Ethernet über verdrilltes Paar

Standardmäßiges Twisted-Pair-Kabel, das für die meisten gängigen Ethernet-Typen geeignet ist.

Stecker 8P8C

Ethernet-over-Twisted-Pair -Technologien nutzen Twisted-Pair-Kabel für die physikalische Schicht eines Ethernet- Computernetzwerks. Sie stellen eine Teilmenge aller physikalischen Ethernet-Schichten dar .

Frühe Ethernet-Technologien nutzten Koaxialkabel unterschiedlicher Qualität , doch 1984 demonstrierte StarLAN das Potenzial einfacher, ungeschirmter Twisted-Pair-Kabel . Dies führte zur Entwicklung von 10BASE-T und seinen Nachfolgern 100BASE-TX , 1000BASE-T , 10GBASE-T und 40GBASE-T , die Geschwindigkeiten von 10 und 100  Megabit pro Sekunde bzw. später 1, 10 und 40 Gigabit pro Sekunde unterstützten. ^{[ a ]}

Ethernet über ein einzelnes verdrilltes Adernpaar, bekannt als Single-Pair Ethernet ( SPE ), ist kommerziell eingeführt worden. Zwei neue Varianten von 10-Megabit-Ethernet über ein einzelnes verdrilltes Adernpaar, bekannt als 10BASE-T1S und 10BASE-T1L , wurden im IEEE-Standard 802.3cg-2019 standardisiert. ^{[ 2 ]} 10BASE-T1S hat seinen Ursprung in der Automobilindustrie und kann auch in anderen Kurzstreckenanwendungen mit starkem elektrischem Rauschen eingesetzt werden. ^{[ 3 ]} 10BASE-T1L ist ein Ethernet-Standard für große Entfernungen und unterstützt Verbindungen bis zu 1 km Länge. Beide Standards finden Anwendung im Bereich des Internets der Dinge (IoT) . 10BASE-T1S konkurriert im Automobilbereich direkt mit CAN XL und beinhaltet ein Verfahren zur Kollisionsvermeidung auf PHY-Ebene (PLCA). ^{[ 4 ]}

Die älteren Standards verwenden modulare 8P8C-Steckverbinder ^{[ b ]} und unterstützen Kabelstandards von Kategorie 3 bis Kategorie 8. Diese Kabel verfügen typischerweise über vier Adernpaare pro Verbindung, obwohl frühe Ethernet-Technologien nur zwei Adernpaare nutzten. Im Gegensatz zu den älteren -T- Standards wurden die -T1 -Schnittstellen für den Betrieb über ein einzelnes Adernpaar entwickelt und führten die Verwendung zweier neuer Steckverbinder ein, die als IEC 63171-1 ^{[ 5 ]} und IEC 63171-6 ^{[ 6 ]} bezeichnet werden .

Die ersten beiden frühen Designs für Twisted-Pair-Netzwerke waren StarLAN , 1986 von der IEEE Standards Association als IEEE 802.3e standardisiert , mit einer Übertragungsrate von einem Megabit pro Sekunde ^{[ 7 ]} , und LattisNet , entwickelt im Januar 1987, mit zehn Megabit pro Sekunde ^{[ 8 ] [ 9 ]} . Beide wurden vor dem 10BASE-T-Standard (veröffentlicht 1990 als IEEE 802.3i ) entwickelt und verwendeten unterschiedliche Signalverfahren, weshalb sie nicht direkt mit diesem kompatibel waren ^{[ 10 ] .}

1988 veröffentlichte AT&T StarLAN 10, benannt nach der Übertragungsrate von 10 Mbit/s . ^{[ 11 ]} Die StarLAN-10-Signalisierung diente als Grundlage für 10BASE-T, wobei der Link Beat zur schnellen Anzeige des Verbindungsstatus hinzugefügt wurde. ^{[ c ]}

Die Verwendung von verdrillten Zweidrahtleitungen in Sterntopologie behob mehrere Schwächen der vorherigen Ethernet-Standards:

• Verdrillte Zweidrahtleitungen wurden bereits für Telefonanschlüsse verwendet und waren in vielen Bürogebäuden bereits vorhanden, was die Gesamtkosten der Installation senkte.
• Die zentrale Sterntopologie wurde bereits häufig für die Verkabelung von Telefonanschlüssen verwendet, im Gegensatz zur Bustopologie, die von früheren Ethernet-Standards gefordert wurde.
• Die Verwendung von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen war weniger störungsanfällig und vereinfachte die Fehlersuche im Vergleich zu einem gemeinsam genutzten Bus erheblich.
• Der Austausch billiger Repeater-Hubs gegen leistungsfähigere Switching-Hubs bot einen praktikablen Upgrade-Pfad.
• Mit dem Aufkommen von Fast Ethernet wurde es möglich, unterschiedliche Geschwindigkeiten in einem einzigen Netzwerk zu mischen .
• Je nach Kabelqualität kann ein späteres Upgrade auf Gigabit-Ethernet oder schneller durch den Austausch der Netzwerk-Switches erfolgen.

