT-3 (Multi-Level Transmission) bezeichnet. Die Basisfrequenz liegt dann bei 31,25 MHz.

Durch das Senden bestimmter Bitmuster bleibt das MLT-3 codierte Signal im zeitlichen Mittel nicht mehr gleichspannungsfrei, wodurch der Netzbetrieb gestört oder verhindert werden könnte. Die Netzwerkkarten verfügen daher über eine zusätzliche DC-Kompensation.

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Fast Ethernet über Glasfaserkabel

100Base-FX

Das Verfahren arbeitet im nahen Infrarot mit 1300 nm und wird mit je einer Sende- und Empfangsleitung installiert. Im Vollduplexverfahren mit Multimode-LWL ist eine maximale Segmentlänge von 2 km möglich, während mit Singlemode-LWL die Segmente 10 km lang sein dürfen. Die Datencodierung erfolgt nach dem 4B5B-Verfahren.

TIA 100Base-SX

Dieses Verfahren ist ein von der Telecommunications Industry Association unterstützter Standard, der zum 100Base-FX nicht kompatibel ist. Es werden 850 nm Sendedioden, LEDs und Multimode-LWL verwendet. Die maximale Segmentlänge beträgt 550 m. Das System kann mit dem 10Base-FL-Standard zusammenarbeiten.

100Base-BX

Das Verfahren verwendet Singlemode-LWL und nur ein Kabel. Das Sendesystem arbeitet mit zwei Laserdioden. Das Endgerät sendet mit 1310 nm seinen Upstream zum Sternverteiler und empfängt von dort den Downstream mit 1550 nm. Die TX- und RX-Signale werden durch ein Multiplex-Verfahren getrennt. Es sind Segmentlängen von 10, 20 oder 40 km möglich.

100Base-LX10

Dieses Fiber-Optic-Verfahren arbeitet seit 2005 mit voneinander unabhängiger Sende- und Empfangs-Singlemode-LWL. Die Sendewellenlänge der Laserdiode beträgt 1310 nm bei einer maximalen Segmentlänge von 10 km.

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Gigabit-Ethernet

Diese Variante wird auch als 1000Mbit-Ethernet bezeichnet und kann sowohl mit Twisted-Pair-Kabel ab Cat-5 aufwärts und LWL ausgebaut werden. Für die Datenaufbereitung stehen zwei unterschiedliche Codierverfahren zur Verfügung.

1000Base-X

Die 8-Bit-Dateneinheit, ein Byte wird zu einem 10-Bit breiten Wort umcodiert (8B10B-Code), wobei eine Datenrate von 1250 Mbit/s entsteht. Im zeitlichen Mittel ist der Datenstrom gleichspannungsfrei. Das zweite Codierverfahren teilt den Datenstrom in vier pulsamplitudenmodulierte Teilströme (PAM-5) mit einer weiteren Trellis-Codierung. Diese lassen sich über vier Aderpaare gleichzeitig senden oder empfangen.

1000Base-CX

Diese Variante setzt das erste Codierverfahren ein, das bei einer Bandbreite von 625 MHz ein gut geschirmtes Kabel voraussetzt. Ein Leitungspaar eines STP-Kabels mit 8P8C-Steckverbindern ("RJ-45") wird zum Senden und das zweite Paar zum Empfangen benutzt. Die Anschlussimpedanzen betragen 150 Ω, die maximale Segmentlänge ist auf 25 m festgelegt.

1000Base-T

Dieser Standard IEEE 802.3 Clause 40 (ehemals IEEE 802.3ab) verwendet das zweite Codierverfahren und benötigt mit 62,5 MHz eine geringere Bandbreite. Zur Verkabelung reicht ein UTP-Kabel ab Cat-5 aus. Die maximale Segmentlänge ist auf 100 m festgelegt. Die Übertragung erfolgt in beiden Richtungen über alle vier Aderpaare im Vollduplexmodus. Das Datenmanagement entspricht der in 100Base-T2 beschriebenen Methode.

