Während der letzten Jahrzehnte sind die verfügbaren Bandbreiten bei jeglichen Datenverbindungen immer höher geworden. Dieser Artikel gibt einen Einblick darin, welche Rahmenbedingungen Einfluss auf die Bandbreite einer Datenverbindung haben.
In einer idealen Welt würde jede Datenverbindung eine unbegrenzte Bandbreite besitzen. Jedes Datenpaket würde somit sofort an seinem Ziel ankommen. Verschiedene äußere Faktoren sind der Grund dafür, warum die Bandbreite immer begrenzt sein muss.
Äußere Einflussfaktoren auf Datenverbindungen
Physikalische Größen
Ohne auf die genauen physikalischen Gründe dahinter eingehen zu wollen, sollten aus dem Physikunterricht mindestens die folgenden beiden Fakten bekannt sein:
- Die Lichtgeschwindigkeit beträgt ca. 300.000 km/s. Es ist grundsätzlich nicht möglich, diesen Wert zu übersteigen. Das führt dazu, dass eine höhere Bandbreite nicht durch „schnelleres“ Senden von Licht erreicht werden kann.
- Eine elektromagnetische Welle, wie sie z. B. durch eine WLAN-Verbindung entsteht, bewegt sich im Vakuum ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit. In Materie (z. B. im Wasser), ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit etwas geringer. Auch hier gilt wieder, dass eine höhere Datenbandbreite nicht durch „schnellere“ Ausbreitung erreicht werden kann.
Störungen durch andere Sender
Falls andere Sender ebenfalls elektromagnetische Strahlung abgeben, kann dies Einfluss auf die Qualität der Verbindung haben. Bei Kupferkabeln kommen Schirmungen zum Einsatz, die den Einfluss von elektromagnetischer Strahlung minimieren sollen. Falls allerdings die Schirmung defekt ist, können bei der Datenübertragung Fehler auftreten. Die Datendurchsatz ist dementsprechend verringert. Dies ändert allerdings nichts an der Bandbreite der Verbindung.
Defekte Kabel oder Schirmungen entstehen entweder bereits bei der Fertigung oder durch äußere Gewalteinwirkung. Bereits bei der Planung einer Funktechnologie müssen Umgebungseinflüsse überprüft werden. Dazu zählt beispielsweise, ob das zu nutzende Frequenzband bereits durch andere Technologien belegt ist und angrenzende Frequenzbereiche in Benutzung sind. Beispielsweise nutzt WLAN 802.11a das 2.4 GHz-Frequenzband, auf dem auch die Mikrowellen arbeiten. Hier kann es also zu Störungen kommen. Die Qualität und somit auch die Bandbreite der Verbindung wird also eingeschränkt.
Glasfaserkabel unterliegen prinzipbedingt keiner Störung durch andere Sender.
Qualitative und quantitative Anforderungen
Bei der Spezifizierung einer neuen Technologie wird die Bandbreite durch Betrachtung von mindestens der folgenden drei Faktoren beeinflusst:
- Welche (äußeren) Umstände sorgen für Störquellen? Dies betrifft hauptsächlich Funkverbindungen, aber auch Kupferkabelverbindungen.
- Ist die Zuverlässigkeit der Datenverbindung oder die Geschwindigkeit wichtiger? Je höher die Geschwindigkeit der Datenverbindung, desto höher ist die zwangsläufig die Bandbreite.
- Mit welchen wirtschaftlichen Kosten ist bei höheren Bandbreiten zu rechnen? Rechtfertigen die höheren Kosten eine höhere Bandbreite bzw. rechtfertigt die höhere Bandbreite die höheren Kosten?
Auswahl von Techniken und Ansätzen
Nach Spezifikation der Bandbreite folgt die Auswahl der Techniken und Technologien um die gewünschte Bandbreite zu realisieren.
Abschirmung
Falls mit äußeren Einflussfaktoren bei Kabelverbindungen zu rechnen ist, wird spezifiziert, ob eine Abschirmung der Kabel vorzunehmen ist. Im ISO-Standard ISO/IEC 11801 ist definiert, welcher Kabeltyp mit welcher Abschirmung genutzt werden soll. Grundlage für den einzusetzenden Kabeltyp ist die maximale Frequenz, die über das Kabel übertragen werden soll. Die aus der Netzwerktechnik bekannten CAT-Kabel werden in IEC 11801 genau beschrieben.
Eine Abschirmung ist in aller Regel nur gefordert, wenn die Kabel außerhalb eines Rechners eingesetzt werden. IDE- oder SATA-Kabel besitzen beispielsweise keine Abschirmung. Die neuere eSATA-Spezifikation erfordert hingegen die Abschirmung, da eSATA auch für den externen Einsatz außerhalb des PC-Gehäuses vorgesehen ist.
