KAPITEL V: ÜBERTRAGUNGSMEDIEN: KABEL 1. Grundlegende Systematik zur Unterscheidung und Charakterisierung der einzelnen Übertragungskabelmedien: Datenrate in Mbit/s Übertragungsverfahren Maximale Länge in 100m z.b. 10 Base 2 Erläuterung: Maximale Übertragungsrate 10 Megabit pro Sekunde Base = Datenübertragungsart Basisband (auf dem Kabel wird lediglich ein Frequenzbereich genutzt im Gegensatz zu broad für Breitbandübertragung). 2 = Maximale Länge des Kabelsegments in 100 m, d.h. hier Segmentlänge 200 m. Überblick über gebräuchliche Kabelstandards 10-Base-5 - Thick-Net-Ethernet (=Yellow Cable) im Backbone-Bereich 10-Base-2 - = Thin-Ethernet = Cheapernet, 10 Mbit/s Übertragungsrate 10-Base-T - UTP/STP-Verkabelung, 10 Mbit/s Übertragungsrate 100-Broad-F - Lichtwellenleiterverkabelung für den Einsatz von FiberDistributedDataInterface (FDDI) 1000-Base-T - Verkabelungsform mit mindestens Kat5e-Kupferkabel und Übertragungsrate von 1 Gbit/s 1000-Base-SX bzw. LX - Lichtwellenleiterverkabelung mit 1 Gbit/s Übertragungsrate, wobei SX (=ShortWave) Multimode-LWL mit bis zu 550 Meter Kabellänge nutzt, LX (LongWave) im Singlemode- LWL bis 5000 m Kabellänge nutzt. 2. Standard-Ethernet-Verkabelung 10Base5-10Base5, 50-Ohm-Koaxialkabel, meist aus Kupfer, heutzutage veraltet, (meist gelb isoliert = yellow-cable, Dicke 9,5 10,3 mm), um einen Kabelkern (Draht oder Litze), auf dem mittels elektrischer Impulse Daten gesendet und empfangen werden können, befindet sich ein nicht leitender Mantel (Dielektrikum), auf diesem eine Drahtabschirmung, welche zum Schutz gegen äußere Einflüsse mit einer Kunststoffschicht umgeben ist. - Maximallänge eines Kabelsegments 500 m - Mindestabstand zwischen MAUs (= Media-Attachement-Units = Anschlusseinrichtung für eine Ethernet-Station) 2,5 m voneinander, wobei maximal 100 Stationen mit jeweils einem maximal 50 m langen Transceiverkabel (Impedanz 100 Ohm) an einem 10Base5- Kabelsegment hängen können. - Mindestbiegeradius des 10Base5-Kabels 20 cm!
- Terminierung der Kabelenden mit jeweils einem 50-Ohm-Abschlusswiderstand (1 Watt) zur Vermeidung von Signalreflexionen. 3. Thinwire-Ethernet-Verkabelung 10Base2 (= Cheapernet) - 50-Ohm-Kabel RG58A/U oder RG58C/U (Durchmesser 4,7-4,9 mm, Biegeradius mindestens 5 cm), maximale Segmentlänge 185 Meter, wobei bis zu 30 Stationen in einem Mindestabstand von 50 cm zueinander anschließbar sind. - dünner, billiger, leichter verlegbar und es entfällt die Notwendigkeit des Einsatzes von MAUs (Transceiver) und Anschlusskabeln gegenüber Yellowcable, allerdings auch höhere Dämpfung, geringere Störfestigkeit und geringere Reichweite. - Das Koaxkabel wird durchtrennt, mit zwei BNC-Steckern (BNC = Bayonet-Neill- Concelmann) versehen und unmittelbar an der Netzwerkkarte des Rechners mittels eines BNC-T-Stücks durchgeschleift, da der Transceiver auf der PC-Netzwerkkarte