Ethernet (IEEE 802.3)

Das Ethernet bezeichnet eine Technik für kabelgebundene Datennetze, die Software und/oder Hardware miteinander verbindet. Das geschieht meist über LAN-Kabel, deshalb wird Ethernet auch häufig als LAN-Technik angeführt. Ethernet erlaubt so den Datenaustausch zwischen Endgeräten. Das können Computer, Drucker, Server, Verteiler usw. sein. Zusammengeschlossen in einem lokalen Netzwerk stellen diese Geräte somit Verbindungen über das Ethernet-Protokoll her und können Datenpakete untereinander austauschen. Das aktuelle und am weitesten verbreitete Protokoll dafür ist IEEE 802.3.

Das Ethernet wurde bereits Anfang der 1970er Jahre entwickelt, allerdings wurde das Netzwerksystem zunächst firmenintern bei Xerox genutzt. Erst Anfang der 1980er entwickelte sich das Ethernet hin zum standardisierten Produkt. Bis Ethernet jedoch breite Verwendung fand, dauerte es noch bis Mitte des Jahrzehnts, als etliche Herstellerfirmen begannen, mit Ethernet und verwandten Produkten zu arbeiten. So trug die Technik wesentlich dazu bei, dass der Personal Computer die Arbeitswelt revolutionierte. Der heute verbreitete IEEE-Standard 802.3 wird z. B. in Büros, Privathaushalten, Containern und Carriern verwendet.

Während die erste Version der Technik nur 3 Megabit pro Sekunde schnell war, ermöglichen heute Ethernet-Protokolle Geschwindigkeiten von bis zu 1.000 Megabit pro Sekunde. Frühe Ethernets waren auf ein Gebäude beschränkt, heute kann Ethernet über Glasfaser bis zu 10 Kilometer abdecken. Ethernet hat im Verlauf der Entwicklung die dominante Rolle unter den LAN-Techniken eingenommen und zahlreiche Konkurrenten ausgestochen. Überdies ist das sogenannte Echtzeit-Ethernet heute Industriestandard für Kommunikationsanwendungen.

Definition Ethernet

Ethernet bezeichnet eine Technik, die Geräten innerhalb von kabelgebundenen Datennetzen erlaubt, untereinander zu kommunizieren. In einem Ethernet angeschlossene Geräte können so ein Netzwerk bilden und Datenpakete austauschen. Auf diese Weise entsteht ein lokales Netzwerk (LAN) über Ethernet-Verbindungen.

Wie funktioniert Ethernet? Damals und heute

Jedes Gerät in einem Ethernet-Netzwerk bekommt eine eigene Adresse zugewiesen, die man MAC-Adresse (48-Bit) nennt. Die Mitglieder in diesem gemeinsamen Netzwerk können Nachrichten durch Hochfrequenz übertragen. Ethernet verwendet dafür das Basisbandverfahren und das Multiplexverfahren. Für die Kommunikation untereinander wird der reibungslose Algorithmus CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) verwendet. Die Netzwerk-Topologie von Ethernet ist logisch, also kann der Aufbau z. B. als Bus oder Stern realisiert werden.

Die Kommunikation mit diesem Algorithmus ist ähnlich einer Gesprächsrunde, bei der jeder Teilnehmer den anderen ausreden lässt. Kollidieren zwei Nachrichten, versuchen die Teilnehmer in zufälligen Abständen eine erneute Übertragung. Weil für eine erfolgreiche Kommunikation sowohl gesendet als auch empfangen werden muss, darf es nicht zum Datenstau kommen, etwa wenn eine gesendete Nachricht zu stark für eine eher schwache Empfangsleistung ist. Ansonsten können Daten verloren gehen. Signalgeschwindigkeit und Übertragungsrate regeln das reibungslose Kommunizieren, indem Regeln für die Datenframes festgelegt werden.

Damit eine Kollision von Daten verhindert wird, muss ein entsprechendes Störsignal vor dem Datenpaket beim Empfänger ankommen. Weil heutzutage die meisten Netzwerke im Vollduplexmodus funktionieren, ist dieses Problem jedoch nur selten anzutreffen. Es war jedoch wesentlich für die frühe Entwicklung der Ethernet-Technik.

