Ethernet/Medien

Ethernet-Medientypen

Die verschiedenen Ethernet-Varianten (PHYs) unterscheiden sich in Übertragungsrate, den verwendeten Kabeltypen und der Leitungscodierung.

• Der Protokollstack arbeitet bei den meisten der folgenden Typen identisch.

Eine erfolgreiche Verbindung zwischen zwei Anschlüssen (Ports) wird als Link bezeichnet.

• Einige Varianten teilen den Datenstrom in mehrere Kanäle (Lanes) auf, um Datenrate und Frequenzen auf das Medium anzupassen.
• Die jeweilige Reichweite ist die maximal mögliche Länge eines Links innerhalb der Spezifikation.
• Bei einer höheren Qualität des Mediums – insbesondere bei Glasfaser – können auch deutlich längere Links stabil funktionieren.

Die Varianten beziehen ihre Namen aus den verwendeten Spezifikationen:

• 10, 100, 1000, 10G, … – die nominelle, auf der Bitebene nutzbare Geschwindigkeit (kein Suffix = Megabit/s, G = Gigabit/s); die leitungskodierten Sublayer haben üblicherweise eine höhere Datenrate
• BASE, BROAD, PASS – Basisband-, Breitband- oder Passband-Signalisierung
• -T, -S, -L, -C, -K, … – Medium: T = Twisted-Pair-Kabel, S = (short) kurze Wellenlänge ca. 850 nm über Multimode-Faser, L = (long) lange Wellenlänge ca. 1300 nm, hauptsächlich Singlemode-Faser, E/Z = extralange Wellenlänge ca. 1500 nm (Singlemode), B = bidirektionale Faser mit WDM (meist Singlemode), P = Passive Optical Network, C = (copper) Twinaxialkabel, K = Backplane, 2/5 = Koaxialkabel mit 185/500 m Reichweite
• X, R – PCS-Kodierung (generationsabhängig), zum Beispiel X für 8b/10b Blockkodierung (4B5B bei Fast Ethernet), R für große Blöcke (64b/66b)
• 1, 2, 4, 10 – Anzahl der Lanes pro Link oder Reichweite bei 100/1000 Mbit/s WAN PHYs

Bei 10-Mbit/s-Ethernet verwenden alle Varianten durchgehend Manchester-Code, keine Kodierung ist angegeben.

• Die meisten Twisted-Pair-Varianten verwenden spezielle Kodierungen, nur -T wird angegeben.

Die folgenden Abschnitte geben einen kurzen Überblick über alle offiziellen Ethernet-Medientypen.

• Zusätzlich zu diesen offiziellen Standards haben viele Hersteller proprietäre Medientypen entwickelt, häufig, um mit Lichtwellenleitern höhere Reichweiten zu erzielen.

Einige frühe Varianten von Ethernet

• Xerox Ethernet (Alto Aloha System) – Der Name entstand dadurch, dass das Konzept auf Alto-Computern getestet wurde.
• Xerox Ethernet ist die ursprüngliche Ethernet-Implementation, die während ihrer Entwicklung zwei Versionen hatte.
• Das Datenblock-Format der Version 2 wird zurzeit überwiegend benutzt.
• 10Broad36 (IEEE 802.3 Clause 11) – Obsolet.
• Ein früher Standard, der Ethernet über größere Entfernungen unterstützte.
• Es benutzte Breitband-Modulationstechniken ähnlich denen von Kabelmodems und arbeitete mit Koaxialkabeln.
• StarLAN, standardisiert als 1BASE5 (IEEE 802.3 Clause 12) – Die erste Ethernet-Implementation über Twisted-Pair-Kabel, entwickelt von AT&T. 1 Mbit/s über die bereits weit verbreiteten (meist) Cat-3-Verkabelungen mit einer Link-Reichweite von 250 bis 500 m.
• Ein kommerzieller Fehlschlag, der aber die technische Grundlage für 10BASE-T lieferte.

10-Mbit/s-Ethernet

Beim 10-Mbit/s-Ethernet kommt eine einfache Manchesterkodierung zum Einsatz, die je Datenbit zwei Leitungsbits überträgt (somit 20 MBaud).

• Mit dieser Verdopplung der Signalisierungsrate und dabei alternierend übertragenen Datenbits wird die Gleichspannung effektiv unterdrückt und gleichzeitig die Taktrückgewinnung im Empfänger nachgeführt, das Spektrum reicht bis 10 MHz.
• Die Leitung wird nur belegt, wenn ein Ethernet-Paket tatsächlich gesendet wird.

10-Mbit/s-Ethernet mit Koaxialkabel

T-Stücke und Abschlusswiderstände für 10BASE2

EAD-Kabel für 10BASE2

10BASE2, IEEE 802.3 Clause 10 (früher IEEE 802.3a)

(auch bekannt als Vorlage:Lang, Vorlage:Lang oder Vorlage:Lang) – Ein Koaxialkabel (RG58) mit einer Wellenimpedanz von 50 Ohm verbindet die Teilnehmer miteinander, jeder Teilnehmer benutzt ein BNC-T-Stück zur Anbindung seiner Netzwerkkarte.

