Grundlagen Computernetze Prof. Jürgen Plate

Übertragungsmedien

Für die Anwendung im Netz wesentlich wichtiger ist der Wechselstromwiderstand des Kabels. Wenn wir ein kurzes Leitungsstück betrachten, bildet die Leitung eine Induktivität L, die in Serie zum ohmschen Widerstand liegt. Die nebeneinanderliegenden Leiter und der Rückleiter bilden eine Kapazität C. Schließlich gibt es zwischen beiden Leitern noch einen sehr hohen Isolationswiderstand G. Man kann das Leiterstück also durch eine Ersatzschaltung wie im Bild annähern.

Das Kabel setzt sich dann aus vielen dieser kleinen Schaltungen zusammen, die hintereinandergeschaltet sind. Betrachtet man das Leitungsstück dx, in dem der Strom I(x,t) fliesst, so ergibt sich ein Spannungsabfall U(x,t) über L und R nach dem ohmschen Gesetz die linke Gleichung. Mit der Knotenregel erhalten wir ausserdem die rechte Gleichung:

Differenziert man die erste Gleichung nach x und eliminiert man den Term dI/dx bleibt eine Differentialgleichung für die Spannung U(x) übrig, die sogenannte Telegraphengleichung (analog läßt sich das für den Strom erledigen):

Als Lösung erhalten wir gedämpfte Wellen entlang des Leiters:

γ nennt man "komplexe Dämfungskonstante". Ihr Realteil α beschreibt die Dämpfung, der Imaginärteil β die Wellenzahl. Für eine verlustfreie Leitung mit R = 0 und G = 0 gilt α = 0 sowie:

Man nennt das Verhältnis von Spannung zu Strom in der Leitung analog dem ohmschen Gesetz "Wellenwiderstand" oder "Wellenimpedanz" Z. Durch Einsetzen der Gleichung erhält man:

Für den Fall einer sogenannten Widerstandsdämpfung (R > 0, aber G = 0) erhalten wir:

Damit ist für ω = R/L die Wellenzahl β nicht mehr genau proportional zu ω, sondern etwas größer. Die Phasengeschwindigkeit ω/β wird frequenzabhängig kleiner, d.h. wir haben "Dispersion"; Signale werden verzerrt übertragen. Auch Z ist dann frequenzabhängig und wird für kleine Frequenzen größer. Für hohe Frequenzen verschwindet die Dispersion.

Für die oben stehenden Gleichungen gilt, daß bei hohen Frequenzen die induktive Reaktanz viel größer ist als der ohmsche Widerstand (ωL >> R). Es wird ferner angenommen, daß die Ableitung verschwindend gering ist (G = 0). Es gilt:

Nach dieser Gleichung scheint α frequenzabhängig zu sein.

Hier kommt jedoch ein anderer Effekt zu Tage. Der "Skineffekt" bewirkt, dass die Stromdichte an der Oberfläche eines metallischen Körpers nach innen exponentiell abnimmt. Durch das elektromagnetische Feld des Stromes entstehen Wirbelströme im Leiter, durch welche ein nicht leitender Bereich in der Leitung entsteht. Der Leiterquerschnitt wird effektiv verringert und somit der Widerstand erhöht. Ein Gleichstrom I erzeugt ein konstantes Magnetfeld H. Für Wechselstrom erzeugt dI/dt entsprechend dH/dt. Ein magnetisches Wechselfeld dH/dt erzeugt seinerseits aber ein elektrisches Feld, was wieder den Strom I beeinflußt.

Die mittlere Eindringtiefe des Stromes ist frequenzabhängig:

(μ = Permeabilität ρ = Leitfähigkeit) Typische Werte sind für Kupfer bei 1 MHz 70μm, bei 1 GHz 2 μm. Der effektive Kabelwiderstand nimmt also mit der Frequenz zu; demzufolge hat man auch eine Frequenzabhängigkeit der Dämpfung. Um die Oberfläche des Leiters zu vergrößern und so die Leitfähigkeit zu verbessern, nimmt man für Hochfrequenz-Anwendungen oft Kupferfolien, mehrere Litzen oder - bei ganz hohen Frequenzen - Hohlleiter. Dazu ein Zahlenbeispiel: Das Koaxkabel RG 178 hat Z = 50Ω, R = 0,45 Ω/m, L = 240 nH/m und C = 95 pF/m. Bei 2 MHz und 100 m Länge wird das Signal um einen Drittel reduziert, bei 200 MHz sogar um 99%.

