Gigabit-Ethernet und wie es funktioniert (ein Leitfaden für 2022)

Gigabit-Ethernet ermöglicht Netzwerkübertragungen mit bis zu 1.000 Mbit/s über Standard-Cat-5-UTP-Kabel (ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel). Wie kann das erreicht werden, da Cat-5-Kabel nur bis zu 100 Mbit/s übertragen können? Wir werden diese und auch andere sehr interessante Themen zur Gigabit-Ethernet-Leistung erläutern.

Ethernet-Cat-5-Kabel haben acht Drähte (vier Paare), aber unter den Standards 10BaseT und 100BaseT (10 Mbit/s bzw. 100 Mbit/s) werden tatsächlich nur vier (zwei Paare) dieser Drähte verwendet. Ein Paar dient zum Senden von Daten und das andere Paar zum Empfangen von Daten.

Der Ethernet-Standard verwendet eine Technik gegen elektromagnetisches Rauschen, die als Unterdrückung bezeichnet wird. Wenn elektrischer Strom an einen Draht angelegt wird, erzeugt er ein elektromagnetisches Feld um den Draht herum. Wenn dieses Feld stark genug ist, kann es elektrische Störungen auf den Leitungen direkt daneben verursachen und die dort übertragenen Daten verfälschen. Dieses Problem wird als Übersprechen bezeichnet.

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Durch die Unterdrückung wird dasselbe Signal zweimal übertragen, wobei das zweite Signal im Vergleich zum ersten Signal „gespiegelt“ (umgekehrte Polarität) ist, wie Sie in Abbildung 1 sehen können. Wenn also die beiden Signale empfangen werden, kann das Empfangsgerät die beiden vergleichen Signale, die gleich, aber „gespiegelt“ sein müssen. Der Unterschied zwischen den beiden Signalen ist Rauschen, wodurch es für das empfangende Gerät sehr einfach ist, Rauschen zu erkennen und es zu verwerfen. „+TD“-Kabelstandards für „Senden von Daten“ und „+RD“-Kabelstandards für „Empfangen von Daten“. „-TD“ und „-RD“ sind die „gespiegelten“ Versionen desselben Signals, das auf „+TD“ bzw. „+RD“ übertragen wird.

Beim 10BaseT-Standard ist jedes Bit, das der Computer übertragen möchte, physisch in ein einzelnes Übertragungsbit kodiert, dh für eine Gruppe von acht übertragenen Bits werden auf der Leitung acht Signale erzeugt. Seine Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s bedeutet, dass sein Takt 10 MHz beträgt, aber nur, weil in jedem Taktzyklus ein einzelnes Bit übertragen wird. Bei anderen Standards ist das anders.

100BaseT verwendet ein Codierungsschema namens 8B/10B, bei dem jede Gruppe von acht Bits in ein 10-Bit-Signal codiert wird. Anders als bei 10BaseT repräsentiert also nicht jedes Bit direkt ein Signal auf der Leitung. Wenn Sie richtig rechnen, beträgt die Taktrate von 100BaseT bei einer Datenübertragungsrate von 100 Mbit/s 125 MHz (10/8 x 100). Daher sind Cat-5-Kabel für eine Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 125 MHz zertifiziert.

Gigabit-Ethernet verändert die Kodierung. Anstatt wie bei 10BaseT jedes Bit in ein einzelnes Signal zu kodieren oder jede 8-Bit-Gruppe in ein 10-Bit-Signal zu kodieren, werden zwei Bits pro Signal kodiert. Ein Signal über ein Gigabit-Ethernet-Kabel repräsentiert also zwei Bits statt eines einzelnen Bits. Mit anderen Worten: Anstatt nur zwei Spannungen für ein Signal zu verwenden, das lediglich „0“ oder „1“ darstellt, werden vier verschiedene Spannungen verwendet, die „00“, „01“, „10“ und „11“ darstellen Gigabit-Ethernet nutzt nur vier Adern des Kabels, alle Adern.

