Netzwerke. Netzwerktechnik. Siegmund Dehn. 8. Ausgabe, April 2014 ISBN NWTK

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1 Netzwerke Siegmund Dehn 8. Ausgabe, April 2014 Netzwerktechnik ISBN NWTK

2 4 Netzwerke - Netzwerktechnik 4 Kupferkabel In diesem Kapitel erfahren Sie wie Übertragungsmedien für Kupfer eingeteilt werden wie metallische und nicht metallische Leiter aufgebaut sind wie Kupferkabel sinnvoll eingesetzt werden Voraussetzungen Netzwerk-Grundkenntnisse 4.1 Kupfertechnik Einteilung von Kupferkabeln Im Wesentlichen werden Übertragungsmedien mit metallischen Leitern in drei Bauformen eingeteilt: Koaxialkabel Symmetrische Kabel Unsymmetrische Kabel Bei unsymmetrischen Kabeln sind die Adern längs verseilt. Das Einsatzgebiet solcher Kabel beschränkt sich auf die Bereiche Steuer- und Regeltechnik sowie auf den Maschinenbau. Im Bereich der Datentechnik kommt diese Art von Kabel nicht zum Einsatz. Unsymmetrisch aufgebaute Kabel sind nur für Übertragungsfrequenzen im Bereich von einigen Kilohertz (khz) geeignet. In der Datentechnik werden jedoch wesentlich höhere Übertragungsfrequenzen gefordert. Koaxialkabel sind eine Sonderbauform der unsymmetrischen Kabel. Je nach Wellenwiderstand werden diese Kabel für unterschiedliche Anwendungen genutzt, z. B. für den Multimediabereich, und erlauben Übertragungensfrequenzen im Gigahertz-Bereich (GHz). Aufbau von Kupferkabeln Die wichtigsten Merkmale von elektrischen Leitern zur Datenübertragung sind die mechanischen und elektrischen Eigenschaften, wie: Leiterkonstruktion Ummantelung Isolationsmaterialien der Kabel Verseilung der Adern Abschirmung Übertragungsverhalten (z. B. Dämpfung, Laufzeit) Leiterkonstruktion Kabel mit metallischen Leitern sind aus einer oder mehreren Adern aufgebaut. Diese Adern können ihrerseits wiederum aus vielen feindrähtigen Leitern (Litze) oder aus einem massiven Leiter bestimmten Querschnitts bestehen (Kompaktader). In technischen Dokumentationen wird oft mit der Bezeichnung AWG (American Wire Gauge) gearbeitet. Sie gibt den Durchmesser bzw. Querschnitt eines Drahtes codiert wieder. So hat ein Kabel mit der Bezeichnung AWG23 einen Durchmesser von 0,57 mm. 22 HERDT-Verlag

3 Kupferkabel 4 Der Einsatz der jeweiligen Leiterart ist abhängig von den gestellten Anforderungen. So sind massive Leiter für festverlegte Kabel besser geeignet als feindrähtige Kabel. Massive Leiter haben den Nachteil, dass sie aufgrund ihrer Eigenschaften weniger biegsam und starr sind. Sie haben jedoch bessere elektrische Eigenschaften als feindrähtige Kabel. Letztere sind wiederum besser als Patchkabel oder Anschlusskabel für PCs bzw. Peripheriegeräte geeignet, da sie flexibler und somit leichter zu handhaben sind. Übertragungsmedien mit metallischen Leitern können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Am häufigsten wird Kupfer als elektrischer Leiter verwendet. Andere Rohstoffe können auch verwendet werden, sind aber meistens aufgrund ihrer Rohstoffpreise oder Verarbeitung bedingt geeignet. Material Leitfähigkeit Löteigenschaften Biegeeigenschaften Kosten Kupfer Sehr gut Gut Sehr gut Gering Kupfer verzinnt Sehr gut Sehr gut Gut Gering Kupfer versilbert Sehr gut Sehr gut Gut Sehr hoch Kupfer vernickelt Gut Ausreichend Befriedigend Mittel Nickel Befriedigend Nicht möglich Ausreichend Hoch Aluminium Gut Schlecht Sehr gut Gering Ummantelung Neben den mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Leitern ist der Kabelmantel ein wichtiges Merkmal bei den leitergebundenen Medien. Der Kabelmantel schützt den Leiter vor äußeren Beanspruchungen, wie Zug, Druck und Torsion. Aber auch gegen Feuchtigkeit, chemische