Für die Betriebssicherheit des Gesamtsystems spielen Verkabelung und Steckverbinder des Netzwerkes eine entscheidende Rolle. (Bild: Bürklin - mit freundlicher Genehmigung von Telegärtner)
Der Student Robert Metcalte entwickelte 1969 für die Forschungseinrichtung des US-Verteidigungsministeriums DARPA (Defence Advances Research Projects Agency) einen Host-Interface-Controller für PDP-10-Rechner der Firma Digital Equipment (DEC), der die Übertragung von Daten unterschiedlicher Wortlängen ermöglichte. Seit 1970 experimentierte man an der Universität Hawaii mit dem sogenannten Aloha-Netz. Robert Metcalte konnte das Übertragungsprotokoll verbessern, indem er ein Verfahren zum Zugriff („Arbitration Access“) auf diesem gemeinschaftlich genutzten Kommunikationskanal sowie zur Kollisionserkennung einführte. Er nannte das Verfahren „CSMA/CD“ (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect).
Die Anfänge des Ethernets
1972 griff das Xerox Research Center in Palo Alto, wo Metcalte inzwischen als Entwickler arbeitete, diese Ideen auf, um die dortigen Computer („Alto“) untereinander sowie mit Peripheriegeräten zu verbinden. Die Taktung der Signale wurde von der Taktfrequenz der Rechner abgeleitet, woraus sich eine Übertragungsgeschwindigkeit von 2,94 Mbit/s ergab, für damalige Verhältnisse unerreicht hoch. In Palo Alto entstand auch der Begriff „Ethernet“ – eine Kombination aus Ether (=Äther) und Net (=Netzwerk). In der Begriffsbildung bezog man sich auf die frühe Funktechnik, in der die Vorstellung herrschte, dass die elektromagnetischen Wellen, ausgesandt von verschiedenen Sendern und empfangen von verschiedenen Empfängern, sich in einem Medium („Äther“) ausbreiten. Das Medium für das Ethernet war zunächst das Kabelnetz, später kam auch die Funkübertragung („Wireless“) dazu.
Im Juni 1976 präsentierte Robert Metcalte das von ihm entwickelte System auf der National Computer Conference und erhielt 1978 zusammen mit einigen Kollegen das US-Patent 4.063.220 auf das „Multipoint Communication System With Collision Detection“. Bis zu diesem Zeitpunkt handelte es sich noch um einen firmeneigenen Standard. Das änderte sich nach 1979, als sich die Firmen DEC, Intel und Xerox zur „DIX-Gruppe“ zusammenschlossen, um auf der Basis dieses Kommunikationsverfahrens einen Ethernet-LAN-Standard für 10 Mbit/s zu entwickeln, der 1980 veröffentlicht wurde. Jetzt griff das US-Normungsinstitut IEEE das Verfahren auf, um daraus einen internationalen Standard zu entwickeln. Die IEEE 802.3-Gruppe veröffentlichte 1982 unter der Bezeichnung „10Base5“ die erste Version, die auch die DIX-Gruppe übernahm. Bereits 1985 folgte die weltweite Anerkennung des Ethernet-Standards als ISO/DIS8802/3.
Alle zehn Jahre verzehnfacht sich die Geschwindigkeit
Eck-Daten
Nach bald 50 Jahren können die Ideen und Konzepte, die den verschiedenen Ethernet-Standards zugrundeliegen, auch heutige Ansprüche an Geschwindigkeit und Funktionalität erfüllen. Schließlich wurden und werden sie stetig weiterentwickelt sowie ergänzt. Mit dem Einzug in die industrielle Fertigung deckt das Ethernet inzwischen alle Bereiche der digitalisierten Welt ab und stellt die wohl wichtigste technische Voraussetzung für Integration der Systeme auf allen Ebenen dar.
Nun beschleunigte sich die Entwicklung, insbesondere in Bezug auf die Übertragungsgeschwindigkeit. Schon 1992 kündigten Hewlett-Packard und AT&T Microsystems die Entwicklung eines „Fast Ethernets“ mit 100 Mbit/s auf Twisted Pair-Leitungen an. 1995 veröffentlichte die IEEE 802.3u-Gruppe den Fast Ethernet-Standard (100BaseX). Auf der physikalischen Ebene unterstützt dieser sowohl Glasfaser (100BaseFx) als auch Twisted-Pair. Um die gleiche Zeit wurde unter IEEE 802.11 der Standard des Wireless-LAN (WLAN) definiert.
Waren es 1985 noch etwa 100 Anbieter von Ethernet-kompatiblen Produkten, stieg deren Zahl bis 1994 auf über 10.000 an. In den 1990er-Jahren wurde das Ethernet so zu der am häufigsten verwendeten Technik für lokale Netze (LAN).
