2.2 Netzwerkarchitekturen

Netzwerkkarte, Übertragungsmedium und Physical Layer

Ein Endsystem benötigt eine Netzwerkschnittstelle, häufig Network Interface Controller beziehungsweise NIC genannt. Der PHY-Teil der Schnittstelle setzt digitale Daten in elektrische, optische oder elektromagnetische Signale um. Zusätzlich werden ein geeignetes Medium, passende Steckverbinder und eine Gegenstelle benötigt. Bei kabelgebundenem Ethernet ist die Gegenstelle heute normalerweise ein Switch-Port; bei WLAN ist es häufig ein Access Point.

Ethernet umfasst Funktionen der OSI-Schichten 1 und 2. Die konkrete Ethernet-Variante legt unter anderem Datenrate, Codierung, Medium und maximale Linklänge fest. MAC-Adressen, Frames und Switching gehören dagegen zur Sicherungsschicht und werden in den folgenden Kapiteln vertieft.

Ethernet von der Busleitung zum Switch

Das experimentelle Ethernet entstand ab 1973 bei Xerox PARC. Der später veröffentlichte DIX-Ethernet-Standard wurde gemeinsam von Digital Equipment Corporation, Intel und Xerox entwickelt; DECnet war dagegen eine eigene Protokollfamilie und nicht der Vorläufer von Ethernet. IEEE 802.3 standardisiert die Ethernet-Familie.

Frühes Ethernet verwendete ein physisches Busnetz und Halbduplexbetrieb. Alle Stationen teilten sich eine Kollisionsdomäne und regelten den Zugriff mit CSMA/CD. Modernes Ethernet wird überwiegend über Switches aufgebaut. Jeder Port bildet einen eigenen Punkt-zu-Punkt-Link und arbeitet normalerweise vollduplex; Kollisionen und CSMA/CD spielen dort keine praktische Rolle mehr.

Die Koaxialkabel der Busnetze bestanden aus Innenleiter, Dielektrikum, äußerem Schirmleiter und Schutzhülle. Bei 10BASE5 wurde ein externer Transceiver am dicken RG-8-Kabel angebracht und über ein AUI-Kabel mit der Station verbunden. 10BASE2 führte das dünnere RG-58-Kabel über BNC-T-Stücke direkt an die Netzwerkkarten. Beide Busenden benötigten einen Abschlusswiderstand von 50 Ohm.

Token Ring und FDDI als historische Alternativen

Token Ring nach IEEE 802.5 organisierte das Senderecht durch ein umlaufendes Token. Typische Datenraten waren 4 und 16 Mbit/s; spätere 100-Mbit/s-Varianten konnten die Verdrängung durch preisgünstiges geswitchtes Ethernet nicht verhindern. Die physische Verkabelung war häufig sternförmig zu einer MAU, während der logische Datenweg einen Ring bildete.

FDDI nutzte typischerweise einen gegenläufigen Doppelring aus Glasfaser mit 100 Mbit/s und konnte dadurch eine gewisse Ausfallsicherheit bieten. Beide Techniken sind heute Legacy-Technik: Sie sind für Geschichte und Fehlersuche in Altanlagen relevant, werden aber nicht für neue Standard-LANs geplant.

Wie Ethernet-Bezeichnungen gelesen werden

Klassische Bezeichnungen folgen grob dem Schema Datenrate - Übertragungsart - Variantenkennung. Bei 10BASE5 bedeutet 10 eine Datenrate von 10 Mbit/s, BASE steht für Basisband und 5 verweist historisch auf ungefähr 500 m Segmentlänge. Bei 10BASE2 steht die 2 trotz 185 m nur näherungsweise für 200 m.

Bei modernen Namen bilden Buchstaben die Reichweiten- oder Mediumsvariante ab. T steht typischerweise für Twisted Pair, SR für Short Reach und LR für Long Reach. Die Zahl vor BASE ist nicht immer direkt in Mbit/s geschrieben: 1000BASE-T steht für 1 Gbit/s, 10GBASE-T für 10 Gbit/s und 400GBASE-SR8 für 400 Gbit/s.