Einwirkungen und Flammeinwirkung bietet der Mantel Schutz. Bei der Auswahl des geeigneten Mantels spielt auch der Einsatzort eine wichtige Rolle. Für In-Haus-Verkabelungen gelten andere Maßstäbe als für eine Verlegung im Außenbereich. Eine besondere Stellung nehmen industrielle Anwendungsbereiche ein, da in diesem Bereich mitunter extremere Umweltbedingungen für das Kabel vorliegen. Das Material für den Außenmantel sollte in so einem Umfeld vorher mit dem Kabelhersteller abgestimmt werden. Im Außenbereich sollten Kabel immer mit einem Nagetierschutz und einer Längs- und Querwasserdichtigkeit geschützt werden. Typische Isolier- und Mantelwerkstoffe nach DIN VDE 0292 (Auszug) Werkstoff Abkürzung DIN/VDE-Bezeichnung Ethylen-Propylen-Kautschuk EPR B Ethylen-Propylen-Kautschuk EPR B Ethylen-Vinylacetat-Copolymer EVA G Natur- u./o. Synthetischer Kautschuk NR u./o. SR R Polyethylen vernetzt PE Z Polyurethan PUR Q Polyvinylchlorid kältebeständig PVC V3 Polyvinylchlorid ölbeständig PVC V5 Polyvinylchlorid vernetzt PVC V4 Polyvinylchlorid wärmebeständig PVC V2 Silikonkautschuk SiR S Textilbeflechtung mit flammwidriger Masse PE T2 HERDT-Verlag 23

4 4 Netzwerke - Netzwerktechnik Für den Einsatz von Datenkabeln in Ihrem Unternehmen werden Sie flammwidrige und halogenfreie Kabel verwenden. Die im internationalen Sprachgebrauch üblichen Bezeichnungen für halogenfreie, flammwidrige Werkstoffe (engl. Compounds) sind: Flame Retardant = FR Non Corrosive = NC Low Smoke Zero Halogene = LS0H Flammwidrige Isolations- und Mantelmischungen löschen sich bei Entzündung selbst. Besonders in Büroumgebungen ist ein Einsatz solcher Kabel zwingend erforderlich. Eine sternförmige Struktur kann aufgrund ihrer dicken Kabelstränge an entsprechenden Stellen die Brandlast erhöhen. Gerade PVC entwickelt beim Verbrennen hochgiftige Gase, die zusammen mit Wasser aggressive und zerstörende Säuren bilden. Prüfen Sie deshalb vor dem Verlegen Ihrer Datenkabel, ob dieses halogenfrei ist. Angaben hierzu finden Sie in den Datenblättern der jeweiligen Hersteller oder direkt auf dem Kabel, z. B. S/STP 4x2xAWG23 4P *H*. Ein weiterer Vorteil halogenfreier, flammwidriger Mischungen ist die Tatsache, dass bei ihrer Verbrennung keine Dioxine entstehen können. Dioxine entstehen z. B. bei der Verbrennung von PVC oder ähnlichen chlorhaltigen Materialien. Verseilung und Bündelung Eine Verseilung ist das gegenseitige Verdrillen (engl. twisted pair) von isolierten Adern. Um eine gegenseitige Störung der Adern bei symmetrischen Kabeln zu vermeiden, werden diese nach einem bestimmten Schema miteinander verseilt. Typischerweise werden jeweils zwei oder vier Adern zu einem Paar bzw. Vierer verseilt. Bei einer Verseilung werden die Adern in konzentrische Lagen oder Bündel angeordnet. Je nach Ausführung wird zwischen Lagenverseilung oder Bündelverseilung unterschieden. Paar Sternvierer a a b a b b Stamm 1 Stamm 2 Konzentrische Lagen Bündeltechnik Mehrere Paare/Vierer pro Bündel Verseilarten; links unten: Lagenverseilung, daneben: Bündelverseilung Die Anzahl der Verdrillungen pro Meter (Schlaglänge) ist eine konstruktive Maßnahme zur Unterdrückung des Übersprechens bei symmetrischen Kabeln. Einige Kabelhersteller benutzen auch eigene Verseiltechniken zur Störungsunterdrückung. Abschirmung Zum Schutz vor störenden Einflüssen auf die signalführenden Adern sind Leitungen für die Datenübertragung geschirmt. Eine Schirmung reduziert zudem die Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen. Bei der Schirmung wird zwischen Folien- und Geflechtschirm unterschieden. Eine Kombination aus beiden ist ebenfalls möglich. Die Anzahl der Kabelelemente, welche eine gemeinsame Schirmung benutzen, wird wie folgt eingeteilt: Ader in Metall-Folie (AiMF) Paar in Metall-Folie (PiMF) Dreier in Metall-Folie (DiMF) Vierer in Metall-Folie (ViMF) Bündel in Metall-Folie (BiMF) 24 HERDT-Verlag

