Zusammenfassung: Dieser Artikel fasst die Merkmale moderner Ethernet-Technologie zusammen und vergleicht sie mit der traditionellen Ethernet-Technologie. Der Fokus liegt auf ihrer Bedeutung für intelligente Gebäude, und es werden eigene Standpunkte präsentiert. 1. Überblick: Ethernet wird seit über 20 Jahren entwickelt und ist nach wie vor die dominierende Technologie für lokale Netzwerke (LANs). In diesem Zeitraum haben Technologien wie Token Ring, Token Bus, FDDI und ATM die führende Position von Ethernet im LAN-Bereich in verschiedenen Phasen herausgefordert. Ethernet behauptet sich jedoch aufgrund seiner Einfachheit, der geringen Kosten, der hohen Bandbreite, der einfachen Wartung und der kontinuierlichen Weiterentwicklung fest im LAN-Bereich und expandiert in Zugangsnetze und Metropolnetze. Seit der Weiterentwicklung der Ethernet-Technologie von Shared- zu Switched-Netzwerken haben die Sterntopologie, die Vermittlung und die hohe Bandbreite eine moderne Ethernet-Technologie hervorgebracht, die sich deutlich vom traditionellen Ethernet unterscheidet. Seit Beginn des 21. Jahrhunderts sucht die IT-Branche nicht mehr nach Alternativen zu Ethernet, sondern nach Möglichkeiten, dessen Funktionalität zu erweitern und es in neue Bereiche zu integrieren. Die modernen Netzwerkfunktionen von Ethernet gehen weit über die grundlegenden Ethernet-Funktionen hinaus. TCP/IP und Ethernet, eine leistungsstarke Kombination aus Offenheit, durchdringen zunehmend alle Bereiche intelligenter Gebäudeanwendungen und verleihen diesen eine starke Dynamik. Im Bereich intelligenter Gebäude dient TCP/IP-Ethernet nicht nur als Netzwerkplattform für Informationsdienste, Management und Überwachung, sondern entwickelt sich auch immer mehr zu einer unterstützenden Plattform für Anwendungen wie Video und Sprache. Mit der beschleunigten Digitalisierung der Sicherheit sind bereits Produkte auf dem Markt erschienen, die direkt Standard-Twisted-Pair-Kabel und dediziertes Ethernet zum Aufbau bestimmter Sicherheitssubsysteme nutzen. Daher ist die Entwicklung integrierter, auf Ethernet basierender Sicherheitssysteme, die mehrere Subsysteme kombinieren, optimierte Strukturen aufweisen, zuverlässig und vereinheitlicht sind, längst keine bloße Diskussion mehr. In einigen Überwachungssystemen für elektromechanische Anlagen in intelligenten Gebäuden ist der Einsatz von industriellem Steuerungs-Ethernet für das Feldsteuerungsnetzwerk kein Einzelfall mehr. 2. Merkmale moderner Ethernet-Technologie: Die Kernidee des traditionellen Ethernet (DIX) besteht darin, im Halbduplex-Übertragungsmodus über ein gemeinsam genutztes öffentliches Übertragungsmedium zu arbeiten. Netzwerkstationen können Daten nur zu einem bestimmten Zeitpunkt senden oder empfangen, nicht gleichzeitig. Der Hauptgrund für den Halbduplex-Übertragungsmodus ist die Kollision von Frames, die von Stationen über das gemeinsame Übertragungsmedium gesendet werden. Dieser Frame-Kollisionseffekt begrenzt nicht nur die Übertragungsbandbreite der Stationen, sondern bildet auch eine Kollisionsdomäne, die die Übertragungsreichweite einschränkt und die Übertragungsdistanz des Übertragungsmediums (insbesondere Glasfaser) erheblich beeinträchtigt. Mit der Entwicklung der Ethernet-Technologie und dem Aufkommen von Switched Ethernet und Vollduplex-Ethernet wurden die Schwächen des traditionellen Ethernet bei der gemeinsamen Nutzung des Übertragungsmediums und der Halbduplex-Übertragung überwunden. Dadurch können Stationen das Übertragungsmedium exklusiv nutzen und gleichzeitig Daten senden und empfangen. In den letzten 20 Jahren wurden die Ethernet-Technologie und ihre Standards mit der rasanten Entwicklung der Netzwerktechnologie und ihrer Anwendungen kontinuierlich aktualisiert und erweitert. Das heutige Ethernet hat sich gegenüber dem ursprünglichen traditionellen Ethernet-DIX-Standard nicht nur in der physikalischen Schicht (einschließlich Topologie, Übertragungsrate und Übertragungsmedium), sondern auch in der Sicherungsschicht deutlich verändert. Mit der