Informations- und Kommunikationstechnik

Übertragungsmedien im Ethernet

Im einleitenden Kapitel über IT-Netzwerke sind die meisten Übertragungsmedien der Kommunikationstechnik schon benannt worden. Es ist zwischen leitungsgebundener und nicht leitungsgebundener Übertragungstechnik zu unterscheiden. Erstere nutzt Koaxialkabel, Twisted-Pair-Kabel und Glasfaserkabel und deren Kombinationen. Die leitungsfreie Übertragung erfolgt mittels Funktechnik und in einer speziellen Variante als Bluetooth sowie Infrarot als optische Vermittlung. Dieses Kapitel befasst sich mit leitungsgebundener Übertragung im Ethernet durch Koaxialkabel, Twisted-Pair-Kabel und Lichtwellenleiter / Glasfaserkabel.

Koaxialkabel

Die verbindlichen Beschreibungen oder Spezifikationen des Ethernet sahen anfangs Koaxialkabel zwischen den Komponenten vor. Hierbei wird zwischen Thicknet mit dem Koaxkabel RG 8A/U und Thinnet mit dem Koaxkabel RG 58 unterschieden. Die Impedanz der Koaxialkabel beträgt 50 Ω. Jedes offene Kabelende muss zur Vermeidung von Signalreflexionen mit einem 1 Watt 50 Ω Widerstand abgeschlossen, terminiert werden.

Koaxialkabel arbeiten elektrisch unsymmetrisch. Zwischen der Seele, dem Signal führenden Innenleiter und der äußeren Abschirmung, dem Masse-Bezugspotenzial, besteht ein Potenzialunterschied. Der Außenleiter kann bei sehr langen Kabelsegmenten gegenüber Erdpotenzial als Antenne wirken. Elektromagnetische Störeinflüsse heben sich aufgrund der Asymmetrie im Kabel nicht auf und können die Datenerkennung stören. Neue schnelle Netze werden daher nicht mehr mit Koaxialkabeln aufgebaut. Die Technik existiert noch und wird im Kapitel Ethernettopologie kurz beschrieben.

RG-8 und Terminisierung

 

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Twisted-Pair-Kabel

Diesen Kabeltyp gibt es mit unterschiedlichem Aufbau, der mitbestimmend für die Kabeleigenschaften ist. Allen gemeinsam ist eine symmetrische Datenübertragung auf einem Adernpaar. Der digitale Datenstrom wird so aufbereitet, dass im zeitlichen Mittel der Potenzialunterschied auf dem Adernpaar gegen null geht. Dazu wird das digitale High-Low-Signal der TTL-Logik durch die Manchester-Codierung mit Polaritätsumkehr beim High-Low-Wechsel ersetzt.

Jede Kupferader ist mit Kunststoff ummantelt und kann einen Durchmesser von 0,4 oder 0,6 mm haben. Bei den im Ethernet verwendeten Kabeln sind immer zwei Adern zu einem Adernpaar verdrillt, daher die Bezeichnung twisted = verdreht, pair = Paar. Die meisten Twisted-Pair-Kabel bestehen aus vier Adernpaaren, die nochmals mit anderer Schlagzahl verseilt sind.

Durch die Verdrillung verbessern sich die Übertragungseigenschaften. Die elektromagnetischen Felder des Signalstroms können nur auf kurzen Leitungsabschnitten, die gleichsinnig parallel verlaufen, störend wirken. Der räumliche Wechsel unterdrückt das Übersprechen zwischen den Adernpaaren. Die Felder einer auf das Kabel einwirkenden Störstrahlung führen zu phasen- und amplitudengleichen Signalen auf den Adern. Da am Leitungsende die Signaldifferenz eines jeden Paares ausgewertet wird, heben sich die Störgrößen weitgehend auf. Die Bezeichnung der Twisted-Pair-Kabel gibt Auskunft über die Qualität der Abschirmung.