Ursprünglich ging jede Nachricht, die innerhalb eines Netzwerks gesendet wurde, grundsätzlich an alle Endgeräte. Diese mussten die empfangenen Daten dann filtern und entscheiden, ob sie für sich relevant sind. Dieser gemeinsame Bus ermöglichte Broadcast-Nachrichten, protokollierte aber auch den gesamten Datenverkehr für jedes Mitglied mit – ganz klar eine Sicherheitslücke des frühen Ethernets. Daten konnte zwar verschlüsselt, der Datenverkehr an sich jedoch nicht individuell gesteuert werden. Auch Hubs können diese Sicherheitslücke nicht schließen. Abhilfe verschaffen in modernen Netzwerken Bridges und Switches, mit deren Hilfe ein Ethernet segmentiert werden kann.

Allerdings lösen auch diese Techniken nicht alle Probleme auf. Missbrauch, z. B. durch MAC-Flooding und MAC-Spoofing, ist weiterhin eine Gefahr für die Stabilität des Netzwerks und die Sicherheit kommunizierter Datenpakete. Sicheres Arbeiten in einem Ethernet bedarf daher der seriösen Nutzung aller angeschlossenen Systeme und der regelmäßigen Datenanalyse (z. B. LAN-Analyse), um theoretische Missbrauchsfälle und Störungen aufzudecken.

Solange die Datenmenge ein Ethernet nicht auslastet, funktioniert es gut. Bei Kapazitätsauslastungen von über 50 Prozent kann es allerdings zu Datenstaus kommen. Im Verlauf der technischen Weiterentwicklung von Personal Computern und dem dabei kontinuierlich steigenden Datenaufkommen mussten auch Ethernet-Netzwerke weiterentwickelt werden, um beim Fortschreiten der Technik mitzuhalten. Switches sorgen etwa für eine effizientere Verteilung von Datenpaketen und verringern die Kollisionsgefahr. Moderne Kabeltechnologien wie Twisted Pair und Glasfaser haben höhere Übertragungsraten, die den modernen Ansprüchen an ein Netzwerk gerecht werden.

Eine weitere Innovation stellt das „Ethernet Flow Control“ dar. Mit diesem Mechanismus kann die Datenübertragung temporär ganz gestoppt werden, um den Datenfluss an anderer Stelle zu erleichtern. Im Vollduplexmodus ist dies besonders praktisch, wenn ein Netzwerk relativ viele Endgeräte bedient. Dann schneidet die Flow Control bestimmte Mitglieder des Netzwerks temporär ab, um die Zuverlässigkeit des Netzwerks insgesamt zu optimieren. Allerdings kann es dabei zu Geschwindigkeitseinbußen kommen, die dann mit wiederum anderen Mechanismen wie dem Transmission Control Protocol eingedämmt werden können.

Ethernet nutzte früher weitgehend herkömmliche Koaxialkabel. Heutzutage sind Twisted-Pair-Kupferkabel und Glasfaserkabel jedoch Industriestandard und ermöglichen viel schnellere Übertragungsraten und größere Reichweiten. Ein weiterer Vorteil ist, dass Kupferkabel auch angeschlossene Geräte mit Strom versorgen können. Dieses Verfahren, auch „Power over Ethernet“ (PoE) genannt, ermöglicht energieeffizientere Netzwerke und wird in IEEE 802.3af festgelegt.

Die Geschichte des Ethernet

Ethernet entwickelte sich aus dem ALOHAnet, einem funkbasierten Netzwerk der Universität von Hawaii. Im Xerox Palo Alto Research Center arbeitete Visionär Robert Metcalfe bereits in den frühen 1970er Jahren an einer Frühversion des kabelgebundenen Ethernet-Protokolls. Dieses sollte zunächst die firmeninterne Arbeit erleichtern und dabei aktiv getestet werden. Die Testphase gipfelte 1976 in einer wissenschaftlichen Arbeit, die Metcalfe gemeinsam mit David Boggs veröffentlichte. Sie beschrieb lokale Netzwerke verbundener Personal Computer.