• An den beiden Leitungsenden angebrachte Abschlusswiderstände sorgen für reflexionsfreie Signalübertragung.
• Ein Segment (das sind alle durch die BNC-T-Stücke miteinander verbundenen Koaxialkabelstücke) darf maximal 185 Meter lang sein und maximal 30 Teilnehmer versorgen.
• Jeweils zwei Teilnehmer am Bus müssen zueinander einen Abstand von mindestens 0,5 Meter einhalten.
• Im Unterschied zum ebenfalls Koaxialkabel verwendenden 10BASE5 sind die Transceiver in der NIC (Network Interface Card) integriert und müssen unmittelbar (ohne weiteres Koaxialkabel) an das T-Stück angeschlossen werden. Über Repeater können weitere Netzwerksegmente angeschlossen werden, sodass die maximale Ausdehnung des Netzwerks 5 Netzwerksegmente in einer Kette umfasst.
• Mit strukturierter Verkabelung lässt sich die Anzahl der Segmente weiter steigern.
• Damit ist eine maximale Gesamtausbreitung von 925 m Durchmesser erreichbar.
• Es wurden auch Ethernet-Anschlussdosen (EAD) verwendet.
• Bei 10BASE2 fällt das ganze Netzwerksegment aus, wenn an einer Stelle das Kabel oder eine Steckverbindung, insbesondere der Abschlusswiderstand, defekt ist.
• Besonders anfällig sind manuell konfektionierte Koaxialkabel, wenn bei ihnen der BNC-Stecker nicht korrekt befestigt wurde.

Thick Ethernet Transceiver

10BASE5, IEEE 802.3 Clause 8

(auch Thicknet oder Yellow Cable) – ein früher IEEE-Standard, der ein 10 mm dickes Koaxialkabel (RG8) mit einer Wellenimpedanz von 50 Ohm verwendet.

• Zum Anschluss von Geräten muss mittels einer Bohrschablone ein Loch an einer markierten Stelle in das Kabel gebohrt werden, durch das ein Kontakt einer Spezialklemme (Vampirklemme) des Transceivers eingeführt und festgeklammert wird.
• An diesen Transceiver wird mittels der AUI-Schnittstelle über ein Verbindungskabel die Netzwerkkarte des Computers angeschlossen.
• Dieser Standard bietet 10 Mbit/s Datenrate bei Übertragung im Basisband und unterstützt auf jedem Segment maximal 500 m Kabellänge und 100 Teilnehmer.
• Die Leitung hat wie 10BASE2 keine Abzweigungen, und an den Enden sitzen 50-Ohm-Abschlusswiderstände.
• Wie auch bei 10BASE2 kann über Repeater das Netzwerk bis auf eine max.
• Länge von 2,5 km ausgedehnt werden.
• Dieser Typ ist eigentlich obsolet, aber aufgrund seiner weiten Verbreitung in den frühen Tagen noch immer in einigen Systemen in Benutzung.

10-Mbit/s-Ethernet mit Twisted-Pair-Kabel

8P8C-Modularstecker und -buchse (Buchse ist rechts)

• StarLAN 10 – aus 1BASE5 entwickelt, 10 Mbit/s, fast identisch mit 10BASE-T
• 10BASE-T, IEEE 802.3i Clause 14 – verwendet vier Adern (zwei verdrillte Paare) eines CAT-3 oder CAT-5-Kabels (Verkabelung nach TIA-568A/B).
• Ein Hub oder Switch sitzt in der Mitte, und jeder Teilnehmer wird über einen dedizierten Port angeschlossen.
• Die Übertragungsrate ist 10 Mbit/s und die maximale Länge eines Segments 100 m.
• Physisch sind die Steckverbindungen als 8P8C-Modularstecker und -buchsen ausgeführt, die meist als „RJ-45“- bzw. „RJ45“-Stecker/-Buchsen bezeichnet werden.
• Da normalerweise 1:1-Kabel zum Einsatz kommen, sind die Stecker von Computer (MDI) und Uplink (Hub, Switch, MDI-X) gegengleich belegt.
• Beim Computer gilt folgende Belegung: Pin1 – Transmit+;   Pin2 – Transmit−;   Pin3 – Receive+;   Pin6 – Receive−.
• 10BASE-T1L, IEEE P802.3cg – wird über die in der Prozessautomation üblichen Zweidrahtleitungen nach IEC 61158-2 Kabeltyp A übertragen.
• Die Übertragung erfolgt mit einer Datenübertragungsrate von 10 Mbit/s, wird 4B3T codiert und als PAM-3 moduliert und mit 7,5 MBaud vollduplex übertragen. Über das gleiche Kabel können die Teilnehmer mit bis zu 60 W Leistung versorgt werden.
• Der Aufbau besteht aus einem „Trunk“-Kabel mit maximal 1000 m zwischen den Feldswitches und den „Spur“-Kabel von maximal 200 m zwischen einem Feldswitch und einem Feldgerät.

10-Mbit/s-Ethernet mit Glasfaser-Kabel

• FOIRL – Fiber-optic inter-repeater link.
• Der ursprüngliche Standard für Ethernet über Glasfaserkabel.
• 10BASE-F, IEEE 802.3j (IEEE 802.3 Clause 15) – Allgemeiner Ausdruck für die neue Familie von 10-Mbit/s-Ethernet-Standards: 10BASE-FL, 10BASE-FB und 10BASE-FP.
• Der einzig weiter verbreitete davon ist 10BASE-FL.
• 10BASE-FL (IEEE 802.3 Clause 18) – Eine revidierte Version des FOIRL-Standards.
• 10BASE-FB (IEEE 802.3 Clause 17) – Gedacht für Backbones, die mehrere Hubs oder Switches verbinden.
• Ist inzwischen technisch überholt.
• 10BASE-FP (IEEE 802.3 Clause 16) – Ein passives sternförmiges Netzwerk, das keinen Repeater braucht.
• Es gibt keine Implementationen.

100-Mbit/s-Ethernet

Beim Übergang von 10- auf 100-Mbit/s-Ethernet (Vorlage:Lang) wurde die Signalisierungsebene weiter unterteilt, um auf eine klarere Definition dessen zu kommen, was den PHY (die physische Schicht, OSI-Schicht 1) vom MAC trennt.