Nicht jede ähnlich klingende Bezeichnung gehört zu IEEE 802.3. 1000BASE-T ist der verbreitete IEEE-Standard über vier Adernpaare. 1000BASE-TX bezeichnete dagegen eine separate TIA-Variante, die sich am Markt nicht durchsetzte. Für Planung und Fehlersuche müssen daher die genaue Schreibweise und die zugehörige Norm geprüft werden.

Basisband und Breitband richtig einordnen

Bei klassischem Basisband-Ethernet nutzt ein Ethernet-Signal den für den Link vorgesehenen Übertragungskanal. Das bedeutet nicht, dass ein Kabel grundsätzlich nur genau einen Dienst oder eine Frequenz enthalten kann: Moderne PHYs verwenden komplexe Codierungs- und Modulationsverfahren, und optische Systeme können mehrere Wellenlängen über dieselbe Faser führen.

10BROAD36 war eine historische IEEE-802.3-Breitbandvariante mit 10 Mbit/s über 75-Ohm-Koaxialkabel und bis zu 3.600 m Systemausdehnung. Sie setzte sich im LAN nicht durch. Kabelfernsehen und andere Breitbandsysteme zeigen das Grundprinzip getrennter Frequenzbereiche, sind aber nicht mit modernem BASE-Ethernet gleichzusetzen.

Twisted Pair und differenzielle Übertragung

Ein symmetrisches Kupferkabel enthält vier verdrillte Adernpaare. Der Sender überträgt komplementäre Signalanteile auf einem Paar; der Empfänger wertet hauptsächlich die Differenz aus. Eine Störung, die ähnlich in beide Adern einkoppelt, wird dadurch weitgehend unterdrückt. Entscheidend sind die Paarbildung, kontrollierte Impedanz und möglichst geringe Aufdrehung an der Anschlussstelle - nicht ein fester Pegel von plus oder minus 2,5 Volt.

10BASE-T und 100BASE-TX verwenden ein Paar zum Senden und ein Paar zum Empfangen. 1000BASE-T und schnellere BASE-T-Verfahren nutzen alle vier Paare gleichzeitig und in beiden Richtungen. T568A und T568B legen die Aderfarben an den acht Kontakten fest. Beide sind zulässig; innerhalb einer festen Verkabelungsstrecke müssen beide Enden nach demselben Schema aufgelegt werden.

Patchkabel, Crossover und Kaskadierung

Ein gewöhnliches Patchkabel ist an beiden Enden gleich belegt. Ein klassisches Crossover-Kabel kreuzt die Sende- und Empfangspaare und wurde beispielsweise für eine direkte Verbindung gleichartiger 10BASE-T- oder 100BASE-TX-Geräte verwendet. Auto MDI-X erkennt die erforderliche Zuordnung automatisch und ist bei modernen Schnittstellen weit verbreitet. Trotzdem sollte bei unbekannten oder älteren Geräten die technische Dokumentation geprüft werden.

Früher wurden Hubs und Switches häufig über speziell gekreuzte Uplink-Ports kaskadiert. Moderne Switches besitzen normalerweise keine funktional getrennten Uplink-Buchsen mehr; geeignete Ports werden über Standard-Patchkabel, Auto MDI-X, SFP/SFP+-Module oder Direct-Attach-Kabel verbunden. Mehrere hintereinander geschaltete Switches funktionieren, erhöhen aber Latenz und Ausfallabhängigkeiten und benötigen ein sauberes Schleifen- und Bandbreitendesign.

Kabelkategorien: Frequenz ist nicht Datenrate

Die Kategorie beschreibt Übertragungseigenschaften einer Verkabelung, beispielsweise den geprüften Frequenzbereich, Dämpfung, Rückflussdämpfung und Übersprechen. MHz ist deshalb nicht mit Mbit/s oder Gbit/s gleichzusetzen. Welche Datenrate möglich ist, hängt zusätzlich vom Ethernet-PHY, der Linklänge, Steckverbindern, Installation und Zertifizierung der gesamten Strecke ab.

Power over Ethernet

Power over Ethernet speist ein Powered Device (PD) über dieselbe symmetrische Kupferverkabelung, die auch Daten transportiert. Die Energie liefert ein Power Sourcing Equipment (PSE), beispielsweise ein PoE-Switch oder ein Midspan-Injektor. Vor der Leistungsfreigabe erkennt und klassifiziert das PSE ein normkonformes PD; die Versorgung wird nicht einfach ungeprüft auf beliebige Endgeräte gelegt.

