Maximilian.pottgiesser: /* Praxiswissen für Fachinformatiker */

2026-05-04T10:02:27Z

Praxiswissen für Fachinformatiker

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= IEEE 802.3 – Ethernet =

== Überblick ==

'''IEEE 802.3''' ist der grundlegende Standard für kabelgebundene lokale Netzwerke (LAN). Er definiert die physikalische Schicht ('''Layer 1''') und die Sicherungsschicht ('''Layer 2''', genauer: den MAC-Sublayer) des OSI-Modells. Der Standard wurde 1983 erstmals verabschiedet und seither kontinuierlich erweitert.

Ethernet ist heute die dominierende Technologie für kabelgebundene Netzwerke in Unternehmens-, Rechenzentrums- und Heimumgebungen.

{{Hinweis|Ethernet ist kein einziger Standard, sondern eine ''Familie'' von Standards unter dem Dach IEEE 802.3, die sich in Übertragungsgeschwindigkeit, Übertragungsmedium und Reichweite unterscheiden.}}

== Grundlagen: Wie funktioniert Ethernet? ==

=== Rahmenstruktur (Ethernet Frame) ===

Jede Ethernet-Übertragung erfolgt in '''Frames''' (Rahmen). Ein Ethernet-Frame nach IEEE 802.3 hat folgende Struktur:

{| class="wikitable"
|-
! Feld !! Größe !! Beschreibung
|-
| '''Preamble''' || 7 Byte || Synchronisierungssequenz (Bitmuster 10101010…)
|-
| '''Start Frame Delimiter (SFD)''' || 1 Byte || Markiert den Beginn des Frames (10101011)
|-
| '''Destination MAC''' || 6 Byte || MAC-Adresse des Empfängers
|-
| '''Source MAC''' || 6 Byte || MAC-Adresse des Senders
|-
| '''EtherType / Länge''' || 2 Byte || Protokolltyp (z. B. 0x0800 = IPv4, 0x86DD = IPv6, 0x8100 = VLAN)
|-
| '''Payload (Nutzdaten)''' || 46–1500 Byte || Eigentliche Daten (z. B. IP-Paket)
|-
| '''Frame Check Sequence (FCS)''' || 4 Byte || CRC-32-Prüfsumme zur Fehlererkennung
|}

* '''Minimale Framegröße:''' 64 Byte (inkl. Header, ohne Preamble/SFD)
* '''Maximale Framegröße (Standard):''' 1518 Byte (ohne VLAN-Tag) bzw. 1522 Byte (mit 802.1Q VLAN-Tag)
* '''Jumbo Frames:''' Hersteller-spezifische Erweiterung auf bis zu 9000 Byte Payload – nicht durch IEEE 802.3 standardisiert, aber in Rechenzentren verbreitet

=== MAC-Adressen ===

Jedes Netzwerkgerät besitzt eine weltweit eindeutige '''MAC-Adresse''' (Media Access Control Address):

* '''Länge:''' 48 Bit (6 Byte), dargestellt als Hexadezimalzahl, z. B. <code>00:1A:2B:3C:4D:5E</code>
* '''Aufbau:''' Die ersten 3 Byte sind der '''OUI''' (Organizationally Unique Identifier) des Herstellers, die letzten 3 Byte sind gerätespezifisch
* '''Bit 0 von Byte 1:''' 0 = Unicast, 1 = Multicast
* '''Bit 1 von Byte 1:''' 0 = global vergeben (OUI), 1 = lokal administriert

Sonderadressen:
* <code>FF:FF:FF:FF:FF:FF</code> – Broadcast (an alle Geräte im Segment)
* <code>01:00:5E:xx:xx:xx</code> – IPv4-Multicast

=== CSMA/CD – Kollisionsvermeidung (historisch) ===

Frühe Ethernet-Varianten (10BASE-T, Halbduplex) nutzen '''CSMA/CD''' (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection):

# '''Carrier Sense:''' Gerät prüft, ob das Medium frei ist
# '''Multiple Access:''' Mehrere Geräte teilen sich das Medium
# '''Collision Detection:''' Wird eine Kollision erkannt, senden alle Beteiligten ein Jam-Signal und warten eine zufällige Zeit (Binary Exponential Backoff)