Darüber hinaus werden alle Paare bidirektional genutzt. Wie wir oben gesehen haben, verwenden sowohl 10BaseT als auch 100BaseT unterschiedliche Paare zum Senden und Empfangen; Bei 1000BaseT, wie die Gigabit-Ethernet-Verkabelung auch genannt wird, werden für die Datenübertragung und den Datenempfang die gleichen Paare verwendet.

Das Schöne an Gigabit-Ethernet ist, dass es immer noch die 100BaseT/Cat 5-Taktrate von 125 MHz nutzt, aber da mehr Daten pro Zeit übertragen werden, ist die Übertragungsrate höher. Die Rechnung ist ganz einfach: 125 MHz x 2 Bit pro Signal (also pro Adernpaar) x 4 Signale pro Zeit = 1.000 Mbit/s.

Diese Modulationstechnik heißt 4D-PAM5 und verwendet tatsächlich fünf Spannungen (die fünfte Spannung wird für den Fehlerkorrekturmechanismus verwendet).

Daher ist es ein Fehler zu sagen, dass Gigabit-Ethernet mit 1.000 MHz läuft. Das ist nicht der Fall. Es läuft wie Fast Ethernet (100BaseT) mit 125 MHz, erreicht jedoch 1.000 Mbit/s, da es zwei Bits pro Zeit überträgt und die vier Paare des Kabels nutzt.

In der folgenden Tabelle können Sie die Pinbelegung der Gigabit-Ethernet-Verkabelung überprüfen. „BI“ steht für bidirektional, während DA, DB, DC und DD jeweils für „Data A“, „Data B“, „Data C“ und „Data D“ stehen.

Heutzutage verfügen mehrere Motherboards über einen integrierten Gigabit-Ethernet-Anschluss. Einige High-End-Motherboards können sogar zwei Gigabit-Ethernet-Ports bieten. Abhängig von der Motherboard-Architektur erreicht das Gigabit-Ethernet jedoch möglicherweise nicht seine Übertragungsrate von 1.000 Mbit/s.

Das Problem besteht darin, wie der Gigabit-Ethernet-Chip mit dem System verbunden ist. Wenn es an den Standard-PCI-Bus angeschlossen ist, erreicht es wahrscheinlich nicht seine volle Geschwindigkeit. Der PCI-Bus arbeitet mit einer maximalen Übertragungsrate von 133 MB/s, während Gigabit-Ethernet bis zu 125 MB/s (1.000 Mbit/s / 8 = 125 MB/s) erreicht.

Wenn man nur diese beiden Zahlen betrachtet, könnte man sagen, dass Gigabit-Ethernet zum PCI-Bus „passt“. Das Problem besteht jedoch darin, dass der PCI-Bus mit mehreren anderen Komponenten Ihres Systems geteilt wird, wodurch die verfügbare Bandbreite verringert wird. Auch wenn Gigabit-Ethernet auf dem PCI-Bus theoretisch problemlos laufen kann, liegt es nur an der Bandbreitengrenze des Busses.

PCI Express hingegen hat eine maximale Übertragungsrate von bis zu 250 MB/s und ist eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung, was bedeutet, dass es diese Bandbreite von 250 MB/s mit keinem anderen Gerät teilt Dadurch kann Gigabit-Ethernet seine volle Geschwindigkeit erreichen.

Wie kann man erkennen, an welchen Bus ein Gigabit-Ethernet-Chip angeschlossen ist? Es gibt drei grundlegende Möglichkeiten. Am einfachsten ist es, herauszufinden, ob Ihr Motherboard auf dem PCI-Express-Bus basiert. Ist dies nicht der Fall, kann der Gigabit-Ethernet-Chip nur an den Standard-PCI-Bus angeschlossen werden.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, einen Blick in das Motherboard-Handbuch oder auf die Motherboard-Spezifikationsseite auf der Website des Herstellers zu werfen und dort nach diesen Informationen zu suchen. Normalerweise steht auf der Hauptseite mit den technischen Daten neben dem Namen des Gigabit-Ethernet-Controllers „PCI“ oder „PCI Express“, was darauf hinweist, welcher Bus verwendet wird.