Die Sache ist in der Praxis noch komplizierter, da weitere Effekte hinzukommen.

• Ein in positiver- und ein in negativer Richtung durchflossener Leiter Stoßen sich voneinander ab (Proximity-Effekt). Die konzentrischen, stromfreien Zonen werden asymetrisch.
• Die Oberfläche eines Leiters ist nie glat, es gibt mikroskopisch kleine "Täler" und "Hügel". Sinkt bei hohen Frequenzen die Eindringtiefe unter die Oberflächenrauheit, muss der Strom einen weiteren Weg zurücklegen.

Der Wellenwiderstand eines realen Kabels ist seine Kenngröße, die angibt, mit welchem Ohmschen Widerstand eine Leitung abgeschlossen werden muss, damit Anpassung erfolgt (keine Reflexionen). Zur Berechnung des Wellenwiderstandes werden die physischen Eigenschaften des Kabels benötigt, also konstante Größen, die von Leitungsmaterial und der Leitungsgeometrie abhängen. In der Informations- und Kommunikationstechnik werden üblicherweise Kabel und Leitungen mit einem Widerstand abgeschlossen, um Reflexionen der Signale an den Kabelenden zu vermeiden.

Mißt man den Wechselstromwiderstand eines Kabels indem man ein Wechselspannungssignal einspeist, erhält man den spezifischen Wellenwiderstand des Kabels. Dazu misst man den Strom bei offenen und kurzgeschlossenen Leitungsenden. Nach den Strommessungen berechnet man aus der Generatorspannung U_G und gemessenem Strom den Kurzschluss- und Leerlaufwiderstand, R_K und R_L:

R_K = U_G/I_K (= Z_K)      R_L = U_G/I_L (= Z_L)

Der Wellenwiderstand Z_W der Leitung, ergibt sich aus Kurzschluss- und Leerlaufwiderstand:

Beim Ethernet ist der Wellenwiderstand auf 50 Ohm festgelegt. Die Grenzfrequenz ist erreicht, wenn die Ausgangsspannung 70% der Eingangsspannung erreicht hat. Die digitalen Signale, die auf das Netzwerkkabel geleitet werden, bilden auch eine (sehr oberwellenreiche) Wechselspannung.

Zu Beginn hat man sich beim Ethernet für Koaxialkabel entschieden. Sie bestehen aus einem äußeren Leiter, der einen innenliegenden Leiter vollständig umschließt und dadurch abschirmt. Die beiden Leiter sind durch einen Isolator elektrisch getrennt. Koaxkabel gibt es in verschiedenen Ausführungen, für das Ethernet werden Typen mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm verwendet. Die Konstruktion dieses Kabels ist aber nicht nur wegen der Abschirmung des inneren Leiters günstig, da sie noch einen anderes Phänomen der Hochfrequenztechnik ausnutzt: den oben beschriebenen Skineffekt.

Seit einigen Jahren werden fast nur noch verdrillte Zweidrahtleitungen (10BaseT) oder Glasfaserleitungen verwendet. Für einige Grundsatzbetrachtungen sind die Koaxialkabel aber immer noch interessant.

