Wolfgang Lösch

Contact© Wolfgang Lösch

Lokale Netze (LAN) — Verkabelung

Stand: 2007 (weitere Aktualisierung eingestellt)

For all resources, whatever it is, you need more.

R. Callon, The Twelve Networking Truths, April 1996

Kupferkabel

Der Siegeszug von Ethernet begann auf der Basis von Kupferkabeln, zunächst mit dem klassischen Koaxialkabel und dann mit dem sogenannten Twisted-Pair-Kabel, etwas abwertend auch als Telefondraht bezeichnet. Im folgenden werden diese beiden Kabeltypen vorgestellt.

Koaxialkabel

Ein Koaxialkabel (Coaxial Cable) besteht aus einem zentralen Innenleiter, um den konzentrisch eine Isolierschicht (Dielektrikum), ein Außenleiter (Abschirmung) und eine Außenisolierung angebracht sind.

Querschnitt durch ein Koaxialkabel
Koaxialkabel

Aufgrund der Unsymmetrie zwischen den beiden Leitern wird das Koaxialkabel auch als unsymmetrisches Kabel bezeichnet. Das Dielektrikum hat einen großen Einfluß auf die Signalgeschwindigkeit. Die Abschirmung besteht aus einem Kupfergeflecht und/oder einer Aluminiumfolie. Da ein Koaxialkabel sehr hohe Frequenzen übertragen kann, wird es auch Hochfrequenzkabel genannt.

Eine wichtige Kenngröße ist der Wellenwiderstand Z0. Bei jeder (endlich langen) Leitung müssen die Enden mit jeweils einem dem Wellenwiderstand entsprechenden Ohmschen Abschlusswiderstand überbrückt werden, um die Leitung reflexionsfrei zu halten. Praktisch bedeutet dies, dass ein eingekoppeltes Signal an den Kabelenden nicht reflektiert, sondern vernichtet wird. Typische Werte für den Wellenwiderstand sind 50 Ω (klassisches Ethernet), 75 Ω (Breitband-LANs) und 150 Ω (Gigabit-Ethernet).

Symmetrisches Kupferkabel — Twisted Pair

Ein symmetrisches (Kupfer-) Kabel (Balanced Cable), auch Kabel mit verdrillten Leitungspaaren (Twisted Pair) genannt, besteht aus mehreren Adern, die nicht parallel geführt werden, sondern paarweise miteinander verdrillt sind. Durch die Verdrillung wird die gegenseitige Beeinflussung durch induktive und kapazitive Effekte von benachbart liegenden Leitungspaaren verringert. Das Signal wird symmetrisch und erdfrei auf je einem Adernpaar geführt. Die Signalspannung liegt auf diese Weise nicht gegen Erde oder Masse an, sondern lässt sich nur als Differenzspannung zwischen den beiden Adern eines Adernpaares abgreifen.

Symmetrisches Kabel wird in verschiedenen Ausführungen angeboten:

Querschnitte durch ein 2-paariges FTP-Kabel (links) und ein 2-paariges UTP-Kabel (rechts)
Querschnitte durch ein 2-paariges FTP-Kabel (links) und ein 2-paariges UTP-Kabel (rechts)

Im LAN-Bereich werden symmetrische Kabel mit 2 Paaren (4 Adern) oder 4 Paaren (8 Adern) eingesetzt. Bei Neuverkabelungen wird empfohlen, nur noch 4-paariges Kabel zu verwenden. Das 2-paarige UTP-Kabel wird oft mit dem Vierdrahtkabel verwechselt, bei dem alle vier Adern miteinander verdrillt sind (Sternviererverseilung), und das vor allem im Telefonbereich Verwendung findet. Wie beim Koaxialkabel ist auch beim symmetrischen Kupferkabel der Wellenwiderstand Z0 eine wichtige Kenngröße. Typische Werte sind 100 Ω (Ethernet) und 150 Ω (Token Ring).

Expertenstreit: Geschirmt oder ungeschirmt?

Bei Ethernet-Verkabelungen können sowohl geschirmte, als auch ungeschirmte Kabel eingesetzt werden, soweit die Anforderungen an die nachrichtentechnischen Parameter (Frequenzverhalten, Dämpfung, Signallaufzeiten, usw.) erfüllt werden. Den geschirmten Kabeln wird nachgesagt, die Installation und die Wartung seien größer als bei ungeschirmten Kabeln, während den ungeschirmten Kabeln unterstellt wird, sie hätten Mängel bei der Zuverlässigkeit und der Sicherheit. Zunächst könnte man vermuten, dass die Übertragung umso besser verläuft, je mehr Abschirmung vorhanden ist. Dieser Gedanke ist jedoch so nicht richtig. Während bei Koaxialkabeln die Abschirmung als Außenleiter benutzt wird (unsymmetrische Signalausbreitung) und somit für die Übertragung einen wesentlichen Bestandteil darstellt, ist bei symmetrischen Kabeln die Abschirmung für die Übertragung nicht erforderlich und kann unter Umständen sogar zu Störungen führen. Die Abschirmung wirkt beispielsweise wie eine Antenne und kann auf den signalführenden Adernpaaren einen störenden Strom induzieren. Bei der Verwendung von abgeschirmten, symmetrischen Kabeln ist es daher äußerst wichtig, sämtliche Kabel, jeden Stecker und jede Dose lückenlos und durchgehend vom Gerätegehäuse des Senders bis zum Gerätegehäuse des Empfängers abzuschirmen. Darüberhinaus muss das gesamte Abschirmungssystem fachgerecht geerdet werden (Potentialausgleich), insbesondere müssen alle Abschirmungen und Gerätegehäuse mit derselben Erdungsschiene verbunden werden, die auch für die Stromversorgung benutzt wird. Aufgrund der durch die Abschirmung entstehenden Probleme (insbesondere der Erdungsprobleme), werden außer in den D-A-CH-Ländern (Deutschland, Österreich, Schweiz) weltweit praktisch nur ungeschirmte Kabel eingesetzt. In Deutschland herrschen allerdings hohe Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), so dass unter Umständen der Einsatz von geschirmten Kabeln unvermeidbar ist. Ob ungeschirmte Kabel unter EMV-Gesichtspunkten ausreichen, oder ob geschirmte Kabel einzusetzen sind, muss im Einzelfall geprüft werden.

