Das (Heim)Netz

10GbE ist ist schnell. Genauer gesagt: 10 mal schneller als das das momentan handelsübliche 1GbE Netzwerk das wir mittlerweile standardmäßig in unserem Haus verlegt haben sollten. 1GbE Netzwerkkarten sind (wenn wir überhaupt noch welche haben, Stichwort „Laptops“) die Standard-Netzwerkkarten in unseren Geräten. Egal ob Router, Desktop Switches, USB-c zu RJ-45-Adapter, 15″+ Laptop, Gaming PC, Konsole, oder der gute, alte „Selbstbau PC“ – WENN wir noch eine RJ-45 Buchse in unseren Geräten haben, dann ist es meistens eine 1GbE Verbindung.

Begrifflichkeiten

MbE, GbE, TbE – beschreiben mehr oder weniger die Technologie. 1GbE ist „1 Gigabit Ethernet“ 100MbE ist „100 Mbit Ethernet“ Es beschreibt die Verbindung als ganzes. Netzwerkkabel, Netzwerkkarten, Switche, Router können maximal diese Geschwindigkeit. Spricht man 1GbE meine ich „Dieses Gerät kann maximal 1 Gigabit pro Sekunde erreichen“
MbE = „Megabit Ethernet“
GbE = „Gigabit Ethernet“
TbE = „Terrabit Ethernet“

MBit, GBit,TBit = Bandbreite; Dies ist eine Angabe wie viele Bits pro Sekunde Übertragen werden können. Dabei ist es unabhängig von der Hardware. Diese Angabe verwendet man auch bei PCIe-, USB- und Thunderboltverbindungen. Verwendet man diese Einheit um Netzwerkgeschwindigkeiten anzugeben, wird meistens das „pro Sekunde“ weggelassen, da es aus dem Zusammenhang ersichtlich ist was gemeint ist. Schreibe ich von 100Mbit Verbindungen, meine ich eine Netzwerkverbindung, die 100Mbit pro Sekunde übertragen kann.

Link Aggregation = Ausgehandelte Parameter zwischen zwei Netzwerkgeräten. Zwei Geräte überprüfen ihre Möglichkeiten und handeln miteinander aus mit welcher Bandbreite und mit welchen Optionen sie Daten untereinander Austauschen können.

„Ein 10GbE Netzwerkadapter kann, je nach verwendeter link aggregation, Geschwindigkeiten von 100MBit, 1Gbit, 2,5GBit, 5Gbit oder 10Gbit erreichen“

Entwicklung der Technik

Eine kleine Zusammenfassung der Geschichte der Netzwerktechnik: Ich erspare euch hier die Geschichte des Netzwerks mit Nullmodem-Kabel über Serialports, Ring versus Bus versus Sterntopologieen, usw. Wer möchte kann sich das selbst nachlesen (10Base5 und 10Base2, bzw. Ethernet).

Der Beginn des „Heim-Netzwerkens“ war das damalige „BNC-Netzwerk“. Das war im Endeffekt ein Zusammenschluss von mehreren Rechnern meistens mittels Bus oder Ring-Topologie. Das ganze war in der Praxis aber bestenfalls als „wackelig“ zu beschreiben. Zumindest erinnere ich mich an keine einzige LAN Party, bei der unser BNC-Netz stabil lief. Und die Fehlersuche bei wem denn jetzt schon wieder das Kabel rausgerutscht war hat gerne mal die ein oder andere Netzwerk-Baller-Runde gekillt. (Dicht gefolgt von „Wer ist denn jetzt schon wieder auf das Kabel getreten!“)

10 Mbit waren damals drin. Maximal. Mit viel Glück und wenn gerade keiner was machte. Allerdings wurde das sehr schnell von den bis heute verwendeten RJ-45 Netzwerken ersetzt. Ich glaube ich habe damals nur zwei oder drei Lans mit BNC mitgemacht bevor der erste mit einem 100MbE-8-Port Switch bei der nächsten LAN aufgetaucht ist. Unsere Netzwekkarten hatten alle BNC UND RJ-45. Nur konnte sich damals keiner einen RJ-45 Switch leisten. Für knapp 250DM hatte sich damals der Vater eines meiner Freunde einen Switch gekauft. Und wir durften den auf unserer LAN verwenden. Endlich kein lahmes BNC mehr.