• Gab es bei 10-Mbit/s-Ethernet PLS (Physical Layer Signaling, Manchester-Codierung, identisch für alle 10-Mbit/s-Standards) und PMA (Physical Medium Attachment, Coaxial-, Twisted-Pair- und optische Anbindungen), sind es bei Fast Ethernet nunmehr PCS (Physical Coding Sublayer) mit PMA sowie PMD (Physical Medium Dependent).
• PCS, PMA und PMD bilden gemeinsam die physische Schicht.
• Es wurden drei verschiedene PCS-PMA-Kombinationen entworfen, von denen jene für 100BASE-T4 und 100BASE-T2 (IEEE 802.3 Clauses 23 und 32) aber keine wirtschaftliche Bedeutung erlangen konnten.

Durchgesetzt hat sich für Kupferkabel einzig 100BASE-TX (IEEE 802.3 Clause 24) für Twisted-Pair-Kabel, das wie die Glasfaser-Varianten statt der Manchesterkodierung den effizienteren 4B5B-Code einsetzt.

• Dieser ist zwar nicht gleichspannungsfrei, ermöglicht jedoch eine Taktrückgewinnung aus dem Signal und die Symbolrate liegt mit 125 MBaud nur geringfügig über der Datenrate selbst.
• Die verwendeten Leitungscodeworte garantieren eine für die Bitsynchronisation beim Empfänger ausreichende minimale Häufigkeit von Leitungszustandswechseln.
• Der Gleichspannungsanteil wird durch die zusätzliche Kodierung mit MLT-3 und mit einem Scrambling-Verfahren entfernt, das auch für ein (statistisch) gleichmäßiges Frequenzspektrum unabhängig von der Leitungsauslastung sorgt.
• Da es hier keine physischen Busse, sondern nur mehr Punkt-zu-Punkt-Verbindungen gibt, wurde eine kontinuierliche Übertragung favorisiert, die die aufwändigen Einschwingvorgänge des Empfängers auf die Hochfahrphase des Segments beschränkt.

Kupfer

100BASE-T

Allgemeine Bezeichnung für die drei 100-Mbit/s-Ethernetstandards über Twisted-Pair-Kabel: 100BASE-TX, 100BASE-T4 und 100BASE-T2 (Verkabelung nach TIA-568A/B).

• Die maximale Länge eines Segments beträgt wie bei 10BASE-T 100 Meter.
• Die Steckverbindungen sind als 8P8C-Modularstecker und -buchsen ausgeführt und werden meist mit „RJ-45“ bezeichnet.

100BASE-T4, IEEE 802.3 Clause 23

100 Mbit/s Ethernet über Category-3-Kabel (wie es in 10BASE-T-Installationen benutzt wird).

• Verwendet alle vier Aderpaare des Kabels.
• Es ist inzwischen obsolet, da Category-5-Verkabelung heute die Norm darstellt.
• Es ist darüber hinaus auf Halbduplex-Übertragung beschränkt.

100BASE-T2, IEEE 802.3 Clause 32

Es existieren keine Produkte, die grundsätzliche Technik lebt aber in 1000BASE-T weiter und ist dort sehr erfolgreich. 100BASE-T2 bietet 100 Mbit/s Datenrate über Cat-3-Kabel.

• Es unterstützt den Vollduplexmodus und benutzt nur zwei Aderpaare.
• Es ist damit funktionell äquivalent zu 100BASE-TX, unterstützt aber ältere Kabelinstallationen.

100BASE-TX, IEEE 802.3 Clause 25 (früher IEEE 802.3u)

Benutzt wie 10BASE-T je ein verdrilltes Aderpaar pro Richtung, benötigt allerdings mindestens ungeschirmte Cat-5-Kabel.

Die Verwendung herkömmlicher Telefonkabel ist bei eingeschränkter Reichweite möglich. Entscheidend hierbei ist die richtige Zuordnung der beiden Ethernet-Paare zu jeweils einem verdrillten Paar des Telefonkabels.

• Ist das Telefonkabel als Sternvierer verseilt, bilden die gegenüberliegenden Adern jeweils ein Paar.

Auf dem 100-Mbit/s-Markt ist 100BASE-TX heute die Standard-Ethernet-Implementation. 100BASE-TX verwendet 4B5B als Leitungscode und zur Bandbreitenhalbierung auf PMD-Ebene die Kodierung MLT-3.

• Dabei werden nicht nur zwei Zustände (positive oder negative Differenzspannung) auf dem Aderpaar unterschieden, es kommt ein dritter Zustand (keine Differenzspannung) dazu (ternärer Code).
• Damit wird der Datenstrom mit einer Symbolrate von 125 MBaud innerhalb einer Bandbreite von 31,25 MHz übertragen.

Während der 4B5B-Code ausreichend viele Signalwechsel für die Bitsynchronisation beim Empfänger garantiert, kann MLT-3 zur benötigten Gleichspannungsfreiheit nichts beitragen.

• Als „Vorlage:Lang“ bekannte Übertragungsmuster können dabei das Scrambling kompensieren und dem Übertragungsmuster eine signifikante Gleichspannung überlagern (Vorlage:Lang), die die Abtastung erschwert und zu einem Verbindungsabbruch der Endgeräte führt.
• Um gegen solche Angriffe immun zu sein, implementieren die PHY-Bausteine der Netzwerkkarten daher eine Gleichspannungskompensation.

100BASE-T1, IEEE 802.3bw-2015

In der von IEEE 802.3b standardisierten Fast-Ethernet Definition 100BASE-T1 werden die Daten über ein symmetrisch verdrilltes Kupferpaar mit PAM-3 vollduplex übertragen.