integriert ist. - Die Kabelenden sind über einen 50-Ohm-Abschlusswiderstand zu terminieren, um die gestreuten Signale auf dem Buskabel zu absorbieren und eine Reflexion zu vermeiden. - Die Verlängerung der einzelnen Segmente kann über Repeater (= Signalverstärker) zwischen den Segmenten erfolgen, wobei jedoch mit zunehmender Anzahl Arbeitsstationen die Arbeitsgeschwindigkeit des Netzes rapide absinkt. Überblick über Typen von Koaxialkabeln und ihre Einsatzgebiete Kabeltyp Übertragungsart Einsatzgebiet RG-11 Basisband Thick Ethernet RG-58 Basisband Thin Ethernet RG-59 Breitband Kabel-TV RG-62 Basisband ARC-Net Überblick über Bauformen von Koaxialkabeln Kabelbezeichnung Nomin.Impedanz Aufbau RG-58/U 50 Ohm Solider Kern RG-58 A/U 50 Ohm Kern m. verdrillten Adern RG-59 A/C 50 Ohm Kern m.verdr. Adern, bess. Geschirmt RG-59 A/U 75 Ohm Kabel-TV, Breitbandkabel, verdr. Adern RG-62 A/U 93 Ohm ARCNet, verdr. Adern 4. Twisted-Pair-Verkabelung 10BaseT - vieradriges, paarweise verdrilltes Kupferkabel mit Signalpegel zwischen 2,5 Volt und +2,5 Volt. - Nutzung jeweils eines Adernpaares (Durchmesser ca. 0,5 mm) für jede Übertragungsrichtung - maximale Übertragungslänge i.d.r. 100 m, im Einzelfall u.a. abhängig von Art der Abschirmung (Dämpfung!) - Über den Einsatz von Kopplungselementen (z.b. Hubs) lassen sich bis zu 1024 Stationen koppeln. - Vielzahl möglicher Twisted-Pair-Kabelvarianten vorherrschend, z.b. hinsichtlich ihres Aufbaus UTP, FTP, S/UTP, ITP, hinsichtlich der Anforderungen an Kabel und Steckverbinder CAT-1 bis CAT-5, hinsichtlich der Anforderungen an die
Übertragungsbandbreite Kabelklasse A bis F. 4.1. Überblick über die Kabelvarianten hinsichtlich ihres Aufbaus Die Störsicherheit der Kabel hängt ab von der Störleistungsunterdrückung (gemessen in db), welche im Wesentlichen durch die Bauart der Kabel bestimmt wird. 4.1.1. UTP-Kabel -unshielded-twisted-pair-kabel: verdrillte Leitungen, die nicht abgeschirmt sind, bis CAT-5 verbreitet, nur in Bereichen mit geringen Datenübertragungsraten möglich. - Wellenwiderstand 100 Ohm, maximale Kabellänge 100 m Übersicht über Gruppen (=Kategorien) von UTP-Kabeln Kategorie Beschreibung 1 traditionelles Telefonkabel nur Sprachübertragung 2 Datenübertragungsrate <= 4 MBit/s, 4 gedrillte Paare 3 Datenübertragungsrate <= 10 MBit/s, 4 gedr. Paare 4 Datenübertragungsrate <= 16 MBit/s, 4 gedr. Paare 5 Datenübertragungsrate <= 1 GBit/s, 4 gedr. Paare, UTP od. STP 5e od 5+ STP wie Kat 5, aber 155 MHz statt 100 MHz Bandbreite 6 wie Kat 5 ab. Einzelmetallfolienabschirm. D. Adernpaare, 250 MHz Bandbr. 7 wie Kat6, zus. Paare im Drahtgeflecht, 600 MHz Bandbreite 8 1200 MHz Bandbreite 4.1.2. S/UTP-Kabel - screened/unshielded-twisted-pair-kabel: Kabel mit Gesamtschirm zur Abschirmung aus Kupfergeflecht zur Reduktion der äußeren Störeinflüsse. - Wellenwiderstand 100 Ohm 4.1.3. FTP-Kabel - foileshielded-twisted-pair-kabel: Kabel mit Gesamtschirm zur Abschirmung aus alukaschierter Kunststofffolie 4.1.4. S/FTP-Kabel - screened/foileshielded-twisted-pair-kabel: Kabel mit Gesamtschirm zur Abschirmung aus alukaschierter Polyesterfolie mit darüberliegendem Kupfergeflecht. 