Die Definition des physikalischen Kanals ist aber nur ein Teil der IEEE 802.3-Spezifikation. Der Standard beschreibt physikalische Übertragung, die auch unser Thema ist, und Zugriffsverfahren, die sogenannten Protokolle. Auf der physikalischen Ebene sind Bezeichnungen wie 10Base5, 10Base2 und 10BaseT von Belang. Entscheidend sind dabei drei Parameter:
die Übertragungsrate, das Übertragungsverfahren (Basis- oder Breitband; 'Base' oder 'Broad') sowie Aussagen zur räumlichen Ausdehnung. Zur Unterscheidung und Charakterisierung der einzelnen Übertragungsmedien wurde folgende Systematik für die Kabelbezeichnung entwickelt:

<Datenrate in MBit/s><Übertragungsverfahren><Max. Länge/100 m>

Auch der Kabeltyp kann unterschiedlich sein. Vom Koaxkabel über Glasfasern bis zu verdrillten Zweidrahtleitungen ist alles vertreten.

Standard-Ethernet, 10Base5

An einen MAU kann über ein maximal 50 m langes Transceiverkabel eine Ethernet-Station angeschlossen werden. Maximal 100 Stationen können an einem Kabelsegment hängen. Der Biegeradius darf 20 cm nicht unterschreiten. Das Kabel muß zur Vermeidung von Reflexionen an beiden Enden mit einem 50-Ohm-Widerstand (1 Watt) terminiert werden.

Der Transceiver im MAU wird über einen TAP angeschlossen, bei dem Mittelleiter und Schirm kontaktiert werden, ohne das Kabel - und damit den Datenfluß auf dem Netz - zu unterbrechen.

Bei einem Defekt im Transceiverkabel wird das Netz nicht beeinflußt; lediglich die betroffene Station ist von der Kommunikation getrennt. Die paarweise verdrillten Leitungen im Transceiverkabel werden über Differenztreiber angesteuert, auf Empfangsseite sitzen Differenzverstärker. Störungen können sich so nur gering bemerkbar machen.

Anbindung der Arbeitsplätze direkt an das Yellow-Cable

Das Yellow Cable ist heute veraltet und sollte für Neuinstallationen nicht mehr eingesetzt werden. Es ist aber noch relativ häufig anzutreffen. Bei Anschlußfehlern werden die benachbarten Teile des Netzes betroffen. Außerdem wird für den Anschluß des MAU ein Spezialwerkzeug benötigt.

AUI-Kabel (Attachment Unit Interface, Transceiver-Kabel)

Thinwire-Ethernet (Cheapernet), 10Base2

Die 50-Ohm-Abschlußwiderstände sind in BNC-Stecker integriert und werden bei den beiden äußeren Stationen direkt auf das T-Stück gesetzt. Ein Defekt im Kabel, das ja an allen Stationen über die T-Stücke angeschlossen ist, betrifft somit auch alle Stationen.

Das direkte Vorbeischleifen des Kabels am Interface ist für das 10Base2-Interface zwingend notwendig, ein Verlängern des T-Stückes mit einer 'Stichleitung' ist aufgrund der Funktionsweise des Transceivers nicht möglich. Wenn man versuchen würde, einen 10Base2-Anschluß durch eine Stichleitung zu verlängem, wäre die saubere Ausbreitung der Welle nicht mehr gewährleistet und Reflexionen am Anfang und Ende der Stichleitung die Folge.

Den Nachteil des Vorbeischleifens macht das 10Base2-Kabel dadurch wett, daß es bei deutlich geringerem Preis einfacher zu verlegen ist als das herkömmliche Ethernet. Moderne Netzwerkkarten bieten übrigens Anschlußmöglichkeiten für Transceiver-Kabel (also konventionelles Ethernet), für BNC-T-Stücke (10Base2) und für 10BaseT-Kabel (siehe unten) und sind standardmäßig mit einem OnBoard-Transceiver ausgestattet. Damit ist eine große Flexibilität in der Installation gegeben, es muß lediglich auf der Netzwerkkarte die gewünschte Konfiguration eingestellt werden.

Anschluß der Arbeitsplätze an einen BNC-Strang

Das oben erwähnte T-Stück wird direkt an der Netzwerkkarte angeschlossen, die im Rechner eingebaut ist. Sollte es sich um den ersten bzw. letzten Rechner im Segment handeln, so wird dieser auch mit einem T-Stück angeschlossen. Jedoch wird hier der freibleibende Anschluß durch einen 50 Ohm-Abschlußwiderstand bestückt. Der Kabelanfang und das Kabelende müssen jeweils mit einem 50 Ohm Abschlußwiderstand abgeschlossen werden.