5 Kupferkabel 4 Als Material für die Folienschirmung werden alukaschierte bzw. aluminiumbedampfte Polyesterfolien eingesetzt. Ein Geflechtschirm besteht aus einem Kupfergeflecht. Übertragungsverhalten Damit eine problemlose Datenübertragung stattfinden kann, werden an die elektrischen Leiter unterschiedliche Anforderungen gestellt. Neben den Standardwerten, wie Leiterquerschnitt, Leitfähigkeit bzw. Widerstand, tragen auch Parameter, wie Isolationswiderstand und Wellenwiderstand, zur Leitungsqualität bei. Der Wellenwiderstand ist eine Größe, die sich aus Leiterwiderstand, Isolationswiderstand, Betriebskapazität und Betriebsinduktivität zusammensetzt. Bei einer Fehlanpassung der Leitung an den Wellenwiderstand kann es zu Reflexionen kommen. Er ist unabhängig von der Leiterlänge. Die Einkopplung von Signalen von einem Leiter auf den anderen wirkt sich negativ auf das Übertragungsverhalten aus. Dieses Übersprechen (oder Nebensprechen) von Signalen ist frequenzabhängig. Durch eine mechanische Veränderung des Verseilaufbaues verändern sich die Eigenschaften der Kabel. Hohe mechanische Beanspruchungen bei der Installation erhöhen daher das Nebensprechen. Durch zu hohe Zug- und Druckkräfte bei der Installation wird der Leiterquerschnitt verändert (Kaltfließen). Das Resultat ist ein zu hoher Dämpfungswert. Für die Verwendung von Kupferkabel zur Datenübertragung gelten folgende Anforderungen: geringe Dämpfung hohe Übertragungsfrequenz große Reichweiten geringes Übersprechen 4.2 Spezifikationen Koaxialkabel Koaxialkabel stellten zum Anfang der Ethernet-Ära die gängigste Netzwerkverkabelung dar. Die Hauptgründe dafür waren zum einen die einfache Installation und zum anderen die geringe Anfälligkeit gegen Störstrahlungen. Koaxialkabel erforderten eine Bus-Topologien und ermöglichten nur einen Halbduplexbetrieb, wobei die maximale Übertragungsrate 10 Mbit/s betrug. Sternvierer-Kabel (twisted quad) Bei einem Sternvierer-Kabel handelt es sich um ein verbessertes Telefonkabel, bei dem vier isolierte Adern miteinander verseilt sind. Haupteinsatzgebiet solcher Kabel ist die Telefonie. Besonderes Merkmal dieser Kabel ist die Konstruktion. Sternvierer-Kabel sind so stabil verseilt, dass auch nach einer hohen Beanspruchung beim Verlegen die Adern nicht verschoben werden. Der Sternvierer gehört zur Gruppe der Twisted- Pair-Kabel. Gängige Varianten der Sternvierer-Kabel sind: JYY 2 x 2 x 0.6 = zwei Doppeladern JYY 4 x 2 x 0.6 = vier Doppeladern JYY 6 x 2 x 0.6 = sechs Doppeladern JYY 10 x 2 x 0.6 = zehn Doppeladern JYY 20 x 2 x 0.6 = zwanzig Doppeladern JYY 50 x 2 x 0.6 = fünfzig Doppeladern JYY 100 x 2 x 0.6 = hundert Doppeladern Sternvierer-Kabel gibt es für den Innen- und den Außenbereich. Außenkabel werden hauptsächlich als 200 x, 500 x oder 1000 x 2 x 0.6 in Form von Verbindungskabeln zur Vermittlungsstelle verlegt. Sternvierer-Kabel verfügen über den großen Vorteil, dass die Abmessungen geringer sind als bei Twisted-Pair- Kabeln. Dies ist gerade bei kleinen und verwinkelten Kabelführungen von großem Vorteil. HERDT-Verlag 25