• Das Twisted-Pair-Kabel von 100 Ω Impedanz muss mindestens 66 MHz übertragen können, damit eine maximale Länge von 15 m erreicht werden kann.
• Der Standard ist für Anwendungen im Automobilbereich vorgesehen.
• Für industrielle Anwendungen wurde von der Interessengruppe Single Pair Ethernet (SPE) in der IEC 63171-6 der Stecker IEC 61076-3-125 für industrielle Anwendungen von 100BASE-T1 festgelegt. 100BASE-T1 wurde vor der IEEE-Normung als BroadR-Reach entwickelt.

Glasfaser

100BASE-FX, IEEE 802.3 Clause 26

100 Mbit/s Ethernet über Multimode-Glasfaser.

• Maximale Segmentlängen über Multi-Mode-Kabel: 400 Meter im Halbduplex-/Repeaterbetrieb, 2000 Meter im Vollduplex-/Switchbetrieb.
• Der gescrambelte 4B5B-Datenstrom wird direkt über einen optischen Lichtmodulator gesendet und in gleicher Weise empfangen, hierfür wird ein Faserpaar verwendet.
• Es wird eine Wellenlänge von 1300 nm verwendet, daher ist es nicht mit 10BASE-FL (10 MBit/s über Glasfaser) kompatibel, welches eine Wellenlänge von 850 nm benutzt.

100BASE-SX, TIA-785

Günstigere Alternative zu 100BASE-FX, da eine Wellenlänge von 850 nm verwendet wird; die Bauteile hierfür sind günstiger.

• Maximale Segmentlänge: 550 Meter über Multimode-Glasfaser.
• Durch die verwendete Wellenlänge optional abwärtskompatibel zu 10BASE-FL.
• Es wird ein Faserpaar benötigt.

100BASE-BX10, IEEE 802.3 Clause 58

Im Gegensatz zu 100BASE-FX, 100BASE-SX und 100BASE-LX10 wird hier Sende- und Empfangsrichtung über eine einzelne Single-Mode-Glasfaser übertragen.

• Hierfür wird ein Splitter benötigt, welcher die zu sendenden/empfangenden Daten auf die Wellenlängen 1310 und 1550 nm aufteilt.
• Dieser Splitter kann im Übertragungsbauteil, z. B. einem SFP-Modul, integriert sein.
• Dieser Standard erzielt Reichweiten von 10 km, erweiterte Versionen 20 oder 40 km.

100BASE-LX10, IEEE 802.3 Clause 58

Fast-Ethernet über ein Single-Mode Faserpaar.

• Wellenlänge: 1310 nm, Segmentlänge: 10 km.

Gigabit-Ethernet

Bei 1000-Mbit/s-Ethernet (Gigabit-Ethernet; kurz: GbE oder GigE) kommen im Wesentlichen zwei verschiedene Kodiervarianten zum Einsatz.

• Bei 1000BASE-X (IEEE 802.3 Clause 36) wird der Datenstrom in 8-Bit breite Einheiten zerlegt und mit dem 8b10b-Code auf eine Symbolrate von 1250 MBaud gebracht.
• Damit wird ein kontinuierlicher, gleichspannungsfreier Datenstrom erzeugt, der bei 1000BASE-CX über einen Transformator auf einem verdrillten Aderpaar zum Empfänger fließt oder bei 1000BASE-SX/LX/ZX die optische Trägerwelle moduliert.
• Bei 1000BASE-T hingegen wird der Datenstrom in vier Teilströme unterteilt, die jeweils mit PAM-5 und Trellis-Codierung in ihrer Bandbreite geformt und über die vier Aderpaare gleichzeitig gesendet und empfangen werden.

Die beim frühen Fast Ethernet noch weit verbreiteten Repeater Hubs wurden für Gigabit Ethernet anfangs zwar noch im Standard definiert, allerdings wurden keine Hubs hergestellt, so dass der Standard 2007 eingefroren wurde und GbE real ausschließlich über Switches im Vollduplex-Modus existiert.

Kupfer

• 1000BASE-T, IEEE 802.3 Clause 40 (früher IEEE 802.3ab) – 1 Gbit/s über Kupferkabel ab Cat-5 UTP-Kabel oder besser Cat-5e oder Cat-6 (Verkabelung nach TIA-568A/B).
• Die maximale Länge eines Segments beträgt wie bei 10BASE-T und 100BASE-TX 100 Meter.
• Wichtige Merkmale des Verfahrens sind:
  • Verwendung aller vier Doppeladern in beide Richtungen (Echokompensation)
  • Modulationsverfahren PAM-5 (Pulsamplitudenmodulation mit fünf Zuständen) übermittelt zwei Bit pro Schritt und Aderpaar
  • Einsatz einer Trellis-Codierung und Scrambling
  • Schrittgeschwindigkeit 125 MBaud pro Aderpaar
  • Übertragungsbandbreite 62,5 MHz

Im Grundprinzip ist 1000BASE-T eine „hochskalierte“ Variante des seinerzeit erfolglosen 100BASE-T2, nur dass es doppelt so viele Aderpaare (nämlich alle vier Paare einer typischen Cat-5-Installation) verwendet und die gegenüber Cat-3 größere verfügbare Bandbreite eines Cat-5-Kabels ausnutzt.

• 1000BASE-TX, 1000BASE-T2/4 (nicht in IEEE 802.3 standardisiert) – Erfolglose Versuche verschiedener Interessengruppen, die aufwändigen Modulier/Demodulier- und Echokompensationsschaltungen von 1000BASE-T durch eine höhere Signalisierungsrate auszugleichen.
• Statt Klasse-D-Verkabelung bei 1000BASE-T benötigen diese Übertragungsverfahren im Gegenzug Installationen nach Klasse E und Klasse F.
• Das Hauptargument für die Entstehung dieser Übertragungsverfahren, die hohen Kosten für Netzwerkanschlüsse mit 1000BASE-T-Unterstützung, ist längst entkräftet.