4.1.5. STP-Kabel - shielded-twisted-pair-kabel: Gesamtabschirmung ohne näher festgelegte Spezifikationen - Wellenwiderstand 150 Ohm 4.1.6. S/STP-Kabel - screened-shielded-twisted-pair-kabel: Abschirmung für jedes Kabelpaar und zusätzliche Gesamtabschirmung zur optimalen Störleistungsunterdrückung und Übersprechunterdrückung
zwischen den einzelnen Adernpaaren. 4.1.7. ITP-Kabel - industrial-twisted-pair-kabel: von vier auf zwei Adernpaare reduzierte industrielle Variante von S/STP. 5. Lichtwellenleiter 5.1. Funktionsprinzip von Lichtwellenleitern Lichtwellenleiter beruhen auf dem Prinzip der Totalreflexion. Nach dem Brechungsgesetz wird Licht beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium vom Einfallslot her weg gebrochen; hierbei wird bei jedem Medienübergang ein Teil des Lichts reflektiert, wobei der Reflexionsgrad vom Einfallswinkel und vom Unterschied der beiden optischen Dichten abhängt. Erreicht der Einfallswinkel einen bestimmten kritischen Wert, gelangt überhaupt kein Licht mehr aus dem Medium mit der höheren Brechzahl heraus. Ein Lichtwellenleiter soll das Licht verlustlos und ohne Impulsverformung über längere Strecken transportieren, weshalb man einen Lichtwellenleiter als optische Röhre konstruiert, an deren Wänden das Licht total reflektiert wird um sich im Inneren der Röhre (= Faser) ungehindert fortzubewegen. 5.2. Prinzipieller Aufbau von Lichtwellenleitern - Einfachster Aufbau: konzentrische optische Kerne mit hoher Brechzahl, umgeben mit einem optischen Mantel kleinerer Brechzahl, wobei das in einem gewissen Winkelbereich eintretende Licht durch fortlaufende Totalreflexion an der Grenze Kern/Mantel weiterbefördert wird. 5.3. Probleme bei Lichtwellenleitern a. Modendispersion: Verbreitung eines Lichtimpulses durch Signallaufzeitunterschiede der Moden (= Eigenwellen), was eine Signalverzerrung zur Folge hat. Unter Licht hohen Modes versteht man Licht, welches in einem Winkel nach dem maximalen Einfallswinkel für den Lichtwellenleiter auftrifft, daher sehr oft im Lichtwellenleiter reflektiert wird und daher einen längeren Weg in längerer Zeit zurücklegt als Licht niedrigen Modes. Analog ist Licht niedrigen Modes Licht, welches in guter Übereinstimmung mit der optischen Achse des Lichtwellenleiters eintrifft und einen geringeren Weg im Lichtwellenleiter zurücklegt. Bei Einfall von Licht mit nicht genau definiertem Einfallswinkel kommt es bis zum Ausgang aus dem Lichtwellenleiter wegen der unterschiedlichen Laufzeiten für jeden Einfallswinkel zu einer Dehnung des Lichtimpulses. b. Chromatische Dispersion: diese setzt sich zusammen aus einerseits der Materialdispersion (= Manteldispersion) und andererseits der Wellenleiterdispersion (= Waveguide Dispersion). Die Materialdispersion ist die Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl eines Materials (d.h. Licht unterschiedlicher Frequenz wird unterschiedlich stark gebrochen) die Wellenleiterdispersion beschreibt die Wellenlängenabhängigkeit der Lichtverteilung zwischen Kern und Mantel. Der Streuverlust eines Lichtwellenleiters nimmt mit zunehmender Wellenlänge ab. Je höher nun die Dispersion in einem Lichtwellenleiter ist, desto geringer ist die nutzbare Übertragungsbandbreite. (Die nutzbare Übertragungsbandbreite ist umgekehrt proportional
zur Dispersion, die Dispersion wird in einer Zeit- zu Längeneinheit (ns/km) angegeben und ist der reziproke Wert des Bandbreitenlängenprodukts, Z.B. Dispersion 5 ns/km > Bandbreite 200 MHz*km). Abhilfemöglichkeiten: Aufbaustruktur der einzelnen Glasfaserkabel ( siehe nachfolgend ) modifizieren. 5.4. Aufbau der verschiedenen Arten von Lichtwellenleiterkabeln 5.4.1. Multimode-Stufenindex-Faser Merkmale: - Multimodefaser mit Stufenprofil - Durchmesser 200 um, Stufenprofil - gleichzeitiger Transport mehrerer Lichtwellen - harte Reflexion des Signals an den Wänden - Verbreiterung durch große Laufzeitunterschiede der Lichtstrahlen je nach Einfallswinkel und Bedämpfung des Ausgangssignals - Bandbreite-Reichweite-Produkt < 100 MHz*km - Dämpfung 20 db/km bei 900 nm Licht - maximale Länge ohne Repeater 1 km - Anwendung: z.b.: Verbindungskabel beim Patchfeld 5.4.2. Multimode-Gradienten-Faser Merkmale: - Multimodefaser mit Gradientenprofil - Durchmesser 50 um oder 62,5 um - gleichzeitiger Transport mehrerer Lichtwellen - weiche Reflexion des Signals an den Wänden -Geringe Verbreiterung des Ausgangssignals, nur geringe Bedämpfung - Bandbreite-Reichweitenprodukt ca. 1GHz*km - Dämpfung 3 db/km bei 850 nm bzw. 1300 nm Wellenlänge (=Lambda) des Lichts - maximale Länge ohne Repeater 10 km - Anwendung: z.b. Verbindungen von Gebäuden oder Etagen 5.4.3. Monomode-Stufenindex-Faser Merkmale: - Monomodefaser (Singlemode-Fasern) - Durchmesser 8 um bis 10 um, daher aufwendige Anschlusstechnik. - gerade Hindurchleitung der Lichtwellen, d.h. nur Lichtstrahlen mit einem ganz bestimmten Einfallswinkel werden übertragen und damit die Dispersion minimiert. - Keine Signalverbreiterung, keine Laufzeitunterschiede, formtreue Impulsübertragung und nur sehr geringe Bedämpfung - Bandbreite-Reichweitenprodukt > 10 GHz*km - Dämpfung 0,1 db/km bei 1300 nm bzw. 1500 nm Lichtwellenlänge - maximale Länge ohne Repeater 50 km - Anwendung: Verbindungen über weite Strecken 5.5. Sender für Lichtwellenleiter-Übertragung - hierfür werden Leuchtdioden (LEDs) im Wellenlängenbereich von 850/860 nm und Laserdioden (LDs) im Wellenlängenbereich von 1300 nm eingesetzt.