{{Hinweis|In modernen geswitchten Vollduplex-Netzwerken (ab Fast Ethernet mit Switches) spielt CSMA/CD keine praktische Rolle mehr, da jede Verbindung eine dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Gerät und Switch ist.}}

=== Duplex-Modi ===

{| class="wikitable"
|-
! Modus !! Beschreibung !! Typischer Einsatz
|-
| '''Halbduplex''' || Senden ''oder'' Empfangen – nicht gleichzeitig. CSMA/CD aktiv. || Alte Hubs, Legacy-Geräte
|-
| '''Vollduplex''' || Senden ''und'' Empfangen gleichzeitig. Kein CSMA/CD. || Alle modernen Switch-Verbindungen
|}

== Fast Ethernet – IEEE 802.3u (100 Mbit/s) ==

=== Entstehung ===

Fast Ethernet wurde 1995 mit dem Amendement '''IEEE 802.3u''' eingeführt, um die Bandbreite gegenüber dem klassischen 10-Mbit/s-Ethernet (10BASE-T) auf '''100 Mbit/s''' zu steigern. Die Rückwärtskompatibilität zu 10BASE-T (gleiches Kabel, gleiche RJ45-Stecker) war dabei ein wesentliches Designziel.

Fast Ethernet führte auch das '''Auto-Negotiation'''-Verfahren ein, mit dem Geräte automatisch die beste gemeinsam unterstützte Geschwindigkeit und den Duplex-Modus aushandeln.

=== Varianten ===

{| class="wikitable"
|-
! Bezeichnung !! Medium !! Max. Reichweite !! Leitungscode !! Besonderheit
|-
| '''100BASE-TX''' || Cat5 (2 Paare, UTP/STP) || 100 m || 4B5B + MLT-3 || Standardvariante, heute überall verbaut
|-
| '''100BASE-FX''' || Multimode-Glasfaser (2 Fasern) || 412 m (HD) / 2000 m (FD) || 4B5B + NRZI || Für längere Strecken oder EMV-sichere Umgebungen
|-
| '''100BASE-T4''' || Cat3 (4 Paare) || 100 m || 8B6T || Veraltet; war für ältere Cat3-Kabel gedacht
|-
| '''100BASE-T2''' || Cat3 (2 Paare) || 100 m || PAM5 || Selten eingesetzt
|}

In der Praxis ist '''100BASE-TX''' die einzige relevante Variante.

=== Leitungscodierung bei 100BASE-TX ===

100BASE-TX verwendet eine zweistufige Codierung:

; 4B5B : Je 4 Datenbits werden als 5-Bit-Symbol codiert (kein langer Gleichspannungsanteil, DC-Balancing). Ergibt eine Symboldurchrate von 125 MBaud.
; MLT-3 (Multi-Level Transmit 3) : Das 5-Bit-Signal wird mit drei Spannungspegeln übertragen (−1, 0, +1), was die benötigte Bandbreite des Kabels auf 31,25 MHz senkt und die Einhaltung von EMV-Grenzwerten ermöglicht.

=== Kabelanforderungen ===

{| class="wikitable"
|-
! Kabelkategorie !! 100BASE-TX
|-
| Cat3 || Nein
|-
| Cat4 || Nein
|-
| '''Cat5''' || '''Ja''' (Mindestanforderung)
|-
| Cat5e / Cat6 / Cat6a || Ja (empfohlen, zukunftssicher)
|}

=== Auto-Negotiation ===

Auto-Negotiation (IEEE 802.3u, Clause 28) ermöglicht es zwei verbundenen Geräten, automatisch die optimalen Betriebsparameter zu ermitteln:

* Geschwindigkeit (10 / 100 Mbit/s)
* Duplex (Halb / Voll)

Die Aushandlung erfolgt über '''Fast Link Pulse (FLP)'''-Bursts beim Verbindungsaufbau. Beide Seiten tauschen eine '''Technology Ability Field (TAF)'''-Bitmap aus und wählen gemeinsam die beste Option (höchste Priorät: Vollduplex mit höchster Geschwindigkeit).

