Ethernet-Netzwerke

Ethernet-Netzwerke Ethernet ist eine der am weitesten verbreiteten Technologien für lokale Netzwerke (LANs) und bildet die Grundlage für moderne Computernetzwerke. Seit seiner Erfindung in den 1970er Jahren hat Ethernet zahlreiche Änderungen und Verbesserungen erfahren, um den Anforderungen schnellerer, zuverlässigerer und skalierbarerer Netzwerke gerecht zu werden. Heutzutage wird Ethernet nicht nur in herkömmlichen kabelgebundenen Netzwerken verwendet, sondern dient auch als Rückgrat verschiedener anderer Technologien, darunter Rechenzentren, Metropolitan Area Networks (MANs) und sogar industrielle Netzwerke.

Ethernet-Netzwerke

Was ist Ethernet?
Ethernet ist eine Familie von Netzwerktechnologien, die hauptsächlich in lokalen Netzwerken (LANs) verwendet werden, um Computern und anderen Geräten die Kommunikation miteinander zu ermöglichen. Es basiert auf dem Standard IEEE 802.3 und definiert die Protokolle für die Datenübertragung über ein Netzwerk. Ethernet verwendet normalerweise kabelgebundene Verbindungen, obwohl drahtlose Varianten wie Wi-Fi ebenfalls auf ähnlichen Prinzipien beruhen.

Das Ethernet-Protokoll verwendet ein rahmenbasiertes Kommunikationssystem, bei dem Daten in Einheiten übertragen werden, die als Rahmen bezeichnet werden. Ethernet unterstützt verschiedene Medientypen, einschließlich Koaxialkabel, Twisted-Pair-Kabel und Glasfaserkabel, wobei die gebräuchlichsten Twisted-Pair-Kabel (z. B. Cat5e, Cat6) für kabelgebundenes Ethernet und Glasfasern für Hochgeschwindigkeits-Fernverbindungen sind.

Geschichte von Ethernet
Ethernet wurde 1973 von Robert Metcalfe im Palo Alto Research Center (PARC) von Xerox entwickelt. Ursprünglich wurde es entwickelt, um Computer mit einem gemeinsam genutzten Koaxialkabel, dem sogenannten Thicknet, zu verbinden, damit sie in einer lokalen Umgebung miteinander kommunizieren können.

Das ursprüngliche Design von Ethernet war für seine Zeit revolutionär, da es Geräten ermöglichte, Daten auf einfache und effektive Weise zu übertragen. Es wurde mit dem CSMA / CD-Protokoll (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) betrieben, was bedeutet, dass Geräte im Netzwerk vor der Datenübertragung auf Datenverkehr „lauschen“, um Kollisionen zu vermeiden.

Im Laufe der Jahrzehnte hat sich Ethernet in mehreren Schlüsselbereichen weiterentwickelt:

Geschwindigkeit: Von der anfänglichen Geschwindigkeit von 10 Mbit / s (Megabit pro Sekunde) bis zu modernen Geschwindigkeiten von 100 Gbit / s (Gigabit pro Sekunde).
Medium: Von Koaxialkabeln über Twisted-Pair-Kabel bis hin zu Glasfasern für längere Entfernungen und höhere Geschwindigkeiten.
Standardisierung: Der Ethernet-Standard wurde im Laufe der Zeit vom IEEE 802.3-Komitee aktualisiert, um mit sich ändernden Technologien Schritt zu halten.

Grundlegende Funktionsweise von Ethernet
Ethernet arbeitet nach dem OSI-Modell (Open Systems Interconnection) auf Schicht 2 (Datenverbindungsschicht), hat aber auch Komponenten auf der physikalischen Schicht (Schicht 1), die die Übertragung von Daten über physikalische Medien übernimmt.

Ethernet-Frames bestehen aus mehreren Feldern:

Präambel: Eine Reihe von Bits, die zum Synchronisieren der Sende- und Empfangsgeräte verwendet werden.
Ziel-MAC-Adresse: Die eindeutige Hardwareadresse des empfangenden Geräts.
Quell-MAC-Adresse: Die eindeutige Hardwareadresse des sendenden Geräts.
EtherType: Ein Feld, das den Typ des verwendeten Protokolls angibt (z. B. IPv4, IPv6).
Nutzlast: Die tatsächlich übertragenen Daten.
CRC (Cyclic Redundancy Check): Eine Prüfsumme, die verwendet wird, um Fehler in den übertragenen Daten zu erkennen.
Wenn ein Gerät Daten über Ethernet sendet, erstellt es einen Frame, platziert ihn auf dem Netzwerkmedium und wartet darauf, dass der Empfänger die Daten empfängt und bestätigt. Das CSMA / CD-Protokoll wurde ursprünglich entwickelt, um potenzielle Kollisionen zu verwalten, aber dies ist in modernen Ethernet-Netzwerken aufgrund der Verwendung von Switches und Vollduplex-Kommunikation weniger relevant.