100Mbit. Das hielt sich lange. Ich treffe heute noch manchmal auf irgendwelche uralten 100MbE Switche die in Schaltschränken teilweise nach 25 Jahren noch ihren Dienst verrichten. Meist fällt das erst auf wenn man sich wundert warum vom neuen 250Mbit Internet nur 100Mbit ankommen. Die BASF hat selbst im Jahr 2015 noch mit 100MbE an ihren Arbeitsplätzen gearbeitet. (Die Fritz!Boxen haben teilweise heute, im Jahr 2022 noch den „ECO-Modus“ und schalten runter auf 100MBit)

Seitdem gibt es keine wirkliche Änderung am Stecker und der Topologie mehr. Lediglich die Übertragungstechnologie verbessert sich. Mittlerweile, Ende 2021, ist 10Gbit via Kupfer-Netzwerkkabeln erschwinglich. Netzwerkkarten gibt es für unter 150€ und auch die Switche kommen langsam in eine Preisklasse das der Kauf Privat erschwinglich wird. Netgear hat z.B. einen unmanaged 8-Port 10GbE Switch für unter 400€ im Sortiment. Ich denke nicht das nach dem 10GbE über Kupfer noch ein großer Sprung kommt. WLAN hat seit einigen Jahren nun schon die Gigabit Grenze geknackt (802.11ax kann theoretisch sogar schon bis 9,6 Gbit übertragen) und lässt sich einfacher aufbauen als ein Kabelnetz. Bei wirklich hohen Datenraten, jenseits der 40Gbit ist Glasfaser ohnehin wirtschaftlich die günstigere Alternative (Optische Transceiver schaffen heute schon bis zu 800Gbit).

Aber dazu später mehr.

Bandbreite und Latenz*

*oder warum „schnell“ nicht gleich „schnell“ ist.

Wer regelmäßig zockt, der wird das Problem kennen und hassen. „Lagging“ und/oder „Rubberbanding“. Da will man seinen Gegenspieler mit einem gezielten Kopfschuss zum Internet-Jesus befördern (aka: Respawn) doch im entscheidenden Moment ‚hängt‘ der eigene Charakter, und eine halbe Sekunde später löst sich erst der Schuss – natürlich viel zu spät. Es gibt unzählige Witze darüber: „Videospiele machen uns nicht aggressiv, LAG MACHT DAS!“ – „Jesus ist nach drei Tagen respawnt – Was für ein LAG!
LAGGING (lag = engl. „Verzögerung“) bezeichnet das Phänomen wen Daten nicht rechtzeitig am Ziel ankommen. Bei Echtzeit online-Shootern wie CounterStrike, Call of Duty oder Fortnite fällt das am ehesten auf wenn der Server auf dem man spielt regional weit weg ist. Wer z.B. gerne mal ne Runde CounterStrike spielt, kann sich ja mal spaßeshalber auf einem asiatischen oder australischen Server einloggen.
Man unterscheidet bei einem Computernetzwerk in der Regel zwischen der Bandbreite und der Latenz. Die Bandbreite gibt an wie viele Daten ich pro Sekunde verschicken kann, die Latenz wie Reaktionsfreudig eine Verbindung ist. Je nach Einsatzzweck möchte ich eher das eine, oder das andere haben.

Bei einem Backup möchte ich eine hohe Bandbreite haben. Ob mein Backup jetzt 200ms oder 400ms braucht bis es übertragen ist, ist mir relativ egal, aber ob ich 1, 10 oder vielleicht 100Gbit/s übertragen kann ist durchaus relevant.
Möchte ich einen shooter spielen, oder Telefonieren möchte ich vielleicht doch eher eine Leitung die vielleicht nur 100Mbit hat, dafür aber eine Latenz von gerade mal 2-5ms.

Latenz und die Physik

Auch wenn wir die Grenzen der Bandbreite noch nicht kennen, die Grenze der Latenz kennen wir. Die absolut beste Latenz die wir erreichen können ist in LWL-Kabeln. LWL, also „Lichtwellenleiter“ oder auch Glasfaser sind optische Signalübermittler die das schnellste Informationsübermittlungssystem verwenden das unser Universum zu bieten hat: das Licht. Es gibt nichts schnelleres als die Lichtgeschwindigkeit. (Abgesehen von Quantenverschränkung, aber das würde zu weit gehen, und außerdem ist das – Stand 2022 – technologisch noch nicht möglich).