Dämpfung

Bei jedem Übertragungsmedium muss man gewisse Dämpfungsverluste in Kauf nehmen. Die Dämpfung (Attenuation) ist frequenzabhängig und wächst mit steigender Signalfrequenz. Wenn die Signaleingangsleistung mit Sin und die Signalausgangsleistung mit Sout bezeichnet wird, ist das Verhältnis Sin / Sout ein Maß für die Dämpfung des Übertragungsmediums. Meistens verwendet man für das Leistungsverhältnis Sin / Sout die logarithmische Form und drückt dies durch die Einheit dB (dezibel) aus:

Dämpfung = Sin Sout dB = 10 log10 Sin Sout

Neben der Kabeldämpfung d.h. neben der Dämpfung durch das Übertragungsmedium, spielt das Nah-Nebensprechen eine wichtige Rolle. Wenn die Signaleingangsleistung eines Übertragungskanals mit Sin und die hierdurch in einen zweiten Übertragungskanal am Eingang eingekoppelte Leistung mit Snear bezeichnet werden, ist das Verhältnis Sin/Snear ein Maß für die Nah-Nebensprechdämpfung (Near End Crosstalk, NEXT) des aus diesen beiden Kanälen bestehenden Übertragungsweges. Auch hier verwendet man meist die logarithmische Form in dB:

NEXT = 10 log10 Sin Snear

Das Verhältnis von NEXT zur Kabeldämpfung wird als Dämpfungs-Nebensprechdämpfungs-Verhältnis (Attenuation to Crosstalk Ratio, ACR) bezeichnet, d.h. in logarithmischer Form gilt

ACR = NEXT - Dämpfungmax

wobei unter Dämpfungmax die maximal auftretende Dämpfung auf einem der beiden Übertragungskanäle zu verstehen ist.

Kategorien

Für die Klassifizierung von symmetrischen Kabeln gibt es sieben Kategorien (1 bis 7), wobei die Übertragungsqualität mit aufsteigender Nummer zunimmt. Diese Klassifizierung bezieht sich ausschließlich auf nachrichtentechnische Parameter (Frequenzverhalten, Dämpfung, usw.) und macht keine Unterscheidung zwischen geschirmten und ungeschirmten Kabeln. Die folgende Tabelle zeigt die für die Praxis relevanten Kategorien 3 bis 7. Die Kategorien sind rückwärtskompatibel in dem Sinne, dass eine Ethernet-Variante, die z.B. ein Kategorie-3-Kabel benötigt, selbstverständlich auch auf einem Kategorie-5-Kabel lauffähig ist.

Kategorisierung von symmetrischen Kupferkabeln
Kategorie Maximale Übertragungs­frequenz [MHz] Ethernet-Einsatz­gebiete
3 16 10Base-T, 100Base-T2, 100Base-T4
4 20
5 100 100Base-TX, 1000Base-T (eingeschränkt)
5e 100 1000Base-T
6 250
6e 500 10G Base-T (eingeschränkt)
6a 625 10G Base-T
7 600

Ein wesentliches Kriterium für die Auswahl eines Kabels ist die maximale Frequenz, die unter bestimmten Anforderungen übertragen werden kann. Die folgende Tabelle zeigt die Frequenzanforderungen einiger Übertragungsverfahren.

Frequenzanforderungen einiger Ethernet-Varianten
Übertragungsverfahren Übertragungsrate [Mbit/s] Signalfrequenz [MHz]
Ethernet 10Base-T 10 20
Fast-Ethernet 100Base-TX 100 31.25
Fast-Ethernet 100Base-T4 100 12.5

Steckverbindungen

Bei symmetrischen Kabeln der Kategorien 1 bis 6 wird in Ethernet-Umgebungen der 8-polige Steckanschluss RJ45 (Registered Jack) verwendet, der auch als Modular Jack oder Western Plug bezeichnet wird. Die RJ45-Spezifikation wird von der US-amerikanischen Federal Communications Commission (FCC) festgelegt. Neben RJ45 gibt es noch eine Reihe weiterer Stecker-Spezifikationen der FCC. Die folgende Tabelle zeigt einige Beispiele:

Einige Stecker-Spezifikationen der FCC
Stecker-Bezeichnung Anzahl installierter Kontakt­stifte Stift­belegung
RJ10 4 RJ10
RJ11 4
(Positionen 1 und 6 ohne Kontaktstifte)
RJ11
RJ12 6 RJ12
RJ45 8 RJ45
RJ48 10 RJ48
RJ45-Stecker
RJ45-Stecker RJ45-Stecker

RJ45-Stecker gibt es in verschiedenen Qualitätsstufen (bezüglich Frquenzverhalten, Dämpfung, usw.), insbesondere gibt es geschirmte und ungeschirmte Ausführungen. Die Auswahl eines geeigneten RJ45-Steckers erfordert die gleiche Sorgfalt wie die Auswahl des Kabels. Eine gewisse Vereinfachnung bietet hier die weiter unten beschriebene Klasseneinteilung (A bis F), bei der nicht einzelne Kabel oder Stecker betrachtet werden, sondern komplette Übertragungsstrecken. Bei Kabeln der Kategorie 7 reicht der RJ45-Stecker aufgrund der hohen übertragungstechnischen Anforderungen nicht mehr aus. Hier gibt es entsprechende Neuentwicklungen, wie z.B. die Stecksysteme GP45 oder GG45.

Während bei 4-paarigen Kabeln alle 8 Kontakte des RJ45-Steckers belegt sind, muss bei 2-paarigen Kabeln die Belegung der benötigten 4 Kontakte auf das jeweilige Übertragungsverfahren abgestimmnt sein. Die folgende Tabelle zeigt die Kontaktbelegung des RJ45-Steckers für die verschiedenen Ethernet-Varianten:

Kontaktbelegung des RJ45-Steckers für Ethernet
Kontakt Paarbildung mit Kontakt 10Base-T 100Base-TX 100Base-T4 100Base-T2 1000Base-T
1 2 TD+ (Transmit) TD+ (Transmit) TX_D1+ (Transmit) BI_DA+ (Bidirectional) BI_DA+ (Bidirectional)
2 1 TD- (Transmit) TD- (Transmit) TX_D1- (Transmit) BI_DA- (Bidirectional) BI_DA- (Bidirectional)
3 6 RD+ (Receive) RD+ (Receive) RX_D2+ (Receive) BI_DB+ (Bidirectional) BI_DB+ (Bidirectional)
4 5 BI_D3+ (Bidirectional) BI_DC+ (Bidirectional)
5 4 BI_D3- (Bidirectional) BI_DC- (Bidirectional)
6 3 RD- (Receive) RD- (Receive) RX_D2- (Receive) BI_DB- (Bidirectional) BI_DB- (Bidirectional)
7 8 BI_D4+ (Bidirectional) BI_DD+ (Bidirectional)
8 7 BI_D4- (Bidirectional) BI_DD- (Bidirectional)

Für die Farbkodierung der Adernpaare gibt es zwei Industriestandards: EIA/TIA 568A und EIA/TIA 568B (Electronic Industries Alliance / Telecommunications Industry Association). Es ist sinnvoll, in einem Netz durchgehend nur einen dieser Standards zu verwenden.

Farbkodierung nach EIA/TIA 568A (links) und EIA/TIA 568B (rechts)
Farbkodierung nach EIA/TIA 568A Farbkodierung nach EIA/TIA 568B

Belegt man gemäß obiger Tabelle beide Stecker eines Kabels, dann erhält man ein sogenanntes Straight-through-Kabel. Nun muss jedoch für die Datenübertragung das Transmit-Paar des Senders mit dem Receive-Paar des Empfängers verbunden werden (und umgekehrt). Aus diesem Grund wird bei zentralen Netzkomponenten (z.B. Hubs und Switches) intern im Gerät ein sogenanntes Crossover vorgenommen. Auf diese Weise ist es möglich, ein Endgerät (z.B. einen PC) über ein Straight-through-Kabel mit einem Hub zu verbinden. Will man jedoch zwei Endgeräte direkt miteinander vebinden, muss die Crossover-Funktion im Kabel erfolgen und man benötigt hierfür ein Crossover-Kabel, bei dem die entsprechenden Aderpaare bei der Steckerbelegung vertauscht sind. Die folgende Abbildung zeigt die Crossover-Steckerbelegung für ein 2-paariges Kabel.

Crossover-Steckerbelegung für ein 2-paariges Kabel
Crossover-Steckerbelegung für ein 2-paariges Kabel

Lichtwellenleiter — Glasfaser

Ein Lichtwellenleiter (LWL) ist eine sehr feine zylindrische Glasfaser (Optical Fiber). Die Faser besteht aus einem Kern (Core) und einem Mantel (Cladding) und ist zum Schutz noch in eine Kunststoffhülle (Coating) eingebettet. Bei der Übertragung bedeutet ein Lichtimpuls eine 1 und kein Lichtimpuls eine 0.

Physikalische Grundlagen

Wesentliche Eigenschaften der Glasfaser werden durch deren Brechzahl n (Brechungsindex) geprägt. Die Brechzahl n eines Mediums ist eine von der Lichtfrequenz abhängige Materialkonstante und gibt das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c0 = 300000 km/s) zur Licht(phasen)geschwindigkeit c im betreffenden Medium an, d.h.

n = c0 c .