{{Warnung|Wird nur eine Seite auf feste Geschwindigkeit/Duplex konfiguriert, kann es zu einem '''Duplex-Mismatch''' kommen: Die andere Seite verhandelt Halbduplex, was zu massiven Kollisionsfehlern und stark reduzierter Performance führt. Immer entweder beide Seiten auf Auto-Negotiation oder beide auf denselben festen Wert setzen.}}

== Gigabit Ethernet – IEEE 802.3ab / 802.3z (1000 Mbit/s) ==

=== Entstehung ===

Gigabit Ethernet (GbE) wurde in zwei getrennten Standards eingeführt:

* '''IEEE 802.3z''' (1998): Glasfaser- und Twinax-Varianten (1000BASE-SX, -LX, -CX)
* '''IEEE 802.3ab''' (1999): Kupfer-Variante über Cat5e (1000BASE-T)

Ziel war die Steigerung auf '''1 Gbit/s''' bei gleichzeitiger Beibehaltung der Kompatibilität mit bestehender Kupferverkabelung (für 1000BASE-T).

=== Varianten ===

{| class="wikitable"
|-
! Bezeichnung !! Standard !! Medium !! Max. Reichweite !! Typischer Einsatz
|-
| '''1000BASE-T''' || 802.3ab || Cat5e / Cat6 (4 Paare) || 100 m || Desktop, Server, Standard-Switching
|-
| '''1000BASE-SX''' || 802.3z || Multimode-Glasfaser (MMF) || 220–550 m || Gebäudevernetzung, Rechenzentrums-Backbone
|-
| '''1000BASE-LX''' || 802.3z || Single-Mode (SMF) / MMF || 550 m (MMF) / 5 km (SMF) || Campus-Vernetzung, WAN-nahe Verbindungen
|-
| '''1000BASE-CX''' || 802.3z || Twinax (Koax-Kupfer) || 25 m || Selten; schnell durch SFP-DAC verdrängt
|-
| '''1000BASE-LX10''' || 802.3ah || SMF || 10 km || Gebäude-zu-Gebäude (EFM)
|}

=== 1000BASE-T im Detail ===

1000BASE-T ist die meistgenutzte Gigabit-Variante und nutzt alle '''4 Adernpaare''' eines Cat5e/Cat6-Kabels gleichzeitig – sowohl für Sende- als auch Empfangsrichtung (Bidirektional, Vollduplex auf jedem Paar durch '''Hybrid-Schaltungen / Echo-Cancellation''').

==== Leitungscodierung: 4D-PAM5 ====

1000BASE-T verwendet '''4D-PAM5''' (4-dimensionales Pulsamplitudenmodulations-Verfahren mit 5 Pegeln):

* 5 Amplitudenpegel pro Adernpaar: −2, −1, 0, +1, +2
* Alle 4 Paare übertragen gleichzeitig
* Symboldurchrate: '''125 MBaud''' pro Paar
* Effektive Datendurchrate: 4 Paare × 2 bit/Symbol × 125 MBaud = '''1000 Mbit/s'''
* Zusätzlich wird ein 5. Symbol-Zustand für Vorwärtsfehlerkorrektur (Trellis-Coding) genutzt

==== Kabelanforderungen für 1000BASE-T ====

{| class="wikitable"
|-
! Kabelkategorie !! 1000BASE-T
|-
| Cat5 || Bedingt (nur wenn alle 4 Paare korrekt verdrahtet und Dämpfungswerte eingehalten)
|-
| '''Cat5e''' || '''Ja''' (Mindestanforderung, empfohlen)
|-
| Cat6 || Ja (bessere Reserven, weniger Übersprechen)
|-
| Cat6a || Ja (für 10GBase-T ausgelegt, aber auch für GbE nutzbar)
|}

{{Hinweis|Cat5 (ohne „e") wurde für 100 Mbit/s ausgelegt. Obwohl 1000BASE-T auf Cat5 ''theoretisch'' funktionieren kann, ist Cat5e die offizielle Mindestanforderung. In der Praxis sollte immer mindestens Cat5e verlegt werden.}}

=== Glasfaser-Varianten im Detail ===

==== 1000BASE-SX ====

* '''Medium:''' Multimode-Glasfaser (MMF), typisch OM1/OM2/OM3
* '''Wellenlänge:''' 850 nm (Kurzwelle)
* '''Reichweite:'''
** OM1 (62,5 µm): 220 m
** OM2 (50 µm): 550 m
** OM3/OM4 (50 µm, optimiert): 550 m
* '''Typischer Einsatz:''' Serverraumvernetzung, kurze Backbone-Verbindungen