Die Latenz bezeichnet den Zeitunterschied zwischen „Signal Übermittlung start“ und „Signal erfolgreich übermittelt“ bei TCP-Verbindungen ist das immer Hin- und Rückweg, bei UDP nur der Hinweg. Ein „Ping“ in der IT ist in der Regel eine TCP-Verbindung. Also ist ein „Ping“ immer Signal wird gesendet, Empfänger gibt Rückmeldung das das Signal erfolgreich angekommen ist“. (aka „Roundtrip“)

Nehmen wir einmal an, Wir legen ein Glasfaserkabel von Frankfurt, direkt nach Sydney. Direkte „Luftlinie“ (also Erdoberfläche) wären 16.482,72km. An beide Enden setzen wir einen Kollegen mit einem Laptop der direkt mit der Leitung verbunden ist. Wir wissen, Licht bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 299.792,46 km/s. 16.482,72km ÷ 299.792,46km/s = 0,05498 Sekunden unser Signal würde bei einer einfachen Sende-Empfang Verbindung also 0,055 Sekunden brauchen. Das Zwanzigstel einer Sekunde. Das ist verdammt schnell. Ein PING, also eine TCP Verbindung über dieses Kabel wäre also 110ms. (Wir erinnern uns, PING ist immer die Strecke zwei mal.)

Leider haben wir keine direkte Verbindung. Es gibt leider kein Kabel das in Frankfurt beginnt und in Sydney endet. Wir haben aber Teilstücke.

Von Frankfurt über Land nach Zandvoort in den Niederlanden. Von dort aus nehmen wir das brandneue „Scylla“ Unterseekabel das erst im August 2021 fertiggestellt wurde nach Lowestoft/UK. In England geht es dann über Land ins südwestliche Porthcurno. Von dort über das im November 1997 verlegte FLAG Europe-Asia Kabel nach Penang in Malaysia (oder Satun in Thailand). Von dort geht es dann wieder über Land nach Tanah Merah in Singapur und von dort über das im September 2018 verlegte „Australia Singapore Cable“ nach Perth in Australien. Bis Mai 2019 hätten wir nun durch Australien gemusst, aber seit Mai 2019 gibt es das INDIGO-central Cable von Perth nach Sydney. (Wer das nachschlagen will kann sich das gerne selbst auf der Karte für Unterseekabel ansehen 😉 )

Frankfurt Sydney hat also bestenfalls schon einmal sieben so genannte „hops“. Jeder Hop bedeutet das unser Signal einmal aufgenommen, aufbereitet und weitergeschickt wird. Das kostet Zeit.

Pingen wir doch einfach mal die technische Universität Sydney:

ap-southeast-2 ist Amazons Availability zone in Sydney.

272 Millisekunden. Also nicht einmal ein drittel einer Sekunde. Und jetzt halten wir uns eines vor Augen: Ich sitze nicht an einem Server der direkt an diverse Peering Netzwerke angeschlossen ist, sondern an einem regulären Businessanschluss.

Nutzen wir doch mal „My Traceroute“ um herauszufinden wie viele hops ich tatsächlich habe:

„mtr uts.edu.au“

29 „hops“. Und ein Ping von gerade mal 272ms. Das nenne ich sportlich. (Punktabzug für die Universität: KEIN IPv6!!)

272ms. Das heist eine „einfache Strecke“ von 136ms. Das ist etwa 2,5x unsere „Luftlinie“. Zugegeben, Wer sich die Seekarte ansieht der weis das es keine Route gibt die ohne Umwege auskommt. Allerdings weis ich auch nicht ob ich durch den Suez Kanal über Singapur geroutet werde, oder über Amerika und Neuseeland. Zudem haben wir nicht berücksichtigt das unser optisches Signal immer wieder mal umgewandelt, verstärkt und erneut per Lichtimpuls verschickt wird. Biegungen in optischen Fasern schwächen ein Signal und jeder der sich mit optischen Datenübertragungen auskennt weis auch das ein Lichtimpuls nie geradlinig durch eine Faser rauscht, sondern immer wieder an den Faserwänden reflektiert wird. Je mehr ich darüber nachdenke, desto erstaunter bin ich über die doch sehr kurze Latenzzeit.

Die Latenz ist wichtig. Um ein extremes Beispiel zu nennen: Wenn wir stand heute mit unseren Sonden auf dem Mars kommunizieren haben wir eine Latenz zwischen 3,1 und 22,3 Minuten – Je nachdem wie weit Erde und Mars voneinander entfernt sind. Das bedeutet das wir bestenfalls nur alle 6,2 Minuten informationen von den Sonden anfordern können (Roundtrip nicht vergessen: Anforderung „Schick uns Daten“ benötigt 3,1 Minuten zum Mars, „Schicke Daten“ brauchen 3,1 Minuten zur Erde).
Diese Tatsache wurde z.B. im Film „Der Marsianer – Rettet Mark Watney“ anfangs noch gezeigt, aber danach schnell unter den Tisch fallen lassen. Die Latenz ist essentiell bei allen Anwendungen und Szenarien bei denen Echtzeit Notwenig ist: Telefonie, „Action“-Gaming und… Verkehrsführung!. Nehmen wir einmal an in Zukunft würde bei autonomen Fahrzeugen ALLES von einem externen Computer berechnet werden. Das könnte fatale Folgen haben. Eine kleine Funkstörung, ein „Lag“ im System und Unfälle könnten die Folge sein.
Wem das zu weit hergeholt erscheint, der könnte sich mal das Video über Airbags ansehen, beziehungsweise was passiert wenn ein Airbag nur ein paar Millisekunden zu spät auslöst.