1000Base-SX / 1000Base-LX

Beschrieben werden beide Standards durch IEEE 802.3 Clause 38 (ehemals IEEE 802.3z). Sie verwenden Glasfaserverkabelung. 1000Base-SX sendet mit einer IR-Laserdiode bei 850 nm, die LX-Variante arbeitet mit der Wellenlänge 1310 nm. Das Glasfaserkabel muss mindestens 2 m lang sein. Werden Multimode-LWL eingesetzt, beträgt die maximale Segmentlänge zwischen 200 bis 550 m.

Das 1000Base-LX-Verfahren muss Monomode-LWL verwenden und erreicht die maximale Segmentlänge von 5 km. Der erweiterte Standard 1000Base-LX/LH sendet mit 1310 nm auf Monomode-LWL bei einer maximalen Segmentlänge von 10 km. Das 1000Base-ZX verwendet Laserdioden für 1550 nm und ein optisch speziell optimiertes Monomode-Glasfaserkabel. Die maximale Segmentlänge erhöht sich dadurch auf 100 km.

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10-Gigabit-Ethernet

Durch den Ausbau einer weltweiten Vernetzung und der rasanten Zunahme des Datenverkehrs wächst auch der Bandbreitenbedarf für die geforderten hohen Datenübertragungsraten. Für das 10-Gigabit-Ethernet wurden zwei Standards für eine kupferbasierte Vernetzung und acht Standards für eine optische Datenübertragung erstellt.

10GBase-T

Bei der kupferbasierten Technik hat sich der Standard IEEE 802.3an durchgesetzt. 10GBase-CX4 ist eine vorhergehende Version, für die ein spezielles Twinaxialkabel notwendig ist. 10GBase-T kommt mit Twisted-Pair-Kabel ab Cat-5 aus. Verwendet werden alle vier Paare. Mit einem geschirmten Cat-5-Kabel ist die Segmentlänge auf 50 m begrenzt. Die Kategorie 7 verwendet ein dem RJ-45 ähnliches Stecksystem und erlaubt mit S/FTP eine Segmentlänge von 100 m.

Die Datensignale sind mehrfach moduliert und der Datenstrom wird mit je zweimal 5 GBit/s zum Senden und Empfangen auf die vier Aderpaare aufgeteilt. Die Datenaufbereitung braucht aktive Signalprozessoren und arbeitet mit einer zusätzlichen Fehlerkorrektur. Die optischen Übertragungstechniken gehören dem Standard IEEE 802.3ae an. Mit Multimode-LWL arbeiten:

10GBase-SR:
Mit 850 nm und 50 µm-Multimode-LWL beträgt die maximale Segmentlänge von 80 m. Mit laseroptimiertem LWL werden 300 m erreicht.
10GBase-LRM:
Bei einer Wellenlänge von 1310 nm lassen sich für alle Multimode-Typen Segmentlängen von 200 m erreichen.
10GBase-LX4:
Die Methode benutzt gleichzeitig vier Wellenlängen (1275, 1300, 1325 und 1350 nm) im Multiplexverfahren und erreicht mit laseroptimierter 50 µm-Multimode-LWL eine Segmentlänge von 300 m.

Die folgenden Standards verwenden Monomode-LWL (Singlemode-LWL) Lichtwellenleiter:

10GBase-LW4 und 10GBASE-LR:
Bei dem Verfahren mit der Wellenlänge von 1310 nm kann die Segmentlänge maximal 10 km betragen.
10GBase-ER:
Das Verfahren arbeitet mit der Wellenlänge von 1550 nm und erreicht die maximale Segmentlänge von 40 km.

Werden die oben genannten Standards 10GBase-SR, 10GBase-LR und 10GBase-ER mit einem WAN-PHY auf der physikalischen Schicht erweitert, so entsprechen sie den Standards 10GBase-SW, 10GBase-LW und 10GBase-EW. Diese arbeiten mit der etablierten Weitverkehrs-Infrastruktur OC-192 (Optical Carrier) und STM-64( Synchronous Transport Module) zusammen.

Das 10-Gigabit-Ethernet stellt nicht das Ende dar. An noch schnelleren Standards, dem 40-Gigabit- und 100-Gigabit-Ethernet, wird gearbeitet und zum Teil bestehen diese Techniken schon. Sie werden hier nicht beschrieben, da das Verstehen der Funktionalitäten viel spezielles Fachwissen voraussetzt.