IEEE Gigabit Standards

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1 Seminararbeit Wintersemester 07/08 IEEE Gigabit Standards (1 Gbit/s, 10 Gbit/s, 100 Gbit/s) Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt Diplomstudiengang Ingenieurinformatik 5. Semester Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Ludwig Eckert / Prof. Dr.-Ing. Ansgar Ackva

2 Inhaltsverzeichnis 0 Glossar Allgemeines zu Ethernet Normen und Standards (IEEE), sonstige Normen Kupferkabel Allgemeines über Twisted-Pair-Kabel Steckersysteme für Kupferverbindungen RJ-45-Stecker RJ-45-Stecker bis 625 MHz von Siemon Tera-Steckersysteme GG-45-Steckersystem IB4X-Kabel (Twinaxial-Kabel) Prüfnormen Lichtwellenleiter (LWL) Allgemeines zu Lichtwellenleitern Monomode Multimode Steckverbinder für Lichtwellenleiter Klassifizierung von Lichtwellenleitern Gegenüberstellung Kupferkabel und Lichtwellenleiter Industrie- / Büroumgebungen Ethernet-Link allgemein Gigabit Ethernet-Link Normen und Standards, Übersicht Kupferkabel-Verbindungen Base-T (IEEE Clause40) Base-CX (IEEE Clause39) Base-TX, 1000Base-T2/ Stecker, Anschlussdosen Glasfaser-Verbindungen Base-SX, 1000Base-LX/LH (IEEE Clause 38) Base-X Base-ZX Stecker, Anschlussdosen Prüfnormen Gigabit Ethernet-Link Normen und Standards Kupferkabel-Verbindungen Spezielle Anforderungen bei 10GbE über Kupfer GBase-T (IEEE Clause 55) GBase-CX4 (IEEE Clause 54) Verkabelung mit Cat6a oder Cat7 für 10GbE? Kabeltrassen, Patchfelder, Stecksysteme Wie sollte nun die Verkabelungslösung für 10GbE aussehen? Prüfnormen Glasfaser-Verbindungen FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 2 von 44

3 9.3.1 Allgemeines Nomenklatur für 10GbE Übersicht über die verschiedenen 10GbE-Standards über Glasfaser Kodierverfahren 64B/66B Gigabit-Ethernet-Schichtenmodell (GbE) GBase-LX GBase-SR GBase-LRM GBase-ER GBase-SW, 10GBase-LW, 10GBase-EW GBase-EX Stecker, Anschlussdosen... Fehler! Textmarke nicht definiert. 9.4 Zukunft von 10GbE ,40,80 Gigabit-Ethernet Gigabit Ethernet-Link Erwartungen für zukünftige Entwicklungen Kupferverkablung Glasfaserverkabelung Entwicklung der Datenraten Fazit Anhang A Anhang B Quellenangaben zu den Abbildungen Quellenangaben: FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 3 von 44

4 0 Glossar 64B/66B Kodierverfahren Bei diesem Verfahren werden nur zwei zusätzliche Bits für die Übertragung eines 64- Bit-Datenblocks benötigt. Reine Daten (D0 - D7) werden in diesem Verfahren mit»01«codiert, Kontrollbytes (C0 - C7) und ein Gemisch aus Kontroll- und Datenbytes erhalten die Codierung»10«. Unbenutzte Bits werden als»0«übertragen. 8B/10B Kodierverfahren Hier werden 8-Bit-Wörter in 10-Bit-Wörter umgewandelt. Da hier mehr Kombinationen zur Verfügung stehen als benötigt werden, werden nur die Kombinationen mit maximal fünf Einsen oder Nullen in Folge verwendet. Durch dieses Verfahren sind ausrechend Pegelwechsel für die Synchronisation im Signal vorhanden. AFEXT AFEXT steht für alien far end crosstalk und ist das Übersprechen am fernen Ende von den Adernpaaren aus anderen Kabeln. Siehe auch FEXT. ANEXT ANEXT steht für alien near end crosstalk und ist das Übersprechen am nahen Ende von den Adernpaaren aus anderen Kabeln. Siehe auch NEXT. ANSI/EIA/TAI Nummer ANSI steht für American National Standards Institute Die ANSI hat die EIA und die TAI akkreditiert, deshalb der Präfix ANSI/EIA/TIA. Die Nummern der Normen sind sowohl unter EIA, TIA als auch ANSI/EIA/TIA gleich. AWG Nummer AWG ist die Abkürzung für American Wire Gauge und ist die Codierung für den Drahtdurchmesser von Kupferkabeln. Die Nummer ist ein Maß für die Drahtdicke. Je größer die Nummer, um so kleiner ist der Drahtdurchmesser. CAT Nummer CAT ist die Abkürzung für Category und unterteilt die Netzwerkkabel in verschiedene Qualitätsklassen CENELEC CENELEC steht für European Committee for Electrotechnical Standardization und ist eine der drei großen Normungsorganisationen in Europa. CENELEC ist zuständig für die europäische Normung im Bereich der Elektrotechnik Channel-Link Hier werden die Übertragungseigenschaften der Kabelstrecke incl. der verwendeten Patchkabel gemessen, also von der einen aktiven Netzwerkkomponente bis zur Anderen. Siehe auch Permanent-Link. CSMA/CD CSMA/CD ist die Abkürzung für Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection. CSMA/CD beschreibt den Zugriff verschiedener Stationen auf ein gemeinsames Übertragungsmedium. Hier wird von einer sendebereiten Station zunächst das Medium abgehört ob es frei ist. Während dem Senden der Daten wird das Medium FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 4 von 44

5 ebenfalls abgehört und somit können Kollisionen erkannt werden. Wenn eine Kollision vorliegt, wird ein 32-Bit Folge von gesendet und alle Stationen warten eine zufällige Zeit bis zu einer erneuten Übertragung ihrer Nachricht. CWDM Ist die Abkürzung für Coarse Wavelength Multiplex und ist kostengünstiger als WDM oder DWDM, da hier Frequenzen mit größeren Abständen verwendet werden. Deshalb sind keine so hochwertigen und teueren Komponenten wie bei WDM oder DWDM nötig. siehe WDM und DWDM DSP DSP steht für Digital Signal Processing. Mit dieser Technik können Störsignale von benachbarten Adernpaaren im gleichen Kabel reduziert oder eliminiert werden. DWDM Ist eine Weiterentwicklung von DWM und ist die Abkürzung von Dense Wavelength Division Multiplex. Hier liegen die verwendeten Wellenlängen sehr dicht beieinander. Hier sind besonders hochwertige Laser und Filter nötig. Siehe auch WDM. EMV EMV steht für Elektromagnetische Verträglichkeit und kennzeichnet den unerwünschten Zustand dass sich technische Geräte durch Magnetwellen stören können. EN Nummer EN steht für eine Europäische Norm. Diese Normen werde vom European Committee for Electrotechnical Standardization (CENELEC) herausgegeben. Ethernet Ethernet wurde um 1973 über mehrere Jahre am Xerox Palo Alto Research Center (PARC) entwickelt. Das Protokoll wurde von dem funkbasiertem ALOHAnet abgeleitet. Daher auch der Name Ethernet (englisch für Äther, nach historischen Annahmen das Medium für Funkwellen) FEXT FNEXT ist die Abkürzung für far end crosstalk und heißt auf deutsch Fernübersprechen. Hier wird das Störsignal eines anderen Adernpaares im gleichen Kabel am fernen Ende gemessen, also an der Empfängerseite des Kabels. HSSG HSSG steht für Higher Speed Study Group, gehört zum IEEE und beschäftigt sich seit 1999 mit den Ethernet-Standards ab 10Gigabit Ethernet. IEC IEC steht für International Electrotechnical Commission. Der Sitz vom IEC ist in Genf und befasst sich mit Normen in der Elektronik und Elektronik. IEEE IEEE steht für Institute of Electrical and Electronics Engineers. Dies ist ein weltweiter Berufsverband von Ingenieuren. Hier wurde auch Ethernet unter IEEE standardisiert. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 5 von 44