Weiterentwicklung von Ethernet und der Etablierung seiner Standards ist die Ethernet-Standardreihe auf über 20 Standards angewachsen, von denen einige wichtige in Tabelle 1 aufgeführt sind. Zu den Merkmalen der modernen Ethernet-Technologie gehören im Wesentlichen folgende Aspekte: (1) Hohe Bandbreite; Die Datenübertragungsrate hat sich von 10 Mbit/s über 100 Mbit/s Fast Ethernet und 1 Gbit/s Gigabit Ethernet weiterentwickelt. Mittlerweile wird 10-Gbit/s-Gigabit-Ethernet im Backbone von lokalen Netzwerken eingesetzt. Insbesondere in Smart Parks, darunter große Campusgelände, Industrieparks, Entwicklungszonen und sehr große Wohngebiete, ist der Einsatz von 10-Gigabit-Ethernet im Backbone von lokalen Netzwerken weit verbreitet. 100-Mbit/s- und 1-Gbit/s-Ethernet werden hingegen häufig in den lokalen Netzwerken intelligenter Gebäude verwendet. (2) Verwendung von Glasfaserkabeln: In der Anfangsphase der Ethernet-Entwicklung wurden Kupferkoaxialkabel als Übertragungsmedium für eine gemeinsame Busstruktur genutzt. Mit dem Aufkommen von 10BASE/F entstand eine sternförmige Ethernet-Struktur, die verdrillte Adernpaare und Glasfaserkabel als Übertragungsmedium nutzt. Die später entwickelten Standards 100BASE und 1000BASE verwenden dasselbe Prinzip. Mit dem Aufkommen von 10000BASE entstand ein vollständig optisches Ethernet-Netzwerk, und verdrillte Adernpaare oder andere Kupferkabel wurden für 10-Gigabit-Ethernet nicht mehr verwendet. (3) Bus-Stern-Schleifen-Struktur: Ethernet entwickelte sich von einem gemeinsam genutzten zu einem vermittelten Netzwerk, und seine Topologie wandelte sich vom Bus- zum Dachnetzwerk. Die Dachnetzwerk-Struktur bietet eine höhere Zuverlässigkeit, Praktikabilität und Wartungsfreundlichkeit als die Bus-Struktur. Die Sternstruktur förderte die Entwicklung integrierter Verkabelungstechnologien. Heutzutage kann Ethernet Schleifenstrukturen bilden, insbesondere für Glasfaser-Backbone-Schleifen, was die Zuverlässigkeit der Datenübertragung in Glasfaser-Backbone-Schleifen weiter verbessert. (4) Einzelverbindung zu aggregierter Verbindung: Die Verbindung zwischen Switches entwickelte sich von einer Einzelverbindung zu einer aggregierten Verbindung. Insbesondere in Glasfaser-Backbone-Netzen können Aggregationsverbindungen in der Regel bis zu 8 Kanäle umfassen, was die Bandbreite der Verbindung erheblich erweitert (kontinuierliche Erweiterung) und die Zuverlässigkeit der Verbindung verbessert. (5) Entwicklungsgeschichte der Vermittlungstechnologie: ① Sharing – Switching – Vollduplex-Switching – Zeitmultiplex-Vollduplex-Switching: Die Analyse der Entwicklung der Ethernet-Layer-2-(L2)-Vermittlungstechnologie zeigt, dass sich mittlerweile die Zeitmultiplex-Vollduplex-Switching-Technologie etabliert hat. Als sich die Ethernet-Technologie vom Sharing zum Switching weiterentwickelte, traten auf dem Halbduplex-Übertragungsmedium weiterhin Datenkollisionen auf. Erst mit dem Aufkommen der Vollduplex-Switching-Technologie konnte sich die Ethernet-Technologie vollständig von den Beschränkungen des traditionellen Ethernet-CSMA/CD-Verfahrens befreien, und Datenkollisionen traten im Vollduplex-Ethernet nicht mehr auf. Nur Vollduplex-Switching wird von 10-Gigabit-Ethernet unterstützt. Auf Basis des Vollduplex-Switchings, bei dem die von jeder Station gesendeten Frames fester Länge gemäß festen Zeitschlitzen über das Medium übertragen werden, entwickelte sich die Zeitmultiplex-Vollduplex-Switching-Technologie. Diese Technologie ermöglicht Ethernet eine gute Echtzeitfähigkeit und die Übertragung hochwertiger Sprach- und Videosignale. ②L2-, L3-, L4- und High-Level-Switching: Bei Ethernet-Switches erfolgt das Switching von Frames über IP-Pakete bis hin zu Datenflüssen über L4-Switches. In Kombination mit dem Hauptserver einer Website ermöglicht die L4-Switching-Technologie einen schnellen Pufferungseffekt für den Zugriff auf den Hauptserver. Aktuell sind auch anwendungsorientierte High-Level-Switching-Technologien auf dem Markt verfügbar. (6) CoS/QoS-Dienste: Die meisten