Bandbreite

Nachdem wir nun beleuchtet haben wie schnell wir maximal Informationen übermitteln können, befassen wir uns nun damit wie viele Informationen wir übertragen können. Vereinfachen wir das ganze: Stellen wir uns dazu einfach einmal vor unser Netzwerk wäre unser Autobahnsystem. (Ich weis diese Analogie ist schlecht, nicht zutreffend und wird viel zu oft verwendet, aber damit kann man es am einfachsten erklären).

Stellen wir uns einfach mal vor es gibt ein generelles Tempolimit von 120km/h. Unser 10MBit Netzwerk ist eine „Ein-Spur“-Fahrbahn also eine Spur in jede Richtung. (Das wäre sogar zutreffend, denn für 10MbE benötigt man tatsächlich nur zwei Adern…). 100Mbit wäre dann eine normale Zwei-Spur-Autobahn. Je mehr Bandbreite wir wollen, also je mehr Autos wir nun pro Minute über unsere Straße fahren lassen wollen, desto mehr Spuren benötigen wir. So ähnlich funktioniert das bei Netzwerken:
10MbE = zwei Adern
100MbE = vier Adern
1GbE+ = acht Adern
Bei allem über 1GbE spielt dann noch die Frequenz eine Rolle. – In unserer Analogie könnte man sagen man verringert den Abstand zwischen den Fahrzeugen oder packt mehr Gepäck/Personen in die Fahrzeuge.

Bei Glasfaser ist das ähnlich. Es gibt hier die Variante mit einem oder zwei Fasern (Bei optischen Leitern spricht man nicht von „Kabeln“ ) aber im Endeffekt funktioniert ist die Technik dahinter in etwa gleich:
Man sendet einen Lichtimpuls über einen Glas/Kunststoffkern welcher am anderen Ende empfangen und „gelesen“ wird. Stellt euch einen langen, dunklen Tunnel vor, und am anderen Ende blinkt euch jemand mit einer Taschenlampe Morsezeichen zu. Ihr blinkt zurück, und so kommuniziert ihr und übertragt eure Informationen.
Bei Glasfaser ist das Prinzip ähnlich. Bei einem Kabel blinken beide Enden sich gegenseitig ihre Informationen zu, während man bei einen zwei-faserigen Medium eine Faser für den hin, und die andere für den Rückkanal benutzt. Licht ist schneller als ein Stromimpuls:

elektronische Signalübermittlung (Kupfer) = \frac{2}{3} e

Signalübermittlung in Kupferkabeln ist nur etwa ein Drittel der Lichtgeschwindigkeit

Elektronen bewegen sich in Kupferkabeln relativ langsam voran (~26,6km/h) allerdings ist die Signalausbreitung eben in etwa 2/3 der Lichtgeschwindigkeit. Warum das so ist? Stellt euch das in etwa vor wie euren Wasserhahn. Sobald ihr den aufdreht habt ihr fließendes Wasser. Würde ich allerdings nun blaue Farbe in das Trinkwasserreservoir schütten würde das eine ganze Zeit brauchen bis das bei euch ankommt.

Licht ist also etwas schneller. Dadurch kann man schon einmal die Latenzen etwas reduzieren. Und im Gegensatz zu Strom hat Licht noch einen weitern Vorteil: Licht besteht aus Farben. Stellt euch also folgendes vor: Statt nur ihr, steht ihr und zwei Freunde am Tunneleingang. Jeder von euch hat eine Taschenlampe mit einer anderen Farbe: Rot, Blau und Gelb. Jeder von euch achtet nur auf die Morsezeichen in seiner eigenen Farbe.
Damit könnte man schon einmal die dreifache Menge an Informationen übermitteln. Nun stellt euch weiterhin vor ihr seid nicht nur zu dritt, sondern zu sechst. Drei von euch sind nur am blinken, wärend die anderen drei nur darauf achten alles was von der anderen Seite geblinkt wird aufzuschreiben. (Und damit habe ich nun auch „Half-Duplex“ und „Full Duplex“ erklärt…)

Damit ist das Prinzip von optischen Netzwerken eigentlich (vereinfacht) erklärt. von daher: Bandbreite gibt an welche Menge an Daten pro Sekunde übermittelt werden kann.