UTP, U/UTP – Unshielded Twisted Pair

Die einzelnen Adernpaare sind nicht geschirmt und das Kabel hat keine Gesamtschirmung. Dieser Kabeltyp ist für das Ethernet bis 1 Gbit/s geeignet. Es wird hierzulande nicht verwendet. Das UTP-Kabel hat eine Impedanz von 100 Ω. Die maximale Kabellänge beträgt 100 m. Die Störunterdrückung der UTP-Kabel erreicht 40 dB. Die Kabel werden in Kategorien eingeteilt:

Cat-1-Kabel:
Signalfrequenz bis 100 kHz; Verwendung im analogen Telefonnetz und für Alarmsysteme.
Cat-2-Kabel:
Signalfrequenz bis 1,5 MHz; Hausverkabelung für ISDN-Telefonnetze, RS-232-Schnittstelle.
Cat-3-Kabel:
Geeignet bis 16 MHz und 16 Mbit/s; Standardverkabelung in den USA für Ethernet und Telefon.
Cat-4-Kabel:
Geeignet bis 20 Mbit/s; Ethernet Standard in den USA, hier eher ungebräuchlich.
Cat-5-Kabel:
Geeignet bis 100 MHz und 100 Mbit/s; bis vor einigen Jahren das Standardkabel für Ethernet.
Cat-6-Kabel:
Geeignet bis 250 MHz und bis 1Gbit/s.

UTP-Kabel sind relativ dünn, sehr flexibel und lassen sich leicht verlegen. Wegen der fehlenden Schirmung ist ein weiter Abstand zu anderen Strom führenden Leitungen einzuhalten. Es ist besser, abgeschirmte Twisted-Pair-Kabel zu verwenden.

Screened/Unshielded Twisted Pair

Diese Twisted-Pair-Kabel haben eine gemeinsame Außenschirmung. Sie verbessert die Störunterdrückung für einwirkende elektrische Felder auf 60 dB. Nach ISO/IEC-11801 (2002)E werden die Kabel genauer unterschieden in:

S/UTP:
Eine Gesamtschirmung durch Metallgeflecht.
F/UTP:
Eine mit Aluminium kaschierte Kunststofffolie als Gesamtschirm.
SF/UTP:
Metallgeflecht mit darunter liegender metallisierter Folie als Gesamtschirm.

Shielded Twisted Pair

Die Adernpaare sind geschirmt und zusätzlich kann noch eine Gesamtschirmung vorhanden sein. Die Störunterdrückung erreicht Werte bis 90 dB. Nach der ISO/IEC-11801 (2002)E bedeuten die folgenden Bezeichnungen:

PiMF:
Jedes einzelne Paar in metallisierte Folie gehüllt.
ViMF:
Zwei Paare gemeinsam, Vierer in metallisierte Folie gehüllt.
FTP:
In der europäischen Norm EN50173–1 die Bezeichnung für ViMF.
S/FTP:
FTP mit zusätzlichem Gesamtschirm aus Metallgeflecht.
F/FTP:
FTP mit zusätzlicher metallisierter Folie als Gesamtschirm.
SF/FTP:
FTP mit Gesamtschirm aus metallisierter Folie und äußerem Metallgeflecht.
Cat-7:
Ein seit über 10 Jahren existierendes geschirmtes Twisted-Pair-Kabel. Die Adernpaare sind einzeln geschirmt PiMF und insgesamt nochmals von einem Außenschirm S/FTP umgeben. Bis 600 MHz oder als Cat-7a bei voller Schirmung bis 1 GHz und bis zu 10 Gbit/s geeignet. Die Kategorie 7 benötigt spezielle Steckverbindungen, die den RJ-45 ähnlich sind.
Twisted-Pair Kabel

Das Bild zeigt zwei Beispiele für Twisted-Pair-Kabel mit der Farbcodierung nach EIA/TIA (B). Das linke Kabel hat einen Gesamtschirm aus metallisierter Kunststofffolie und äußerem Kupfergeflecht. Die Aderpaare sind ungeschirmt. Im rechten Kabel sind jeweils zwei Aderpaare mit einem metallisierten Folienschirm umgeben, dazu existiert eine Gesamtschirmung mit Metallgeflecht.