Ethernet-Komponenten
Ethernet-Netzwerke bestehen aus mehreren Schlüsselkomponenten, die zusammenarbeiten, um die Kommunikation zu ermöglichen:

Netzwerkschnittstellenkarten (NICs)
Jedes Gerät in einem Ethernet-Netzwerk benötigt eine Netzwerkschnittstellenkarte (NIC), die die physische Schnittstelle zwischen dem Gerät und dem Netzwerk bereitstellt. Netzwerkkarten verfügen über eindeutige Kennungen, die als MAC-Adressen (Media Access Control) bezeichnet werden und mit denen sie im Netzwerk identifiziert werden können.

Verkabelung und Steckverbinder
Ethernet-Netzwerke verwenden verschiedene Kabeltypen, hauptsächlich Twisted-Pair-Kabel (z. B. Cat5e, Cat6) und Glasfaserkabel für höhere Geschwindigkeiten und längere Entfernungen. Für Verbindungen mit kurzer Reichweite werden am häufigsten Twisted-Pair-Kabel mit RJ45-Steckverbindern verwendet, während Glasfaserkabel mit Steckverbindern wie LC und SC für Hochgeschwindigkeitsverbindungen über große Entfernungen verwendet werden.

Switches und Hubs
Switches: Moderne Ethernet-Netzwerke basieren auf Netzwerk-Switches, die auf Layer 2 (Data Link Layer) arbeiten, um Ethernet-Frames basierend auf MAC-Adressen weiterzuleiten. Switches sind effizienter als Hubs, da sie Daten intelligent nur an das Gerät senden können, das sie benötigt, wodurch Kollisionen reduziert und die Netzwerkeffizienz verbessert werden.
Hubs: In älteren Ethernet-Netzwerken wurden Hubs verwendet. Sie funktionierten als einfache, nicht intelligente Geräte, die Daten an alle Geräte im Netzwerk sendeten, was häufig zu Kollisionen führte. Hubs wurden in modernen Ethernet-Netzwerken weitgehend durch Switches ersetzt.

Router
Router arbeiten auf Schicht 3 (Netzwerkschicht) und sind für die Weiterleitung von Daten zwischen verschiedenen Netzwerken verantwortlich. Sie sind unerlässlich, wenn Ethernet-Netzwerke mit anderen Netzwerken wie dem Internet kommunizieren müssen. Router verwenden IP-Adressen, um den besten Pfad für Daten zu ermitteln.

Ethernet-Standards und -Geschwindigkeiten
Ethernet hat sich sowohl in Bezug auf Geschwindigkeit als auch auf Medien erheblich weiterentwickelt. Verschiedene Ethernet-Standards, die vom IEEE 802.3-Komitee definiert wurden, erfüllen unterschiedliche Netzwerkanforderungen. Diese Standards definieren die maximalen Übertragungsgeschwindigkeiten und die Art der unterstützten Medien.

10 Mbit/s (10BaseT)
Beschreibung: Der ursprüngliche Ethernet-Standard, der Daten mit 10 Megabit pro Sekunde übertragen kann. Typischerweise wurden Koaxialkabel verwendet, später jedoch zu Twisted-Pair-Kabeln weiterentwickelt.
Verwendung: In modernen Netzwerken veraltet.

100 Mbit/s (schnelles Ethernet)
Beschreibung: Fast Ethernet arbeitet mit Geschwindigkeiten von 100 Megabit pro Sekunde (100BASE-TX), hauptsächlich mit Twisted-Pair-Verkabelung (Cat5 oder besser).
Verwendung: In Legacy-Systemen noch im Einsatz, aber weitgehend durch Gigabit-Ethernet ersetzt.

1 Gbit/s (Gigabit-Ethernet)
Beschreibung: Gigabit Ethernet (1000BASE-T) unterstützt Geschwindigkeiten von bis zu 1.000 Megabit pro Sekunde (1 Gigabit pro Sekunde). Es verwendet normalerweise Twisted-Pair-Verkabelung (Cat5e, Cat6).
Verwendung: Häufig in modernen Heim- und Geschäftsnetzwerken.