Obwohl 10BASE-T heutzutage selten als Standard-Signalisierungsrate verwendet wird, findet es weiterhin breite Anwendung bei Netzwerkschnittstellen-Controllern im Wake-on-LAN- Modus und für spezielle Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und niedriger Bandbreite. 10BASE-T wird nach wie vor von den meisten Twisted-Pair-Ethernet-Ports mit Gigabit-Ethernet- Geschwindigkeit unterstützt.

Die gebräuchlichen Bezeichnungen der Standards leiten sich von Eigenschaften der physikalischen Übertragungsmedien ab. Die führende Zahl ( 10 in 10BASE-T) gibt die Übertragungsgeschwindigkeit in Mbit/s an. BASE bedeutet, dass Basisbandübertragung verwendet wird. Das T steht für verdrilltes Zweidrahtkabel. Existieren mehrere Standards für dieselbe Übertragungsgeschwindigkeit , werden sie durch einen Buchstaben oder eine Ziffer nach dem T unterschieden, z. B. TX oder T4 , die sich auf das Codierungsverfahren und die Anzahl der Leitungen beziehen. ^{[ 13 ]}

ANSI/TIA-568 T568A-Anschluss

Stift	Paar	Draht [ d ]	Farbe
1	3	Tipp	weiß/grün
2	3	Ring	Grün
3	2	Tipp	weiß/orange
4	1	Ring	Blau
5	1	Tipp	weiß/blau
6	2	Ring	orange
7	4	Tipp	weiß/braun
8	4	Ring	braun

ANSI/TIA-568 T568B-Anschluss

Stift	Paar	Draht [ d ]	Farbe
1	2	Tipp	weiß/orange
2	2	Ring	orange
3	3	Tipp	weiß/grün
4	1	Ring	Blau
5	1	Tipp	weiß/blau
6	3	Ring	Grün
7	4	Tipp	weiß/braun
8	4	Ring	braun

Die meisten Ethernet-Kabel sind direkt verdrahtet (Pin 1 an Pin 1, Pin 2 an Pin 2 usw.). In manchen Fällen kann jedoch die Crossover- Variante (Empfang an Sender und Senden an Empfang) erforderlich sein.

Ein Ethernet-Kabel kann an beiden Enden entweder nach dem T568A- oder dem T568B -Standard verdrahtet sein. Da sich diese Standards nur darin unterscheiden, dass sie die Positionen der Adernpaare 2 und 3 – die einzigen Adernpaare der ehemals gängigen Standards 10BASE-T und 100BASE-TX – vertauschen, fungiert ein Kabel mit T568A-Verdrahtung an einem Ende und T568B-Verdrahtung am anderen Ende als Crossover-Kabel für die älteren, zweiadrigen Standards.

Ein 10BASE-T- oder 100BASE-TX-Host verwendet üblicherweise eine Steckverbinderbelegung namens Medium-Dependent Interface ( MDI ). Die Sende- und Empfangsbelegung erfolgt über die Pins 1 und 2 bzw. 3 und 6. Ein Infrastrukturknoten (z. B. ein Hub oder Switch ) verwendet üblicherweise die komplementäre Belegung MDI-X , wobei das X für Crossover steht . Bei MDI-X werden die Adernpaare einfach umgekehrt: Die Sende- und Empfangsbelegung erfolgt über die Pins 3 und 6 bzw. 1 und 2. Diese Ports sind über ein Straight-Through-Kabel verbunden, sodass jeder Sender mit dem Empfänger am anderen Ende des Kabels kommuniziert. (Modernes Twisted-Pair-Ethernet nutzt alle vier Adernpaare anders, und die Unterscheidung zwischen MDI und MDI-X ist hier nicht relevant.)

Neuere Geräte können oft automatisch zwischen MDI- und MDI-X-Konfigurationen umschalten, wodurch Crossover-Kabel und manuelle Auswahl entfallen. In der herkömmlichen Konfiguration ist jedoch ein Crossover-Kabel erforderlich, wenn zwei Knoten mit demselben (festen) Porttyp verbunden werden sollen. Unterstützen beide anzuschließenden Geräte 1000BASE-T, ist die Verbindung unabhängig davon möglich, ob ein Straight-Through- oder ein Crossover-Kabel verwendet wird. ^{[ 14 ]}

