Netzwerktechnik

Grundlagen

Übertragung von Daten

Datagramm

Ein Datagramm steht als Oberbegriff für:

• einen Datenframe
• ein Datenpaket
• ein Datensegment

Ein Datagramm ist eine Art von Dateneinheit und hat im OSI-Modell auf den Schichten 2 bis 4 unterschiedliche Bezeichnungen. Auf der Sicherungsschicht (Schicht 2) nennt sich das dortige Datagramm Datenframe. Auf der Vermittlungsschicht (Schicht 3), ist es das Datenpaket und auf der Transportschicht (Schicht 4) das Datensegment.

Definition Netzwerk

Ein Rechnernetz ist ein Zusammenschluss von verschiedenen technischen, primär selbstständigen elektronischen Systemen (insbesondere Computern, aber auch Sensoren, Aktoren, funktechnologischen Komponenten usw.), der die Kommunikation der einzelnen Systeme untereinander ermöglicht. Ziel ist hierbei z. B. die gemeinsame Nutzung von Ressourcen wie Netzwerkdruckern, Servern, Mediendateien, Datenbanken. Wichtig ist auch die Möglichkeit zur zentralen Verwaltung von Netzwerkgeräten, Netzwerkbenutzern, deren Berechtigungen und Daten.

Übertragungsrichtung

Kommunikationsmedien können auch danach charakterisiert werden, in welche Richtung eine Informationsübertragung möglich ist. Man unterscheidet:

Simplex

Die Übertragung kann immer nur in ein und dieselbe Richtung erfolgen (ähnlich wie bei einem Radio).

Halbduplex

Die Übertragung kann zu einem Zeitpunkt immer nur in eine Richtung erfolgen, kann aber in die andere Richtung umgeschaltet werden (ähnlich wie bei einem Walkie-Talkie).

Duplex

Die Übertragung kann in beide Richtungen gleichzeitig erfolgen (ähnlich wie bei einem Telefon). Zur deutlichen Unterscheidung von halbduplex wird hier auch oft von vollduplex gesprochen.

Struktur von Kommunikationsnetzen

Vermittlungseinrichtungen

• Telekom
• Kabeldeutschland

Anschlusarten

• Wählanschlüsse
• Festanschlüsse
• Universal

Datenverbindungen

Leitergebunde Systeme

• Metalische
• Nichtmetallische

Einteilung von Medien

Kupferkabel

Kupferkabel gehören zu den leitungsgebundenenen Übertragungsmedien. Sie sind metallische Leiter und können weiter unterteilt werden in symmetrische Kabel und Koaxialkabel.

• Symetrisches Kabel

• Koaxialkabel

Lichtwellenleiter

Lichtwellenleiter (Abk.: LWL) oder Lichtleitkabel (LLK) sind aus Lichtleitern bestehende oder zusammengesetzte, teilweise konfektionierte, mit Steckverbindungen versehene Kabel und Leitungen zur Übertragung von Licht im sichtbaren sowie ultravioletten oder infraroten Bereich. Lichtleitkabel bilden mehr oder weniger stark biegsame Verbindungen zur Übertragung optischer Signale oder auch hoher optischer Strahlungsleistungen. Die verwendeten Lichtleiter, in denen die Strahlung fortgeleitet wird, bestehen je nach Anwendung aus Mineralglas (meist Kieselglas bzw. Quarzglas), oder organischem Glas (Kunststoff).

Luft

Hier werden elektromagnetische Wellen zu Übertragung verwendet.

• Infrarot
• WLAN
• Mobilfunk
• DECT
• Richtfunk

Übertragungstechnik

• Breitbandtechnik
• Single Cable System
• Dual Cable System
• Breitband-Lan
• Breitband-ISDN

Grundlagen der Signalübertragung

Kenngrößen

• Der Leiterwiderstand und die Leitfähigkeit des Metalls
• Die Dämpfung (frequenzabhängig)
• Kopplungswiderstand
• Rückflussdämpfung

Begriffe

• Leiterwiderstand
• Spezifischer Widerstand
• Elektrische Leitfähigkeit
• Metalle
• Isolatoren
• Hallbleiter

Leitungstheorie

Allgemein lässt sich eine Leitung nur grob mit dem ohmschen Widerstand aus Leitungsquerschnittsfläche, Leitfähigkeit und Länge beschreiben. Sobald die Wellenlänge in der Größenordnung der Leitungslänge liegt oder z. B. Schaltvorgänge auf Leitungen beschrieben werden sollen, reicht dieses stark vereinfachte Modell nicht hin.

Mithilfe der Leitungsgleichungen und den zugehörigen Größen wie Wellenimpedanz, Reflexionsfaktor, Leitungsbelägen und weiteren Parametern, lassen sich Ausgleichsvorgänge auf Leitungen und Wellenerscheinungen berechnen.

Beaufschlagt man eine Leitung mit einem Wechselstrom oder mit einem Strom- oder Spannungspuls, so wird das Signalausbreitungsverhalten auf der Leitung durch ohmsche, kapazitive und induktive Leitungseigenschaften, die komplexen Leitungsbeläge bestimmt.

Sinnvoll wird eine leitungstheoretische Betrachtung in der Regel, wenn die geometrischen Abmessungen der Leitungen die gleiche Größenordnung haben oder länger sind, als die Wellenlänge der Strom- oder Spannungsgröße. Eine Wechselspannung von 1 GHz besitzt im Vakuum eine Wellenlänge von rund 30 cm. Wellenvorgänge spielen auf den Platinen moderner Computer eine große Rolle. Somit wären moderne Computer mit hochfrequenter Taktung ohne Anwendung der Leitungstheorie undenkbar.

Kupferkabel

Koaxialkabel

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

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:

• U/UTP: ungeschirmtes Kabel (Unscreened/Unshielded Twisted Pair),
• F/UTP: Kabel mit Gesamtschirm aus Folie (Foil/Unshielded Twisted Pair),
• U/FTP: paarweise foliengeschirmtes Kabel (Unscreened/Foil Twisted Pair)
  • STP: (Shielded Twisted Pair) alte Bezeichnung
• SF/UTP: Kabel mit Gesamtschirm aus Folie und Geflecht (Screened Foil/Unshielded Twisted Pair),
• S/FTP: paarweise foliengeschirmtes Kabel mit Gesamtschirm aus Geflecht (Screened/Foil Twisted Pair)
  • S/STP (Screened Shielded Twisted Pair) alte Bezeichnung

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).

Dämpfung

Bei jedem Übertragungsmedium muss man gewisse Dämpfungsverluste in Kauf nehmen. Die Dämpfung (Attenuation) ist frequenzabhängig und wächst mit steigender Signalfrequenz.

Kategorie

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.

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.

Übertragungsverfahren	Übertragungsrate [Mbit/s]	Signalfrequenz [MHz]
Ethernet 10Base-T	10	20
Fast-Ethernet 100Base-TX	100	31.25
Fast-Ethernet 1000Base-TX	1000	62,5

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: