LAN und Ethernet

Bei einem lokalen Netzwerk (LAN) handelt es sich um eine Gruppe von Computern, die in einem lokal begrenzten Bereich miteinander verbunden sind, um miteinander kommunizieren und andere Ressourcen wie z. B. Drucker gemeinsam nutzen zu können. Daten werden in Form von Paketen gesendet. Für die Übertragung dieser Pakete können verschiedene Technologien genutzt werden. Die gängigste LAN-Technologie ist das Ethernet, das in dem IEEE-802.3-Standard definiert ist. (Weitere LAN-Netzwerktechnologien sind beispielsweise „Token-Ring“ und „FDDI“, die heute allerdings kaum noch eine Bedeutung haben.)

Ethernet verwendet eine Sterntopologie, in der einzelne Knoten (Geräte) über aktive Netzwerkgeräte wie beispielsweise Switches miteinander vernetzt sind. Die Anzahl der vernetzten Geräte in einem LAN kann zwischen zwei und mehreren tausend betragen. Die Übertragung in einem drahtgebundenen LAN erfolgt in der Regel über Twisted-Pair- oder Glasfaserkabel. Ein Twisted-Pair-Kabel besteht aus acht Adern, wobei jeweils zwei Adern miteinander verdrillt sind, so dass vier Adernpaare zur Verfügung stehen. Als Anschlusstechnologie werden RJ-45-Stecker und -Buchsen verwendet. Die maximale Länge eines Twisted-Pair-Segements beträgt 100 m, dass sich aus 90 m massiven und fest verlegten sowie 10 m flexiblen Kabel zusammen setzt. Glasfaserkabel können je nach Glasfasertyp hingegen eine maximale Länge von 10 bis 70 km haben. Abhängig vom verwendeten Twisted-Pair- oder Glasfaserkabeltyp betragen die Datenraten heutzutage zwischen 10 MBit/s und 10.000 MBit/s (10 GBit/s).

Twisted-Pair-Kabel bestehend aus vier Paaren verdrillter Adern, die am Ende eines RJ-45-Steckers miteinander verbunden sind.

Es ist eine Faustregel, immer ein Netzwerk aufzubauen, das eine größere Kapazität hat als gegenwärtig erforderlich. Für ein zukunftssicheres Netzwerk ist es sinnvoll, ein Netzwerk einzurichten, von dem nur 30 % der Gesamtkapazität genutzt werden. Da heutzutage immer mehr Anwendungen über Netzwerke ausgeführt werden, ist eine immer höhere Netzwerkleistung erforderlich. Während Netzwerk-Switches (siehe Beschreibung weiter unten) sich nach einigen Jahren leicht aktualisieren lassen, ist der Austausch von Kabeln meist ein aufwendigeres Unterfangen.

Ethernet-Netzwerke

Fast Ethernet

Fast Ethernet ist ein Ethernet-Netzwerk, das Daten mit einer Datenrate von 100 MBit/s übertragen kann. Für dieses Netzwerk können Twisted-Pair- oder Glasfaserkabel verwendet werden. (Das ältere 10-MBit/s-Ethernet ist weiterhin im Einsatz, bietet aber für manche Netzwerk-Videoanwendungen nicht die erforderliche Bandbreite.) Die meisten Geräte, die über ein Netzwerk verbunden sind, z. B. Laptops oder Netzwerk-Kameras, sind mit einer 100BASE-TX/10BASE-T-Ethernet-Schnittstelle oder kurz „10/100-Schnittstelle“ ausgestattet, die sowohl 10-MBit/s-Ethernet als auch Fast Ethernet unterstützt. Der Twisted-Pair-Kabeltyp, der Fast Ethernet unterstützt, ist das Cat-5-Kabel.

Gigabit Ethernet

Gigabit Ethernet, für das ebenfalls ein Twisted-Pair- oder ein Glasfaserkabel verwendet werden kann, bietet Datenraten von 1.000 MBit/s (1 Gbit/s) und wird immer häufiger verwendet. Man geht davon aus, dass es Fast Ethernet als Standard bald ablösen wird. Der für das Gigabit Ethernet erforderliche Twisted-Pair-Kabeltyp ist das Cat-5e-Kabel, in dem alle vier verdrillten Drahtpaare verwendet werden, um die hohen Datenraten zu erzielen. Für Netzwerk-Videosysteme werden Cat-5e- oder höherwertige Kabel empfohlen. Die meisten Schnittstellen sind abwärtskompatibel mit 10- und 100-MBit/s-Ethernet und werden üblicherweise „10/100/1000-Schnittstellen“ genannt.