6 4 Netzwerke - Netzwerktechnik Twisted-Pair-Kabel (TP) Die wichtigste Form der symmetrischen Kupferkabel ist das Twisted-Pair-Kabel. In der Netzwerktechnik wird überwiegend diese Bauform verwendet. Durch den verseilten Aufbau von paarweise isolierten Adern werden günstige Eigenschaften für das Übertragungsverhalten erzielt. Zudem minimiert die paarweise Verdrillung (engl. twisted pair) der Adernpaare ein Einkoppeln durch Störungen von außen und die Beeinflussung zwischen den Adernpaaren. Das TP-Kabel gibt es in verschiedenen Ausführungen: als ungeschirmtes (engl. unshielded) TP-Kabel = UTP als geschirmtes (engl. shielded) TP-Kabel = STP und in Kombination: als Twisted-Pair-Kabel mit einem Gesamtschirm = S/UTP (frühere Bezeichnung FTP) als Twisted-Pair-Kabel mit Gesamtschirm und geschirmten Adernpaaren = S/STP als Twisted-Pair-Kabel mit einem Gesamtschirm und foliengeschirmten Adernpaaren = S/FTP als Twisted-Pair-Kabel mit einem Folienschirm und geschirmten Adernpaaren = F/STP Aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften werden im Datenkommunikationsbereich ausschließlich Twisted- Pair-Kabel eingesetzt. Das Twisted-Pair-Kabel wurde für die breitbandige Übertragung von Sprach-, Videound Dateninformationen konzipiert. Es sind Übertragungsraten bis zu 40 Gbit/s und mehr erreichbar. Die Standardausführung von TP-Kabeln ist vierpaarig. Einpaarige TP-Kabel werden auch als Twinaxkabel bezeichnet. Unshielded Twisted-Pair-Kabel (UTP) Unshielded (ungeschirmt) bedeutet, dass die einzelnen verdrillten Adernpaare keine Paarschirmung besitzen. Durch diese Art der Konstruktion sind UTP-Kabel sehr anfällig für Störungen von außen, so z. B. durch Übersprechen von Signalen benachbarter Paare oder durch Transienten (hochfrequente Störimpulse) von Schaltanlagen. Sind UTP-Kabel in einer industriellen Umgebung verlegt, können Maschinen durch hohe Schaltströme und -spannungen Störimpulse einkoppeln. Dies wirkt sich nachteilig auf die Datenübertragung aus. In Datennetzen werden UTP-Kabel nur für Datenübertragungsratenbis 1Gbit/s eingesetzt. UTP-Kabel Shielded Twisted-Pair-Kabel (STP) Shielded (geschirmt) bedeutet, dass die verdrillten Adernpaare über eine Paarschirmung verfügen. Diese Art von Kabel ist unempfindlicher gegen Störstrahlung von außen. Durch den Folienschirm sind die Adernpaare quasi isoliert gegen Einwirkungen von benachbarten Leitungen. Auch die eigene Abstrahlung wird durch diese Schirmung eingedämmt. Das Übertragungsverhalten von STP-Kabeln gegenüber UTP-Kabeln ist wesentlich besser. Dadurch lassen sich auch höhere Datenraten bei gleicher Distanz übertragen. STP-Kabel Durch einen zusätzlichen Gesamtschirm aus Kupfergeflecht lassen sich sowohl innere als auch äußere Störeinwirkungen auf das Gesamtsystem weiter mindern. Gerade in Hinblick auf die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) ist diese Bauform sinnvoll. Die S/STPbzw. S/FTP-Kabel finden hauptsächlich in der strukturierten Gebäudeverkabelung Anwendung. Für höchste Anforderungen finden S/SFT-Kabel Anwendung. 26 HERDT-Verlag

7 Kupferkabel Einsatzbereiche Koaxialkabel Koaxialkabel werden im Bereich Netzwerktechnik ausschließlich bei Bus-Topologien eingesetzt. Im Vergleich zu einer Twisted-Pair- oder Glasfaserverkabelung ist eine Lösung mit Koaxialkabeln sehr kostengünstig, jedoch heutzutage nicht mehr üblich, da eine Übertragungsrate von 10 Mbps den heutigen Anforderungen nicht mehr gerecht wird. Unshielded Twisted-Pair-Kabel (UTP) UTP-Kabel werden nach DIN EN in Deutschland nicht empfohlen, weshalb sie hier auch seltener eingesetzt werden. Der Grund sind die Vorgaben zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Dagegen sind UTP-Kabel weltweit die meistverwendeten Kabel für lokale Netzwerke. Vorteilhaft sind die einfachere Kabelverlegung und Anschlusstechnik sowie der Wegfall der Schirmung (Potenzialausgleich). Shielded Twisted-Pair-Kabel (STP) STP-Kabel werden überwiegend bei Verkabelungen und Erweiterungen von Netzwerken im Inhouse-Bereich eingesetzt. Dieses Kabel wird überwiegend im Bereich der Arbeitsplatz-Verkabelung (Tertiärbereich) verwendet. Gegenüber den Kabeln vom Typ UTP sind die aktuellen STP-Medien für höhere Frequenzenspezifizierungen ausgelegt, was die Integration zukünftiger Datenübertragungsprotokolle auf diesem Medium vereinfacht. 