Ethernet-Physikalische Schicht

Die Spezifikationen der physikalischen Schicht der Ethernet- Familie von Computernetzwerkstandards werden vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) veröffentlicht. Sie definieren die elektrischen oder optischen Eigenschaften und die Übertragungsgeschwindigkeit der physikalischen Verbindung zwischen einem Gerät und dem Netzwerk oder zwischen Netzwerkgeräten. Ergänzt wird sie durch die MAC-Schicht und die logische Sicherungsschicht . Eine Implementierung einer bestimmten physikalischen Schicht wird üblicherweise als PHY ( Physical Layer) bezeichnet .

Die Ethernet-Physikschicht hat sich seit ihrer Entstehung im Jahr 1980 weiterentwickelt und umfasst mehrere physikalische Medienschnittstellen sowie eine um mehrere Größenordnungen höhere Geschwindigkeit.1  Mbit/s bis800  Gbit/s . Die Übertragungsmedien reichen von sperrigen Koaxialkabeln über verdrillte Adernpaare bis hin zu Glasfasern mit einer standardisierten Reichweite von bis zu 80 km. Im Allgemeinen funktioniert die Netzwerkprotokollstapel-Software auf allen physikalischen Schichten ähnlich .

Viele Ethernet-Adapter und Switch- Ports unterstützen mehrere Geschwindigkeiten, indem sie die Geschwindigkeit und den Duplexmodus per Autonegotiation optimal an die Bedürfnisse beider angeschlossener Geräte anpassen. Schlägt die Autonegotiation fehl, übernehmen einige Geräte mit mehreren Geschwindigkeiten die vom Partner verwendete Geschwindigkeit ^{[ 1 ]} , was jedoch zu einem Duplex-Mismatch führen kann. Mit wenigen Ausnahmen unterstützt ein 100BASE-TX- Port ( 10/100 ) auch 10BASE-T , während ein 1000BASE-T- Port ( 10/100/1000 ) sowohl 10BASE-T als auch 100BASE-TX unterstützt. Die meisten 10GBASE-T -Ports unterstützen auch 1000BASE-T ^{[ 2 ]} , einige sogar 100BASE-TX oder 10BASE-T. Während man sich bei Ethernet über Twisted-Pair -Kabel praktisch auf die Autonegotiation verlassen kann, unterstützen nur wenige Glasfaser-Ports mehrere Geschwindigkeiten. Auch Multiraten-Faserschnittstellen unterstützen ohnehin nur eine einzige Wellenlänge (z. B. 850 nm für 1000BASE-SX oder 10GBASE-SR).

10-Gigabit-Ethernet wurde bereits 2007 sowohl in Unternehmens- als auch in Betreibernetzen eingesetzt, wobei 40-Gbit/s-Ethernet ^{[ 3 ] [ 4 ]} und 100-Gigabit-Ethernet ^{[ 5 ]} ratifiziert wurden. ^{[ 6 ]} Im Jahr 2024 waren die schnellsten Erweiterungen der Ethernet-Familie 800-Gbit/s -Varianten . ^{[ 7 ]}