6 IP20 / IP67 IP steht für International Protection und gibt die Eignung von elektrischen Betriebsmitteln unter verschiedenen Umgebungsbedingungen an. IP 20 bietet Schutz gegen Fremdkörper (Fingerschutz) jedoch kein Schutz gegen Wasser. IP 67 ist Staubdicht und ist bei zeitweiligen Untertauchen gegen Wasser geschützt. ISO/IEC Nummer ISO steht für International Organization for Standardization und ist die Internationale Vereinigung von Normungsorganisationen. Hier werden Normen in allen Bereichen erarbeitet außer im Bereich der Elektrik und Elektrotechnik. IEC steht für International Electrotechnical Commission. Der Sitz vom IEC ist in Genf und befasst sich mit Normen in der Elektronik und Elektronik. Normen mit der Bezeichnung ISO/IEC wurden in Zusammenarbeit der beiden Institutionen erarbeitet. Die angefügte Nummer beinhaltet die Nummer der Norm. ITU ITU ist die Abkürzung für International Telecommunication Union. Ihr sitz ist in Genf und sie beschäftigt sich offiziell und weltweit mit technischen Aspekten der Telekommunikation. LED LED steht für Light Emitting Diode und ist ein Halbleiter-Bauelement, mit dem die Lichtsignale in der Glasfaserübertragung erzeugt werden. LWL LWL ist die Abkürzung für Lichtwellenleiter MAC MAC ist die Abkürzung für Media Access Control (Medienzugriffskontrolle) Die MAC ist eine Unterteilung der 2. Schicht des OSI-Schichtenmodells und umfasst Nerzwerkprotokolle und Bauteile, die regeln, wie sich Rechner das gemeinsam genutzte physikalische Übertragungsmedium teilen. Mikron Mikron ist eine veraltete Bezeichnung für Mikrometer MLT-3 MLT-3 steht für Multilevel Transmission Encoding -3 levels. Es handelt sich um Datenübertragungstechnik mit 3 Pegeln (+,0,-) NEXT NEXT ist die Abkürzung für near end crosstalk und heißt auf deutsch Nahübersprechen. Hier wird das Störsignal eines anderen Adernpaares im gleichen Kabel am nahen Ende gemessen, also an der Senderseite des Kabels. OM Nummer Sind die Qualitätsklassen für Multimode-Glasfaserkabel. Siehe OS Nummer OS Nummer Sind die Qualitätsklassen für Singlemode-Glasfaserkabel. Siehe OM Nummer FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 6 von 44

7 OSI-Modell Im OSI-Modell (auch OSI-Schichtenmodell) ist die Netzwerkkommunikation zwischen verschiedenen Teilnehmern geregelt. Durch die Aufteilung in verschiedenen Schichten und Schnittstellen dazwischen, können Geräte verschiedener Hersteller und mit verschiedenen Übertragungsgeschwindigkeiten miteinander kommunizieren. PAM5 Ist eine Pulsamplitudenmodulation mit fünf Zuständen. Hier werden nicht nur 2 Pegel z.b. 0V/+5V sondern 5 Pegel übertragen. Permanent-Link Hier werden Übertragungseigenschaften der reinen Kabelstrecke von Patchfeld zu Patchfeld gemessen. Siehe auch Channel-Link. PMD PMD ist die Abkürzung für Polarisationsmoden-Dispersion und ist eine Modulationsformat, dass in der DWDM-Technik eingesetzt wird. SDH Bezeichnung SDH ist eine Multiplextechnik im Bereich der Telekommunikation, die das Zusammenfassen von niederratigen Datenströmen zu einem hochratigen Datenstrom erlaubt. SDH steht für Syncronous Digital Hierarchy und ist eine Norm die auf Grundlage von SONET entwickelt wurde. SONET Bezeichnung SONET steht für Synchronous Optical Network und ist eine standardisierte Multiplextechnik für synchrone Datenströme. TCP/IP TCP/IP steht für Transmission Control Protocol/Internet Protocol und ist ein Netzwerkprotokoll, es ist unabhängig für alle gängigen Betriebssysteme einsetzbar. Über das TCP/IP-Protokoll können Rechner weltweit miteinander Daten austauschen. TIA/EIA Nummer oder EIA/TIA Nummer TIA steht für Telecommunications Industry Association und ist eine Vereinigung von mehr als Unternehmen. EIA steht für Electronic Industries Alliance und gibt Standards frei z.b. für Modemverbindungen die EIA-232 (früher RS-232) wurde die EIA mit der TAI zusammengelegt, daher der Doppelname. Die angefügte Nummer beinhaltet auch hier die Nummer der Norm. TLC-Wert TLC ist die Abkürzung für Transverse Conversion Loss und legt die Obergrenze für die Erdungssymmetrie fest. Trellis-Codierung Bei dem Trellis-Verfahren werden zu sichernde Daten sendeseitig mit einem Sicherungspolynom verknüpft; es werden also ständig Redundanzbits in den Datenstrom eingefügt. Dieses Bit dient Redundanzzwecken und verknüpft die zeitliche Reihenfolge der übertragenen Datenbits. Die Signalübergänge sind dadurch nicht mehr frei, sondern unterliegen einer gewissen Gesetzmäßigkeit, mit deren Hilfe empfangsseitig fehlerbehaftete Signalfolgen ausgefiltert werden. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 7 von 44

8 WDM WDM ist die Abkürzung für Wavelength Division Multiplex. Es handelt sich um ein optisches Frequenzmultiplexverfahren, das bei der Übertragung von Daten über Glasfaserkabel eingesetzt wird. Hier werden die Signale mit verschiedenen Wellenlängen übertragen und somit sind mehrere Signale auf einer Glasfaser möglich. Die Signale werden durch optische Filter voneinander getrennt. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 8 von 44

9 1 Allgemeines zu Ethernet Die Grundzüge des Ethernet entstanden 1972 und 1980 begann die Standardisierung des Ethernet durch das IEEE. Seit den 90ern hat sich Ethernet zum weltweiten Standard für lokale Datennetze entwickelt. Weiterhin wird diese Technik auch immer stärker in lokal nicht begrenzten Netzen eingesetzt wie z.b. in Verbindungen des Internets. Bei Ethernet sind Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 10MBit bis 100Gbit möglich. Ethernet bildet die Basis für Netzwerkprotokolle, wie z.b. TCP/IP. Ethernet beschreibt die Signalisierung für die Bitübertragungsschicht weiterhin werden Paketformate und Protokolle festgelegt. Je nach Geschwindigkeit ist ein Kabel der entsprechenden Qualität nötig, die CAT[Nummer] genannt wird. Es gibt ebenfalls Standards, um Ethernet über Glasfaserverbindungen zu realisieren. Aus Sicht des OSI-Modells spezifiziert Ethernet sowohl die physikalische Schicht (OSI Layer 1) als auch die Data-Link-Schicht (OSI Layer 2). Ethernet ist in der IEEE- Norm standardisiert. 2 Normen und Standards (IEEE), sonstige Normen Die Abkürzung IEEE steht für Institute of Electrical and Electronics Engineers und ist ein weltweiter Berufsverband von Ingenieuren aus den Bereichen Elektrotechnik und Informatik. Das IEEE gibt weltweit gültige Normen und Standards für die Datenübertragung heraus. In der IEEE ist Ethernet definiert. Hier sind technische Rahmenbedingungen wie Topologie, Übertragungsmedium, Übertragungsgeschwindigkeit und das Zugriffsverfahren (CSMA/CD) beschrieben bzw. vorgegeben. Je nach Geschwindigkeit und Übertragungsmedium werden noch Buchstaben angehängt z. B ab für Gigabit-Ethernet über Kupferkabel. Seit kurzer Zeit sind die angehängten Buchstaben durch den Zusatz Clause xx ersetzt. Eine Zuordnung der herkömmlichen Bezeichnungen zu den neuen Bezeichnungen ist weiter unten in der Tabelle zu finden. Den jeweiligen Clause xx Standards sind die Bezeichnungen wie z. B. 1000Base-T zugeordnet. Hier steht 1000 für die Übertragungsgeschwindigkeit, und T für Twisted-Pair-Kabel (paarweise verdrilltes Kupferkabel). FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 9 von 44