ITP ist eine industriell verwendete Twisted-Pair-Kabelvariante. Sie hat statt vier Aderpaare nur zwei Paare, die einzeln mit Geflecht geschirmt sind. Zusätzlich gibt es einen Gesamtschirm aus Metallgeflecht. Vom Aufbau her ein S/STP-Kabel. Der Anschluss erfolgt nicht mit dem modularen RJ-45 System, sondern durch vierpolige M 12 Steckverbinder in D-Codierung.

Twinaxialkabel

Der Aufbau ist einem Koaxialkabel ähnlich, nur dass beim Twinax-Kabel der Innenleiter von einem Paar verdrillter Kupferadern gebildet wird. Sie sind in ein Dielektrikum eingebettet. Das Kabel hat ein Metallgeflecht als Außenschirmung. Twinaxialkabel werden zur verlustarmen Übertragung symmetrischer Signale eingesetzt. Sie haben eine Impedanz von 150 Ω. Zur Anpassung an Twisted-Pair wird ein Balun (balanced-unbalanced) Symmetrierglied notwendig, das auch für die Impedanzwandlung sorgt.

Twinaxial-Kabel

Aderfarben und RJ-45 Steckerbelegung im Ethernet

Es besteht keine einheitliche Farbnorm. Jedes Paar unterscheidet sich durch eine andere Grundfarbe. Beim einzelnen Paar hat die Grundfarbe der Isolierung einer Ader weiße oder andersfarbige Streifen. Die folgende Tabelle zeigt mögliche Farbcodes für die Aderpaare und die Pin-Belegung im RJ-45 Stecker.

Nach EIA/TIA-T568A und T568B) bestehen Standards für das Ethernet, LAN und digitale Telefonnetze, die von drei Organisationen erstellt wurden. Es sind die Electronic Industries Alliance (EIA), Telecommunications Industry Association (TIA) und International Telecommunications Union (ITU).

Die International Elektronical Commission, IEC, definiert seit 1906 Standards und Normen im Bereich Elektrotechnik und Elektronik. Sie regelt auch die Farbkennzeichnung für Kabel der 1998 zurückgezogenen DIN 47100. Die Tabelle zeigt die gängigste Paar/Pin-Belegung nach EIA/TIA-T586B. Nach dem T586A Standard sind die Paare 2 und 3 getauscht.

Adernpaar Pins EIA / TIA IEC
1 4 / 5 blau / weiß weiß / blau
2 1 / 2 weiß / orange rot / orange
3 3 / 6 weiß / grün schwarz / grau
4 7 / 8 weiß / braun gelb / braun

Die RJ-Verbindungselemente für Twisted-Pair-Kabel wurden von den Bell Laboratories in den USA eingeführt und gegen Ende 1970 von der FCC (Federal Communications Commission) standardisiert. Die Buchstaben RJ stehen für Registered Jack. Es handelt sich um ein modulares Verbindungssystem bei dem Stecker und Buchsen mit unterschiedlicher Polzahl mechanisch zusammenpassen. Eine Netzwerkleitung würde mechanisch in eine Telefondose passen. Die elektrische Unverträglichkeit aufgrund des hohen Rufstroms im Telefonnetz kann zur Gerätezerstörung im IT-Netz führen.

Die im deutschen Handel geführten RJ-45 und ISDN RJ-45 Systeme entsprechen der ursprünglichen Norm nach dem RJ-48, RJ-49 oder RJ-61 mit einer Steckerbreite von 11,6 mm. Sie verfügen über 8 Kontaktpositionen, die aber nicht voll belegt sein müssen. Ein mit 8P8C gekennzeichnetes RJ-45 Verbindungssystem ist komplett belegt. Im Ethernet bis 100 Mbit/s reicht RJ-45 mit einer 8P4C Belegung.