Im Allgemeinen werden Schichten nach ihren Spezifikationen benannt: ^{[ 8 ]}

• 10, 100, 1000, 10G, ... – die nominale, nutzbare Geschwindigkeit an der Spitze der physikalischen Schicht (ohne Suffix = Megabit/s , G = Gigabit/s ), ohne Leitungscodes , aber einschließlich des übrigen Overheads der physikalischen Schicht ( Präambel, SFD , IPG ); einige WAN-PHYs ( W ) arbeiten aus Kompatibilitätsgründen mit etwas reduzierten Bitraten; kodierte PHY-Subschichten arbeiten üblicherweise mit höheren Bitraten.
• BASE, BROAD, PASS – bezeichnet Basisband- , Breitband- bzw. Passband -Signalisierung.
• -T, -T1, -S, -L, -E, -Z, -C, -K, -H ... – Medium ( PMD ): T = verdrilltes Adernpaar , -T1 = verdrilltes Adernpaar (einfach), S = 850 nm kurze Wellenlänge ( Multimode-Faser ), L = 1300 nm lange Wellenlänge (meist Singlemode-Faser ), E oder Z = 1500 nm extra lange Wellenlänge (Singlemode), B = bidirektionale Faser (meist Singlemode) mit WDM , P = passive optische Faser ( PON ), C = Kupfer/ Twinax , K = Backplane , 2 oder 5 oder 36 = Koaxialkabel mit 185/500/3600 m Reichweite (veraltet), F = Faser, verschiedene Wellenlängen, H = Kunststoff-Lichtwellenleiter
• X, R – PCS -Codierungsverfahren (variiert je nach Generation): X für 8b/10b -Blockcodierung ( 4B5B für Fast Ethernet), R für Large-Block-Codierung ( 64b/66b )
• 1, 2, 4, 10 – bei LAN-PHYs die Anzahl der pro Verbindung genutzten Lanes; bei WAN-PHYs die Reichweite in Kilometern

Bei 10 Mbit/s wird keine Kodierung angegeben, da alle Varianten den Manchester-Code verwenden . Die meisten Twisted-Pair-Leitungen verwenden eine eigene Kodierung, daher wird meist nur -T verwendet.

Die Reichweite , insbesondere bei optischen Verbindungen, ist die maximal erreichbare Verbindungslänge, deren Funktionsfähigkeit bei Erfüllung aller Kanalparameter ( Modenbandbreite , Dämpfung , Einfügungsdämpfung usw.) gewährleistet ist. Mit besseren Kanalparametern lässt sich oft eine längere, stabile Verbindungslänge erzielen. Umgekehrt kann eine Verbindung mit schlechteren Kanalparametern zwar auch funktionieren, jedoch nur über eine kürzere Distanz. Reichweite und maximale Distanz haben dieselbe Bedeutung.

Die folgenden Abschnitte bieten eine kurze Zusammenfassung der offiziellen Ethernet-Medientypen. Zusätzlich zu diesen offiziellen Standards haben viele Hersteller aus verschiedenen Gründen proprietäre Medientypen implementiert – häufig, um größere Entfernungen über Glasfaserkabel zu unterstützen .

Die frühen Ethernet-Standards verwendeten die Manchester-Codierung , damit das Signal selbsttaktend war und nicht durch Hochpassfilter beeinträchtigt wurde .

Alle Fast-Ethernet -Varianten verwenden eine Sterntopologie und im Allgemeinen die 4B5B -Leitungscodierung.

Alle Gigabit-Ethernet-Varianten verwenden eine Sterntopologie. 1000BASE-X-Varianten nutzen die 8b/10b -PCS-Codierung. Ursprünglich war der Halbduplex-Modus im Standard enthalten, wird aber mittlerweile nicht mehr unterstützt. ^{[ 14 ]} Nur sehr wenige Geräte unterstützen Gigabit-Geschwindigkeit im Halbduplex-Modus.

2.5GBASE-T and 5GBASE-T are scaled-down variants of 10GBASE-T and provide longer reach over pre-Cat 6A cabling. These physical layers support twisted-pair copper cabling and backplanes only.

10-Gigabit-Ethernet ist eine Ethernet-Variante mit einer nominellen Datenrate von 10 Gbit/s und ist damit zehnmal schneller als Gigabit-Ethernet. Der erste 10-Gigabit-Ethernet-Standard, IEEE Std 802.3ae-2002, wurde 2002 veröffentlicht. Nachfolgende Standards umfassen Medientypen für Singlemode-Glasfaser (Langstreckenverbindungen), Multimode-Glasfaser (bis zu 400 m), Kupfer-Backplane (bis zu 1 m) und verdrillte Kupferleitungen (bis zu 100 m). Alle 10-Gigabit-Standards wurden in IEEE Std 802.3-2008 zusammengeführt. Die meisten 10-Gigabit-Varianten verwenden den PCS-Code 64b/66b ( -R ). 10-Gigabit-Ethernet, insbesondere 10GBASE-LR und 10GBASE-ER , ist in Carrier-Netzwerken weit verbreitet.

