Computerpartner

Sie befinden sich hier: HOMENachrichtenKnow HowIT-Grundlagen
22.08.2017

Gigabit ist drahtgebunden schneller

Superschnelle Netzwerke, Gigabit und Breitband ist inzwischen in allen Unternehmen angekommen. Allerdings erfordern die Höchstgeschwindigkeiten optimal geplante und gemanagte Netzwerke und bedeutet in einigen Fällen die Rückkehr zu drahtgebundenen Netzen.

Mathias Hein

Tausend Megabit und Breitbandgeschwindigkeiten sind die Anzeichen für die Veränderungen im Internet-Zugang. Neuere Tech, wie virtuelle Realität und das Video-Streaming profitieren von den hohen Geschwindigkeiten.

Diese Geschwindigkeitsangaben können jedoch nur unter theoretischen Bedingungen erreicht werden. Einige Bits werden als Overheads (Präambel, Inter-Frame-Gap) genutzt. Aus diesem Grund wird in der Praxis der tatsächliche netto Datendurchsatz kleiner als erwartet ausfallen. Ein Speedtest für eine 1 Gigabit-Verbindung wird etwa 940 MBit/s erreichen. Die folgenden Informationen sind Näherungen, die als Leitlinien zur Berechnung des Durchsatzes verwendet werden sollten. Beim Ethernet errechnet sich der theoretisch maximale Durchsatz wie folgt:

Alle Pakete beginnen mit einer 8 Byte langen Präambel und enden mit einem 12 Byte langen Interframe-Gap. Die Mindestlänge eines Ethernet-Pakets beträgt 64 Byte und setzt sich wie folgt zusammen:

  • 6 Byte Destination MAC Adresse,
  • 6 Byte Source MAC Adresse
  • 2 Byte Protocol Type,
  • 46 Byte Payload und
  • 4 Byte CRC.

Entsprechend ergibt sich für die Rahmengröße einschließlich der Präambel und dem Interframe-Gap eine Länge von 84 Byte (8 + 12 + 64).

Die Anzahl der Pakete pro Sekunde berechnet daher wie folgt:

  • Datenrate / Paketgröße = Pakete pro Sekunde
  • 1000Mbps / (84bytes x 8) = Pakete / s
  • 1.000.000.000 Bits / 672 Bits = 1.488.000 Frames / s.
  • Der maximale theoretische Durchsatz wird daher wie folgt berechnet:
  • Pakete pro Sekunde x Paketgröße
  • 1.488.000 x 512 Bits = 761MbBit/s

Variante 1: 64 Byte Paket

64 Byte Paket x 8 Bits = 512Bits

Allerdings geht eine gewisse Bandbreite durch die Präambel und den Inframe-Gap verloren. Diese berechnen sich wie folgt:

  • Präambel (8 Byte)
  • Pakete pro Sekunde x 8 Byte x 8 Bits (um den Wert in MBit/s zu konvertieren)
  • 1.488.000 x 8 x 8 = 95 MBit/s
  • Interframe-Gap (12 Byte):
  • Pakete pro Sekunde x 12 Byte x 8 Bits (um den Wert in MBit/s zu wandeln)
  • 1.488.000 x 12 x 8 = 143Mbps

Das tatsächliche Maximum bei einer Paketlänge von 64 Byte ergibt 523 MBit/s (761 - 95 - 143) oder 65 MByte/ s.

Variante 2: 1518 Byte Paket

Die Berechnung für ein maximales Ethernet-Paket mit 1518 Byte inklusive der Präambel und dem Interframe Gap ergibt:

  • 8 + 12 + 1518 = 1538
  • 1000 MBit/s / (1538 Byte x 8) = 81,274 Pakete/s
  • 81,274 Pakete/s x 12.144 Bits = 986 MBit/s
  • 1518 Byte x 8 Bits = 12.144 Bits
  • Präambel Overhead: 81,274 x 8 x 8 = 5 MBit/s
  • Interframe Gap Overhead: 81.274 x 12 x 8 = 7 MBit/s

So beträgt der maximale Durchsatz bei 1518 Byte großen Paketen 974 MBit/s (986 - 5 - 7) oder 121 Mbyte/s.

Es ist zu beachten, dass diese Durchsatzwerte keine IP, TCP oder UDP Overheads enthalten und sich dadurch der Nettodurchsatz noch weiter verringert.

Variante 3: Jumbo-Pakete

Werfen wir deshalb einen Blick auf ein 9.000 Byte großes Jumbo-Paket mit allen Overheads.

  • Paketgröße = 9000 Byte
  • Inter-Frame-Gap = 12 Byte
  • Ethernet Präambel = 8 Byte
  • Ethernet-Header = 14 Byte
  • Ethernet FCS = 4 Byte
  • IP-Header = 20 Byte
  • TCP Header = 20 Byte
  • TCP-Optionen = 12 Byte

Berechnung: Pakete pro Sekunde:

  • 9000 + 12 + 8 = 9020 x 8 = 72.160 Bits
  • 1.000.000.000 Bits / 72.160 Bits = 13.858 Pakete/s

Maximaler Durchsatz ohne Overheads:

  • 13,858 x 72,000 = 997 MBit/s

Präambel Overhead:

  • 13.858 x 8 x 8 = 0,886 MBit/s

Inter-Frame-Gap:

  • 13.858 x 12 x 8 = 1,33 MBit/s

Ethernet Header Overhead:

  • 13.858 x 14 x 8 = 1,55 MBit/s

Ethernet Prüfsumme (FCS) Overhead:

  • 13.858 x 4 x 8 = 0,443 MBit/s

IP Header Overhead:

13.858 x 20 x 8 = 2,21 MBit/s

TCP Header Overhead:

  • 13.858 x 20 x 8 = 2,21 MBit/s

TCP Optionen Overhead:

  • 13.858 x 12 x 8 = 1,33 MBit/s

Daraus ergibt sich der theoretischer Durchsatz für Gigabit Ethernet mit Jumbo Frames und der Nutzung des TCP-Protokolls:

  • 997 MBit/s – 0,886 MBit/s – 1,33 MBit/s – 1,55 MBit/s - 0.443 MBit/s – 2,21 MBit/s – 2,21 MBit/s – 1,33 MBit/s = 987 MBit/s oder 123MByte/s.

Der ungefähre Durchsatz für Gigabit Ethernet ohne Jumbo Frames und der Nutzung des TCP-Protokolls beträgt rund 928 MBit/s oder 116 Mbyte/s.

Diese Werte sind jedoch kein genaues Abbild der in einer realen Welt zu erwartenden Datendurchsätze. In der Praxis beeinflussen andere Faktoren (beispielsweise die Dateigrößen, die Transaktionsarten, die CPU-Auslastung, die Netzwerk- und die Festplattenauslastung) den Durchsatz.

Superschnelles Internet

Im Moment haben nur ein kleiner Prozentsatz der Bevölkerung Zugang zu diesen superschnellen Geschwindigkeiten. Diese erfordern in erster Linie die Anlieferung der Daten über Glasfaser. Allerdings liefern neuere Koaxialtechnologien (DOCSIS 3.1) die Daten inzwischen ebenfalls mit Gigabit-Geschwindigkeiten in die Häuser. Jedoch scheiden die "alten" Telefonleitungen, die für DSL verwendet werden, für den Transport von hohen Geschwindigkeiten aus.

Ist die Download- und Upload-Geschwindigkeit identisch? Dies variiert von Provider zu Provider. Die asymmetrischen Service sind heute eher die Regel.

Obwohl die Gigabit-Geschwindigkeiten bei einigen Nutzern bereits vor der Türe stehen, kann diese nur unzureichend auf deren Netzwerken umgesetzt werden. Ein Upgrade der Verkabelung wird in der Regel den Netzdurchsatz nachhaltiger Verbessern als die Übermittlung der Daten über WLANs.

Die WLAN-Technologie holt zwar langsam im Bereich der Übertragungsgeschwindigkeit auf, aber man wird noch immer bessere Geschwindigkeiten erzielen, wenn man seine Daten über ein Cat 6 Ethernet-Kabel direkt an die Computer überträgt. Bei der Nutzung von Cat 5e Kabel entsteht unter Umständen ein höheres Übersprechen. Aber die Cat 5e Kabel sind immer noch in der Lage die Geschwindigkeiten von bis zu 1.000 MBit/s mitzugehen.

Will ein Benutzer extrem hohe Übertragungsgeschwindigkeiten über WLANs erzielen, muss er dafür sorgen,

  • dass er sich in der Nähe des jeweiligen Access Points (AP) befindet.
  • dass sich möglichst keine weiteren WLAN-Nutzer in der genutzten Funkzelle befinden und
  • dass der neueste WLAN-Standard zum Einsatz kommt.

Der IEEE 802.11ac Standard ermöglicht die Nutzung eines 160 MHz breiten Kanals, der aus vier parallelen Streams besteht. Der einzig hierfür in Frage kommende Frequenzbereich ist das 5GHz Frequenzband. Dieses stellt genügend Kanäle für die Realisierung einer solchen Anwendung bereit. Im 2,4 GHz Bereich stehen bei der Nutzung von 20 MHZ breiten Kanälen dagegen nur die nicht überlappen Kanäle 1, 6 oder 11 zur Verfügung.