Die Tabelle zeigt für einige Netze die den Kontakten (Pins) zugeordneten Signale für das achtpolige RJ-Modularsystem.
Tx = Transmit, Sendesignal; Rx = Receive, Empfangssignal; D = Datensignal; W = Wecker; E = Erdtaste

Anwendung Pin 1 2 3 4 5 6 7 8
10Base-T; 10Base-TX Tx+ Tx− Rx+ Rx−
100Base-T4; 1000Base-T D1+ D1− D2+ D3+ D3− D2− D4+ D4−
Token Ring 2a 1a 1b 2b
ISDN S0 2a 1a 1b 2b
analoge TK (internat.) a2 W a b E b2

Patch- und Cross-over-Kabel

Werden im Netz zwei gleichartige Komponenten durch Twisted-Pair-Kabel verbunden, müssen die Leitungspaare für Senden und Empfangen in den Steckern gegeneinander getauscht sein, da die einzelnen Kanäle nur für eine Aufgabe ausgelegt sind. Das Cross-over-Kabel ist entsprechend konfektioniert und verbindet PC mit PC oder Hub mit Hub bei Anschlüssen, die mit einem Normalport ausgestattet sind.

Patch und Crossover

Unterschiedliche Netzkomponenten, wie zum Beispiel PC und Hub werden mit Patch-Kabel verbunden. Im Patchkabel sind die Pins direkt durchverbunden (straight through). Komponenten wie Hub und Switch mit einem Port für den Uplink werden mit Patchkabel verbunden. Die Signalweiterleitung nach der Buchse erfolgt intern gekreuzt oder wird automatisch erkannt nach Bedarf umschaltet.

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Lichtwellenleiter - Glasfaserkabel

Für sehr hochwertige und breitbandige Netzverbindungen werden zunehmend Lichtwellenleiter (LWL) eingesetzt, wobei nur Glasfaserkabel Verwendung finden. Die in der Audio-Heimtechnik genutzten Fiberoptikkabel mit Kunststoffkern sind ungeeignet.

Den Vorteilen stehen auch Nachteile gegenüber:

Das optische Medium der LWL ist eine extrem reine Quarzglasfaser. Die sich darin ausbreitenden Lichtwellen werden als Moden bezeichnet. Der Mode, die Moden stehen in der Elektronik für Schwingungsformen elektromagnetischer Wellen im Hohlleiter oder LWL. Es wird zwischen Multimodefasern (MMF) und Singlemode-, (SMF) auch Monomode-Fasern unterschieden. Die Multimode-LWL gibt es mit Gradienten- und Stufenindexfasern. SMF-LWL kommen nur als Stufenindexfaser vor.

Die physikalischen Eigenschaften der Quarzglasfasern sind nicht einheitlich. Der Kern hat einen höheren Brechungsindex als das umgebende Mantelmaterial. Bei einer Stufenindexfaser nimmt der Brechungsindex nach außen hin stufenweise ab. Lichtwellen, die Moden werden an der Grenzfläche vom dichteren zum dünneren Medium vom Einfallslot weg in Richtung dichteren Mediums reflektiert. Ein zur Grenzfläche sehr flacher Einfallswinkel führt zur Totalreflexion und das Licht pflanzt sich nur im Kern fort.

Das Dämpfungsverhalten von Quarzglas wird mit zunehmender Wellenlänge kleiner. Die im Material vorhandenen wenigen Wassermoleküle absorbieren Lichtenergie innerhalb bekannter Wellenlängenbereiche und erhöhen dort die Dämpfung. Für die Bereiche 850 nm, 1300 nm und 1550 nm existieren Dämpfungsminima zwischen 1 ... 3 dB/km. Diese optischen Fenster für Infrarotfrequenzen werden bei der LWL-Technik genutzt.
Zum Vergleich: Fensterglas hat einen Dämpfungsfaktor von 50000 dB/km. Am Ende einer 1 m langen Normalglasfaser kommen vom eingespeisten Licht noch 0,3% an.