Single-Lane 25-Gigabit-Ethernet basiert auf einer der vier 25,78125 GBd-Lanes des 100-Gigabit-Ethernet-Standards, der von der P802.3by-Taskforce entwickelt wurde. ^{[ 17 ]} 25GBASE-T über Twisted-Pair-Kabel wurde zusammen mit 40GBASE-T im Rahmen von IEEE 802.3bq verabschiedet . ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Diese Ethernet-Klasse wurde im Juni 2010 als IEEE 802.3ba standardisiert. Die Arbeit umfasste auch die ersteDie 100-Gbit/s -Generation wurde im März 2011 als IEEE 802.3bg veröffentlicht. ^{[ 20 ] [ 21 ]} ADer 40-Gbit/s- Twisted-Pair-Standard wurde 2016 als IEEE 802.3bq-2016 veröffentlicht.

Die IEEE 802.3cd Task Force entwickelte 50 Gbit/s sowie die nachfolgenden 100- und 200-Gbit/s -Standards unter Verwendung von 50-Gbit/s -Leitungen. ^{[ 23 ]}

Die erste Generation von 100-Gigabit-Ethernet mit 10- und 25-Gbit/s -Leitungen wurde im Juni 2010 als IEEE 802.3ba zusammen mit 40-Gigabit-Ethernet standardisiert. ^{[ 20 ]} Die zweite Generation mit 50-Gbit/s -Leitungen wurde von der IEEE 802.3cd Task Force zusammen mit den Standards für 50 und 200 Gbit/s entwickelt . ^{[ 23 ]} Die dritte Generation mit einer einzelnen 100-Gbit/s -Leitung wurde im September 2022 als IEEE 802.3ck zusammen mit 200- und 400-Gbit/s -Ethernet standardisiert . ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Die erste Generation mit 200 Gbit/s wurde von der IEEE 802.3bs Task Force definiert und in 802.3bs-2017 standardisiert. ^{[ 26 ]} Die IEEE 802.3cd Task Force entwickelte Standards für 50 Gbit/s sowie die Nachfolgegenerationen mit 100 und 200 Gbit/s , die jeweils eine, zwei oder vier 50-Gbit/s -Leitungen nutzen. ^{[ 23 ]} Die nächste Generation mit 100-Gbit/s -Leitungen wurde im September 2022 als IEEE 802.3ck standardisiert, zusammen mit 100- und 400-Gbit/s -PHYs und Attachment Unit Interfaces (AUI) für 100-Gbit/s -Leitungen. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Ein Ethernet-Standard, der 200 und 400 Gbit/s ermöglicht , ist in IEEE 802.3bs-2017 definiert. ^{[ 26 ]} 1 Tbit/s könnte ein weiteres Ziel sein. ^{[ 27 ]}

Im Mai 2018 gründete IEEE 802.3 die 802.3ck-Taskforce, um Standards für 100-, 200- und 400-Gbit/s -PHYs und Attachment Unit Interfaces (AUI) unter Verwendung von 100-Gbit/s- Lanes zu entwickeln. ^{[ 24 ]} Die neuen Standards wurden im September 2022 verabschiedet. ^{[ 25 ]}

Robert Metcalfe , einer der Miterfinder von Ethernet, äußerte 2008 die Ansicht, dass kommerzielle Anwendungen mit Terabit-Ethernet bis 2015 möglich sein könnten, dies jedoch möglicherweise neue Ethernet-Standards erfordern würde. ^{[ 28 ]} Es wurde prognostiziert, dass darauf rasch eine Skalierung auf 100 Terabit folgen würde, möglicherweise schon ab 2020. Dies waren theoretische Vorhersagen der technologischen Möglichkeiten und keine Schätzungen, wann solche Geschwindigkeiten tatsächlich zu einem praktikablen Preis verfügbar sein würden. ^{[ 29 ]}