Die Verlängerung der einzelnen Segmente erfolgt mit Repeatern. Sie werden als Signalverstärker zwischen die einzelnen Segmente geschaltet. Mittels Multiportrepeatern kann man das Netzwerk an diesen Stellen auch aufsplitten und in verschiedene Einzelsegmente aufteilen. Allerdings sollte immer darauf geachtet werden, daß bei einer solchen Installation nicht zu viele Arbeitsplätze angeschlossen werden. Jede Arbeitsstation bedeutet zusätzliche Netzlast. Je geringer die Netzlast ist, desto höher ist die Arbeitsgeschwindigkeit des Netzwerkes.

BNC-Netz mit eigenem Server

Allerdings ist die BNC-Verkabelung - wie das Yellow Cable - ein aussterbender Standard, da man mit dieser Technik bereits an die Grenzen des technisch Möglichen angelangt ist. Die Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s kann hier nicht überschritten werden kann. Für "Wohngemeinschaftsnetze" wird es wegen seiner Preisgünstigkeit aber immer noch verwendet.

Twisted-Pair, 10BaseT

Zum Anschluß mehrerer Stationen müssen sogenannte Hubs (engl. "Hub" = Nabe eines Speichenrades) eingesetzt werden, es lassen sich dann bis zu 1024 Stationen miteinander koppeln. Als Verbinder kommen normalerweise RJ-45-Stecker (Western-Stecker) und -Dosen zum Einsatz. Auch hier werden wieder Differenztreiber und -empfangsverstärker eingesetzt. Der Pegel wechselt zwischen -2,5 V und +2,5 V.
Mit der Twisted-Pair-Verkabelung hielt auch eine kaum überschaubare Anzahl unterschiedlicher Kabelvarianten Einzug in die Datentechnik. UTP, FTP, S/UTP, S/STP oder ITP beschreiben den Kabelaufbau, CAT 3, 5 oder 7 beschreiben die Kategorie hinsichtlich der Anforderung der Kabel und Steckverbinder. Die Kabelklasse (A - 100 kHz, B - 1 MHz, C - 16 MHz, D - 100 MHz, E - 300 MHz, F - 600 MHz) definiert die Anforderungen hinsichtlich der Übertragungsbandbreite.

• CAT-1 für Alarmsysteme und analoge Sprachübertragung
• CAT-2 für Sprache und RS232-Schnittstellen
• CAT-3 Datenübertragung bis 16 MHz
• CAT-4 Datenübertragung bis 20 MHz (IBM Token-Ring 16 MHz)
• CAT-5 Datenübertragung bis 100 MHz

Bemerkung :
Bei Kategorie 1 liegt die Impedanz im Bereich von 84 bis 113 Ohm
Bei Kategorie 2 - 5 beträgt die Impedanz 100 Ohm ± 15%

Die Bauart der Kabel hat einen ganz wesentlichen Einfluß auf die Störleistungsunterdrückung und damit die Störsicherheit der Kabel. Während UTP-Kabel eine typische Störteistungsunterdrückung von 40 dB haben, erreichen S/STP-Kabel Werte bis zu 90 dB.

• UTP-Kabel (Unshielded Twisted Pair, nicht abgeschirmte verdrillte Leitungen) gehörten früher typischerweise der Kategorie 3 an. Inzwischen gibt es sie auch als CAT-5-Kabel. UTP-Kabel haben im industriellen Bereich oder in der Datentechnik mit hohen Datenraten nichts verloren.
• S/UTP-Kabel (Screened/Unshielded Twisted Pair) haben einen Gesamtschirm aus einem Kupfergeflecht zur Reduktion der äußeren Störeinflüsse.
• FTP-Kabel (Foileshielded Twisted Pair) besitzen zur Abschirmung einen Gesamtschirm, zumeist aus einer alukaschierten Kunststoff-Folie.
• S/FTP-Kabel (Screened/Foileshielded Twisted Pair) sind heute Stand der Technik bei der Verkabelung sogenannter UTP-Dosen. Der Aufbau besteht aus einem Gesamtschirm aus alukaschierter Polyesterfolie und einem darüberliegenden Kupfergeflecht. Gute Kabel erreichen eine Störleistungsunterdrückung über 70 dB.