1000BASE-SX Transceiver in SFP-Ausführung

• 1000BASE-CX, IEEE 802.3 Clause 39 – Als Übertragungsmedium werden zwei Aderpaare eines Shielded-Twisted-Pair-Kabels (STP) mit einer maximalen Kabellänge von 25 m und einer Impedanz von 150 Ohm eingesetzt.
• Der Anschluss erfolgt über 8P8C-Modularstecker/-buchsen (meist als „RJ45“/„RJ-45“ bezeichnet) oder DE-9 in einer Sterntopologie.
• Im Vergleich zu 1000BASE-T werden bei 1000BASE-CX deutlich höhere Anforderungen an das Kabel gestellt.
• So ist etwa die verwendete Bandbreite um den Faktor 10 höher (625 MHz gegenüber 62,5 MHz).
• Die Komponenten sind außerdem zueinander nicht kompatibel.
• 1000Base-T1, IEEE 802.3bp spezifiziert 1Gbit/s über eine einzelne, verdrillte Zweidrahtleitung für Automobil- und Industrieanwendungen. 1000BASE-T1 enthält Kabelspezifikationen für eine Reichweite von 15 Metern (Typ A) oder 40 Metern (Typ B).
• Die Übertragung erfolgt mit PAM-3 bei 750 MBd.

Glasfaser

• 1000BASE-SX, 1000BASE-LX, IEEE 802.3 Clause 38 (früher IEEE 802.3z) – 1 Gbit/s über Glasfaser.
• Die beiden Standards unterscheiden sich prinzipiell in der verwendeten Wellenlänge des optischen Infrarot-Lasers und der Art der Fasern: 1000BASE-SX verwendet kurzwelliges Licht mit 850 nm Wellenlänge und Multimode-Glasfasern, bei 1000BASE-LX strahlen die Laser langwelliges Licht mit 1310 nm Wellenlänge aus.
• Die Länge eines Glasfaserkabels muss mindestens 2 Meter betragen, die maximale Ausbreitung hängt von der Charakteristik der verwendeten Glasfaser ab.
• Multimode-Glasfaserkabel können je nach Faserquerschnitt und modaler Dämpfung zwischen 200 und 550 Meter erreichen, während 1000BASE-LX auf Singlemode-Glasfaserkabel bis 5 km spezifiziert sind.
• 1000BASE-LX10, manchmal auch 1000BASE-LH (LH steht für Long Haul) – Zum Einsatz kommen hierbei Singlemode-Glasfaserkabel mit einer maximalen Länge von 10 km.
• Die restlichen Eigenschaften gleichen denen von 1000BASE-LX.
• 1000BASE-BX10 verwendet eine einzige Singlemode-Faser mit bis zu 10 km Reichweite mit je Richtung verschiedenen Wellenlängen: downstream 1490 nm, upstream 1310 nm.
• 1000BASE-EX und -ZX sind keine IEEE-Standards – Zum Einsatz kommen Singlemode-Glasfaserkabel mit einer maximalen Länge von 40 km (-EX) bzw. 70 km (-ZX).
• Das verwendete Licht hat eine Wellenlänge von 1550 nm.

2,5- und 5-Gbit/s-Ethernet

2.5GBASE-T und 5GBASE-T, auch 2.5GbE und 5GbE abgekürzt und bisweilen zusammen NBASE-T oder MGBASE-T genannt, wird wie 1000BASE-T oder 10GBASE-T über Kupferkabel übertragen.

Effektiv sind 2.5GBASE-T und 5GBASE-T herunterskalierte Versionen von 10GBASE-T mit 25 % und 50 % der Signalrate.

• Durch die niedrigeren Frequenzen ist es möglich, geringerwertiges Kabel als das für 10GBASE-T notwendige Cat6A zu verwenden.

Hierbei dient für 2.5G eine Verkabelung mindestens nach Cat5e und für 5G eine nach mindestens Cat6. Als IEEE 802.3bz offiziell verabschiedet, gab es bereits vorher Produkte von einigen Herstellern, darunter Broadcom, Intel und Marvell.

10-Gbit/s-Ethernet

Der 10-Gbit/s-Ethernet-Standard (kurz: 10GbE, 10GigE oder 10GE) bringt zehn unterschiedliche Übertragungstechniken, acht für Glasfaserkabel und zwei für Kupferkabel mit sich. 10-Gbit/s-Ethernet wird für LAN, MAN und WAN verwendet.

• Der Standard für die Glasfaserübertragung heißt IEEE 802.3ae, die Standards für Kupfer sind IEEE 802.3ak und IEEE 802.3an.

Glasfaser

Multimode

• 10GBASE-SR überbrückt kurze Strecken über Multimode-Fasern, dabei wird langwelliges Licht mit einer Wellenlänge von 850 nm verwendet.
• Die Reichweite ist dabei abhängig vom Kabeltyp, so reichen 62,5 µm „FDDI-grade“ Fasern bis zu 26 m, 62,5-µm/OM1-Fasern bis zu 33 m weit, 50 µm/OM2 bis zu 82 m und 50 µm/OM3 bis zu 300 m.
• 10GBASE-LRM verwendet eine Wellenlänge von 1310 nm, um über alle klassischen Multimode-Fasern (62,5 µm Fiber „FDDI-grade“, 62,5 µm/OM1, 50 µm/OM2, 50 µm/OM3) eine Distanz von bis zu 220 m zu überbrücken.
• 10GBASE-LX4 (Clause 53) nutzt Wellenlängenmultiplexierung, um Reichweiten zwischen 240 m und 300 m über die Multimode-Fasern OM1, OM2 und OM3 oder 10 km über Singlemode-Faser zu ermöglichen. Hierbei wird gleichzeitig auf den Wellenlängen 1275, 1300, 1325 und 1350 nm übertragen.