Das Ethernet Technology Consortium schlug im April 2020 eine 800-Gbit/s -Ethernet-PCS-Variante vor, die auf eng gebündeltem 400GBASE-R basiert. ^{[ 30 ]}

Im Februar 2024 definierte die IEEE 802.3df Task Force Varianten für 800-Gbit/s- Ethernet über Twinaxial-Kupfer, elektrische Backplanes, Singlemode- und Multimode-Glasfaser sowie neue 200- und 400-Gbit/s- Varianten unter Verwendung von 100-Gbit/s- Leitungen. ^{[ 31 ]}

Im Dezember 2022 gründete das IEEE die P802.3dj Task Force , um Varianten für 200, 400, 800 und 1600 Gbit/s über Twinaxial-Kupferleitungen, elektrische Backplanes, Singlemode- und Multimode-Glasfaser sowie neue Varianten mit 200-Gbit/s -Leitungen zu definieren. ^{[ 33 ]}

Ethernet in the first mile ermöglicht den direkten Internetzugang von Anbietern zu Privathaushalten und kleinen Unternehmen.

Ausgehend von Fast Ethernet werden die Spezifikationen der physikalischen Schicht in drei Unterschichten unterteilt, um Design und Interoperabilität zu vereinfachen: ^{[ 36 ].}

• PCS ( Physical Coding Sublayer ) – Diese Unterschicht führt die automatische Aushandlung und die grundlegende Codierung (z. B. 8b/10b), die Trennung und Rekombination von Datenleitungen durch. Bei Ethernet entspricht die Bitrate am oberen Ende der PCS der nominalen Bitrate , z. B. 10 Mbit/s für klassisches Ethernet oder 1000 Mbit/s für Gigabit-Ethernet.
• PMA ( Physical Medium Attachment sublayer) - Diese Unterschicht führt PMA-Framing, Oktett-Synchronisation/-Erkennung und Polynom-Scrambling/-Entschlüsselung durch.
• PMD ( Physical Medium Dependent Sublayer) - Diese Subschicht besteht aus einem Transceiver für das physikalische Medium.

Verschiedene Ethernet-Varianten wurden speziell für die Nutzung über bereits an vielen Standorten installierte strukturierte 4-paarige Kupferverkabelung entwickelt . Im Gegensatz zu 10BASE-T und 100BASE-TX nutzen 1000BASE-T und höhere Standards alle vier Adernpaare für die simultane Übertragung in beide Richtungen mittels Echokompensation .

Die Verwendung von Kupferkabeln (Punkt-zu-Punkt) ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von Strom und Daten. Dies wird als Power over Ethernet (PoE) bezeichnet und ist in den IEEE-802.3-Standards in verschiedenen Varianten definiert. Die Kombination von 10BASE-T (oder 100BASE-TX) mit Modus A erlaubt es einem Hub oder Switch, Strom und Daten über nur zwei Adernpaare zu übertragen. Dadurch bleiben die anderen beiden Adernpaare für analoge Telefonsignale frei. ^{[ 37 ]} Die in Modus B verwendeten Pins versorgen die übrigen Adernpaare, die nicht von 10BASE-T und 100BASE-TX genutzt werden, mit Strom. 4PPoE (gemäß IEEE 802.3bt) kann alle vier Adernpaare nutzen, um bis zu 100 W zu liefern.

8P8C-Verkabelung ( MDI )

Stift	Paar	Farbe	Telefon	10BASE-T , [ 38 ] 100BASE-TX [ 39 ]	1000BASE-T [ 40 ] und höher	PoE-Modus A	PoE-Modus B
1	3	weiß/grün		TX+	BI_DA+	48 V Ausgang
2	3	Grün		TX−	BI_DA–	48 V Ausgang
3	2	weiß/orange		RX+	BI_DB+	48 V Rückleitung
4	1	Blau	Ring	unbenutzt	BI_DC+		48 V Ausgang
5	1	weiß/blau	Tipp	unbenutzt	BI_DC–		48 V Ausgang
6	2	orange		RX−	BI_DB–	48 V Rückleitung
7	4	weiß/braun		unbenutzt	BI_DD+		48 V Rückleitung
8	4	braun		unbenutzt	BI_DD–		48 V Rückleitung

Die Anforderungen an die Kabel hängen von der Übertragungsgeschwindigkeit und dem verwendeten Codierungsverfahren ab. Im Allgemeinen erfordern höhere Geschwindigkeiten sowohl hochwertigere Kabel als auch eine ausgefeiltere Codierung.