Der Begriff Brechzahl kommt ursprünglich daher, dass der aus dem Vakuum in ein Medium eintretende Lichtstrahl gebrochen wird, wobei das sogenannte Brechungsgesetz erfüllt wird:

n = sinα sinβ
Brechungsgesetz für einen Lichtstrahl
Brechungsgesetz für einen Lichtstrahl

Die Brechzahl n ist außerdem ein Maß für die sogenannte optische Dichte. Ein Medium mit hoher Brechzahl n wird somit als ein Medium mit hoher optischer Dichte bezeichnet.

Glas hat im Frequenzbereich des sichtbaren Lichtes ungefähr die Brechzahl n ≈ 1.5, so dass sich in Glas das Licht mit der Geschwindigkeit

c = c0 n 300 000kms 1.5 = 200 000kms

ausbreitet.

Der Kern der Glasfaser hat eine etwas höhere optische Dichte als der Mantel, d.h. seine Brechzahl ist größer als die des Mantels. Dies führt dazu, dass alle Lichtstrahlen (in diesem Zusammenhang auch als Lichtmoden bezeichnet), die innerhalb des sogenannten Akzeptanzwinkels von außen in den Kern eintreffen, an der Grenze zwischen Kern und Mantel total (d.h. nach innen zurück) reflektiert werden und den Kern nicht mehr verlassen können, vorausgesetzt die Faser wird beim Verlegen nicht zu stark gebogen. Da Luft die Brechzahl n ≈ 1 besitzt, verhält sich Licht im Medium Luft näherungsweise gleich wie im Vakuum.

Ausbreitung einer Lichtmode
Ausbreitung einer Lichtmode

Es werden 3 Arten von Fasern unterschieden:

Da die Abkürzung MMF leicht mit Monomodefaser verwechselt werden kann, wird im folgenden auf den Gebrauch der Abkürzungen MMF und SMF verzichtet.

Stufenindexfaser

Bei der Stufenindexfaser ist der Radius des Kerns genügend groß, so dass sehr viele Moden zur Signalübertragung beitragen. Die Brechzahl nK des Kerns ist geringfügig höher als die Brechzahl nM des Mantels, d.h. nK > nM. Der Unterschied zwischen nK und nM ist sehr gering, z.B. nK = 1.52 und nM = 1.50.

Längsschnitt durch eine Stufenindexfaser
Längsschnitt durch eine Stufenindexfaser

Die Tatsache, dass aufgrund verschieden langer Wege die Moden unterschiedlich lange Laufzeiten in der Faser haben, führt dazu, dass ein Eingangsimpuls zeitlich verschmiert, d.h. verbreitert wird. Dieser Effekt wird als Modendispersion bezeichnet. Bei Stufenindexfasern beträgt die Modendispersion etwa 50 ns/km.

Gradientenfaser

Bei der Gradientenfaser ist ebenfalls der Radius des Kerns genügend groß, so dass sehr viele Moden zur Signalübertragung beitragen. Die Brechzahl des Kerns ist jedoch abhängig vom Radius. Die Brechzahl hat im Zentrum des Kerns den Wert nK und nimmt dann nach außen hin kontinuierlich ab. Der Profilverlauf gleicht einer umgekehrten Parabel, die im Zentrum des Kerns ihr Maximum einnimmt. An der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel ist die Brechzahl auf nM abgesunken und geht damit nahtlos in den Mantel über.

Der parabolische Profilverlauf der Brechzahl n im Kern führt zu sinusförmigen Strahlenwegen, die die Modendispersion erheblich reduzieren. Zwar müssen auch jetzt die Moden verschieden lange Wege durchlaufen. Da jedoch die Brechzahl im Kern für zunehmende Abstände von der Kernachse kleiner wird, ist die Lichtgeschwindigkeit der achsenfernen Moden größer als die der achsennahen Moden und alle Laufzeiten bleiben etwa gleich groß. Typische Werte für die Modendispersion liegen bei 0.5 bis 1 ns/km.

Längsschnitt durch eine Gradientenfaser
Längsschnitt durch eine Gradientenfaser

Mono-/Singlemodefaser

Bei der Monomodefaser oder Singlemodefaser ist der Radius des Kerns so klein, dass praktische nur eine Mode zur Signalübertragung beiträgt. Ansonsten zeigt die Brechzahl einen ähnlichen stufenförmigen Verlau wie bei der Stufenindexfaser. Durch die Reduzierung der Moden auf eine einzige geradlinige Mode kann man die Modendispersion nahezu ausschalten.

Längsschnitt durch eine Monomode-/Singlemodefaser
Längsschnitt durch eine Monomode-/Singlemodefaser

Außer der Modendispersion gibt es noch eine weitere Dispersion, die zur Verbreiterung eines Eingangsimpulses beiträgt, die Materialdispersion. Darunter versteht man die Tatsache, dass aufgrund der wellenlängenabhängigen Brechzahl die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium ebenfalls wellenlängenabhängig ist. Es ist jedoch kein optischer Sender bekannt, der rein monochromatisches Licht abstrahlt. Man wird also versuchen, möglichst einen Sender zu finden, der Licht mit einer kleinen Spektralbreite erzeugt.