1979 gründete Metcalfe seine eigene Firma 3com, um die Entwicklung von Computern und LAN voranzutreiben und das Ethernet als Standard zu etablieren. Den Durchbruch schaffte er 1980 mit der Verabschiedung des Ethernet 1.0, das dann vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) weiterentwickelt wurde. Dieser Prozess führte zur Erfindung weiterer Techniken, darunter das Protokoll CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection), das später als IEEE 802.3 bekannt wurde. Ebenso entstanden die wegweisenden Protokolle Token Bus (802.4) und Token Ring (802.5).

Zwischen 1983 und 1986 kamen die Innovationen Cheapernet, Ethernet-on-Broadband und das StarLAN dazu, bevor der Ethernet-Standard von vielen Herstellerfirmen breitere Aufmerksamkeit erfuhr. Daraufhin fingen einige kleine Firmen an, Ethernet-Netzwerke am Arbeitsplatz zu nutzen, allerdings noch über telefonbasierte Vierdrahtleitungen. Erst Anfang der 1990er Jahre wurden Ethernet-Verbindungen über Twisted-Pair- und Glasfaserkabel entwickelt, was 1995 in der Einführung des 100-Mbit/s-Standard für Ethernet nach IEEE 80.2.3u gipfelte. Gleichzeitig wurde ein Standard für Wireless-LAN (802.11) verabschiedet. 1995 gilt daher mit als Geburtsjahr des modernen Internets.

Übersicht: Ethernet-Techniken und Begriffe

Technik/Begriff Erklärung
LAN (Local Area Network) Rechnernetz, das mehrere Systeme lokal miteinander verbindet
Switching Switching regelt den Weg eines Datenpakets im Netzwerk; Eingang und Ausgang von Paketen werden je nach Sender und Empfänger festgelegt
Ethernet Flow Control Datenübertragung im Ethernet wird temporär gestoppt; Ziel ist weniger Datenverlust und mehr Effizienz
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) Medienzugriffsverfahren, das festlegt, welche Systeme in einem Netzwerk auf ein Übertragungsmedium zugreifen dürfen; verhindert Kollisionen
Ethernet-Frame/Datenframe Protokolleinheit, die wichtige Informationen für die Datenübermittlung enthalt, u. a. die MAC-Adresse
MAC-Adresse/Geräteadresse Einzigartige zugewiesene Adresse eines Geräts im Rechnernetz
PoE (Power over Ethernet) Das Ethernet-Kabel kann das Zielgerät mit Strom versorgen
Koaxialkabel Zweipoliges Kabel, bis zu 10 Mbit/s (veraltete Technik)
Twisted-Pair-Kabel Kabel mit verdrillten Aderpaaren, ermöglicht PoE, bis zu 10 Gbit/s
Glasfaserkabel Lichtwellenleiter, hohe Reichweite, enorme Übertragungsraten möglich (theoretisch schon bis ca. 70 Terabit/s)
Halbduplexmodus Kommunikation ist nur abwechselnd in eine Richtung möglich (veraltete Technik)
Vollduplexmodus Kommunikation ist gleichzeitig in beide Richtungen möglich

Übersicht: Ethernet-Standards

Ethernet-Standard Bezeichnung Datenrate Kabeltechnik Erscheinungsjahr
802.3 10Base5 10 Mbit/s Koaxialkabel 1983
802.3a 10Base2 10 Mbit/s Koaxialkabel 1988
802.3i 10Base-T 10 Mbit/s Twisted-Pair-Kabel 1990
802.3j 10Base-FL 10 Mbit/s Glasfaserkabel 1992
802.3u 100Base-TX, 100Base-FX, 100Base-SX 100 Mbit/s Twisted-Pair-Kabel, Glasfaserkabel 1995
802.3z 1000Base-SX, 1000Base-LX 1 Gbit/s Glasfaserkabel 1998
802.3ab 1000Base-T 1 Gbit/s Twisted-Pair-Kabel 1999
802.3ae 10GBase-SR, 10GBase-SW, 10GBase-LR, 10GBase-LW, 10GBase-ER, 10GBase-EW, 10GBase-LX4 10 Gbit/s Glasfaserkabel 2002
802.an 10GBase-T 10 Gbit/s Twisted-Pair-Kabel 2006

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