5.6. Vor- und Nachteile von Lichtwellenleitern gegenüber anderen Übertragungsmedien 5.6.1. Vorteile von Lichtwellenleitern als Netzwerkleitungen gegenüber metallischen Leitungsmedien: - hohe Übertragungskapazität (Gigabytebereich) - Unempfindlich gegen elektrische/elektromagnetische Störungen, dadurch Parallelverlegung zu anderen Versorgungsleitungen problemlos möglich - keine Störstrahlungen, Keine Kontaktprobleme, keine Masseprobleme - Keine entfernungsbedingten Signalverluste aufgrund Leitungsinduktivitäten, Leitungskapazitäten und Leitungswiderständen - weitgehend frequenzunabhängige Leitungsdämpfung der zu übertragenden Signale - Übertragungsraten sind erweiterbar durch mehrere Trägerwellen mit unterschiedlichen Wellenlängen (Frequenzspektrum) 5.6.2. Nachteile von Lichtwellenleitern gegenüber metallischen Leitungsmedien: - Höhere Materialkosten - Höherer Verlegeaufwand - Hoher Aufwand beim Verbinden verschiedener Leitungsstücke, dem Spleißen (= splicing), da die Glasfasern genau in der optischen Achse plan miteinander verschweißt werden müssen, die Kontaktflächen ohne Verunreinigungen und Kratzer sein muss und die Kontaktflächen sauber geschliffen werden müssen. 6. Stecker, Buchsen und elektrische Beschaltung in Netzwerken 6.1. Stecker, Buchsen und Beschaltung bei Twisted-Pair-Ethernetverkabelung 6.1.1 Stecker - RJ-45 Steckverbinder, geschirmt oder ungeschirmt (RJ = Registered Jack = genormter Stecker) - nur vier der acht Leitungen des RJ-45-Steckers werden verwendet Signalbelegung des RJ-45-Steckers bei Twisted-Pair-Ethernetverbindung für Verbindung zwischen zwei Rechnern oder Vernetzung von Switches (Kaskadierung) untereinander (sog. Crossover-Kabel = gekreuzte Verbindung) STECKER1 STECKER2 Pin1 - Pin3 Senden(+) auf Empfangen (+) Pin2 - Pin6 Senden(-) auf Empfangen (-) Pin3 - Pin1 Empfangen(+) auf Senden(+) Pin6 - Pin2 Empfangen(-) auf Senden(-) oder: STECKER1 STECKER2 Pin1 Signal TX+ ------------- Pin3 Signal RX+ Pin2 Signal TX- ------------- Pin6 Signal RX- Pin3 Signal RX+ ------------- Pin1 Signal TX+ Pin6 Signal RX- ------------- Pin2 Signal TX-
Konfektionierung der RJ-45-Stecker eines typischen Patchkabels zwischen PC und Datendose: (= symmetrisches Kabel = 1:1 aufgelegtes Kabel) Pin1 (Weiß/Orange) Sendesignal+ Pin2 (Orange/Weiß) Sendesignal- Pin3 (Weiß/Grün) Empfangssignal+ Pin4 (Grün/Weiß) Empfangssignal- Signalbelegung des RJ-45-Steckers bei Twisted-Pair-Ethernetverbindung für direkte Verbindung zwischen Rechnern und Kaskadierung von Hubs STECKER1 STECKER2 Pin1 Signal TX+ ------------- Pin3 Signal RX+ Pin2 Signal TX- ------------- Pin6 Signal RX- Pin3 Signal RX+ ------------- Pin1 Signal TX+ Pin6 Signal RX- ------------- Pin2 Signal TX- Steckerbelegung und Adernfarben für Kupferkabeln in Netzen - Standard DIN EN 50173 - vier Kabelpaare möglich: Paar 1 Pin 4, 5 Paar 2: Pin 1, 2 Paar 3: Pin 3, 6 Paar 4: Pin 7, 8 - Verbreitung der Adernpaare erfolgt folgendermaßen: - 10BaseT: Paare 1, 2, 3, 6 (genutzt 2, 3) - 100BaseT4+, 1000BaseT u. VG-Anylan: alle Paare - ISDN: Paare 1, 2 - ATM: Paare 2, 4 - Token-Ring: Paare 1, 3 - Farbbelegung der einzelnen Adern nach zwei Belegungsstandards möglich : Standard EIA/TIA-T-568A Standard EIA/TIA-T-568B PIN Farbe Farbe 1 Weiß/Grün Weiß/Orange 2 Grün Orange 3 Weiß/Orange Weiß/Grün 4 Blau Blau 5 Weiß/Blau Weiß/Blau 6 Orange Grün 7 Weiß/Braun Weiß/Braun 8 Braun Braun
6.1.2 RJ-45-Buchsen - in Ihnen sind Übertrager, Drosseln und Widerstände integriert zur Verbesserung der EMV- Eigenschaften, Einsparung von Leiterplattenplatz und Vermeidung von Layoutfehlern. - Übertrager sorgen für eine Potentialtrennung zwischen Buchse und Restschaltung sowie Störungsausblendung.