Singlemode

• 10GBASE-LW4 überträgt mit Hilfe von Singlemode-Fasern Licht der Wellenlänge 1310 nm über Distanzen bis zu 10 km.
• 10GBASE-LR verwendet eine Wellenlänge von 1310 nm, um über Singlemode-Fasern eine Distanz von bis zu 10 km zu überbrücken.
• 10GBASE-ER benutzt wie 10GBASE-LR Singlemode-Fasern zur Übertragung, jedoch bei einer Wellenlänge von 1550 nm, was die Reichweite auf bis zu 40 km erhöht.
• Da 10GBASE-ER mit dieser Wellenlänge die seltene Eigenschaft besitzt, kompatibel zu CWDM-Infrastrukturen zu sein, vermeidet er den Austausch der bestehenden Technik durch DWDM-Optik.

OC-192 – STM-64

• Die Standards 10GBASE-SW, 10GBASE-LW und 10GBASE-EW benutzen einen zusätzlichen WAN-Phy, um mit OC-192- (SONET) bzw. STM-64-Equipment (SDH) zusammenarbeiten zu können.
• Der Physical Layer entspricht dabei 10GBASE-SR bzw. 10GBASE-LR bzw. 10GBASE-ER, benutzen also auch die gleichen Fasertypen und erreichen die gleichen Reichweiten.
• Zu 10GBASE-LX4 gibt es keine entsprechende Variante mit zusätzlichem WAN-Phy.

Im LAN erreichen bedingt durch die Verfügbarkeit der Produkte die Standards 10GBASE-SR und 10GBASE-LR eine steigende Verbreitung.

Kupfer

Der Vorteil von Kupferverkabelung gegenüber Glasfasersystemen liegt in der schnelleren Konfektionierung und der unterschiedlichen Nutzbarkeit der Verkabelung (viele Anwendungen über ein Kabel).

• Darüber hinaus ist die Langlebigkeit von Kupfersystemen nach wie vor höher als bei Glasfasersystemen (Ausbrennen und Verschleiß der LEDs/Laser) und die Kosten bei zusätzlich notwendiger (teurer) Elektronik.

10GBASE-CX4

10GBASE-CX4 nutzt doppelt-twinaxiale Kupferkabel (wie InfiniBand), die eine maximale Länge von 15 m haben dürfen.

• Dieser Standard war lange der einzige für Kupferverkabelung mit 10 Gbit/s, verliert allerdings zunehmend an Bedeutung durch 10GBASE-T, das zu den langsameren Standards abwärtskompatibel ist und bereits vorhandene Verkabelung nutzen kann.

10GBASE-T

10GBASE-T verwendet wie schon 1000BASE-T vier Paare aus verdrillten Doppeladern.

• Die dafür verwendete strukturierte Verkabelung wird im globalen Standard ISO/IEC 11801 sowie in TIA-568A/B beschrieben.
• Die zulässige Linklänge ist vom eingesetzten Verkabelungstyp abhängig: Um die angestrebte Linklänge von 100 m zu erreichen, sind die Anforderungen von CAT-6a/7 zu erfüllen.
• Mit den für 1000BASE-T eingesetzten CAT-5-Kabeln (Cat-5e) ist nur die halbe Linklänge erreichbar.
• Der Standard ist in 802.3an beschrieben und wurde Mitte 2006 verabschiedet.

Bei der Übertragung wird der Datenstrom auf die vier Aderpaare aufgeteilt, so dass auf jedem Aderpaar jeweils 2,5 Gbit/s in Senderichtung und in Empfangsrichtung übertragen werden.

• Wie bei 1000BASE-T wird also jedes Aderpaar im Vollduplex-Betrieb genutzt.
• Zur Codierung werden die Modulationsverfahren 128-DSQ (eine Art doppeltes 64QAM) und schließlich PAM16 verwendet, wodurch die Nyquistfrequenz auf 417 MHz reduziert wird.

Durch die hohe Signalrate mussten verschiedene Vorkehrungen getroffen werden, um die Übertragungssicherheit zu gewährleisten.

• Störungen innerhalb des Kabels werden passiv durch einen Kreuzsteg im Kabel vermindert, der für Abstand zwischen den Aderpaaren sorgt.
• Zusätzlich werden in den aktiven Komponenten digitale Signalprozessoren verwendet, um die Störungen herauszurechnen.

So genanntes Fremdübersprechen (Alien Crosstalk), also das Nebensprechen benachbarter, über längere Strecken eng gebündelter, ungeschirmter Kabel, kann auf diese Weise jedoch nicht verhindert werden.

• Deshalb sind in den Normen Kabel der Kategorie Cat 6_A (Klasse E_A) vorgesehen.
• Diese sind entweder geschirmt oder unterdrücken anderweitig (z. B.
• durch dickeren oder speziell geformten Mantel) das Fremdübersprechen ausreichend.
• Ungeschirmte Cat 6 Kabel (Klasse E) erreichen bei enger Bündelung (und nur dann) nicht die üblichen 100 m Leitungslänge.
• Zum anderen ist ein Mindestabstand der Steckverbindungen zueinander einzuhalten.

10GBASE-T ist eingeschränkt auch über Cat 5e Kabel möglich, siehe Tabelle mit Leitungslängen.

Converged 10 GbE

Converged 10 GbE ist ein Standard für Netzwerke bei denen 10 GbE und 10 GbFC verschmolzen sind.

• Zum Converged-Ansatz gehört auch das neue Fibre Channel over Ethernet (FCoE).
• Das sind FC-Pakete, die in Ethernet gekapselt sind und für die dann ebenfalls die Converged Ethernet-Topologie genutzt werden kann; z. B. sind dann entsprechend aktualisierte Switches (wegen Paketgrößen) transparent für FC- und iSCSI-Storage sowie für das LAN nutzbar.