10 Folgende Normen existieren zur strukturierten Verkabelung speziell zur Kabeldefinition und Verarbeitung der Kabel: Bezeichnung der Norm Jahr Inhalt/Titel Weltweite Gültigkeit ISO/IEC Anwendungsneutrale Verkabelung mit Definition der Kabelkategorien und -klassen IEC Mehradrige und symmetrische paar- /viererverseilte Kabel für die digitale Nachrichtenübertragung der Kategorie 3 bis 5 IEC Fachgrund-Spezifikationen IEC Rahmenspezifikation für Etagenkabel IEC Rahmenspezifikation für Geräteanschlusskabel IEC Rahmenspezifikation für Verteilerkabel IEC bis 600 MHz (Cat 5e Cat 7) IEC bis 1000 MHz (Cat 5e Cat 7a) IEC Bis 1000 MHz - Arbeitsplatzverkabelung IEC Bis 1200 MHz ISO/IEC Verkabelungen von Industriegebäuden Europaweite Gültigkeit: EN Informationstechnik - Anwendungsneutrale Kommunikationskabelanlagen an ISO/IEC angelehnt 2007: Erweiterung um die Klassen E und F, sowie GG45- und Tera-Stecker EN Teil 1: Allgemeine Anforderungen EN Teil 2: Bürogebäude EN Teil 3: Industriell genutzte Standorte EN Teil 4: Wohnungen EN Teil 5: Rechenzentren CLC/TR : Verkabelungsleitfaden zur Unterstützung von 10 GBASE-T EN x-x Mehradrige metallische Daten- und Kontrollkabel für analoge und digitale Übertragung mit Anforderungen an Kabel der Kategorien 5 bis 7 EN Teil1: Fachgrundspezifikation EN : Teil 4-1: Rahmenspezifikation für geschirmte Kabel bis 600 MHz - Kabel für den Horizontalund Steigbereich Kategorie 7 EN : Teil 4-2: Rahmenspezifikation für geschirmte Kabel bis 600 MHz - Geräteanschlußkabel und Schaltkabel Kategorie 7 EN : Teil 10-1: Rahmenspezifikation für Kabel bis 500 MHz - Horizontal- und Steigbereich FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 10 von 44

11 Nur in den USA EIA/TIA 568 EIA/TIA 568 A EIA/TIA 568 B EIA/TIA 568-B.2-1 EIA/TIA 568-B.2-10 TIA Update: TSB Commercial Building Telecommunications Wiring Standard, hier waren für jeden Arbeitsplatz zwei Kupferverbindungen, getrennt nach Telefon und Datenverarbeitung, vorgesehen 1995 Nachfolger von EIA/TIA 568, hier wurde in die Bereiche Campus (Primärbereich), Gebäude (Sekundärbereich), Etage (Teritärbereich) unterteilt Informationen zu Cat 6A 2005 nur für Cat 6 Bestandsinstallationen Folgende Normen existieren zur Verbindungstechnik Bezeichnung der Norm Inhalt Weltweite Gültigkeit IEC Europaweite Gültigkeit: EN Steckverbinder für elektronische Einrichtungen Teil 7: Bauartspezifikation für ungeschirmte freie und feste Steckverbinder, 8polig 100 MHz EN Kategorie 5 ungeschirmt EN Kategorie 5 geschirmt 250 MHz EN Kategorie 6 ungeschirmt EN Kategorie 6 geschirmt 600 MHz EN Kategorie 7 geschirmt (GG45) EN Kategorie 7 geschirmt (Tera) Folgende Normen stehen indirekt in Zusammenhang mit der Verkabelung Bezeichnung der Norm Europaweite Gültigkeit: EN EN x Inhalt Potentialausgleich und Erdung in Gebäuden mit Einrichtungen der Informationstechnik Installation von Kommunikationskabelanlagen Folgende Normen sind bei der Prüfung von Verkabelungen zu beachten Bezeichnung der Norm Europaweite Gültigkeit: EN EN Inhalt Prüfen von installierter Kommunikationsverkabelung Spezifikation für die Prüfung der symmetrischen Kommunikationsverkabelung nach EN FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 11 von 44

12 In den Normen sind beispielsweise folgende Parameter zur Verkabelung festgelegt: Adernpaare je Port Hinweise zur EMV / Erdung verwendbare Kupferkabeltypen bzw. LWL-Typen Hinweise zur Schirmung der Kabel Dämpfungswerte bei gewissen Frequenzen maximal zulässige Werte für die Kabelparameter wie NEXT, FEXT usw. Für den genauen Inhalt der Spezifikationen sind die einzelnen Normen selber zu Rate zu ziehen. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 12 von 44

13 Tabelle mit den verschiedenen IEEE-Standards: IEEE- Standard IEEEneu Bezeichnung Jahr Datenrate Kabel Clause a Clause i Clause j Clause 18 10Base MBit/s Koaxialkabel (DIX/AUI), 500 m 10Base MBit/s Koaxialkabel (BNC), 185 m 10Base-T MBit/s Twisted-Pair-Kabel (RJ-45), 100 m 10Base-FL MBit/s Glasfaserkabel 802.3u Clause u Clause Base-TX MBit/s 100Base-FX MBit/s Twisted-Pair-Kabel (RJ-45), 100 m Glasfaserkabel 802.3z Clause Base-SX 1000Base-LX GBit/s Glasfaserkabel 802.3z Clause ab Clause Base-CX GBit/s STP-Kabel (Twinax) / Übertragung mit 625 MHz 1000Base-T GBit/s Twisted-Pair-Kabel (RJ-45), 100 m 802.3ae Clause GBase-SR 10GBase-SW 10GBase-LR 10GBase-LW 10GBase-ER 10GBase-EW 10GBase-LX GBit/s Glasfaserkabel 802.3ak Clause an Clause 55 10GBase-CX GBit/s Spezielle IB4X-Kabel Twinaxial-Kabel 10GBase-T GBit/s Twisted-Pair-Kabel (RJ-45), 100 m 802.3ba - 100GBit/s Geplant für 2010 FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 13 von 44