Die Leistung am Endgerät ist wegen Kabelverlusten kleiner als die Leistung am PSE. Hohe PoE-Leistungen erhöhen die Erwärmung von Kabelbündeln, sodass Kabeltyp, Bündelgröße, Umgebungstemperatur und Installation berücksichtigt werden müssen.

• Typische PDs: VoIP-Telefon, Access Point, Kamera, Sensor, Türsteuerung und Thin Client
• Passive, herstellerspezifische PoE-Lösungen sind nicht automatisch IEEE-kompatibel und müssen getrennt betrachtet werden

Lichtwellenleiter: Aufbau und Übertragung

Eine Glasfaser besteht aus lichtführendem Kern, optischem Mantel mit niedrigerem Brechungsindex, Schutzbeschichtung und dem eigentlichen Kabelaufbau. Der Transceiver wandelt elektrische Signale in Licht und am anderen Ende wieder zurück. Die erreichbare Strecke hängt von Faser, Wellenlänge, Transceiver, Steck- und Spleißverlusten sowie der zulässigen Dämpfungsreserve ab.

Singlemodefaser besitzt einen sehr kleinen Kern und wird für große Reichweiten sowie hohe Skalierbarkeit verwendet. Multimodefaser besitzt einen größeren Kern und ermöglicht mehrere Ausbreitungsmoden, deren Laufzeitunterschiede die Reichweite bei hohen Datenraten begrenzen. Sie wird häufig für kürzere Gebäude- und Rechenzentrumsstrecken eingesetzt.

• Mantelfarben sind Konventionen und kein sicherer technischer Nachweis; Aufdruck und Dokumentation sind maßgeblich.
• Singlemode- und Multimodekomponenten sollten nicht beliebig gemischt werden. Unterschiedliche Kerndurchmesser und Einkopplung verursachen hohe Verluste.
• Steckerendflächen müssen vor dem Verbinden geprüft und bei Bedarf fachgerecht gereinigt werden.

Strukturierte Verkabelung im Campus und Gebäude

Eine strukturierte beziehungsweise anwendungsneutrale Kommunikationskabelanlage stellt eine langfristig nutzbare passive Infrastruktur bereit. In Deutschland und Europa ist dafür insbesondere die Normenreihe DIN EN 50173 relevant. Die aktiven Netzwerkgeräte können ausgetauscht werden, ohne die gesamte Gebäudeverkabelung neu zu errichten, sofern die vorhandene Übertragungsstrecke die neue Anwendung unterstützt.

• Verteiler, Patchfelder, Kabel, Anschlussdosen und Strecken eindeutig beschriften und dokumentieren
• Trassen, Brandschutz, Biegeradien, Zugkräfte, Potentialausgleich und Abstand zu Energieverkabelung berücksichtigen
• Kupferstrecken mit geeignetem Zertifizierer und Glasfaserstrecken nach Sichtprüfung und Reinigung mit passenden Messverfahren abnehmen
• Redundanz muss echte gemeinsame Fehlerquellen vermeiden; zwei Kabel im selben ungeschützten Trassenweg sind keine vollständige Wegeredundanz

Was heute für die Planung zählt

Für neue Büroverkabelungen ist Cat 6A eine belastbare Kupferbasis für 10GBASE-T bis 100 m. Vorhandene Cat-5e- und Cat-6-Strecken können für 1, 2,5 oder 5 Gbit/s weiterhin sinnvoll sein, sollten aber passend zur Zielanwendung geprüft werden. Glasfaser bildet das skalierbare Rückgrat für Gebäude, Campus und Rechenzentrum.

Ethernet reicht inzwischen weit über klassische 10-Gbit/s-Varianten hinaus. In Enterprise- und Campusnetzen wachsen BASE-T-Zugänge in Richtung 2,5, 5 und 10 Gbit/s, während optische Uplinks 25, 100 oder 200 Gbit/s erreichen können. Cloud- und KI-Rechenzentren verwenden 100 bis 800 Gbit/s und entwickeln sich weiter in Richtung 1,6 Tbit/s. Für Auszubildende ist deshalb wichtiger, Namen, Medium, Reichweite und Einsatzgebiet systematisch lesen zu können, als jede Variante auswendig zu lernen.