Ein 10BASE-T-Sender sendet zwei Differenzspannungen , +2,5 V oder −2,5 V. Ein 100BASE-TX-Sender sendet drei Differenzspannungen, +1 V, 0 V oder −1 V. ^{[ 15 ]} Im Gegensatz zu früheren Ethernet-Standards , die Breitband- und Koaxialkabel verwendeten , wie z. B. 10BASE5 (Thicknet) und 10BASE2 (Thinnet), legt 10BASE-T nicht den genauen Verdrahtungstyp fest, sondern definiert bestimmte Eigenschaften, die ein Kabel erfüllen muss. Dies geschah in Erwartung der Verwendung von 10BASE-T in bestehenden Twisted-Pair-Verkabelungssystemen, die keinem festgelegten Verdrahtungsstandards entsprachen. Zu den spezifizierten Eigenschaften gehören Dämpfung , Wellenwiderstand , Laufzeit und verschiedene Arten von Übersprechen . Kabeltester sind weit verbreitet, um diese Parameter zu überprüfen und festzustellen, ob ein Kabel für 10BASE-T geeignet ist. Diese Eigenschaften sollten mit 100 Metern ungeschirmtem Twisted-Pair-Kabel (24 AWG) erreicht werden . Mit hochwertigen Kabeln sind jedoch oft auch zuverlässige Kabelstrecken von 150 Metern oder mehr realisierbar und werden von Technikern, die mit der 10BASE-T-Spezifikation vertraut sind, als praktikabel angesehen.

100BASE-TX verwendet die gleichen Verdrahtungsmuster wie 10BASE-T, reagiert aber aufgrund der höheren Bitraten empfindlicher auf die Qualität und Länge der Leitungen .

1000BASE-T nutzt alle vier Adernpaare bidirektional mittels Hybridschaltungen und Kompensatoren . ^{[ 16 ]} Die Daten werden mit 4D-PAM5 kodiert; vier Dimensionen mittels Pulsamplitudenmodulation (PAM) mit fünf Spannungen : −2 V, −1 V, 0 V, +1 V und +2 V. ^{[ 17 ]} Obwohl an den Pins des Leitungstreibers Spannungen von +2 V bis −2 V anliegen können, beträgt die Spannung am Kabel nominell +1 V, +0,5 V, 0 V, −0,5 V und −1 V. ^{[ 18 ]}

Sowohl 100BASE-TX als auch 1000BASE-T wurden so konzipiert, dass mindestens ein Kabel der Kategorie 5 erforderlich ist und eine maximale Kabellänge von 100 Metern (330 Fuß) festgelegt ist.

10BASE-T und 100BASE-TX benötigen nur zwei Adernpaare (Pins 1–2, 3–6) für den Betrieb. Da gängige Kategorie-5-Kabel vier Adernpaare besitzen, können die übrigen Adernpaare (Pins 4–5, 7–8) in 10- und 100-Mbit/s-Konfigurationen anderweitig genutzt werden. Diese Adernpaare können beispielsweise für Power over Ethernet (PoE), für zwei herkömmliche Telefonleitungen (POTS) oder für eine zweite 10BASE-T- oder 100BASE-TX-Verbindung verwendet werden. In der Praxis ist es wichtig, diese Adernpaare sorgfältig zu trennen, da 10/100-Mbit/s-Ethernet-Geräte die ungenutzten Pins elektrisch terminieren („Bob-Smith-Terminierung“). ^{[ 19 ]} Für Gigabit-Ethernet ist die gemeinsame Nutzung eines Kabels nicht möglich, da 1000BASE-T alle vier Adernpaare benötigt.

Neben den eher computerorientierten Varianten mit zwei und vier Adernpaaren sind die Single-Pair-Ethernet- ( SPE )-Schichten von 10BASE-T1 ^{[ 20 ]} , 100BASE-T1 ^{[ 21 ]} und 1000BASE-T1 ^{[ 22 ]} für Anwendungen in der Automobilindustrie , im Internet der Dinge ( IoT ) und in der M2M- Kommunikation ^{[ 23 ]} oder als optionale Datenkanäle in anderen Verbindungsanwendungen vorgesehen . ^{[ 24 ]} Die Reichweite eines Single-Pair-Ethernets im Vollduplex-Betrieb hängt von der Übertragungsgeschwindigkeit ab: 1000 m (1 km) mit 802.3cg-2019 10BASE-T1L; 15 m (49 ft) mit 100BASE-T1 (Linksegment Typ A); bis zu 40 m (130 ft) mit 1000BASE-T1 (Linksegment Typ B) und bis zu vier Inline-Steckverbindern. Beide physikalischen Schichten benötigen ein symmetrisches verdrilltes Adernpaar mit einer Impedanz von 100 Ω. Das Kabel muss 600 MHz für 1000BASE-T1 und 66 MHz für 100BASE-T1 übertragen können. 2,5 Gbit/s, 5 Gbit/s und 10 Gbit/s über ein 15 m langes Adernpaar sind im Standard 802.3ch-2020 standardisiert. ^{[ 25 ]} Im Juni 2023 wurde mit 802.3cy die Übertragungsgeschwindigkeit von 25 Gbit/s bei Kabellängen bis zu 11 m erweitert. ^{[ 26 ]}