Als optischer Sender (elektro-optischer Wandler) ist bei Stufenindexfaser und Gradientenfasern die preiswertere Leuchtdiode (Light Emitting Diode, LED) üblich, während bei Singlemodefaser wegen der schwierigen Lichteinkopplung die teurere LASER-Diode (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, LASER) notwendig wird. Eine Leuchtdiode hat eine Spektralbreite von etwa 40 nm und koppelt 0.025 mW = -16 dBm in eine 50-µm-Gradientenfaser. Eine LASER-Diode hat eine Spektralbreite von etwa 3 nm und koppelt 1 mW = 0 dBm in eine 50-µm-Gradientenfaser und 0.5 mW = -3 dBm in eine Singlemodefaser.

Dämpfung

Ein Problem bei Glasfaser stellen die Verluste durch Dämpfung dar. Da die Dämpfung von der Länge des Lichtwellenleiters abhängt, wird sie üblicherweise in dB/km angegeben. Es gibt nur drei Wellenlängenbereiche, die sogenannten Wellenlängenfenster oder optischen Fenster, in denen die Dämpfung ausreichend gering ist: bei etwa 850 nm, 1300 nm und 1550 nm (jeweils bezogen auf Vakuumwellenlängen). Das sichtbare Licht reicht von 390 nm (blau) bis 760 nm (rot). Die drei Wellenlängenfenster liegen also im Infrarotbereich.

Die drei im Infrarotbereich liegenden optischen Fenster (unterer Graph: Singlemode-Faser, oberer Graph: Multimode-Faser)
Optische Fenster

Bandbreitenlängenprodukt

Die Übertragungskapazität einer Glasfaser hängt im wesentlichen von der Fähigkeit ab, möglichst viele Lichtimpulse pro Zeiteinheit einspeisen und übertragen zu können. Diese Impulsfrequenz wird in MHz oder GHz angegeben und eine Faser ist umso besser, je höher die Impulsfrequenz gewählt werden kann. Bedingt durch die verschiedenen Arten von Dispersion (Modendispersion, Materialdispersion), die bei einer Übertragung auftreten, kann die Impulsfrequenz nicht beliebig erhöht werden, da sonst die beim Empfänger ankommenden Signale so ineinanderlaufen, dass sie nicht mehr als separate Impulse registrierbar sind. Da nun ein Impuls umso stärker verschmiert oder verbreitert wird, je länger er unterwegs ist, d.h. je länger die Glasfaserstrecke ist, muss die Impulsfrequenz entsprechend herabgesetzt werden, um einen genügend großen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen zu gewährleisten. Das Produkt aus maximaler Impulsfrequenz und Länge der Glasfaser wird als Bandbreitenlängenprodukt bezeichnet und ist neben der Dämpfung eine weitere wichtige Kenngröße für die Qualität einer Glasfaser. Aufgrund der hohen Güte der Singlemodefaser verzichtet man hier in der Regel auf die Angabe dieser Größe und beschränkt sich auf die Dämpfungswerte.

In der folgenden Tabelle sind die Werte einiger Glasfasertypen angegeben.

Einige Kenngrößen für Glasfasern
Kern­durch­messer(*) in µm Dämpfung in dB/km Band­breiten­längen­produkt in MHz⋅km
850 nm 1300 nm 1550 nm 850 nm 1300 nm 1550 nm
Gradienten­faser 62.5 3.0 - 3.5 0.8 - 1.0 200 - 400 400 - 800
50 2.4 - 2.8 0.6 - 0.8 400 - 600 500 - 1200
Singlemode­faser 9 0.35 - 0.4 0.2 - 0.3
(*)Der Manteldurchmesser beträgt in allen Fällen jeweils 125 µm

Eine Faser mit einem Bandbreitenlängenprodukt von 1200 MHz⋅km und einer Faserlänge von 1000 m verkraftet also eine Impulsfrequenz von 1200 MHz. Bei einer Faserlänge von 500 m kann sogar mit einer Impulsfrequenz von 2400 MHz übertragen werden. Umgekehrt muss bei einer Faserlänge von 2000 m die Impulsfrequenz jedoch auf 600 MHz gedrosselt werden.

Kategorien

Für die Klassifizierung von Gradientenfasern gibt es drei Kategorien OM1, OM2 und OM3 (OM steht für Optical Multimode). Für Singlemodefasern gibt es nur die Kategorie OS1 (OS steht für Optical Singlemode). Die folgende Tabelle gibt einen Überblick:

Kategorisierung von Glasfasern
Kategorie Kern­durch­messer [µm] Maximale Dämpfung [dB/km] Minimale Bandbreite [MHz·km] (bei Leuchtdiode) Ethernet-Einsatzgebiete
850 nm 1300 nm 1550 nm 850 nm 1300 nm
OM1 50 / 62.5 3.5 1.5 200 500 10Base-FL/FP/FB (OF-2000 bei 850 nm),
100Base-FX (OF-2000 bei 1300 nm),
1000Base-LX (OF-500 bei 1300 nm),
10GBase-LX4 (OF-300 bei 1300 nm)
OM2 50 / 62.5 3.5 1.5 500 500 10Base-FL/FP/FB (OF-2000 bei 850 nm),
100Base-FX (OF-2000 bei 1300 nm),
1000Base-SX (OF-500 bei 850 nm),
1000Base-LX (OF-500 bei 1300 nm),
10GBase-LX4 (OF-300 bei 1300 nm)
OM3 50 3.5 1.5 1500
(bei LASER-Diode: 2000)
500 10Base-FL/FP/FB (OF-2000 bei 850 nm),
100Base-FX (OF-2000 bei 1300 nm),
1000Base-SX (OF-500 bei 850 nm),
1000Base-LX (OF-500 bei 1300 nm),
10GBase-SR/SW (OF-300 bei 850 nm),
10GBase-LX4 (OF-300 bei 1300 nm)
OS1 1 (bei 1310 nm) 1 1000Base-LX (OF-2000 bei 1310 nm),
10GBase-LX4 (OF-2000 bei 1310 nm),
10GBase-LR/LW (OF-2000 bei 1310 nm),
10GBase-ER/EW (OF-2000 bei 1550 nm)

Steckverbindungen

Es gibt mehrere Typen von LWL-Steckverbindern, z.B. ST (Straight Tip), SC (Subscriber Connector), MIC (Media Interface Connector) oder FDDI (Fiber Distributed Data Interface). Bei Ethernet findet man üblicherweise ST- und SC-Stecker vor, wobei die älteren ST-Stecker bei Neuverkabelungen in der Regel nicht mehr eingesetzt werden. ST-Stecker verbinden jeweils eine Faser. Die Verbindung erfolgt durch einen Bajonett-Verschluss. SC-Stecker werden meist als Duplex-Stecker eingesetzt und verbinden somit zwei Fasern. Die Verbindung erfolgt einfach durch Aufstecken.

Glasfaser-Stecker
Glasfaser-Stecker

Verkabelung

Im Folgenden wird beschrieben, wie man aus Kabeln und verschiedenen Netzkomponenten sinnvolle Netzstrukturen aufbauen kann. Bei den Netzkomponenten ist zu unterscheiden zwischen passiven Netzkomponenten (z.B. Patch- oder Rangierfeld, Spleißbox) und aktiven Netzkomponenten (z.B. Hub, Switch, Router). Die Funktionsweise der gängigsten aktiven Netzkomponenten wird erst später vorgestellt (siehe Kapitel Ethernet-Netzstrukturen, Ethernet-Brücken, Switches und VLANs und IP-Router und L3-Switches).

Topologien

Die Art und Weise, wie Stationen in einem Netzwerk geometrisch angeordnet und durch Kabel verbunden sind, wird als die Topologie oder die geometrische Struktur des Netzwerkes bezeichnet. Hierbei sind selbstverständlich nicht die Kabel für die Stromversorgung gemeint, sondern die Kabel, die als Übertragungsmedium für die Datenkommunikation dienen.

Bustopologie

In einer Bustopologie sind alle Stationen i.a. passiv an ein gemeinsames, lineares Übertragungsmedium angekoppelt. Die Signalausbreitung erfolgt von der sendenden Station ausgehend in beide Richtungen. Das Übertragungsmedium muss an den beiden Endpunkten elektrisch abgeschlossen werden.

Bustopologie
Bustopologie

Ringtopologie

In einer Ringtopologie sind alle Stationen so aufeinanderfolgend angeordnet, dass die gesamte Anordnung einen geschlossen Pfad ergibt. Die Signalausbreitung erfolgt von der sendenden Station ausgehend in eine festgelegte Richtung und die Stationen sind i.a. aktiv an das Übertragungsmedium angekoppelt.

Ringtopologie
Ringtopologie

Sterntopologie

In einer Sterntopologie sind alle Stationen durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit einem zentralen Knoten verbunden. Dieser Knoten wird auch als Sternverteiler, Sternkoppler, Konzentrator oder Hub bezeichnet. Er kann aktiv oder passiv an das Übertragungsmedium angekoppelt sein.

Sterntopologie
Sterntopologie

Baumtopologie

In einer Baumtopologie werden ausgehend von einer Kopfstelle (Head End) die einzelnen Stationen über Verzweigungsstationen (Splitter) erreicht. Eine Verzweigungsstation kann aktiv oder passiv ausgelegt sein.

Baumtopologie
Baumtopologie

Strukturierte Gebäudeverkabelung

Ausgangspunkt für die strukturierte Gebäudeverkabelung ist eine sternförmige Topologie, die hierarchisch in drei Bereiche aufgeteilt wird.