Für Übertragungen über längere Distanzen können Glasfaserkabel verwendet werden, z. B. 1000BASE-SX (bis zu 550 m) und 1000BASE-LX (bis zu 550 m mit Multimode-Glasfasern und 5.000 m mit Monomode-Fasern).

Größere Distanzen können mit Glasfaserkabeln überwunden werden. Glasfaser wird in der Regel in den Hauptleitungen eines Netzwerks und nicht in Knoten wie z. B. einer Netzwerk-Kamera verwendet.

10-Gigabit-Ethernet

Das 10-Gigabit-Ethernet ist die neueste Netzwerkgeneration. Es liefert Datenraten von 10 GBit/s (10.000 MBit/s) und es können Glasfaser- oder Twisted-Pair-Kabel verwendet werden. 10GBASE-LX4, 10GBASE-ER und 10GBASE-SR können bei Verwendung von Glasfaserkabeln Distanzen von bis zu 10.000 m überwinden. Bei einer Twisted-Pair-Lösung sind äußerst hochwertige Kabel erforderlich (Cat-6a oder Cat-7). 10-GBit/s-Ethernet wird vor allem für das Backbone von High-End-Anwendungen verwendet, die hohe Datenraten erfordern.

Switch

Wenn nur zwei Geräte über ein Twisted-Pair-Kabel direkt miteinander kommunizieren müssen, kann ein so genanntes Crossover-Kabel verwendet werden. Das Crossover-Kabel kreuzt das sendende Adernpaar an einem Ende des Kabels mit dem empfangenden Adernpaar am anderen Ende und umgekehrt.

Für die Vernetzung mehrerer Geräte in einem LAN sind jedoch Netzwerkgeräte wie beispielsweise ein Netzwerk-Switch erforderlich. Bei Einsatz eines Netzwerk-Switches wird ein normales 1:1-Netzwerkkabel anstelle eines Crossover-Kabels verwendet.

Die Hauptfunktion eines Netzwerk-Switches besteht in der Weiterleitung von Daten von einem Gerät zu einem anderen im selben Netzwerk. Dies erfolgt auf effiziente Weise, da Daten direkt von einem Gerät an ein anderes geleitet werden können, ohne dass hiervon das gesamte Netzwerk belasstet wird.

Ein Switch registriert die MAC-Adressen (MAC = Media Access Control) aller Geräte, die mit ihm verbunden sind. (Jedes Netzwerkgerät hat eine eindeutige MAC-Adresse, die aus einer Reihe von Ziffern und Buchstaben besteht, die der Hersteller vorgibt. Die Adresse steht meist auf dem Typenschild des Produktes und entspricht der Seriennummer.) Wenn ein Switch Daten empfängt, leitet er diese nur an den Anschluss weiter, der mit dem Gerät verbunden ist, das die richtige MAC-Zieladresse aufweist.

Die Leistung von Switches wird in der Regel in Anschluss-Anschluss-Raten und durch die Backplanekapazität angegeben (ersteres in Pakete pro Sekunde und letzteres in Bit-Raten pro Sekunde). Hierbei gilt, dass ein Switch mit der höheren Anzahl von Datenpakete pro Sekunde und Backplanekapazität eine höhere Performance aufweist. Des Weiteren wird ein Switch oftmals über die maximalen Datenraten der Anschlüsse beschrieben. Ein 100-MBit/s-Switch verfügt beispielsweise über mehrere Anschlüsse mit 100 MBit/s, also diese Angabe bezieht sich nur auf einen einzelnen Anschluss.

Bei einem Netzwerk-Switch werden Daten sehr effizient übertragen, da der Datenverkehr direkt von einem Gerät zu einem anderen geleitet werden kann, ohne dass andere Anschlüsse auf dem Switch davon betroffen sind.