Die dritte Möglichkeit besteht darin, auf der Website des Herstellers des Gigabit-Ethernet-Controllers (VIA, Marvell, 3Com usw.) nach den wichtigsten Spezifikationen für das auf Ihrem Motherboard verwendete Modell zu suchen. Der Bustyp sollte dort unterschieden werden. Um Ihnen ein reales Beispiel zu geben, werfen wir einen Blick auf die in Abbildung 2 verwendeten Gigabit-Ethernet-Chips. Einer ist ein Marvell 88E8001, also PCI, und der andere ist ein Marvell 88E8053 ist PCI Express. Diese Informationen finden Sie auf der Seite mit den Motherboard-Spezifikationen auf der Website des Herstellers.

Obwohl der ursprüngliche Standard von Gigabit Ethernet für die Verwendung von Standard-Cat-5-Kabeln entwickelt wurde, empfehlen mehrere Unternehmen aus Leistungsgründen die Verwendung von Cat-5e-Kabeln in Gigabit-Ethernet-Netzwerken. Cat-5e-Kabel haben die gleiche maximale Übertragungsrate wie Cat-5-Kabel, weisen jedoch bessere Übersprech- und Rückflussdämpfungswerte auf, d. h. sie sind weniger anfällig für Rauschen.

Ein Medienserver kann bis zu fünf 4K-Streams über Gigabit-Ethernet bereitstellen. Gigabit ermöglicht es Ihren Computern außerdem, mehrere Verbindungen untereinander herzustellen, ohne dass es zu einer Verlangsamung kommt. Wenn Sie jedoch jemals einen Streaming-Server erstellen möchten, ist Gigabit-Ethernet die beste Wahl anstelle des klassischen Ethernet.

Ja, eine Ethernet-Verbindung ist immer schneller als Ihr WLAN. Der Grund ist einfach. Durch ein Ethernet-Kabel geht die Geschwindigkeit nicht annähernd so stark verloren wie durch drahtlose Funkwellen. Eine festverdrahtete Ethernet-Kabelverbindung ist sicherer und stabiler als WLAN. Wenn Sie uns nicht glauben, versuchen Sie es selbst. Schalten Sie Ihr WLAN aus und schließen Sie das Kabel an Ihren Laptop an. Versuchen Sie als Nächstes, etwas herunterzuladen, und beobachten Sie, wie sich Ihre Geschwindigkeit deutlich erhöht.

Dies ist ein weit verbreitetes Missverständnis, aber Sie benötigen kein WLAN oder eine bestimmte Art von Verbindung zum Internet, damit ein VPN funktioniert. Sie benötigen lediglich eine Verbindung zum Internet, unabhängig von Ihren Mitteln. Vor diesem Hintergrund empfehlen wir Ihnen dringend, ein VPN über ein Ethernet-Kabel anstelle von WLAN zu verwenden, um eine deutliche Geschwindigkeitssteigerung zu erzielen.

Vorausgesetzt, Ihre Internetverbindung ist von vornherein stabil, kann das Problem möglicherweise durch Anschließen Ihres Ethernet-Kabels anstelle einer Verbindung zu einem WLAN-Netzwerk gelöst werden. Wir können dies jedoch nicht zu 100 % garantieren. Sicher, eine Kabelverbindung ist viel stabiler, aber wenn die Internetverbindung selbst das Problem ist, also der von Ihrem ISP weitergeleitete Datenverkehr die Ursache für die Verzögerung ist, dann wird die Verbindung über ein Kabel nicht viel lösen.