Shared Medium oder exklusives Medium
Funkverbindungen teilen sich immer das Medium mit anderen Sendern, die auf der selben Frequenz arbeiten. Es handelt sich also um ein Shared Medium. Ein Shared Medium besitzt den Nachteil, dass die verfügbare Bandbreite der Daten durch alle Teilnehmer auf der Frequenz geteilt wird. Die effektive Bandbreite pro Teilnehmer ist also geringer.
Bei Kupferkabelverbindungen handelt es sich um die Nutzung eines exklusiven Mediums zwischen den beiden Endpunkten. Die Bandbreite dieser Verbindung kann auch erreicht werden. Spätestens aber, wenn mehrere Teilnehmer über die selbe Kupferkabelverbindung senden und empfangen, z. B. wenn dies zwei Switche verbindet, wird die Bandbreite pro Benutzer aufgeteilt. Die Bandbreite zwischen den Switches bleibt aber dieselbe.
Bei Glasfaserverbindungen kann es sich um ein Shared Medium oder ein exklusives Medium handeln. Über eine einzelne Glasfaser können mehrere exklusive Verbindungen aufgebaut werden.
Länge der Verbindungsstrecke
Grundsätzlich gilt, je länger die Verbindungsstrecke, desto niedriger wird der Datendurchsatz. Bei Kabelverbindungen spielt die Dämpfung des Kabels eine Rolle. Bei Funkverbindungen verliert das Funksignal an Intensität und wird von der Gegenseite bei zu geringer Signalstärke nicht mehr erkannt.
Wird beispielsweise eine hohe Bandbreite über eine größere Strecke als 100 Meter benötigt, ist Glasfaser das Mittel der Wahl.
| Bezeichnung | Standard | Typ | Datenrate | Maximallänge |
|---|---|---|---|---|
| 802.3z | 1000BASE-SX | Glasfaser | 1 GBit/s | 550 m |
| 802.3z | 1000BASE-LX | Glasfaser | 1 GBit/s | 10 km |
| 802.3ab | 1000BASE-T | Glasfaser | 1 GBit/s | 100 m |
| 802.3ae | 10GBASE-SR | Glasfaser | 10 GBit/s | 33m (Multimode 62.50 µm), 300 m (Multimode 50 µm) |
| 802.3ae | 10GBASE-LR | Glasfaser | 10 GBit/s | 10 km |
| 802.3ae | 10GBASE-ER | Glasfaser | 10 GBit/s | 40 km |
| 802.3ae | 10GBASE-SW | Glasfaser | 10 GBit/s | 33m (Multimode 62.50 µm), 300 m (Multimode 50 µm) |
| 802.3ae | 10GBASE-LW | Glasfaser | 10 GBit/s | 10 km |
| 802.3ae | 10GBASE-EW | Glasfaser | 10 GBit/s | 40 km |
| 802.3an | 10GBASE-T | Kupfer | 10 GBit/s | 100 m |
Serielle oder parallele Übertragung
Falls eine parallele Übertragung stattfindet, können in der selben Zeit mehr Daten übertragen werden. Werden beispielsweise anstelle von einer Datenleitung acht Datenleitungen benutzt, kann theoretisch die achtfache Menge an Daten pro Zeiteinheit übertragen werden
Die meisten neueren Protokolle und Technologien nutzen aber eine serielle Übertragung. Auf den ersten Blick mag dies merkwürdig erscheinen, da damit augenscheinlich ein Vielfaches der Leistung verschenkt wird. Allerdings gleichen serielle Anschlüsse wie z. B. SATA oder USB dies durch eine um vielfach erhöhte Taktfrequenz aus. Daneben spielen wirtschaftliche Kriterien ebenfalls wichtige Faktoren: Der Einsatz von parallelen Verbindungen erfordert mehr Material und nimmt mehr Platz ein.
Parallele Übertragung findet hauptsächlich on-board in einem PC statt, beispielsweise bei Arbeitsspeicher.
Übertragungsfrequenz
Je höher die Übertragungsfrequenz ist, desto mehr Signale können in einer Zeiteinheit gesendet bzw. empfangen werden. Die Bandbreite des Datendurchsatzes ist dementsprechend höher. Der Nachteil ist hingegen, dass bei kurzzeitigen Störungen, beispielsweise durch elektromagnetische Felder, mehr Daten von der Störung betroffen sind.
Fehlerkorrektur und -erkennung
Um Fehler bei der Datenübertragung auf der Empfängerseite zu korrigieren, existieren verschiedene Fehlerkorrekturverfahren. Bei Funkverbindungen wird je nach erwarteter Verbindungsqualität das entsprechende Modulationsverfahren gewählt. Die Fehlerkorrektur- bzw. Modulationsverfahren sind im OSI-Schichtenmodell auf Layer 1 anzusehen. Obere Layer implementieren eigene Verfahren zur Fehlererkennung. Im Ethernet-Protokoll ist dafür die CRC-Summe zu finden.