14 3 Kupferkabel 3.1 Allgemeines über Twisted-Pair-Kabel Kabel werden nach ISO/IEC (weltweit) in verschiedene Kategorien und Klassen eingeteilt. Nahezu identische Angaben enthält auch der CENELEC Standard EN (europaweit). Kabelkategorie Klasse Frequenz Verwendung/Art Cat1 Class A 100 khz "Klingeldraht" Cat2 Class B 1 oder 1,5 MHz Cat3 Class C 16 MHz 10BaseT und Telefonie Cat4 Class C 20 MHz selten im Einsatz Cat5 Class D 100 MHz 100BaseT, FDDI Cat5e Class D 100 MHz Kabel bis 350 MHz verfügbar, 1000BaseT Cat6 Class E 250 MHz Kabel bis 450 MHz verfügbar Cat6e Class E 500 MHZ Für 10GBase-T Cat6a Class E 625 MHz Für 10GBase-T Cat7 Class F 600 MHz PiMf Cat7a Class F 1000 MHz Cat8 Class G 1200 MHz PiMf Die Frequenz (z.b. 100 MHz) die ein Kabel übertragen kann, ist nicht gleich der Übertragungsrate im Netz (z.b MBit/s). Durch Kodierverfahren (z.b. MLT-3 und PAM5) wird die benötigte Frequenz stark reduziert. Dadurch ist es möglich Gigabit Ethernet über ein Cat5e-Kabel zu übertragen. Kupferkabel werden als Litze (mehrere verdrillte Kupferdrähte pro Ader) oder als Vollader ausgeführt. Da die Dämpfung im Leiter mit steigendem Querschnitt sinkt, wären eigentlich möglichst dicke Adern wünschenswert. Das hieße jedoch: hoher Kabelpreis und voluminöse, starre Kabel. Hier streben die Hersteller eine Balance zwischen Kosten, Dämpfung und Flexibilität an. Die Kabelkennung gibt dazu den Leiterdurchmesser an - meist jedoch nicht in Millimetern, sondern nach dem US-Maß AWG (American Wiring Gauge). Da ein Leiter mehrere Adern umfassen kann, findet sich oft eine zusätzliche Angabe der Adernzahl. AWG 24/1 kennzeichnet etwa eine Einzelader mit 0,511 mm Durchmesser. Wesentliche Unterschiede im Aufbau der Kupferkabel hängen von der Schirmung ab. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 14 von 44

15 Abbildung 3.1: Kerpen special MegaLine 526 SC flex 4P *H* mit Folienschirm und Geflechtschirm (Cat 5) [1] Abbildung 3.2: Cat7 Kabel mit Doppeladerschirm und Geflechtschirm [2] 3.2 Steckersysteme für Kupferverbindungen RJ-45-Stecker Der RJ-45-Stecker ist der Standardstecker bei Kupferverbindungen bis Cat5e, je nach Ausführung auch noch bei Cat 6a oder Cat 7a eingesetzt. Abbildung 3.3: RJ-45 Stecker und Montagekupplung von Hirose [3] FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 15 von 44

16 3.2.2 RJ-45-Stecker bis 625 MHz von Siemon Bei den Steckermodule 10G 6A F/UTP von Siemon sind bis zu 625 MHz möglich z.b. für Kategorie 6a. Abbildung 3.4: Kupplungen 10G 6A F/UTP von Siemon [4] Passen zu den Buchsen gibt es zwei Stecker von Siemon den 10G 6A UTP BladePatch und MC. Das 10G 6A UTP BladePatch ist ein spezielles RJ45-Patchkabel, das ohne Betätigen einer externen Verriegelung gesteckt und abgezogen werden kann. Der patentierte, interne Push-Pull-Verriegelungsmechanismus rastet ein, wenn der Stecker in die Buchse oder das Patchkabel eingesteckt wird. Zum Lösen der Steckverbindung muss lediglich an der Hülse gezogen werden. Diese Stecker wurden im April 2006 von Siemon vorgestellt. Abbildung 3.5: 10G 6A UTP BladePatch und MC von Siemon [5] FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 16 von 44

17 3.2.3 Tera-Steckersysteme Abbildung 3.6: Tera-Steckersysteme bis 1,2GHZ von Siemon z.b. für Cat7/8 [6] Abbildung 3.7: Stecker für 1-4 Paare Kupferadern [7] Tera bietet eine hohe Flexibilität, da jedes Adernpaar einzeln gepatcht werden kann. Über das gleiche Kabel kann TV, Video, Daten und Telefon übertragen werden. Der vollgeschirmte Tera-Stecker ermöglicht 1-, 2- und 4-Kanalbetrieb (Cable Sharing) und hat einen dem RJ-45-Stecker vergleichbaren Platzbedarf, mit dem er allerdings nicht kompatibel ist. Mit dem Tera-Steckersystem sind Frequenzen bis 1,2 GHz möglich. Den TERA-Stecker gibt es in der Ausführung für 4 Adernpaare, 2 Adernpaare und 1 Adernpaar. Die Stecker lassen sich zusammen kombiniert in eine 4 paarige Buchse stecken. Es sind Adapterkabel zwischen 10Gbit-fähigen-RJ-45-Steckern und TERA- Steckersystemen erhältlich. Auf Basis dieser Patchkabel ist es möglich, Verkabelungen von leistungsfähigen Kategorie 7A/Klasse FA mit Geschwindigkeiten von 10 Gbit/s und darüber zu installieren und gleichzeitig das vorhandene Netzwerk- Equipment nahtlos in das System zu integrieren. Diese Kabel wurden von Siemon im Oktober 2007 vorgestellt. Abbildung 3.8: Adapterkabel zwischen 10Gbit-fähigen-RJ-45-Steckern und TERA- Steckersystemen [8] FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 17 von 44

18 3.2.4 GG-45-Steckersystem Der GG-45-Stecker für Kategorie7 mit getrennt liegenden Adern wurde von Nexan entwickelt. Abbildung 3.9: GG-45-Stecker spezifiziert bis 1000MHz [9] Abbildung 3.10: GG45- Snap-In-Modul [10] Das GG-45-Steckersystem hat insgesamt 12 Kontakte: acht an der Oberseite und vier an den Außenkanten der Unterseite. Von den 12 Kontakten sind immer nur acht gleichzeitig aktiv. Ein Federmechanismus schaltet dabei von den äußeren acht Eckkontakten, die bei Verkabelungen nach der Klasse F benutzt werden, auf die oberen acht Kontakte, bei Verkabelungen nach Klasse D. Die Kontakte liegen wegen der Nebensprechdämpfung in kleinen Kammern, die durch Stege voneinander getrennt sind. Nach Herstellerangaben ist das Steckersystem bis 1000 MHz spezifiziert. Der GG-45-Stecker ist abwärtskompatibel zum RJ-45-Stecker und wurde vom IEC und von der ISO für Verkabelungen nach Kategorie 7 als Standard festgelegt. 3.3 IB4X-Kabel (Twinaxial-Kabel) Speziell für 10GBase-CX4 wird das IB4X-Kabel (Twinaxial-Kabel) verwendet. Es handelt sich um ein 8-paariges Kabel deren 16 Leitungen das amerikanische Drahtmaß (AWG) 24 haben. Das IB4X-Kabel zeichnet sich durch eine Einfügungsdämpfung von unter 10 db bis zu Frequenzen von 1,25 GHz aus, durch geringste Laufzeitdifferenzen und Rückflussdämpfungen. Es hat eine Impedanz von 95 Ohm oder 155 Ohm und eine maximale Länge von 15 m. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 18 von 44