  

• STP (Shielded Twisted Pair) bezeichnt eine Kabelgattung mit Gesamtschirmung ohne weitere Spezifikation.
• S/STP-Kabel (Screened/Shielded Twisted Pair) besitzen eine Abschirmung für jedes Kabelpaar sowie eine Gesamtschirmung. Hierdurch kann eine optimale Störleistungsunterdrückung erreicht werden. Auch das Übersprechen zwischen den einzelnen Adernpaaren kann so wirksam unterdrückt werden.

  

• ITP (Industrial Twisted Pair) ist die industrielle Variante von S/STP. Während typische Netzwerkadern jedoch vier Adernpaare besitzen, beschränkt sich ITP auf zwei Paare.

Die Preisunterschiede zwischen Cat-3-Kabeln und Cat-5-Kabeln ist so gering, daß es sich bei Neuinstallation auf jeden Fall empfiehlt, Cat-5-Kabel einzusetzen - schon, um mit 100 MBit/s arbeiten zu können.

Die konventionelle Twisted-Pair-Ethernet-Verkabelung verwendet RJ-45-Steckverbinder. Auch hier gibt es die unterschiedlichsten geschirmten und ungeschirmten Ausführungen. Sie sind für den industriellen Einsatz nur teilweise geeignet. Von den acht Leitungen des RJ45-Steckers werden nur vier verwendet:

Pin Signal 1 Sendesignal + 2 Sendesignal - 3 Empfangssignal + 6 Empfangssignal -

Zwischen Rechner und Hub verbindet das Kabel die beiden Stecker 1:1. Bei speziellen Kabeln für die direkte Verbindung zweier Computer oder für das Kaskadieren von Hubs müssen die Leitungen gekreuzt werden. Die Verbindung ist dann:

Pin (Signal)   Pin (Signal) 1 (TX+) - 3 (RX+) 2 (TX-) - 6 (RX-) 3 (RX+) - 1 (TX+) 6 (RX-) - 2 (TX-)

Die RJ-45-Buchsen sind inzwischen auch keine profanen Steckkontakte mehr, sondern in ihnen sind auch gleich Übertrager, Drosseln und Widerstände integriert. Damit wird nicht nur Leiterplattenplatz eingespart, sondern auch bessere EMV-Eigenschaften erzielt und Layoutfehler vermieden. Das folgende Bild zeigt die elektrische Beschaltung einer solchen Buchse:

Die Übertrager sorgen gleichzeitig für eine Potentialtrennung zwischen der Buchse und der restlichen Schaltung und für die Ausblendung von Störungen. Im folgenden Bild ist eine typische Buchse für die Platinenmontage abgebildet und darunter sind die Abmessungen (Vorder- und Seitenansicht) gezeigt. Oft sind in die Buchsen noch ein oder zwei LEDs integriert.

Twisted-Pair-Verkabelung

Wie gesagt, verlegt man pro Rechner ein eigenes Kabel. Während BNC-Netze eine Bus-Struktur haben, zeichnen sich Twisted-Pair-Netze durch eine Baumstruktur aus. Die einzelne Kabellänge zu einem Rechner darf 100 m nicht überschreiten. Die Anzahl der im Netz verfügbaren Rechner ist abhängig von den eingesetzten Repeatern, die hier "Hub" heißen (4-Port, 8-Port; usw.).

Mehr dazu steht im Kapitel über Twisted-Pair-Verkabelung.