„Fast Ethernet“ vs. „Gigabit“ versus „10GigE“

Im laufe der Zeit haben sich „Marketing-Namen“ für verschiedene Geschwindigkeiten herausgebildet, die heute manchmal schon etwas lustig anmuten. Von „Ethernet“ (10Mbit) über „Fast Ethernet“ (100Mbit) zu „Gigabit Ethernet“ oder „GigE“ (1Gbit) und jetzt „10 Gigabit Ethernet“ „10 GigE“ (10Gbit).

Wer heute mir gegenüber bei 100Mbit von „schnellem Netzwerk“ spricht den kann ich nur müde anlächeln. Allerdings war das damals, als DSL-Verbindungen mit 768kbit/s noch „ultraschnelles Breitband“ waren tatsächlich ein „fast ethernet“.

ich denke mal über die nächsten Jahre wird erst einmal 2,5Gbit Ethernet Einzug in die meisten Consumer-Geräte halten. Die Fritz!Box 6660 Cable ist z.B. die erste (und einzige) Fritzbox für Kabelanschlüsse die einen 2,5GbE Port hat. Bei DOCSIS 3.1 ist das auch nötig. Denn theoretisch könnte man mit DOCSIS 3.1 10GBit im Download und 1Gbit im Upload verwirklichen. In der Praxis dürfte da aber nur etwa 30-40% ankommen. Rechnet man dann die Qualitativ guten Kabel mit ein die in DE verlegt sind… Ja, das 2,5GbE Interface reicht aus. 😉

Neben dem 2,5GbE gibt es dann noch 5GbE – also 5 Gigabit Ethernet. Auch wenn ich eher vermute das 5GBASE-T (so der offizielle Standard) nur als eine Art „Fallback“ Modus geplant ist für den Fall das ein Gerät 10Gbit wegen der Leitungslänge oder schlechten Kabeln die volle Bandbreite nicht schafft. Anstatt dann auf 2,5Gbit oder sogar nur 1Gbit ‚abzufallen‘ gibt es noch die 5Gbit ‚Zwischenstufe‘. Das würde zumindest erklären warum ich zwar von QNAP und Netgear 2,5GbE Netzwerkswitche bekomme, aber keinen dedizierten 5GbE Switch finde…
Allerdings bewirbt z.B. Netgear das deren 10GbE Switche über CAT5e und CAT6 zumindest noch 5GBit hinbekommen

Aber warum das ganze? Wozu benötigt man als Privatperson ein 10GbE Netzwerk?

Man braucht es nicht.

NOCH nicht. Bei derzeitigen Internetanschlüssen von durchschnittlich um die 67Mbit in Deutschland reicht theoretisch sogar noch das alte „Fast Ethernet“. Da allerdings 1GbE Ports mittlerweile ohnehin beinahe überall Standard ist, 1GbE Switche für unter 20€ zu haben sind und selbst im Heimnetz mit einer kleinen NAS fürs Backup das 1GbE Interface völlig ausreicht, sollte man schon auf das „schnellere Netzwerk“ bauen. Der Preisunterschied bei 100MbE zu 1Gbe switchen beträgt teilweise gerade mal etwas mehr als einen Euro… (14,18€ bei 100Mbit zu 15,22€ für Gigabit).

10GbE macht Sinn wenn man einen eigenen Server im Keller stehen hat, täglich mehrere Gigabyte an Daten hin und her schiebt, komplette Rechner über das Netzwerk hochfährt und einfach keinen Bock hat die extra fünf Minuten zu warten. 10Gbe sind absolut genial wenn man eine Virtuelle Maschine auf seiner Workstation betreibt und der Speicher und die Festplatte auf dem Server im Keller liegen, weil der Server den Platz hat. Ein 10GbE Netzwerk verschiebt den Flaschenhals bei der Datenübertragung wieder etwas mehr in die Richtung des Datenträgers. Und wenn das nächste mal die Netzwerkverbindung der limitierende Faktor sein sollte, wird hoffentlich bereits Glasfaser in den Wänden liegen.

Über Arsimael Inshan

Ich arbeite als IT Sicherheitstechniker bei einem der größten Softwarehersteller dieser Welt. Neben meinem Hauptberufsfeld, der IT-Sicherheit in Cloud und Rechenzentren, beschäftige ich mich generell mit Themen rund um IT Sicherheit im Alltag. Zudem versuche ich durch Tipps und Tricks dem freien Linux Betriebssystem zu mehr Zuspruch zu verhelfen.

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