19 Abbildung 3.11: Querschnitt eines IB4X- Kabels [11] Abbildung 3.12: IB4X-Stecker [12] 3.4 Prüfnormen Für einen Permanentlink der Klassen D-F sind folgende Normen anwendbar: weltweit: ISO/IEC (2002) IEC (2007) europaweit: EN (2007) EN (2003/2007) nur USA: EIA/TIA 568 A / B Bei einem Channel-Link nach 10GBase-T IEEE Clause 55 (früher: IEEE 802.3an): TIA TSB-155, draft 5.0 (nur bei bestehenden Cat6 Installationen) ISO/IEC TR (nur bei bestehenden Cat6 Installationen) Bei Neuinstallationen für 10GBase-T sind die vorher genannten Normen anzuwenden. 4 Lichtwellenleiter (LWL) 4.1 Allgemeines zu Lichtwellenleitern Der Lichtwellenleiter (LWL) kann aus Glas oder Kunststoff hergestellt sein. Allgemein hat ein Lichtwellenleiter folgenden Aufbau: Polymerummantelung (Primärcoating) optischer Mantel optischer Kern FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 19 von 44

20 Abbildung 4.1: Aufbau eines Lichtwellenleiters [13] Es gibt zwei Arten von Lichtwellenleitern Multimode und Monomode auch Singlemode genannt. Im Wesentlichen ist der Aufbau der Kabel gleich, jedoch ist bei Monomode der optische Kern lediglich 9 Mikrometer dick. Bei Multimode-Fasern hat der Glaskern einen Durchmesser von 50 oder 62,5 Mikrometer. Das Mantelglas hat jeweils einen Durchmesser von 125 Mikrometer. Abbildung 4.2: Einmodefaser und Multimode-Faser [14] Oftmals werden die Lichtwellenleiter vorkonfektioniert (mit Steckern) bestellt, damit eine aufwändige Montage der Stecker auf der Baustelle entfallen kann. Durch die Verarbeitung der Stecker im Labor kann auch ein sehr hoher Qualitätsstandard bei den Steckverbindern eingehalten werden. Weiterhin wird vor Ort kein teueres Spezialwerkzeug benötigt und die Kabelverlegung läuft schneller ab. Dadurch steigt die Wirtschaftlichkeit. 4.2 Monomode Bei Monomode-Kabeln wird nur ein Lichtstrahl übertragen, der sich nicht durch Reflexion fortsetzt. Bei Multimode-Kabeln können mehrere Lichtstrahlen transportiert werden, die sich durch Totalreflexion im Glaskern fortsetzen. Monomode-Kabel werden für weite Übertragungsstrecken von km eingesetzt. Hier werden Laser als Lichtquellen verwendet. Oft verwendet in Backbones, wo mehrere tausend Meter überbrückt werden müssen oder in Weitverkehrsnetzen. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 20 von 44

21 4.3 Multimode Bei Multimode-Kabeln werden LEDs als Lichtquellen eingesetzt. Hier sind Entfernungen bis ca. 2km möglich. Diese Kabel werden oft in LANs und bei Entfernungen bis mehrere Hundert Meter innerhalb eines Netzes eingesetzt. Pro Verbindung werden 2 Kabel benötigt, je eines für Hin- und eines für Rückkanal. Es gibt bereits Kabel bei denen zwei Adern miteinander verbunden sind und entsprechend auch Doppelstecker angebracht sind. 4.4 Steckverbinder für Lichtwellenleiter Bei den LWL werden vorrangig zwei Steckertypen eingesetzt, ST-Stecker und SC- Stecker. SC wird häufig für Gigabit Ethernet (1000BaseSX, 1000BaseLX) verbaut. Abbildung 4.3: ST-Stecker und SC-Stecker [15] ST-Stecker (Straight Tip) Der ST-Stecker ist der Klassiker unter den LWL-Steckern. Er wurde von AT&T entwickelt und eignet sich für Single- und Multimode-Fasern. SC-Stecker Der SC-Stecker hat ähnliche Abmessungen wie der ST-Stecker. Der Stecker ist rechteckig und rastet mit einem Klick ein (C wie Click). LC-Stecker Ein weiterer kompakter LWL-Stecker ist der LC-Stecker. Das System wurde von der Firma Lucent entwickelt. E2000-Stecker Die Firma Diamond entwickelte das E2000-System. Die Stecker haben eine integrierte Schutzkappe und ermöglichen eine hohe Packungsdichte. 3M Volition VF-45 Das Volition-System wurde von 3M entwickelt. Der Stecker ähnelt einem RJ45- Stecker und hat einen integrierten Staubschutz. Der VF-45-Stecker ist ein Duplexstecker. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 21 von 44

22 Abbildung 4.4: 3M Volition VF-45 Stecker [16] MTRJ, MT-RJ Wie der Name vermuten lässt, ähnelt auch der MTRJ-Stecker dem bekannten RJ45. MTRJ wurde von mehreren Firmen wie AMP und HP entwickelt und soll SC ablösen. MTRJ ist ein Duplexstecker. MIC-Stecker MIC ist ein relativ großer Stecker mit einer Rastung. ESCON Relativer großer Glasfaserstecker. ESCON stammt von der IBM und wird im Großrechnerbereich eingesetzt. FC/PC-Stecker Kleiner LWL-Verbinder mit Schraubverriegelung. FSMA-Stecker Der FSMA-Stecker ähnelt dem FC/PC-Stecker und hat ebenfalls keinen Verdrehschutz. 4.5 Klassifizierung von Lichtwellenleitern Bei den OM-Klassen handelt es sich um die standardisierte Klassifizierung von Lichtwellenleitern für die LWL-Verkabelung, vergleichbar der Klassifizierung von TP- Kabeln (Kategorie). Die Standardisierung, die die Verkabelung von Gigabit-Ethernet und 10-Gigabit- Ethernet unterstützen soll, wird von ISO/IEC durchgeführt und sieht drei Klassen für Multimodefasern (OM1, OM2, OM3) und eine Klasse für Monomodefasern (OS1) vor. Abbildung 4.5: Klassen für Lichtwellenleiter [17] FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 22 von 44

23 5 Gegenüberstellung Kupferkabel und Lichtwellenleiter Lichtwellenleiter Vorteile: - große Übertragungsbandbreite - niedrige Signaldämpfung - kein Nebensprechen zwischen den Adern - keine Beeinflussung durch äußere elektrische Störfelder - Schutz vor Potentialübertragung - Blitzschutz - Verlegbarkeit im explosionsgefährdeten Umfeld - Abhörsicherheit (kein Magnetfeld) Nachteile: - hohe Montagekosten bzw. Montageaufwand - relativ teueres Werkzeug zur Herstellung von Steckverbindungen nötig - höhere Kosten gegenüber Kupferleitern bei kurzen Verbindungen Kupferkabel (Twisted Pair): Vorteile: - leichte Verarbeitung / Konfektionierung - kein Spezialwerkzeug nötig - vergleichsweise geringer Installationsaufwand - relativ geringe Installationskosten - viele preiswerte aktive Komponenten sind erhältlich Nachteile: - nicht geeignet für lange Verkabelungswege - störanfällig gegen Magnetfelder - maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit geringer als bei Glasfaser - Potentialtrennung nur mit besonderen Maßnahmen möglich 6 Industrie- / Büroumgebungen In der Büroumgebung werden an die Verkabelung im Sinne des Feuchtigkeitsschutzes und der Staubfestigkeit keine besonderen Anforderungen gestellt. Alle Marktüblichen Stecker und Kupplungen können hier eingesetzt werden. Im industriellen Bereich werden besondere Anforderungen an die Kommunikationsstruktur gestellt. Folgende Faktoren beeinträchtigen die Performance des Kommunikationsnetzes: lange Verkabelungswege Luftverschmutzung galvanische Trennung und Erdung extreme Bedingungen in der Betriebsumgebung (z.b. Temperatur) elektromagnetische Störungen durch verschiedenste Quellen (z.b. Elektromotoren) Damit Magnetfelder keine Störungen hervorrufen oder bei langen Verkabelungswegen, werden teilweise Glasfaserkabel eingesetzt. Zum Schutz gegen Schmutz werden verkapselte Stecker eingesetzt, die Luft und Stabdicht sind. Für das Industrielle Umfeld sind Steckverbinder nach den Schutzklassen IP20 und IP67 verfügbar. Da hier ein zusammenwachsen von Ethernet und dem FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 23 von 44