Ein Netzwerk-Switch unterstützt normalerweise mehrere verschiedene Datenraten gleichzeitig. Die gängigsten Datenraten sind 10/100, bei denen sowohl das 10-MBit/s-Ethernet als auch das Fast Ethernet unterstützt wird. Jedoch werden immer häufiger 10/100/1000er Datenraten als Standard-Switch verwendet, die also je nach angeschlossenen Gerät 10-MBit/s-Ethernet, Fast Ethernet und Gigabit Ethernet unterstützen. Ein Switch ermöglicht es zudem, dass ein angeschlossenes Gerät im Vollduplex-Modus arbeitet, d. h. Daten gleichzeitig senden und empfangen kann, was eine höhere Leistung mit sich bringt. Alternativ kann auch im Halbduplexmodus gearbeitet werden. Die Datenrate und der Übertragungsmodus zwischen einem Anschluss auf dem Switch und einem angeschlossenen Gerät werden üblicherweise durch automatische Aushandlung festgelegt, der so genannten Auto-Negotiation-Funktion, wobei die höchste gemeinsame Datenrate und der beste Übertragungsmodus automatisch ausgehandelt und eingestellt werden.

Switches können zusätzlich mit unterschiedlichen Eigenschaften oder Funktionen ausgestattet sein. Einige Switches bieten die Funktion eines Routers und werden in diesem Fall als Layer-3-Switche bezeichnet. Außerdem kann ein Switch Unterstützung für Power over Ethernet bieten, d.h. Endgeräte mit Strom versorgen. Des Weiteren gibt es Switche mit Quality of Service Unterstützung, worüber eine priorisierte Datenweiterleitung erfolgen kann, und festgelegt werden kann, wie viel Bandbreite den verschiedenen Anwendungen zur Verfügung stehen.

Power over Ethernet

Power over Ethernet (PoE) bietet die Möglichkeit, an das Ethernet-Netzwerk angeschlossene Geräte über das Netzwerkkabel, das für die Datenübertragung genutzt wird, auch mit Strom zu versorgen. Power over Ethernet wird überwiegend für die Stromversorgung von IP-Telefonen, WLAN Acess Points und Netzwerk-Kameras verwendet.Der Hauptvorteil von PoE sind die Kosteneinsparungen. Die Beauftragung eines ausgebildeten Elektrikers und das Verlegen einer eigenen Stromleitung sind nicht erforderlich. Dies ist insbesondere in schwer zugänglichen Bereichen von Vorteil. Die Tatsache, das kein Stromkabel verlegt werden muss, kann je nach Standort der Kamera mehrere hundert Euro pro Kamera einsparen. Mit PoE ist es zudem einfacher, den Standort einer Kamera zu verlegen oder weitere Kameras zum Videoüberwachungssystem hinzuzufügen.

Darüber hinaus kann mit der Hilfe von PoE ein Videosystem gegen Spannungsausfälle abgesichert werden. Ein Videoüberwachungssystem mit PoE kann vom Serverraum aus mit Strom versorgt werden. Der Serverraum wird häufig durch eine USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) gesichert. Dies bedeutet, dass das Videoüberwachungssystem auch bei einem Ausfall der Spannungsversorgung funktionsfähig bleibt. Aufgrund seiner Vorteile wird die Verwendung von PoE bei so vielen Geräten wie möglich empfohlen. Der vom PoE-fähigen Switch oder Midspan gelieferte Strom sollte für die angeschlossenen Geräte ausreichen und die Geräte sollten die Spannungsklassifizierung unterstützen. Diese werden in den nachfolgenden Abschnitten im Detail erläutert.

802.3af-Standard und High-PoE

Die meisten derzeit erhältlichen PoE-Geräte erfüllen die Anforderungen des IEEE-802.3af-Standards, der im Jahr 2003 veröffentlicht wurde. Der IEEE-802.3af-Standard verwendet Cat-5- oder höherwertigere Kabel und gewährleistet, dass die Datenübertragung nicht beeinträchtigt wird. In der Standardbeschreibung wird das Gerät, das den Strom liefert, als „Power Sourcing Equipment“ (PSE) bezeichnet. Als PSE kommt entweder ein PoE-fähiger Switch oder so genannter Midspan in Frage. Bei einem Midspan handelt es sich um ein Gerät, welches in das Netzwerksegment zwecks Stromversorgung zwischengeschaltet werden kann. Auf diese Weise lassen sich bereits vorhandene Infrastrukturen, in denen noch keine PoE-fähigen Switche installiert sind, auf das PoE-Feature erweitern. Das Gerät, das mit Strom versorgt wird, wird als „Powered Device“ (PD) bezeichnet. Die Funktionalität wird normalerweise in ein Netzwerkgerät wie eine Netzwerk-Kamera integriert oder über einen eigenständigen Splitter bereitgestellt.