Strukturierte Gebäudeverkabelung
Strukturierte Gebäudeverkabelung

Verkabelungs-Hierarchie

Primärverkabelung:
Standortverkabelung (Campus Backbone Cabling) mit einem zentralen Standortverteiler (SV) (Campus Distributor, CD). Die Standortverkabelung verbindet den Standortverteiler mit den Gebäudeverteilern und beinhaltet das Datenkabel mit den Anschlusskomponenten an beiden Enden sowie die Rangierkabel (Patch Cord) beim Standortverteiler. Die Standortverkabelung kann entweder in Kupfer- oder in Lichtwellenleitertechnik ausgeführt werden. Wenn das Kabel ausserhalb des Gebäudes geführt wird, sollte zur Potentialentkopplung (z.B. bei Gewitter) LWL-Kabel verwendet werden. Der Standortverteiler besteht aus einem einfachen Verteilerschrank, aus mehreren Schränken oder sogar aus einem ganzen Raum und kann mit einem Gebäudeverteiler kombiniert werden. Es wird nicht empfohlen einen Etagenverteiler und einen Standortverteiler zu kombinieren.
Sekundärverkabelung:
Gebäudeverkabelung (Building Backbone Cabling) mit jeweils einem Gebäudeverteiler (GV) (Building Distributor, BD) pro Gebäude. Die Gebäudeverkabelung beinhaltet das Datenkabel mit den Anschlusskomponenten an beiden Enden sowie die Rangierkabel im Gebäudeverteiler. Die Gebäudeverkabelung verbindet den Gebäudeverteiler mit den Etagenverteilern und kann entweder in Kupfer- oder in Lichtwellenleitertechnik ausgeführt werden. Der Gebäudeverteiler stellt einen zentralen Punkt im Gebäude dar und besteht aus einem einfachen Verteilerschrank, aus mehreren Schränken oder aus einem ganzen Raum und kann mit einem Etagenverteiler kombiniert werden.
Tertiärverkabelung:
Etagenverkabelung (Horizontal Cabling) mit jeweils einem Etagenverteiler (EV) (Floor Distributor, FD) pro Etage. Die Etagenverkabelung beinhaltet das Datenkabel mit den Anschlusskomponenten an beiden Enden sowie die Rangierkabel im Etagenverteiler. Die Etagenverkabelung verbindet den Etagenverteiler mit den Anschlussdosen und kann entweder in Kupfer- oder in Lichtwellenleitertechnik ausgeführt werden. Der Etagenverteiler stellt einen zentralen Punkt in einer Etage dar und besteht aus einem einfachen Verteilerschrank, aus mehreren Schränken oder aus einem ganzen Raum. Bei Etagen von mehr als 1000 qm Fläche kann es sinnvoll sein, pro Etage mehrere Etagenverteiler zu installieren.

In der Praxis können Standort-, Gebäude- und Etagenverteiler entweder als passive Netzkomponenten (z.B. Patch- oder Rangierfeld, Spleißbox) oder als aktive Netzkomponenten (z.B. Hub, Switch, Router) ausgeführt werden. Passive Verteiler sind in der Regel jedoch keine echten Verteiler, da sie lediglich mehrere Kabel bündeln (vgl. die im folgenden beschriebenen Sammelpunkte). Von echter Verteilung kann man eigentlich nur bei aktiven Verteilern sprechen, da sie die über ein Kabel eintreffenden Signale über mehrere oder alle angeschlossenen Kabel weitersenden.

Die Tertiär- oder Etagenverkabelung endet in Telekommunikations-Anschlussdosen (TA) (Telecommunication Outlets, TO), die an der Wand, in einem Kanal oder in einem Bodentanksystem installiert sein können. Der Anschluss eines Endgerätes an eine derartige Dose erfolgt mit einem Geräteanschlusskabel (Work Area Cable). Ein einfacher Arbeitsplatz sollte mindestens von zwei Anschlussdosen versorgt werden.

In einer Etage können noch Sammelpunkte (SP) (Consolidation Points, CP) zwischen Anschlussdosen und Etagenverteiler geschaltet werden. Der Sammelpunkt ist ein kleines Gehäuse oder ein kleiner Verteiler und bündelt die Kabel, die von den Anschlussdosen kommen. Dies bietet sich bei sehr großen Etagen an, um zu vermeiden, dass zu viele Kabel beim Etagenverteiler auflaufen. Der Sammelpunkt ist eine rein passive Komponente.

Übertragungsstrecken

Eine Übertragungsstrecke (Link) verbindet eine aktive Netzkomponente (z.B. Hub, Switch, Router) mit einem Endgerät (z.B. PC, Server) oder mit einer anderen aktiven Netzkomponente und umfasst das (in der Regel stationär verlegte) Übertragungskabel, die erforderlichen Rangierkabel und Geräteanschlusskabel und sämtliche passiven Anschlusskomponenten (z.B. Stecker und Dosen). Die genaue Festlegung der Kabel und der Anschlusskomponenten erfolgt über die nachrichtentechnisch relevanten Parameter wie z.B. Frequenzverhalten und Dämpfung.

Die Länge einer Übertragungsstrecke im Tertiärbereich sollte 100 m nicht überschreiten, d.h. zwischen einem Endgerät und einem aktiven Etagenverteiler sollte die gesamte Kabellänge (inkl. Rangier- und Anschlusskabel) nicht größer als 100 m sein. Die Länge einer Übertragungsstrecke über alle drei Bereiche sollte 2000 m nicht überschreiten, d.h. zwischen einem Endgerät und dem aktiven Standortverteiler (mit passiven bzw. ohne zwischengeschalteten Etagen- und Gebäudeverteilern) sollte die gesamte Kabellänge nicht größer als 2000 m sein. Die maximalen Einzellängen im Primär- und Sekundärbereich sind abhängig von der Kabelqualität bzw. von der Anzahl der Steck- oder Spleißverbindungen und können über Berechnungstabellen ermittelt werden.

Symmetrisches Kupferkabel

Für eine Übertragungsstrecke aus symmetrischem 100-Ω-Kupferkabel (inkl. Anschlusskabel, Rangierkabel und passive Anschlusskomponenten), gibt es sechs Anwendungsklassen A bis F. Die Anwendungsklassen werden über die nachrichtentechnisch relevanten Parameter wie Frequenzverhalten, Dämpfung, Nah-Nebensprechdämpfung (Near End Crosstalk, NEXT), Fern-Nebensprechdämpfung (Far End Crosstalk, FEXT), Dämpfungs-Nebensprechdämpfungs-Verhältnis (Attenuation to Crosstalk Ratio, ACR), Signallaufzeit u.a. definiert.

Die für die Praxis relevanten Klassen D (bis maximal 100 MHz), E (bis maximal 250 MHz) und F (bis maximal 600 MHz) sind in der folgenden Tabelle mit Angaben zu einigen der wichtigsten Parameter aufgelistet. Die Angaben beziehen sich jeweils auf eine komplette Übertragungsstrecke.

Klassifizierung von Übertragungsstrecken mit symmetrischen Kabeln
Klasse Übertragungs­frequenz [MHz] Maximale Dämpfung [dB] Minimaler NEXT-Wert [dB] Maximale Signal­lauf­zeit [μs]
D 100 24.0 30.1 0.548
E 100 21.7 39.9 0.548
250 35.9 33.1 0.546
F 100 20.8 62.9 0.548
250 33.8 56.9 0.546
600 54.6 51.2 0.545

Generell kann man davon ausgehen, dass für eine Übertragungsstrecke der Klasse D ein Kabel der Kategorie 5e, für eine Übertragungsstrecke der Klasse E ein Kabel der Kategorie 6 und für eine Übertragungsstrecke der Klasse F ein Kabel der Kategorie 7 ausreicht.

Lichtwellenleiter

Ähnlich wie bei der Kupferverkabelung hat man auch für Glasfaser-Übertragungsstrecken ein Klassenmodell mit den Klassen OF-300, OF-500 und OF-2000 definiert (OF steht für Optical Fiber).

Klassifizierung von Übertragungsstrecken mit Lichtwellenleitern
Klasse Maximale Länge [m] Maximale Dämpfung [dB]
Gradientenfaser Singlemodefaser
850 nm 1300 nm 1310 nm 1550 nm
OF-300 300 2.55 1.95 1.8 1.8
OF-500 500 3.25 2.25 2.0 2.0
OF-2000 2000 8.5 4.5 3.5 3.5

Collapsed Backbone

Wenn man die Gebäudeverkabelung (Building Backbone), die oft auch als Distributed Backbone bezeichnet wird, gewissermaßen auf einen Punkt zusammenzieht und die Etagenverteiler zusammen mit dem Gebäudeverteiler in einem Punkt konzentriert, gelangt man zum Collapsed Backbone. Die Topologie eines Collapsed Backbone ist demnach ein Stern, der sich ohne Etagenunterverteilung über das gesamte Gebäude erstreckt.

Collapsed Backbone
Collapsed Backbone

Bei nicht zu großen Gebäuden setzt sich der Collapsed Backbone immer mehr gegenüber der oben beschriebenen strukturierten Gebäudeverkabelung durch. Wenn man die Standortverkabelung einbezieht, handelt es sich natürlich immer noch um eine strukturierte Verkabelung, deren Hierarchie allerdings nur noch aus zwei Ebenen besteht.

Fiber to the Desk – Fiber to the Office

Bei Verkabelungen mit Glasfaser sind vor allem zwei Konzepte interessant: Fiber to the Desk und Fiber to the Office.

Bei Fiber to the Desk werden die Endgeräte mit Netzwerkkarten ausgestattet, die über optische Anschlüsse verfügen. Die Glasfaser verläuft somit durchgängig vom Etagenverteiler bzw. vom zentralen Gebäudeverteiler über die (optischen) Dosen in den Büros bis zum Endgerät.

Bei Fiber to the Office endet die Glasfaser im Büroraum. Von dort geht es dann über einen Medienkonverter, der von Glas auf Kupfer umsetzt, mit einem Kupferkabel weiter bis zum Endgerät. Der Medienkonverter ist meist als aktive Komponente in Form eines sogenannten Workgroup-Hubs oder Workgroup-Switches ausgelegt. Auf diese Weise können in einem Büroraum mehrere Endgeräte über preiswerte Kupferkabel angeschlossen werden. Weitere Einsparungen erhält man dadurch, dass bei Einsatz eines Medienkonverters pro Büroraum jeweils nur eine Glasfaserstrecke (Glasfaserpaar) und nur ein optischer Anschluss im Etagen- bzw. Gebäudeverteiler notwendig sind.

Da zentrale Glasfaseranschlüsse teuer sind, werden die (aktiven) Etagen- bzw. Gebäudeverteiler (Hub, Switch) häufig in Kupfertechnik ausgeführt. Ein vorgeschalteter Medienkonverter setzt dann von Kupfer auf Glasfaser um.