==== 1000BASE-LX ====

* '''Medium:''' Single-Mode-Glasfaser (SMF, 9 µm) oder Multimode-Glasfaser
* '''Wellenlänge:''' 1310 nm (Langwelle)
* '''Reichweite:'''
** MMF (62,5 µm / 50 µm): bis 550 m (mit Mode-Konditionierungs-Patchkabel bei MMF)
** SMF: bis '''5 km'''
* '''Typischer Einsatz:''' Campus-Vernetzung, Gebäude-zu-Gebäude

=== SFP-Module (Small Form-factor Pluggable) ===

Glasfaser-Gigabit-Ethernet wird in der Praxis fast ausschließlich über '''SFP-Module''' angebunden. SFP ist ein standardisierter Hot-Plug-Transceiver-Formfaktor (MSA-Standard), der in entsprechende Cage-Buchsen an Switch oder Server gesteckt wird.

Gängige SFP-Typen:

{| class="wikitable"
|-
! SFP-Typ !! Standard !! Reichweite !! Wellenlänge
|-
| SFP SX || 1000BASE-SX || bis 550 m || 850 nm (MMF)
|-
| SFP LX || 1000BASE-LX || bis 5 km || 1310 nm (SMF)
|-
| SFP LH / EX || 1000BASE-LX10 || bis 10–40 km || 1310 / 1550 nm (SMF)
|-
| SFP-T (Copper SFP) || 1000BASE-T || bis 100 m || — (RJ45)
|-
| SFP DAC || — || bis 7 m || — (Twinax-Direktkabel)
|}

== Vergleich: 10 Mbit/s – Fast Ethernet – Gigabit Ethernet ==

{| class="wikitable"
|-
! Merkmal !! 10BASE-T !! 100BASE-TX (Fast Ethernet) !! 1000BASE-T (Gigabit)
|-
| IEEE-Standard || 802.3i (1990) || 802.3u (1995) || 802.3ab (1999)
|-
| Geschwindigkeit || 10 Mbit/s || 100 Mbit/s || 1000 Mbit/s (1 Gbit/s)
|-
| Kabel || Cat3 / Cat5 || Cat5 (2 Paare) || Cat5e (4 Paare)
|-
| Adernpaare genutzt || 2 || 2 || 4
|-
| Leitungscodierung || Manchester || 4B5B + MLT-3 || 4D-PAM5
|-
| Symboldurchrate || 20 MBaud || 125 MBaud || 125 MBaud/Paar
|-
| Duplex || Halb/Voll || Halb/Voll || Nur Voll
|-
| CSMA/CD || Ja (Halbduplex) || Ja (Halbduplex) || Nein
|-
| Auto-Negotiation || Optional (NWAY) || Ja (Standard) || Ja (Standard)
|-
| Typischer Einsatz heute || Legacy, IP-Telefone || Ältere Geräte, einfache IoT || Standard für Desktops und Server
|}

== Ausblick: 10-Gigabit-Ethernet und darüber hinaus ==

Nach Gigabit Ethernet folgten weitere Geschwindigkeitsstufen:

{| class="wikitable"
|-
! Standard !! Geschwindigkeit !! Kupfer (max.) !! Glasfaser (max.)
|-
| IEEE 802.3an || 10GBASE-T || 100 m (Cat6a) || —
|-
| IEEE 802.3ae || 10GBASE-SR/LR || — || 300 m / 10 km
|-
| IEEE 802.3bz || 2.5GBASE-T / 5GBASE-T || 100 m (Cat5e / Cat6) || —
|-
| IEEE 802.3ba || 40G / 100G || — || je nach Variante
|-
| IEEE 802.3bs || 200G / 400G || — || je nach Variante
|}

{{Hinweis|'''2.5GBASE-T und 5GBASE-T''' (IEEE 802.3bz, 2016) sind besonders interessant, da sie auf vorhandener Cat5e/Cat6-Verkabelung höhere Geschwindigkeiten ermöglichen – relevant für Wi-Fi-6-Uplinks, wo 1 Gbit/s zunehmend zum Engpass wird.}}