24 Automatisierungsbereich stattfindet, gewinnen diese speziellen Stecker immer mehr an Bedeutung. Eine Norm für anwendungsneutrale Verkabelungen von Industriegebäuden ist die ISO/IEC In der Automatisierungstechnik liegt für die Verkabelung die Norm IEC vor. Abbildung 6.1: Cat5-Kabel nach IP 67 / IP 20 von Telegärtner [18] Abbildung 6.2: Cat 6 Datendose in IP 67- Ausführung von Telegärtner [19] Ein vergleichbares Kabel von Dätwyler für diese Einsatzbereiche deckt die üblichen Anforderungen im industriellen Umfeld ab, das Kabel ist besonders robust und ölbeständig. Das System von Dätwyler entspricht den Anforderungen einer Übertragungsstrecke mit der Class E (250 MHz) nach ISO/IEC11801:2002 und EN :2002. Abbildung 6.3 : SC-Doppelstecker in IP67-Ausführung von Telegärtner [20] Abbildung 6.4 : SC-Doppelkupplung in IP67-Ausführung von Telegärtner [21] Von 3M gibt es spezielle Lichtwellenleiter, die zu den herkömmlichen Kabeln kompatibel aber durch eine zusätzliche Polymerbeschichtung wesentlich robuster sind. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 24 von 44

25 Abbildung 6.5: Robuste Glasfaser für Einsatz im industriellen Umfeld von 3M Deutschland [22] 7 Ethernet-Link allgemein Allgemein besteht eine Ethernet Verbindung häufig aus mehreren Kabelstrecken mit mehreren Verbindungen. Von der aktiven Netzwerkkomponente verläuft das Systemkabel zu einem Patchfeld, vom Patchfeld ist über die Installationsstrecke mit der Anschlussdose verbunden, die Verbindung zwischen Anschlussdose und Client wird mit einem Patchkabel hergestellt. Siehe dazu nachfolgende Abbildung. Abbildung 7.1: Definition Ethernet-Link [23] Aus diesem Aufbau heraus ergeben sich bestimmte Probleme bei der Kabelverbindung. Zum einen müssen die Stecker an den Kabeln die geforderte Qualität aufweisen, damit hohe Frequenzen möglich sind und zum anderen müssen FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 25 von 44

26 die Anschlussdosen und Patchfelder ebenfalls in einer entsprechend hohen Qualität ausführt sein, damit hier keine Störungen in der Kabelverbindung auftreten. 8 Gigabit Ethernet-Link 8.1 Normen und Standards, Übersicht Für Gigabit gibt es die Standards 1000BASE-LX, 1000BASE-SX, 1000BASE-T und 1000BASE-CX. Abbildung 8.1: 1000BASE-Varianten mit Reichweite je nach Übertragungsmedium [24] 8.2 Kupferkabel-Verbindungen Base-T (IEEE Clause40) Der frühere Standard war IEEE 802.3ab. Hier wird 1 Gbit/s über Kupferkabel ab Cat5 UTP-Kabel (besser Cat-5e) übertragen. Die maximale Länge eines Segments beträgt wie bei 10Base-T und 100Base-TX 100 Meter. Wichtige Merkmale des Verfahrens sind: Verwendung aller vier Doppeladern in beide Richtungen (Echokompensation) Modulationsverfahren PAM-5 (Pulsamplitudenmodulation mit fünf Zuständen) übermittelt zwei Bit pro Schritt und Adernpaar Einsatz einer Trellis-Codierung und Scrambling Schrittgeschwindigkeit 125 MBaud pro Adernpaar Übertragungsbandbreite 62,5 MHz Vollduplexbetrieb FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 26 von 44

27 Im Grundprinzip ist 1000Base-T eine hochskalierte Variante des seinerzeit erfolglosen 100Base-T2, nur dass es doppelt so viele Adernpaare (nämlich alle vier Paare einer typischen Cat-5-Installation) verwendet und die gegenüber Cat-3 größere verfügbare Bandbreite eines Cat-5-Kabels ausnützt. Hier werden alle 4 Adernpaare im Vollduplex-Modus gleichzeitig genutzt. Im Transceiver werden die Signale des eigenen Senders vom empfangenen Signal subtrahiert. Abbildung 8.2: PAM-5-Modulationsverfahren [25] Base-CX (IEEE Clause39) Bei diesem Standard werden zwei Adernpaare eines STP-Kabel verwendet. Die Daten werden nach der 8B/10B-Codierung übertragen. Hier werden 8-Bit-Wörter in 10-Bit-Wörter umgewandelt. Da bei einer Umsetzung der 8-Bit-Folgen lediglich 256 Bitkombinationen vorhanden sind, können aus den 10-Bit-Folgen die Bitkombinationen ausgewählt werden, die maximal fünf Einsen oder Nullen in Folge haben. Dadurch kann aus dem codierten Signal, das hinreichend viele Pegelwechsel aufweist, das für die Synchronisation benötigte Taktsignal abgeleitet werden. Hier wird ein Kabel mit 150 Ohm Impedanz eingesetzt, wegen der Bandbreite von 625 MHz sind maximal 25m Linklänge möglich und es werden wesentlich höhere Anforderungen an das Kabel gestellt als bei 1000Base-T. Die Komponenten sind außerdem nicht kompatibel zu den Komponenten von 1000Base-T Base-TX, 1000Base-T2/4 Diese beiden Normen sind nicht in IEEE standardisiert und stellen erfolglose Versuche verschiedener Interessensgruppen dar, die aufwändigen Modulier/Demodulier- und Echokompensationsschaltungen von 1000Base-T durch eine höhere Signalisierungsrate auszugleichen. Statt Klasse-D-Verkabelung wie bei 1000Base-T benötigen diese Übertragungsverfahren im Gegenzug Installationen nach Klasse E und Klasse F. Das Hauptargument für die Entstehung dieser Übertragungsverfahren, die hohen Kosten für Netzwerkanschlüsse mit 1000Base-T- Unterstützung, ist längst entkräftet. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 27 von 44