Die Abwärtskompatibilität mit nicht PoE-kompatiblen Netzwerkgeräten ist gewährleistet. Der Standard umfasst eine Methode, mit der automatisch geprüft wird, ob ein Gerät PoE unterstützt. Nur wenn dies der Fall ist, wird auf dem Anschluss des Switch oder Midspan die Versorgungsspannung aufgeschaltet.

Ein Twisted-Pair-Kabel enthält vier Adernpaare von denen bei der Datenübertragung bis 100 MBit/s nur zwei Adrenpaare für die Datenübertragung verwendet werden. PoE kann entweder die beiden nicht genutzten Adernpaare verwenden oder die beiden Adrenpaare, welche auch für die Datenübertragung verwendeten werden. Switches verwenden in der Regel die Adrenpaare, die auch für die Datenübertragung genutzt werden, während Midspans die beiden ungenutzen Adernpaare verwenden. Ein PD unterstützt immer beide Möglichkeiten. Gemäß IEEE 802.3af liefert ein PSE pro Anschluss eine maximale Leistung von 15,4 W, die über eine Spannung von 48 V eingespeist wird. Angesichts des Leistungsverlustes bei einem Twisted-Pair-Kabel mit maximaler Länge werden bei einem PD jedoch nur 12,95 W garantiert. Der IEEE-802.3af-Standard gibt verschiedene Leistungskategorien für PDs an.

PSEs, wie Switches und Midspans, liefern normalerweise eine bestimmte Menge an Leistung, in der Regel 300 bis 500 W. Bei einem 48-Port-Switch sind das 6 bis 10 W pro Anschluss, wenn alle Anschlüsse mit PoE-fähigen Geräten verbunden sind. Sofern die PDs keine Stromklassifizierung unterstützen, müssen die kompletten 15,4 W für jeden Anschluss reserviert werden, der PoE verwendet. Dies bedeutet, dass ein 300-W-Switch eine Spannungsversorgung nur an 19 der 48 Anschlüsse liefern kann. Wenn jedoch alle Geräte dem Switch mitteilen, dass sie Klasse-1-Geräte sind, kann der 300-W-Switch alle 48 Ports mit Spannung versorgen.

Die meisten fest ausgerichteten Netzwerk-Kameras können über PoE gemäß dem IEEE-802.3af-Standard mit Strom versorgt werden und entsprechen in der Regel einem Geräte der Klasse 1 oder 2. Mit dem IEEE 802.3at-Pre-Standard oder PoE+ wird die eingespeiste Leistung auf 30 W erhöht und für das PD stehen 25,5 W zur Verfügung. Die Stromversorgung erfolgt ebenfalls über zwei Adernpaare. Es ist zu erwarten, dass der IEEE-802.3at-Standard Mitte 2009 verabschiede. In der Zwischenzeit können dem IEEE 802.3at-Pre-Standard (High PoE) entsprechende Midspans und Splitter für Geräte wie PTZ-Kameras und PTZ-Dome-Kameras mit Motorsteuerung sowie für Kameras mit Heizelementen und Lüftern verwendet werden, die mehr Leistung benötigen, als mit dem IEEE-802.3af-Standard geliefert werden kann.

Midspans und Splitter

Midspans und Splitter sind Geräte, über die die PoE-Stromversorgung auf vorhanden Netzwerkinfrastrukturen nachträglich aufgesetzt werden kann.

Ein vorhandenes System kann mithilfe eines Midspans oder eines Splitters um die PoE-Funktionalität erweitert werden.

Der Midspan, der Strom über ein Ethernet-Kabel leitet, wird zwischen den Netzwerk-Switch und die versorgten Geräte geschaltet. Damit der Datentransfer nicht beeinträchtigt wird, ist es wichtig daran zu denken, dass die maximale Entfernung zwischen der Datenquelle (z. B. dem Switch) und den Netzwerk-Videoprodukten nicht mehr als 100 m betragen darf. Das heißt, der Midspan und der oder die aktiven Splitter müssen innerhalb der Entfernung von 100 m platziert werden.

Ein Splitter wird verwendet, um den Strom- und Datenpfad aufzutrennen und auf zwei separate Anschlüsse aufzuteilen, die dann an ein Endgerät angeschlossen werden können, das keine integrierte Unterstützung für PoE bietet. Bei der Auswahl des Splitters muss darauf geachtet werden, dass die Ausgangsspannung des Splitters mit der Versorgungsspannung des Endgerätes übereinstimmt.