Einige Glasfaserverbindungen erfordern Mindestkabellängen aufgrund von Maximalpegelbeschränkungen für empfangene Signale. ^{[ 41 ]} Glasfaseranschlüsse, die für große Wellenlängen ausgelegt sind, benötigen unter Umständen einen Signalabschwächer, wenn sie innerhalb eines Gebäudes verwendet werden.

10BASE2-Installationen, die über RG-58-Koaxialkabel betrieben werden, erfordern einen Mindestabstand von 0,5 m zwischen den an das Netzwerkkabel angeschlossenen Stationen, um Reflexionen zu minimieren. ^{[ 42 ]}

10BASE-T-, 100BASE-T- und 1000BASE-T-Installationen, die über verdrillte Adernpaare betrieben werden, verwenden eine Sterntopologie . Für diese Netzwerke ist keine Mindestkabellänge erforderlich. ^{[ 43 ] [ 44 ]}

Einige Netzwerkstandards sind nicht Teil des IEEE 802.3 Ethernet-Standards, unterstützen aber das Ethernet-Frame-Format und sind mit diesem interoperabel.

• LattisNet – Eine SynOptics- Variante für verdrillte Zweidrahtleitungen mit 10 Mbit/s, die noch nicht dem Standard entspricht.
• 100BaseVG – Ein früher Kandidat für 100-Mbit/s -Ethernet. Es nutzt vier Adernpaare von Kategorie-3-Kabeln , war aber kommerziell nicht erfolgreich.
• TIA 100BASE-SX – gefördert von der Telecommunications Industry Association – ist eine alternative Implementierung von 100-Mbit/s -Ethernet über Glasfaser und nicht kompatibel mit dem offiziellen 100BASE-FX-Standard. Sein Hauptmerkmal ist die Interoperabilität mit 10BASE-FL , die die automatische Aushandlung zwischen 10- und 100-Mbit/s -Betrieb unterstützt – eine Funktion, die in den offiziellen Standards aufgrund der Verwendung unterschiedlicher LED-Wellenlängen fehlt. 100BASE-SX richtete sich an die bestehende Basis von 10-Mbit/s -Glasfasernetzen.
• TIA 1000BASE-TX – gefördert von der Telecommunications Industry Association – war ein kommerzieller Misserfolg. 1000BASE-TX verwendet ein einfacheres Protokoll als der offizielle 1000BASE-T-Standard, wodurch die Elektronik günstiger sein kann, benötigt aber Kabel der Kategorie 6 .
• G.hn ist ein von der ITU-T entwickelter und vom HomeGrid Forum geförderter Standard für Hochgeschwindigkeits- LANs (bis zu 1 Gbit/s ) über die bestehende Hausverkabelung ( Koaxialkabel , Strom- und Telefonleitungen). G.hn definiert eine Application Protocol Convergence (APC)-Schicht, die Ethernet-Frames empfängt und in G.hn MSDUs kapselt.

Andere Netzwerkstandards verwenden nicht das Ethernet-Frame-Format, können aber dennoch über MAC-basiertes Bridging mit Ethernet verbunden werden.

• 802.11 – Standards für drahtlose lokale Netzwerke (LANs), die als Wi-Fi verkauft werden
• 802.16 – Standards für drahtlose Metropolregionnetze (MANs), die als WiMAX vertrieben werden

Zu den weiteren speziellen physikalischen Schichten gehören Avionics Full-Duplex Switched Ethernet und TTEthernet .

• IEEE GET-Programm GET 802(R)-Standards
• IEEE 802.3 Ethernet Arbeitsgruppe