28 8.2.4 Stecker, Anschlussdosen Da bei den 1000Base-T Standard eine Verkabelung der Klasse D (Cat5e) eingesetzt wird, könne auch die Standard -RJ45-Stecker und Dosen nach Cat5e verwendet werden. siehe dazu Abschnitt Glasfaser-Verbindungen Base-SX, 1000Base-LX/LH (IEEE Clause 38) Der frühere Standard war IEEE 802.3z. Hier wird 1 Gbit/s über Glasfaser übertragen. Die beiden Standards unterscheiden sich prinzipiell nur in der verwendeten Wellenlänge des optischen Infrarot-Lasers: 1000Base-SX verwendet kurzwelliges Licht mit 850 nm Wellenlänge, bei 1000Base- LX strahlen die Laser langwelliges Licht mit 1310 nm Wellenlänge aus. Multimode- Glasfaserkabel können je nach Faserquerschnitt und modaler Dämpfung zwischen 200 und 550 Meter erreichen, während Singlemode-Glasfaserkabel bis 5000 Meter spezifiziert sind. Allerdings lassen sich Singlemode-Glasfaserkabel nur mit 1000Base-LX verwenden. Hier kommt ebenfalls die 8B/10B Codierung zum Einsatz Base-X 1000Base-X nutzt ebenfalls 8B/10B-Codierverfahren. Da hier ein Byte mit 8 Bit auf 10 Bit codiert wird, ergibt sich eine Datenrate von 1250 Mbit/s. 1000Base-X lässt sich über verschiedene Glasfasern oder über ein bis zu 25 Meter langes 150-W-Twinax- Kabel übertragen Base-ZX Zum Einsatz kommen Singlemode-Glasfaserkabel mit einer maximalen Länge von 70 km. Das verwendete Licht hat eine Wellenlänge von 1550 nm. Mit dispersionsoptimierten Singlemode-Glasfaserkabeln lassen sich sogar Distanzen von 100 Kilometern überbrücken Stecker, Anschlussdosen Hier kommen die üblichen ST- und SC-Stecker zum Einsatz 8.4 Prüfnormen Die Prüfnormen entsprechen den unter 8.1 genannten Standards und Normen Gigabit Ethernet-Link 9.1 Normen und Standards Folgende Basiselemente wurden bei der Standardisierung des 10-Gbit/s-Ethernet (10GbE) berücksichtigt. Beibehaltung des und Ethernet-Frame-Formats und der bestehenden minimalen und maximalen Frame-Länge sowie die Koexistenz mit Power over Ethernet (PoE) nach 802.3af. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 28 von 44

29 Die Einhaltung der IEEE 802 Functional Requirements mit Ausnahme der Hamming- Distanz. Die Unterstützung von Sternstrukturen mit Point to Point Connections (PP) und lediglich ein Vollduplex-Modus nach IEEE 802.3x. Außerdem wurde die strukturierte Verkabelung nach ISO/IEC in der neuesten Version einbezogen. Es wurden mehrere physikalische Interfaces definiert: so u.a. 300 Meter über Multimodefasern und 100 Meter über Twisted Pair nach der Link-Klasse F. Tabelle für 10GbE mit den Reichweiten und Medienarten Abbildung 9.1: 10GBase-Varianten mit Übertragungsmedium und Reichweite [26] Mit den bisher verwendeten Monomodefasern (1.310 nm) werden Entfernungen bis zu 10 km überbrückt; für Entfernungen von bis zu 40 km sind Monomodefasern mit einer Lichtquelle von nm vorgesehen. Das 10GbE-Schichtenmodell unterstützt am MAC-Interface eine Datenrate von 10 Gbit/s, als Codierverfahren wurde eine effiziente Block-Codierung ausgewählt, die nur zwei zusätzliche Bits für einen 64-Bit-Datenblock benötigt. Neben dieser neuen Codiertechnik kommt auch die 8B/10B-Codierung zur Anwendung. 10GbE unterstützt auch Sonet/SDH. Es wird also zwei unterschiedliche physikalische 10GbE-Schnittstellen geben: eine für den LAN-Bereich mit 10 Gbit/s und eine für Weitverkehrsnetze mit 9, Gbit/s, die der Sonet OC-192c/SDH-Stufe VC-4-64c entspricht. Deshalb wurden für das Schichtenmodell von 10GbE im Unterschied zu GbE einige neue Schichten und Schnittstellen definiert. Jedoch wurden nur an der Bitübertragungsschicht Ergänzungen vorgenommen. SONET steht für Synchronous Optical Network und ist eine standardisierte Multiplextechnik für synchrone Datenströme. SDH ist eine Multiplextechnik im Bereich der Telekommunikation, die das Zusammenfassen von niederratigen Datenströmen zu einem hochratigen Datenstrom erlaubt. SDH steht für Syncronous Digital Hierarchy und ist eine Norm die auf Grundlage von SONET entwickelt wurde. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 29 von 44

30 9.2 Kupferkabel-Verbindungen Spezielle Anforderungen bei 10GbE über Kupfer Die Anforderungen an ein Verkabelungssystem für 10GbE-Übertragung sind nicht trivial. Bereits bei der Migration von 100 Mbit/s auf 1 GbE können unzureichende Leistungsreserven des Verkabelungssystems oder eine mangelhafte Installation eine störungsfreie Übertragung verhindern. Die in der Praxis aufgetretenen Problempunkte potenzieren sich beim Einsatz von 10GbE nochmals erheblich. Die größte Herausforderung bei der Entwicklung einer 10GbE-fähigen Infrastruktur ist die notwendige Verdoppelung der maximalen Übertragungsfrequenz. Nutzt man bei 1GbE nur das Spektrum bis 250 MHz zur Übertragung, erfordert 10GbE eine Maximalfrequenz von 500 MHz auf dem Kabel. Die Frequenzverdoppelung stellt vor allem eine enorme Herausforderung für die Stecker und Buchsen dar. Diese Anforderungen auf Basis der weltweit etablierten RJ45-Technologie zu erfüllen, die vom Prinzip her noch aus der Zeit der 10-Mbit- Verkabelung stammt, erfordert einen hohen Aufwand im Bereich Forschung und Produktentwicklung. Daher ist der Markt der Anbieter für 10-GbE- Verkabelungssysteme derzeit noch recht überschaubar. Eine weitere große Herausforderung für die 10-GbE-Technolgie ist das Fremdnebensprechen, das sogenannte Alien Crosstalk (AXT). Es entsteht, da ein Teil der in das Netzwerkkabel eingespeisten Sendeleistung über elektromagnetische Felder die Signale in anderen Leitungen beeinflusst. Tritt das Übersprechen zwischen den vier für eine Verbindung nötigen Aderpaaren auf, ist der Near End Crosstalk (NEXT) die entscheidende Störgröße. Diese Störung kann aber kompensiert werden, da der Empfänger das Signal der störenden Leitung kennt. Abbildung 9.2: Spezielles Kabel der Klasse 6e für 10GbE mit Frequenzen bis 500MHz [27] FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 30 von 44

31 Bei Cat6a und Cat6e wird durch einen Steg in der Kabelmitte ein Mindestabstand zwischen den Adern gewährleistet. Durch diesen Abstand werden die Störungen zwischen den Adernpaaren verringert und es sind Frequenzen von 500 MHz bzw. 625 MHz möglich GBase-T (IEEE Clause 55) Dieser Standard war früher IEEE 802.3an und wurde Mitte 2006 verabschiedet. Er beschreibt die Möglichkeit einer 10-Gigabit/s-Übertragung über vier Paare aus verdrillten Kupfer-Doppeladern. Die dafür verwendete strukturierte Verkabelung wird im Standard TIA/EIA 568 beschrieben. Die zulässige Linklänge ist vom eingesetzten Verkabelungstyp abhängig. Um die angestrebte Linklänge von 100 m zu erreichen, sind die Anforderungen von CAT6a oder Cat7 zu erfüllen. Weil nicht immer geeignete Verkabelung vorhanden ist, wird nach dem physikalischen Zusammenschalten zweier Stationen der Übertragungskanal ausgemessen und die Übertragungsgeschwindigkeit festgelegt. Die maximale Länge der Übertragungstrecke ist abhängig von dem verwendeten Kabeltyp. Bitrate Linklänge Kabeltyp 10 Gbit/s 22 m Kat. 5, U/UTP 10 Gbit/s 60 m Kat. 5, SF/UTP 10 Gbit/s 55 m Kat. 6e, U/UTP 10 Gbit/s 100 m Kat. 6a, S/FTP 10 Gbit/s 100 m Kat. 7, S/FTP Bei der Übertragung von 10 Gbit/s über Kupferleitungen werden wie schon zuvor bei 1000Base-T alle vier Paare für die gleichzeitige Übertragung in beiden Richtungen verwendet. Das heißt, der Datenstrom wird auf vier mal 2,5 Gbit/s aufgeteilt, jeweils über ein Adernpaar übertragen, und am Ende wieder zusammengesetzt. Hierbei wird die fünfwertige Modulation (Puls Amplituden Modulation) PAM-5 verwendet. Damit wird erreicht, dass drei Bits zu einem Symbol zusammengeführt werden können und somit die vom Kupferkabel benötigte Übertragungsfrequenz kleiner ist. Der Vorteil gegenüber Glasfasersystemen liegt in der schnelleren Konfektionierung, dadurch werden die Kosten gering gehalten. Darüber hinaus ist die Langlebigkeit von Kupfersystemen nach wie vor höher als bei Glasfasersystemen. Nur mit DSP möglich Rauschen und Störungen können durch externe Quellen oder auch im Kabel selbst hervorgerufen werden. Die im Kabel selbst entstehenden Störungen lassen sich zwar mittels moderner digitaler Signalverarbeitung (Digital Signal Processing DSP) in den aktiven Komponenten unterdrücken. Und erst durch den Einsatz von DSP werden die für 10GBASE-T erforderlichen Störabstände überhaupt erreichbar. Dabei ist der Alien NEXT-Parameter (NEXT = Near-End Crosstalk = Nah- Nebensprechen), also die Störgeräusche durch benachbarte Kabel, hier der bei weitem kritischste Faktor. Der Grund: Gerade die NEXT-Auswirkungen können mit DSP nicht kompensiert werden, sie müssen in der Verkabelung selbst unterdrückt werden. FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 31 von 44