10 Gbit/s (10 Gigabit Ethernet)
Beschreibung: 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T) arbeitet mit Geschwindigkeiten von 10 Gigabit pro Sekunde und verwendet Glasfaser- oder hochwertige Twisted-Pair-Kabel (Cat6a oder besser).
Verwendung: Wird in Rechenzentren, Hochleistungscomputerumgebungen und Anwendungen mit hoher Bandbreite verwendet.

100 Gbit/s und mehr
Beschreibung: Die Ethernet-Technologie wurde weiterentwickelt, um noch schnellere Geschwindigkeiten zu unterstützen, einschließlich 40 Gbit / s (40 GBASE) und 100 Gbit / s (100 GBASE), hauptsächlich unter Verwendung von Glasfaserkabeln.
Verwendung: Wird in Rechenzentren, Cloud-Diensten und großen Unternehmensnetzwerken verwendet.

Vorteile von Ethernet
Ethernet bietet mehrere wesentliche Vorteile, die es zur dominierenden Netzwerktechnologie machen:

Kostengünstig
Ethernet-Hardware, einschließlich Netzwerkschnittstellenkarten, Switches und Kabel, ist im Vergleich zu anderen Netzwerktechnologien wie Glasfaser oder drahtlosen Lösungen relativ kostengünstig.

Skalierbarkeit
Ethernet kann von kleinen Heimnetzwerken bis hin zu großen Unternehmens- und Rechenzentrumsnetzwerken skaliert werden und unterstützt alles von wenigen Geräten bis hin zu Zehntausenden von Geräten.

Zuverlässigkeit
Ethernet ist bekannt für seine Zuverlässigkeit und Robustheit. Moderne Ethernet-Netzwerke, insbesondere solche mit Switches und Vollduplex-Kommunikation, bieten eine stabile und effiziente Datenübertragung mit minimalen Kollisionen.

Highspeed
Ethernet unterstützt eine Vielzahl von Geschwindigkeiten von 10 Mbit / s bis 100 Gbit / s und darüber hinaus, sodass es die Anforderungen verschiedener Anwendungen erfüllt, vom einfachen Surfen im Internet über Hochleistungsrechnen bis hin zum Videostreaming.

Breite Akzeptanz
Ethernet hat sich weltweit durchgesetzt und ist damit ein universeller Standard für Netzwerke. Diese Allgegenwart stellt sicher, dass Ethernet-kompatible Geräte und Lösungen leicht verfügbar sind.

Nachteile von Ethernet
Während Ethernet viele Vorteile hat, hat es einige Einschränkungen:

Entfernungsbeschränkungen
Ethernet-Netzwerke mit Twisted-Pair-Verkabelung sind in Bezug auf die Entfernung begrenzt. Zum Beispiel sind Cat5e- und Cat6-Kabel typischerweise für Entfernungen von bis zu 100 Metern wirksam. Um Geräte über größere Entfernungen zu verbinden, werden Glasfasern benötigt, die teurer sein können.

Störung
Obwohl Twisted-Pair-Kabel weit verbreitet sind, können sie dennoch elektromagnetischen Störungen (EMI) ausgesetzt sein, insbesondere über große Entfernungen oder in Umgebungen mit schweren Maschinen.

Die Zukunft von Ethernet
Ethernet entwickelt sich ständig weiter, um den Anforderungen moderner Netzwerke gerecht zu werden. Mit der zunehmenden Abhängigkeit von Cloud Computing, hochauflösendem Video und datenintensiven Anwendungen wird erwartet, dass die Ethernet-Geschwindigkeiten noch weiter steigen werden. Das Aufkommen von 100G Ethernet, 400G Ethernet und die Entwicklung noch schnellerer Standards werden dazu beitragen, dass Ethernet im Zeitalter von Hochgeschwindigkeitsinternet und globaler Vernetzung seine Relevanz behält.

Darüber hinaus ermöglichen Innovationen bei Power over Ethernet (PoE) Ethernet-Kabeln die Stromversorgung von Geräten wie IP-Kameras, Telefonen und drahtlosen Zugangspunkten, wodurch die Notwendigkeit separater Netzteile reduziert wird.

Ethernet hat von seinen bescheidenen Anfängen einen langen Weg zurückgelegt und bleibt die dominierende Technologie für lokale Netzwerke. Seine Einfachheit, Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit haben es zu einem dauerhaften Standard gemacht, der in Privathaushalten, Unternehmen und Rechenzentren weit verbreitet ist. Egal, ob Sie Geräte in einem kleinen Büro verbinden oder die Infrastruktur für ein globales Unternehmen aufbauen, Ethernet ist nach wie vor eine Schlüsselkomponente moderner Netzwerke.