Schon 1996 begann man mit der Entwicklung eines Ethernet-Standards für 1 Gbit/s (1000 Mbit/s), denn Multimediaanwendungen stellten inzwischen immer höhere Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit. Bereits ein Jahr später legte die IEEE 802.3z-Gruppe den ersten Entwurf für das Gigabit-Ethernet vor, die endgültige Definition des 1000BaseT-Standards erfolgte aber erst 1999. Es dauerte nicht lange, bis die Forderung nach einem 10 Gbit/s schnellen Ethernet aufkam, das schon Ende 2001 Realität wurde (IEEE 802.3ae). Für Rechenzentren gab es ab 2006 IEEE-Standard 802.3ba mit 40 Gbit/s für die Server-Anbindung und 100 Gbit/s für den Upgrade der Core-Switches. Bereits seit 2010 sind Ethernet-Komponenten für 40 und 100 Gbit/s verfügbar, allerdings als proprietäre Lösungen, und am 6. Dezember 2017 definierte die IEEE-Gruppe P802.3bs den Standard des 400- und 200-Gbit-Ethernets, das ähnlich wie das 100-Gbit-Ethernet funktioniert.
Der Blick zurück zeigt, dass sich die Geschwindigkeit des Ethernet alle zehn Jahre um den Faktor 10 erhöht hat. Setzt sich diese Entwicklung fort, wird langfristig das 100-Gbit-Ethernet die Rolle des klassischen Fast Ethernet übernehmen. Und bis 2023 lässt sich wohl das Ziel eines Terabit-Ethernet (1000 Gbit/s) erreichen.
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Das Industrial Ethernet gewinnt an Bedeutung
Während sich die Technik der verschiedenen Ethernet-Standards zunächst vornehmlich in Büro-, Gebäude- und Rechenzentrumsnetzen verbreitete, hielten sich im industriellen Bereich über einen langen Zeitraum hinweg andere Kommunikationsverfahren für den Datenverkehr. Dazu zählen etwa verschiedene Feldbus-Systeme. Die Gründe dafür liegen in den speziellen Anforderungen, die wegen der kritischen Umgebungsbedingungen an die Betriebssicherheit gestellt werden.
Insbesondere wegen der fortschreitenden Integration von Produktionsanlagen und Prozessen im Rahmen von Industrie 4.0 bestehen schon seit Längerem Bestrebungen, den ansonsten weit verbreiten Ethernet-Standard auch in der industriellen Produktion („Industrial Ethernet“) zu nutzen und so die Anbindungen an die im Unternehmen vorhandene Kommunikationsinfrastrukturen zu vereinfachen. Dass die Komponenten des konventionellen Ethernets mit denen des industriellen Ethernets ohne Interferenzen zusammenarbeiten können, erleichtert die Integration. Die zusätzliche Echtzeit-Fähigkeit der Industrial-Ethernet-Konzepte öffnet dieser Technologie den Weg bis tief in die Produktionsbereiche hinein.
Komponenten für den Einsatz unter rauen Bedingungen
Mittlerweile sind zahlreiche Ethernet-Komponenten verfügbar, die aufgrund ihrer Bauweise unter den rauen Umgebungsbedingungen in der Fertigung ausfallsicher funktionieren. Dazu zählen etwa Switches, Hubs und Medienconverter. Sie lassen sich unter anderem auch auf dem im Schaltschrankbau üblichen 35-mm-Hutschienensystem montieren, werden mit 24 Volt Gleichstrom versorgt, sind für höhere Temperaturbereiche sowie Schutzarten (Staub, Wasser) ausgelegt, besonders EMV-störsicher und gegen die in der Industrie vorkommenden schädlichen Medien wie Öle, Säuren oder Laugen sowie mechanischen Belastungen (Stöße, Vibrationen) geschützt.
Für die Betriebssicherheit des Gesamtsystems spielen Verkabelung und Steckverbinder des Netzwerkes eine entscheidende Rolle. Deshalb wurden spezielle Anschlusstechniken für das industrielle Ethernet entwickelt. Auch die Netzwerktopologie unterscheidet sich von den herkömmlichen Konzepten: Verbindungen zwischen einzelnen Maschinen werden oft als Ring ausgeführt, damit bei Ausfall maximal ein Switch betroffen ist und das Netzwerk trotzdem weiterarbeiten kann. Schnelle Fehlererkennung ist in industriellen Prozessen wichtig, hierfür sind potenzialfreie Meldekontakte vorgesehen.
Industrielle Prozesse, insbesondere Steuerungen von Bewegungsabläufen, erfordern Echtzeitreaktionen und isochrone Zykluszeiten von unter 1 ms. Dies wird beim Industrial Ethernet mithilfe spezieller Protokolle realisiert, die wiederum von Hardware und entsprechenden Topologien unterstützt werden.
Kai Notté
(tm)