25-Gbit/s und 50-Gbit/s Ethernet

25 Gigabit (25GbE) und 50 Gigabit Ethernet (50GbE) wurden von einem Industriekonsortium zur Standardisierung vorgeschlagen und von IEEE 802.3 in Form einer Study Group untersucht.

25/50GbE sollen in Rechenzentren höhere Leistungen als 10GbE zu deutlich geringeren Kosten als 40GbE bereitstellen, indem Technologie verwendet wird, die bereits für diejenigen 100GbE-Varianten definiert wurde, die auf 25-Gbit/s-Lanes basieren (IEEE 802.3bj).

• Außerdem lassen sich 25/50-Gbit/s-Verbindungen direkt auf 100 Gbit/s skalieren.
• Zusätzlich könnte das höhere Fertigungsvolumen von 25-Gbit/s-Komponenten zu einem schnelleren Preisverfall im 100-Gbit/s-Bereich führen.

Übertragungsbandbreite bei 25GBASE-T ist 1250 MHz, wodurch Cat-8-Kabel benötigt wird.

40-Gbit/s und 100-Gbit/s Ethernet

Die schnellste Variante für Twisted-Pair-Kabel unterstützt 40 Gbit/s, außerdem gibt es 40 und 100 Gbit/s sowohl über Kupferkabel (Twinax) als auch über Glasfaserkabel (single- und multimode). Die Angaben entstammen der Spezifikation 802.3ba-2010 des IEEE und definieren folgende Reichweiten (Leitungen je Richtung):

• 40GBASE-KR4 40 Gbit/s (40GBASE-R mit 4 Leitungen einer Backplane) mindestens 1 m
• 40GBASE-CR4 40 Gbit/s (40GBASE-R mit 4 Leitungen eines geschirmten Twinax-Kupferkabels) mindestens 7 m
• 40GBASE-T 40 Gbit/s (Category-8 Twisted Pair) mindestens 30 m, benötigt Kategorie-8-Kabel, Bandbreite 2000 MHz
• 40GBASE-SR4 40 Gbit/s (40GBASE-R mit 4 OM3-Glasfasern, multimode) mindestens 100 m
• 40GBASE-LR4 40 Gbit/s (40GBASE-R mit 1 OS2-Glasfaser und vier Farben/Wellenlängen, singlemode, CWDM) mindestens 10 km
• 100GBASE-CR10 100 Gbit/s (100GBASE-R mit 10 Leitungen eines geschirmten Twinax-Kupferkabels) mindestens 7 m
• 100GBASE-SR10 100 Gbit/s (100GBASE-R mit 10 OM3-Glasfasern, multimode) mindestens 100 m
• 100GBASE-SR4 100 Gbit/s (100GBASE-R mit 4 OM4-Glasfasern, multimode) mindestens 100 m (IEEE 802.3bm)
• 100GBASE-LR4 100 Gbit/s (100GBASE-R mit 1 OS2-Glasfaser und vier Farben, singlemode) mindestens 10 km
• 100GBASE-ER4 100 Gbit/s (100GBASE-R mit 1 OS2-Glasfaser und vier Farben, singlemode) mindestens 40 km

200-Gbit/s- und 400-Gbit/s-Ethernet

Geschwindigkeiten und erwartete Standards schneller als 100 Gbit/s werden manchmal auch als Terabit Ethernet bezeichnet.

Im März 2013 begann die IEEE 802.3 400 Gb/s Ethernet Study Group mit der Arbeit an der nächsten Generation mit 400 Gbit/s, im März 2014 wurde die IEEE 802.3bs 400 Gb/s Ethernet Task Force gebildet.

• Im Januar 2016 wurde als zusätzliches Entwicklungsziel 200 Gbit/s hinzugefügt.
• Die neuen Standards wurden im Dezember 2017 veröffentlicht:

200 Gbit/s

• 200GBASE-DR4 (Clause 121): 500 m über je vier Monomodefasern
• 200GBASE-FR4 (Clause 122): 2 km über Monomodefaser, je vier Wellenlängen/Farben (CWDM)
• 200GBASE-LR4 (Clause 122): 10 km über Monomodefaser, je vier Wellenlängen/Farben (CWDM)

400 Gbit/s

• 400GBASE-FR8 (Clause 122): 2 km über Monomodefaser, je acht Wellenlängen/Farben (CWDM)
• 400GBASE-LR8 (Clause 122): 10 km über Monomodefaser, je acht Wellenlängen/Farben (CWDM)
• 400GBASE-SR16 (Clause 123): 70 m (OM3) oder 100 m (OM4) über je 16 Multimodefasern
• 400GBASE-DR4 (Clause 124): 500 m über je vier Monomodefasern

800-Gbit/s-Ethernet

Ein PHY-loses 800-Gbit/s-Ethernet wurde im Oktober 2020 in einem Standard des Ethernet Technology Consortiums spezifiziert. Dabei handelt es sich um einen Zusammenschluss aus zwei existierenden 400-Gigabit-Verbindungen auf dem Physical Layer zu einem MAC (OSI-Layer 2).

• Dieser kann einen physikalischen Endpunkt identifizieren.
• Hierfür werden acht 106,25-GBit/s-Lanes im Vollduplex-Modus verwendet.
• Die im 64/66b-Verfahren codierten Daten werden dabei abwechselnd über einen der beiden 400-Gigabit-Physical Coding Sublayer gesendet. Der Internetknoten DE-CIX führte 800-Gbit/s-Ethernet im Oktober 2022 für seine Kunden ein.

Ethernet mit 800 Gbit/s und 1,6 Terabit/s werden von IEEE 802.3 in der 802.3df-Taskforce entwickelt. Standards werden für Mitte 2024 erwartet.