== Praxiswissen für Fachinformatiker ==

=== Typische Fehlerbilder ===

{| class="wikitable"
|-
! Problem !! Ursache !! Lösung
|-
| Geschwindigkeit nur 100 Mbit/s statt 1 Gbit/s || Kabel Cat5 (nicht Cat5e), schlechte Verbindung, ein defektes Adernpaar || Kabel tauschen (Cat5e/Cat6), Patchpanel prüfen
|-
| Duplex-Mismatch || Eine Seite fest auf 100FD, andere handelt HD aus || Beide Seiten auf Auto-Negotiation oder beide fest gleich setzen
|-
| Hohe Fehlerrate / CRC-Fehler || Schlechtes Kabel, defekter Port, EMV-Einstrahlung || Kabeltest mit Fluke/Tester, Port wechseln
|-
| Link geht nicht auf || Falsches Kabel (z. B. Crossover statt Patch), defektes Modul, VLAN-Problem || Kabeltyp prüfen (moderne Geräte haben Auto-MDIX), SFP tauschen
|-
| Verbindung bricht sporadisch ab || Wackelkontakt (RJ45-Clip gebrochen), schlechte Crimping || Kabel und Stecker tauschen
|}

=== Wichtige Kommandos (Linux) ===

Netzwerkgeschwindigkeit und Duplex anzeigen:
<syntaxhighlight lang="bash">
# Aktuelle Verbindungsparameter anzeigen
ethtool eth0

# Relevante Ausgabefelder:
# Speed: 1000Mb/s
# Duplex: Full
# Auto-negotiation: on
# Link detected: yes
</syntaxhighlight>

Verbindungsparameter manuell setzen (nicht empfohlen):
<syntaxhighlight lang="bash">
# Auf 100 Mbit/s Vollduplex fixieren (nur wenn Gegenstelle ebenfalls fest konfiguriert)
ethtool -s eth0 speed 100 duplex full autoneg off
</syntaxhighlight>

Statistiken und Fehler anzeigen:
<syntaxhighlight lang="bash">
# Interface-Statistiken (Fehler, Drops, etc.)
ip -s link show eth0

# Oder mit ethtool (detaillierter, treiberabhängig)
ethtool -S eth0
</syntaxhighlight>

=== Strukturierte Verkabelung (EN 50173) ===

Ethernet-Verkabelung in Gebäuden folgt dem Standard '''EN 50173''' (bzw. ISO/IEC 11801):

; Primärverkabelung (Campusbereich) : Verbindung zwischen Gebäuden – typisch Glasfaser (SMF/MMF)
; Sekundärverkabelung (Gebäudebereich) : Verbindung zwischen Stockwerk-Verteilern und Gebäudeverteiler – typisch Glasfaser oder Cat6a
; Tertiärverkabelung (Etagenbereich) : Verbindung vom Etagenverteiler (Patchpanel) zum Anschlussdose – typisch Cat6 / Cat6a, max. 90 m Festverkabelung + 2×5 m Patchkabel = 100 m gesamt

== Weiterführende Links ==

* [https://standards.ieee.org/ieee/802.3 IEEE 802.3 Standard (offiziell)]
* [https://www.ieee802.org/3/ IEEE 802.3 Working Group]

== Siehe auch ==

* [[IEEE 802]] – Übersicht der 802-Standardfamilie
* [[IEEE 802.11]] – WLAN
* [[IEEE 802.1Q]] – VLAN-Tagging
* [[OSI-Modell]] – Schichtenmodell
* [[SFP]] – Small Form-factor Pluggable Transceiver
* [[Strukturierte Verkabelung]] – EN 50173 / ISO 11801
* [[Auto-Negotiation]] – Automatische Parameteraushandlung

[[Kategorie:IEEE-Standard]]
[[Kategorie:Netzwerktechnik]]
[[Kategorie:Ethernet]]
[[Kategorie:Fachinformatiker Ausbildung]]

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 {{Hinweis|'''2.5GBASE-T und 5GBASE-T''' (IEEE 802.3bz, 2016) sind besonders interessant, da sie auf vorhandener Cat5e/Cat6-Verkabelung höhere Geschwindigkeiten ermöglichen – relevant für Wi-Fi-6-Uplinks, wo 1 Gbit/s zunehmend zum Engpass wird.}}
-== Praxiswissen für Fachinformatiker ==
 === Strukturierte Verkabelung (EN 50173) ===

IEEE Ethernet - Versionsgeschichte

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