Ähnlich wie PoE kann Power over Data Lines (PoDL) ein Gerät mit bis zu 50 W versorgen. ^{[ 27 ]}

Single-Pair Ethernet (SPE)

Drahtfarbe	PMA-Signal
	BI_DA+
	BI_DA−

• 8P8C-Modulstecker : Für stationäre Anwendungen in kontrollierten Umgebungen, von Privathaushalten bis hin zu Rechenzentren , ist dies der am weitesten verbreitete Stecker. Seine empfindliche Verriegelungslasche schränkt jedoch seine Eignung und Haltbarkeit ein. Für dieses Steckerformat sind Bandbreiten bis hin zu Cat-8- Verkabelung definiert.
• M12X: Dies ist der M12-Stecker für Ethernet gemäß IEC 61076-2-109. Es handelt sich um eine 12 mm lange Metallschraube mit vier geschirmten Pinpaaren. Die Nennbandbreite beträgt 500 MHz (Cat 6A). Diese Steckerfamilie wird in chemisch und mechanisch anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt, beispielsweise in der Fabrikautomation und im Transportwesen. Ihre Größe ist vergleichbar mit der eines modularen Steckers.
• Single-Pair-Ethernet definiert seine eigenen Anschlüsse:
  • IEC 63171-1 LC : ^{[ 5 ]} Dies ist ein 2-poliger Stecker mit einer ähnlichen Verriegelungslasche wie der modulare Stecker, wenn auch dicker.
  • IEC 63171-6 Industrie : ^{[ 6 ]} Diese Norm definiert fünf 2-polige Steckverbinder mit unterschiedlichen Verriegelungsmechanismen sowie einen 4-poligen Steckverbinder mit separaten Pins für die Stromversorgung. Die Verriegelungsmechanismen reichen von einer Metallverriegelungslasche bis hin zu M8- und M12-Steckverbindern mit Schraub- oder Push-Pull-Verriegelung. Der 4-polige Steckverbinder ist ausschließlich mit M8-Schraubverriegelung definiert.

Ethernet-over-Twisted-Pair-Standards bis hin zu Gigabit-Ethernet definieren sowohl Vollduplex- als auch Halbduplex- Kommunikation. Halbduplex-Betrieb für Gigabit-Geschwindigkeit wird jedoch von keiner existierenden Hardware unterstützt. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Höhere Geschwindigkeitsstandards, 2.5GBASE-T bis 40GBASE-T ^{[ 30 ]} mit 2,5 bis 40 Gbit/s , definieren daher ausschließlich Vollduplex-Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, die üblicherweise über Netzwerk-Switches realisiert werden und das traditionelle CSMA/CD- Verfahren mit gemeinsamem Medium nicht unterstützen . ^{[ 31 ]}

Für Ethernet über Twisted-Pair-Kabel existieren viele verschiedene Betriebsmodi (10BASE-T Halbduplex, 10BASE-T Vollduplex, 100BASE-TX Halbduplex usw.) , und die meisten Netzwerkadapter unterstützen verschiedene Betriebsmodi. Für eine funktionierende 1000BASE-T-Verbindung ist die automatische Aushandlung (Autonegotiation) erforderlich.

Wenn zwei verbundene Schnittstellen auf unterschiedliche Duplexmodi eingestellt sind , führt diese Duplex-Fehlkonfiguration zu einer deutlich geringeren Netzwerkgeschwindigkeit als der nominellen. Eine solche Fehlkonfiguration kann unbeabsichtigt entstehen, wenn ein Administrator eine Schnittstelle auf einen festen Modus (z. B. 100 Mbit/s Vollduplex) konfiguriert, die Gegenschnittstelle jedoch nicht entsprechend anpasst und diese auf automatische Aushandlung (Autonegotiation) belässt. Schlägt die automatische Aushandlung fehl, wird auf der Seite mit der automatischen Aushandlung Halbduplex verwendet.

• Klassisches Ethernet
• Farbcode für 25 Paar
• Kupferkabelzertifizierung
• Ethernet-Extender
• Netzwerkisolator
• Kollisionsvermeidung auf PHY-Ebene , verwendet in 10BASE-T1
• Strukturierte Verkabelung

• Wie man ein Netzwerkkabel herstellt – ein Ratgeberartikel von wikiHow
• Wie man eigene Ethernet-Kabel herstellt