Kabel

Kabellängen

Längen für Kupfer-Doppelader

Kabelkategorie	Übertragungs- klasse (nach ISO/EN)	Standard	Linklänge	Übertragungs- frequenz	Kabel genormt bis (nach TIA/EIA 568 und EN 50288)
Cat-3	Klasse C	10BASE-T, 100BASE-VG	100 m	2 × 10 MHz	16 MHz
Cat-5	–	100BASE-TX		2 × 31,25 MHz	100 MHz
Cat-5	–	1000BASE-T		4 × 62,5 MHz	100 MHz
Cat-5e	Klasse D				100 MHz
Cat-5e, ungeschirmt		10GBASE-T	*) 45…? m	4 × 417 MHz	100 MHz
Cat-5e, geschirmt			über 45 m		100 MHz
Cat-6, ungeschirmt	Klasse E		*) 55…100 m		250 MHz
Cat-6, geschirmt
Cat-6A	Klasse EA		100 m		500 MHz
Cat-7	Klasse F				600 MHz
Cat-7a					1000 MHz
Cat-8.1	Klasse 1	40GBASE-T	30 m		1600 MHz
Cat-8.2	Klasse 2

Die zulässige Gesamtlänge der Übertragungsstrecke beträgt in der Regel 100 m. Darin enthalten sind:

• 90 m Installationskabel
• 10 m Patchkabel (2 × 5 m)
• 2 Steckverbindungen (z. B. Dose und Patchfeld)

Patchkabel haben schlechtere Übertragungseigenschaften.

• Sind die Patchkabel länger als 10 m, reduziert sich für jeden Meter Überschreitung die zulässige Länge des Installationskabels um jeweils 1,5 m.
• Besteht die Strecke nur aus Patchkabeln, ist die zulässige Regellänge ca. 70 m.

Wenn nicht anders angegeben, gelten die Längen für geschirmte und ungeschirmte Kabel gleichermaßen.

• Die Werte für 10-Gbit/s-Ethernet entsprechen IEE 802.3-2008, Tabelle 55-13.
  *) Reduzierte Längen bei 10 Gbit/s ergeben sich durch Fremdübersprechen zwischen mehreren Kabeln und gelten nur ungeschirmt bei enger Bündelung über viele Meter Länge.

Der Wert für 10 Gbit/s über Cat 5e wurde in einem Entwurf vorgeschlagen, aber nicht in die endgültige IEEE 802.3 Norm übernommen.

• Allerdings bestätigen zahlreiche Hardwarehersteller die Funktion über 45 m Cat 5e UTP.
  

Geschirmtes CAT 5e ist außerhalb von Europa ungebräuchlich und wurde von dem US-dominierten Gremium nicht getestet.

• Es ergeben sich dafür erheblich größere Längen, weil der längenbegrenzende Parameter das Fremdübersprechen ist.
• Geschirmte Kabel sind davon jedoch praktisch nicht betroffen.

Längen für Multimode-Glasfaserkabel

Geschwindigkeit	Verkabelung	Entfernung (max)
10 MBit/s 10BASE-FL/-FB	OM1 LWL-Multimode 62,5/125 µm	2000 m
100 MBit/s 100BASE-FX	OM1/OM2 LWL-Multimode 62,5/125 µm / 50/125 µm HDX	412 m
	OM1/OM2 LWL-Multimode 62,5 µm / 50 µm FDX	2000 m
1 Gbit/s 1000BASE-SX	OM1 LWL-Multimode 62,5/125 µm	220 m
	OM2 LWL-Multimode 50/125 µm	550 m
	OM3 LWL-Multimode 50/125 µm	>550 m
10 Gbit/s 10GBASE-SR	OM1 LWL-Multimode 62,5/125 µm	26 m
	OM2 LWL-Multimode 50/125 µm	82 m
	OM3 LWL-Multimode 50/125 µm	300 m
10 Gbit/s 10GBASE-LRM	OM1/2/3 LWL-Multimode 62,5/125 µm / 50/125 µm	220 m

Längen für Singlemode-Glasfaserkabel

Geschwindigkeit	Verkabelung	Entfernung (max)
10 Gbit/s 10GBASE-LR	LWL-Singlemode 8–10 µm	OS2: 10 km
10 Gbit/s 10GBASE-ER	LWL-Singlemode 8–10 µm	OS2: 30–40 km
10 Gbit/s 10GBASE-ZR (nicht IEEE 802.3)	LWL-Singlemode 8–10 µm	80 km

8P8C-Stecker für Ethernet

• Token Ring Adernpaar 1 und 3
• 10BASE-T Adernpaar 2 und 3
• 100BASE-TX Adernpaar 2 und 3
• 100BASE-T4 Adernpaar 1, 2, 3 und 4
• 100BASE-VG (VG-AnyLAN) Adernpaar 1, 2, 3 und 4

Belegung und Kabel-Farbcode für 8P8C-Stecker

Adernpaar	Pins	EIA/TIA-568A	IEC	REA	DIN 47.100
1	4/5	blau/weiß	weiß/blau	weiß/blau	weiß/braun
2	3/6	weiß/orange	rot/orange	türkis/violett	grün/gelb
3	1/2	weiß/grün	schwarz/grau	weiß/orange	grau/rosa
4	7/8	weiß/braun	gelb/braun	türkis/violett	blau/rot

Belegung 8P8C-Stecker nach EIA/TIA-568B

10BASE-T und 100BASE-TX

Signal	Pin	Farbe
TX+	1	weiß/orange
TX-	2	orange
RX+	3	weiß/grün
	4	blau
	5	weiß/blau
RX-	6	grün
	7	weiß/braun
	8	braun