Ethernet-Switches unterstützen derzeit IEEE 802.1p zur Implementierung der Dienstklassifizierung (CoS). Dabei werden die über Ethernet übertragenen Informationsframes in acht Prioritätsstufen unterteilt. Sprach- und Video-Informationsframes, die in Echtzeit verarbeitet werden müssen, befinden sich in den beiden höchsten Prioritätsstufen. Um die Dienstgüte (QoS) zu gewährleisten, müssen bei der Echtzeitverarbeitung dieser Frames auf dem Switch technische Maßnahmen wie Bandbreitenreservierung, Zeitmultiplexverfahren und die Unterstützung des Echtzeit-Übertragungsprotokolls (RTP) implementiert werden. CoS/QoS-Dienste gewährleisten die effiziente Übertragung von Multimedia-Informationen über Ethernet. (7) Virtuelles LAN: Aktuell unterstützen Ethernet-Switches den IEEE-802.1Q/p-Standard für virtuelle LANs. In einem einzigen physischen Ethernet-Netzwerk lassen sich Dutzende, Hunderte oder sogar Tausende logisch isolierte virtuelle Ethernet-Netzwerke aufbauen. Diese Technologie ist sehr nützlich für die Strukturoptimierung intelligenter Gebäudesysteme. Wenn die meisten Subsysteme intelligenter Gebäude auf Ethernet basieren, wird die komplexe Struktur des aktuellen Gebäudesystems durch den Einsatz virtueller LANs deutlich verbessert. (8) Die Ethernet-Technologie dringt zunehmend in die Telekommunikationsnetze vor: Sie wird bereits in Zugangsnetzen und Metropolitan Area Networks (MANs) eingesetzt. In einigen neuen mittelgroßen und kleinen Städten werden High-End-L3-Glasfaser-Routing-Switches mit Wellenlängenmultiplex (WDM) für das Backbone-Netzwerk der MANs konfiguriert. Weitverkehrsnetze (WANs) werden durch den 10-Gigabit-Ethernet-Standard IEEE 802.3ae unterstützt. Der schrittweise Einzug der Ethernet-Technologie aus LANs in Zugangsnetze, Metropolitan Area Networks (MANs) und schließlich auch in Weitverkehrsnetze (WANs) ist ein unaufhaltsamer Trend. (9) Drahtloses LAN: Die Entwicklung drahtloser LANs hat in den letzten Jahren rasant zugenommen. Drahtlose LANs, auch bekannt als Wireless Ethernet, finden zunehmend Anwendung in intelligenten Gebäuden. Als Ergänzung zu Ethernet ermöglichen sie den Zugriff auf das Netzwerk in einer Reichweite von mehreren zehn Metern. Die aktuelle Übertragungsrate von WLANs erreicht 54 Mbit/s und unterstützt damit die Übertragung von Videodaten. (10) Industrielles Ethernet für die Steuerung: Modernes Ethernet erfüllt nicht nur die Anforderungen der Informationstechnik, sondern ermöglicht auch die industrielle Steuerung. Auf dem In- und Ausland sind bereits ausgereifte Ethernet-Switches für die industrielle Steuerung erhältlich. Im Bereich intelligenter Gebäude ist die erfolgreiche Implementierung von Gebäudeautomationssystemen (BAS) mittels Ethernet kein Einzelfall mehr. (11) IEEE 802.3af-Standard: Die wichtigsten Inhalte dieses Standards lassen sich wie folgt zusammenfassen: Von den vier Adernpaaren des RJ-45-Steckers werden jeweils zwei Paare zum Empfangen und Senden von Informationen verwendet; je ein Paar dient der Stromversorgung (Pluspol und Minuspol). Dieser Standard bildet die Grundlage für den Anschluss kleiner digitaler Geräte ohne eigene Stromversorgung an Ethernet und fördert die Digitalisierung intelligenter Gebäude. Nach der Veröffentlichung des Standards kamen kleinere und flexiblere Ethernet-Geräte auf den Markt, darunter WLAN-Zugangspunkte, Netzwerkkameras, Datenerfassungsgeräte und Aktoren. (12) IEEE 802.3ah-Standard: Dieser Standard beschreibt hauptsächlich Ethernet Passive Optical Network (EPON). Basierend auf Technologien wie 100M/1Gbps Glasfaser-Ethernet, zeitmultiplexiertem Vollduplex-Ethernet und passiven optischen Splittern ermöglicht EPON die Konvergenz verschiedener Informationstypen wie Daten, Sprache, Video und Überwachung über Ethernet. EPON kann sowohl als Zugangsnetz als auch als lokales Netzwerk für intelligente Gebäude eingesetzt werden und stellt eine zukunftsweisende Technologie für die Konvergenz mehrerer Netzwerke, hohe Integration und strukturelle Optimierung/Vereinfachung in intelligenten Gebäuden dar.