32 Allerdings tritt dieses Problem nur bei ungeschirmten Systemen auf, da geschirmte Verkabelungen ausreichend gegen Alien-NEXT-Effekte geschützt sind. Doch geschirmte Systeme weisen andere Nachteile auf, wie z.b. Beeinträchtigungen der Übertragungsbandbreite. WARP-Technologie Eine neue Technologie für 10Gbit Ethernet, mit der ebenfalls Leitungslängen von 100 m erreicht wurden, hat das Schweizer Unternehmen R&M (Reichle & De-Massari) auf den Markt gebracht. Sie kombiniert die Vorteile aus geschirmter und ungeschirmter Technik. Bei dieser so genannten WARP-Technologie das Kürzel steht für Wave Reduction Patterns sind Kabel und Module mit etwa 1 bis 2 cm langen Metallfoliensegmenten und Metallplatten geschirmt. Anders als bei bisherigen Schirmungen sind die Foliensegmente aber nicht kontaktiert und liegen nicht auf Erd- Potenzial. Sie sind durch kleine Zwischenräume voneinander getrennt und hängen elektrisch sozusagen in der Luft. Eine Eigenschaft dieser schwebenden Schirmung ist, dass sie praktisch keine Kapazitäten zur Erde aufbaut. Somit beeinträchtigt sie die Bandbreite der Übertragung nicht, bietet aber trotzdem einen maßgeblichen Schutz gegen NEXT etc. Die Kombination von solch unterbrochener Schirmung und symmetrischer Signalübertragung führt dazu, dass Störungen, die sich auf beide Adern gemeinsam auswirken (Gleichtakt-Störungen), durch die Symmetrie der Signale eliminiert werden; es wird ausschließlich die Differenz zwischen den beiden Adern eines Twisted Pairs (eines verdrillten Adernpaares) ausgewertet. Und alle jene Störungen, die sich nur auf eine der beiden Adern auswirken könnten, werden durch das Verdrillen der Adern im Kabel und zum Großteil von dieser speziellen Schirmung abgefangen GBase-CX4 (IEEE Clause 54) 10GBaseCX4 ist ein weiterer Standard für 10-Gigabit-Ethernet über Kupferkabel. Hier werden nicht Ethernet-Verkabelungen der Kategorie-5 oder Kategorie-6 verwendet sondern das doppelt-twinaxiale IB4X-Kabel. Aufbau des Kabels siehe Abschnit 3.2. Dies soll über kurze Distanzen aber immer noch kostengünstiger sein als eine Glasfaserverbindung. Es sind Verbindungen von maximal 15 Metern möglich. Überwiegend wird dieser Standard bei der Verbindung von Servern in Rechenzentren angewendet Verkabelung mit Cat6a oder Cat7 für 10GbE? Da 10GbE über Kupfer sowohl über Cat6a als auch über Cat7 / Cat7a betrieben werden kann, stellt sich die Frage welche Verkabelung vorzuziehen ist. Vorteile von Cat.6A gegenüber Cat7 /Cat7a Kategorie 6A bietet eine Rückwärtskompatibilität zu den Bestandsinstallationen, da sie auf dem weit verbreiteten RJ45 Steckgesicht beruht. Damit ist Kategorie 6A kompatibel zu allen gängigen Switchen und Netzwerkkarten von 10 Mbit/s bis 10 Gbit/s. Wie das dänische Komitee im ISO/IEC-Standardgremium bereits 2006 angemerkt hat, garantiert die Kombination von Kategorie-7-Installationskabeln FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 32 von 44

33 mit Kategorie-6-Steckverbindungen keine Kategorie-6 / Klasse-E-Leistung. Daher ist eine Rückwärtskompatibilität nicht gewährleistet! Ursache ist ein um 10dB schlechterer TCL-Wert bei der Cat.7-Norm, verglichen mit der Cat.6- Norm. Der TCL-Wert (Transverse Conversion Loss) legt die Obergrenze für die Erdungssymmetrie fest, die durch die Kopplung des Erdsignals über den Schirm im Kabel entsteht. Die Unsymmetrie kann zu NEXT-Problemen in den Steckerkomponenten und damit zum Fail-Ergebnis bei der Cat.6-Messung führen. Es reicht nicht aus, eine Cat.7-Verkabelungslösung in einem Gebäude zu verlegen. Vielmehr müssen in den Gebäuden erst entsprechende Voraussetzungen für Erdungssysteme (Maschenerdungskonzept) und die Stromversorgung (TN-S) geschaffen werden. Auch die Kosten für eine Cat.7-Installation sprechen eine deutliche Sprache. Die Mehrkosten für ein Erdungskonzept und die beidseitige Erdung der Kabelschirme (für Personenschutz und EMV-Konformität) schlagen mit rund 15 Euro pro Kabelstrecke zu Buche. Nach Aussage von Netzwerkplanern kann man bei Cat.7 S/FTP verglichen mit Cat.6A UTP von Mehrkosten in Höhe von rund 37 Prozent ausgehen Kabeltrassen, Patchfelder, Stecksysteme Die gesteigerten Anforderungen enden jedoch nicht beim TP-Kabel, sondern ziehen sich durch die gesamte Infrastruktur. So empfiehlt beispielsweise die EN Norm bestimmte Kabeltrassen, einen maximalen Kabelfüllgrad innerhalb der Trassen und ein geeignetes Erdungskonzept. Für die Trassen sollen möglichst geschlossene Konstruktionen anstelle von Gitterstäben oder langlochgeschlitzten Blechen zum Einsatz kommen, denn offene oder gelochte Varianten wirken zu wenig gegen Einstreuungen von außen. Patchpanels für 10GBASE-T tragen ihre RJ45-Buchsen versetzt. Dadurch steigt der Abstand, und das Übersprechen zwischen den Leitungen (Alien Crosstalk) geht zurück. Abbildung 9.3: Patchpanel für 10GBASE-T von ADC Krone [28] FH Würzburg-Schweinfurt, Seite 33 von 44