Als Lichtquellen werden Infrarotdioden und Laserdioden eingesetzt. Eine LED sendet ein Schmalbandspektrum nahe beieinanderliegender Wellenlängen mit breiterem Abstrahlwinkel aus. Dadurch kommt es im LWL zu störenden Dispersionseffekten. Die damit verbundenen Laufzeitunterschiede und Überlagerungen erhöhen die Dämpfung und verbreitern die Signalimpulse. Laserdioden senden eine kohärente Strahlung einer separaten Wellenlänge bei 1300 nm in sehr engem Abstrahlwinkel aus. Ihre Sendeleistung ist im Vergleich zur LED wesentlich höher und die Dämpfungen im LWL viel geringer.

Ein wichtiger Bewertungsparameter für LWL ist deren Bandbreiten-Längenprodukt. Das 100 Mbit/s Ethernet hat eine Kanalbandbreite von 31,25 MHz. Das GBit-Ethernet benötigt 62 MHz Kanalbandbreite. Beträgt das Bandbreitenlängenprodukt eines LWL 100 MHz·km, dann hat ein 3 km langes Glasfaserkabel eine Nutzbandbreite von 33 MHz.

Multimode-Stufenindex-LWL

Die Fasern haben Kerndurchmesser zwischen 100 ... 300 μm bei einem Manteldurchmesser von 200 ... 500 μm. Der Kerndurchmesser ist so groß, dass eine Wellenfront eintreten kann. Für die Moden eines Lichtpulses ergeben sich unterschiedliche Laufzeiten, da sie mit verschiedenen Einfallswinkeln hart reflektiert werden. Daraus folgt, dass der Ausgangspuls verbreitert und in der Amplitude gedämpft ist. Diese LWL sind nicht so teuer und gut geeignet für Verbindungen innerhalb einer Etage zwischen Server, Router, Switch und Patchfeld.

Multimode-Gradientenindex-LWL

Der typische Kerndurchmesser beträgt 50 μm und der Manteldurchmesser 125 μm. Der Brechungsindex ändert sich vom Kern in Richtung Mantel nach einer quadratischen Funktion. Die Lichtmoden werden weich reflektiert. Am Ausgang ist der gesendete Lichtpuls schwach gedämpft und nur wenig verbreitert. Dieser LWL-Typ eignet sich für Gebäudeverkabelung über längere Strecken.

Mono(single)mode-Stufenindex-LWL

Der Kern ist mit einem Durchmesser von 10 ... 5 μm sehr dünn. Der Manteldurchmesser beträgt 100 μm. Das Licht kann diesem extrem dünnen Kern nur noch geradlinig durchlaufen. Der Signalpuls bleibt fast unverändert. Die LWL-Segmente werden für sehr lange Strecken eingesetzt.

Die Liste gibt eine Zusammenstellung der Faserkategorien, die im Ethernet Verwendung finden:

OM1:
Multimode, 62,5 μm oder 50 μm / 125 μm Kern- / Manteldurchmesser
OM2:
Multimode, 50 μm / 125 μm Kern- / Manteldurchmesser
OM3:
Multimode, 50 μm / 125 μm Kern- / Manteldurchmesser, laseroptimiert
OS1/2:
Singlemode, 9 μm / 125 μm Kern- / Manteldurchmesser

Die Netzverkabelung mit LWL benötigt eine Doppelleitung, da ein gleichzeitiges Senden und Empfangen auf einem LWL nicht möglich ist. Der Geräteanschluss erfolgt mit standardisierten Steckern, die es einzeln und zum Doppelstecker zusammensteckbar gibt. Die empfindliche Glasfaser steckt in einem speziellen Führungsröhrchen aus hartem Material, der Ferrule, die vorne sichtbar ist. Das Bild zeigt die gebräuchlichsten Steckertypen, wobei der FDDI-Stecker für das Token-Ring-Netz das älteste System darstellt. Die Fixierung passiert beim ST-Stecker mittels Bajonettring, bei den anderen durch Rastnasen.

LWL-Steckertypen