Mit dem Vorgänger (dem 802.11n Standard) hat das 2,4-GHz-Band bereits seine maximale Kapazität erreicht. Das zugelassene Frequenzband reicht von 2.400 MHz bis 2.483 MHz und ist somit nur 80 MHz breit. Um die maximale Übertragungsleistung von bis zu 450 Mbit/s bei drei Antennen erreichen zu können, beansprucht eine WLAN-Verbindung bereits 40 MHz der verfügbaren Bandbreite. Mit einem zweiten WLAN in der näheren Umgebung wäre dann bereits die komplette 2,4-GHz-Bandbreite belegt.

Jeder zusätzliche Router in der Nachbarschaft wird zwangsläufig als Störer auftreten und die Funkleistung herabsetzen. Der große Vorteil des sehr störungsanfälligen 2,4 GHz Bands besteht in der geringeren Dämpfung.

Mit rund 380 MHz verfügbarer Bandbreite bietet das 5-GHz-Band erheblich mehr Raum für Übertragungen als das 2,4-GHz- Band. Hinzu kommen verbesserte Übertragungstechniken im 802.11ac-Standard. Diese Steigerung der Übertragungsrate gelingt zum einen, in dem die Übertragungsbandbreite von 40 MHz auf zunächst 80 MHz verdoppelt wird. Tatsächlich erlaubt der 802.11ac-Standard noch eine weitere Verdoppelung der Bandbreite auf bis zu 160 MHz. Hinzu kommt eine noch leistungsfähigere Kodierung des Datenübertragungssignals über die sogenannten Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM). Und schließlich lässt sich mit 802.11ac - WLAN die Anzahl der parallelen Datenströme auf bis zu acht Streams erhöhen. Für den 5 GHz Standard spricht, dass dieser eine achtfach höhere Bandbreite aufweist, in der Praxis der Datendurchsatz - mit bis zu 24 Kanälen - deutlich besser ausfällt und daher weniger verstopft ist.

Die Interferenzen sind das große Problem der WLAN-Technologie. Jede andere in dem gleichen Frequenzband genutzten Dienste und Anwendungen (BlueTooth, Babyphones oder sogar ein billiges Paar an kabellosen Kopfhörern, etc.) vermindern den Durchsatz und haben störende Auswirkungen auf die jeweiligen Verbindungen. Beim WLAN gilt: Immer nur ein Gerät kann den Kanal gleichzeitig nutzen. Darüber hinaus wird beim WLAN der CSMA-CA Mechanismus zur Erkennung und Behandlung von Kollisionen genutzt. Wird eine Kollision im Übertragungskanal erkannt, dann unterbricht der Sender die Übermittlung der Daten und wartet so lange, bis der Kanal wieder frei ist.

Verschlüsselung auf WLAN-Routern reduziert die Geschwindigkeit

WLAN gehören zu den Broadcast-Mechanismen und benötigen deshalb einen Schutz gegen das Mitlesen der übertragenen Daten. Dieser Schutz wird durch die unterschiedlichen Verschlüsselungsmechanismen realisiert. Heute stehen den Netzbetreibern folgende WLAN-Verschlüsselungen zur Verfügung: WPA (TKIP), WPA2 (AES oder CCMP) und WPA+WPA2 (TKIP/AES). Die Verschlüsselungsmethoden haben jedoch auch Auswirkung auf die Geschwindigkeit der WLAN-Verbindung. WPA2 ist derzeit die modernste Verschlüsselungsvariante für WLANs. TKIP und CCMP sind Verschlüsselungsmethoden. TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) wird von WPA genutzt, hat aber den Nachteil, dass TKIP die Verbindungsgeschwindigkeit auf 54 Mbit/s beschränkt. CCMP (Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) ersetzte TKIP und wird von WPA2 genutzt. Und ist schneller: Hier sind wesentlich höhere Geschwindigkeiten möglich.

Die Verschlüsselung kann zu einer Verlangsamung der WLAN-Performance führen. Die Temporal Key Integrity Protocol (TKIP) Verschlüsselung ist bei manchen WLAN-Geräten standardmäßig aktiviert und reduziert dadurch die Performance. Bei den meisten WLAN-Geräten wird die Verschlüsselung mit Hilfe des Advanced Encryption Standards (AES) bzw. des Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocols (CCMP) durch die jeweilige Hardware unterstützt und führt zu keinen Geschwindigkeitseinbußen.

Bei einigen Geräten im Consumer-Bereich müssen zur Verbesserung der Performance auch die Quality of Service (QoS) Mechanismen ausgeschaltet werden. Die QoS-Mechanismen sorgen dafür, dass die begrenzte Download-Bandbreite nicht überbucht wird. Viele Consumer-Geräte nutzen jedoch keine Hardware-Beschleunigung, so dass alle empfangenen Datenpakete von der CPU überprüft werden müssen. Das sorgt bei einigen Geräten dafür, dass die Leistung um bis zu 20 Prozent sinkt. +