Lichtwellenleiter

• Lichtwellenleiter können beliebig mit anderen Versorgungsleitungen parallel verlegt werden. Es gibt keine elektromagnetische Störeinflüsse.
• Wegen der optischen Übertragung gibt es keine Störstrahlungen, Kontakt- oder Masseprobleme.
• Entfernungsbedingte Verluste des Signals aufgrund der Leitungs-Induktivitäten, -Kapaziäten und -Widerständen treten nicht auf.
• Weitgehend frequenzunabhängige Leitungsdämpfung der zu übertragenen Signale.
• Übertragungsraten sind durch mehrere Trägerwellen mit unterschiedlichen Wellenlängen (Farbspektrum) erweiterbar.

Die Ursache dafür liegt in der sich ändernden Ausbreitungsgeschwindigkeit. Diese hat in jedem Medium einen anderen Wert. In einem optisch dichteren Medium bewegt sich Licht langsamer fort als in einem optisch dünneren. Das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit c in Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit v in einem anderen Medium ergibt die Brechzahl:

n = c/v

Typische Werte für die Brechzahl sind:
für Glas etwa 1,5,
für Wasser 1,33 und
für das Vakuum 1.

Bei jedem Medienübergang wird ein Teil des Lichts reflektiert je stumpfer der Einfallswinkel, desto stärker die Reflexion. Der Reflexionsgrad hängt vom Unterschied der beiden optischen Dichten und vom Einfallswinkel ab. Erreicht der Einfallswinkel einen kritischen Wert, gelangt überhaupt kein Licht aus dem Medium mit der höheren Brechzahl heraus. Auf dieser Totalreflexion beruht das Prinzip des Lichtwellenleiters. Die Aufgabe des Leiters besteht ja darin, das Licht verlustlos und ohne Impulsverformung über lange Strecken zu transportieren. Da sich Licht aber nach allen Seiten ausbreitet, muß man einen Käfig bauen, der das Licht im Leiter hält. Denn bei jeder Biegung des Kabels würde sonst nur ein Bruchteil des ursprünglichen Lichts im Kabel verbleiben und eine längere Übertragungsstrecke wäre völlig unmöglich. Deshalb konstruiert man den Lichtwellenleiter als optische Röhre. Im Innern der Röhre kann sich das Licht ungehindert fortpflanzen und an den Wänden wird es total reflektiert. So wird der Lichtstrahl gezwungen, sich innerhalb der Faser fortzubewegen.

Der LWL mit dem einfachsten Aufbau besteht aus einem konzentrischen optischen Kern mit einer hohen Brechzahl n1, der mit einem optischen Mantel kleinerer Brechzahl n2 versehen ist. Licht, das in einem gewissen Winkelbereich in den LWL eintritt, wird durch fortlaufende Totalreflexion an der Grenze Kern/Mantel weiterbefördert.

Neben dem reinen Transport ist die Verformung, die die Lichtimpulse während der Leitung erleiden, von Bedeutung. Sehen Sie sich dazu das Einspeisen des Lichts in den LWL etwas genauer an: Trifft das Licht in einem Winkel nahe dem maximalen Einfallswinkel für den Lichtleiter auf, wird es sehr oft im LWL reflektiert. Es heißt dann Licht hohen Modes. Entsprechend heißt Licht, welches in relativ guter Übereinstimmung mit der optischen Achse des LWL eintrifft, Licht niedrigen Modes. Licht hohen Modes legt insgesamt einen längeren Weg im Kabel zurück und benötigt dadurch mehr Zeit für den Durchlauf. Fällt nun Licht mit nicht genau definiertem Winkel in den LWL ein, kommt es bis zum Ausgang wegen der unterschiedlichen Laufzeiten für jeden Einfallswinkel zu einer Dehnung des Lichtimpulses. Dieser unschöne Effekt, die Dispersion, verbreitert die Signalimpulse und beschränkt damit die erreichbare Übertragungsrate.