4.4 Kategorien Einteilung der Kategorien gemäß ISO/IEC Da es bei den vielseitig einsetzbaren symmetrischen Kupferkabeln verschiedene Kabelarten gibt, wird eine Klassifizierung benötigt. Grundlage für eine Klassifizierung von Kupferkabeln zur Signalübertragung in der Datentechnik bilden die Normen der ISO (International Standard Organization) und IEC (International Electronical Commission). Eine Norm mit der Bezeichnung ISO/IEC DIS legt z. B. die Kabelstandards fest, für welche Zwecke Kupferkabel verwendet werden. Die europäische Norm EN beruht auf der internationalen Norm ISO/IEC Die im Wesentlichen festgelegten Eigenschaften sind: Wellenwiderstand Rückflussdämpfung Übertragungsstreckenlänge Dämpfung Nahnebensprechdämpfung Dämpfungs-Nebensprechdämpfungs-Verhältnis Gleichstrom-Schleifenwiderstand Laufzeit HERDT-Verlag 27

8 4 Netzwerke - Netzwerktechnik Um einen besseren Überblick über die verschiedenen Kabelarten zu bekommen, sind diese in unterschiedliche Kategorien eingeteilt. Diese Kategorien berücksichtigen bereits obige Standardwerte für den jeweiligen Einsatzbereich. Kategorie Klasse Frequenzbereich Anwendung Kategorie 1 Klasse A Bis 100 KHz Telefonie, Modem DFÜ Kategorie 2 Klasse B Bis 1 MHz ISDN, IBM-Verkabelung Typ 3 Kategorie 3 Klasse C 4 bis 16 MHz Ethernet, Telefonie Kategorie 4 Bis 20 MHz Wird nicht benutzt Kategorie 5/5e Klasse D Bis 100 MHz Fast Ethernet, ATM, Gigabit-Ethernet Kategorie 6/6A Klasse E/EA Bis 250/500 MHz 10-Gigabit-Ethernet, 40-Gigabit-Ethernet Kategorie 7/7A Klasse F/FA Bis 600/1000 MHz 40-Gigabit-Ethernet, 100-Gigabit-Ethernet Kategorie 8.1/8.2 Klasse I/II 1,2 und 2 GHz 100-Gigabit-Ethernet Die Einteilung Kategorie bezieht sich nur auf die Einzelkomponenten wie Kabel oder Anschlusstechnik. In der Einteilung nach Klassen wird der komplette Übertragungskanal berücksichtigt. Anschlusstechnik Die RJ-45-Anschlusstechnik ist in Netzwerken flächendeckend im Einsatz. Durch die Bauform ist diese Technik nur bis 250 MHz spezifiziert, was Einschränkungen in der nutzbaren Bandbreite bedeutet. Für höchste Übertragungsanforderungen (ab 10-Gigabit-Ethernet) ist sie deshalb nicht geeignet. Für den Einsatz oberhalb der Kategorie 6 wurden neue Anschluss-Systeme entwickelt: ARJ45 (spezifiziert für Kategorie 6A - Kategorie 8.2) GG45 (spezifiziert für Kategorie 6A - Kategorie 7A) TERA (spezifiziert für Kategorie 6A - Kategorie 7A) Die ersten beiden Systeme haben in ihrer Bauform auffällige Übereinstimmungen mit dem RJ-45-System. Deshalb sind sie teilweise mit der RJ-45-Steckertechnik kombinierbar. So können RJ-45-Stecker z. B. in neuen GG45-Umgebungen (Netzwerkdosen, Patchpanels) eingeschränkt verwendet werden. Umgekehrt ist es aber nicht möglich, den GG45-Stecker in einer RJ-45-Buchse zu verwenden. Diesen Migrationsvorzug weist das TERA-System nicht auf. Die drei Systeme sind untereinander nicht austauschbar. Deshalb müssen Sie sich bei neuen Verkabelungsprojekten für ein Anschluss-System entscheiden. 4.5 Übung Fragen zu Kabelsystem auf Kupferbasis Übungsdatei: -- Ergebnisdatei: uebung04.pdf Sie sind verantwortlich für das Einsatzkonzept eines neuen Verkabelungssystems auf Kupferbasis. Welche Entscheidung würden Sie bei einem maximalen Investitionsschutz (beste technische Parameter) für das Stecker- und Kabelsystem treffen? 28 HERDT-Verlag