Unter Dispersion versteht man die Verbreitung eines Lichtimpulses durch Laufzeitunterschiede (Gruppenlaufzeit) der Moden (Eigenwellen), was eine Begrenzung der Übertragungsbandbreite von LWLs zur Folge hat. Man unterscheidet die Modendispersion und die chromatische Dispersion, die sich aus Materialdispersion und Wellenleiterdispersion zusammensetzt. Die Modendispersion ist ein Effekt der unterschiedlichen Signallaufzeiten der Moden, was zu einer Signalverzerrung führt. Die Materialdispersion, auch Manteldispersion bezeichnet, ist die Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl eines Materials. Die Wellenleiterdispersion (Waveguide Dispersion) ist gerade bei Singlemode-LWL von Bedeutung und bezieht sich auf die Wellenlängenabhängigkeit der Lichtverteilung zwischen Kern und Mantel. 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 Bandbreitenlängenproduktes. Beispiel: Dispersion 5ns/km <-> Bandbreite 200 MHz * km.

Abhilfe schafft ein nach außen hin stetig abnehmender Brechungsindex. Dadurch gleichen sich die Geschwindigkeiten und Laufzeiten für die verschiedenen Einfallswinkel bei genügender Kabellänge wieder aus. Wegen des stetigen Übergangs von Kern zu Mantel werden diese Leiter Gradientenprofilfasern genannt. Es ergibt sich beim Einfall der unterschiedlichen Lichtwellen trotz unterschiedlich langer Wege in der Faser eine nahezu gleiche Laufzeit aller Wellen.
Eine noch geringere Dispersion liefern die Monomode-Fasern. Im Gegensatz zu den Multimode-Fasern leiten sie nur Licht einer bestimmten Wellenlänge. Ihr Kerndurchmesser ist so klein, daß sich das Licht fast nur noch entlang der Längsachse ausbreiten kann. Mit diesen Monomode-Fasern sind also die steilsten Flanken und damit die größten Übertragungsraten zu erzielen.

Wellenlängen

Typische LWL haben folgende Daten.

Multimode-Stufenindex-Faser Multimodefasern mit Stufenprofil haben einen Durchmesser von 200 µm. Durch sie werden mehrere Lichtwellen gleichzeitig geschickt. An den Wänden der Faser wird das Signal hart reflektiert. Das Ausgangssignal wird dadurch verbreitert (je nach Einfallswinkel dauert das Signal unterschiedlich lang, weil der Weg mal länger und mal kürzer ist) und bedämpft. Sie werden z.B. als Verbindungskabel beim Patchfeld verwendet.
Multimode-Gradienten-Faser Multimodefasern mit Gradientenprofil haben einen Durchmesser von 50 µm. Durch sie werden mehrere Lichtwellen gleichzeitig geschickt. An den Wänden der Faser wird das Signal weich reflektiert. Das Ausgangssignal wird zwar auch verbreitert, aber nicht so stark bedämpft. Sie werden für Verbindungen von Gebäuden oder Etagen eingesetzt.
Monomode-Stufenindex-Faser Monomode-Fasern (Singlemode-Fasern) haben einen Durchmesser von 10 µm. Durch sie werden die Lichtwellen gerade hindurchgeleitet. Das Signal wird wenig bedämpft und auch nicht verbreitert. So ist eine hohe Bandbreite möglich. Sie werden für weite Strecken eingesetzt.

Als Sender für die LWL-Übertragung stehen Leuchtdioden (LEDs) und Laserdioden (LD) zur Verfügung. dabei werden LEDs am besten im Bereich von 850/860 nm eingesetzt und LDs im Bereich von 1300 nm.

Die unten stehende Abbildung zeigt die Zusammenhänge von Faserart und Sendertyp im Hinblick auf das Einsatzgebiet bezüglich Übertragungsstrecke und Übertragungsrate.

Die optischen Sender und Empfänger (meist Laserdioden) müssen genau auf die Faser abgestimmt sein, um verlustarm und reflexionsfrei übertragen zu können. Ein großes technisches Problem beim Verlegen von LWL ist immer noch der Übergang von einem Leiterstück auf ein anderes, das sogenannte 'Spleißen'. Im Gegensatz zum elektrischen Leiter, bei dem eine Klemm- oder Lötverbindung ohne große Sorgfalt genügt, müssen die Glasfasern genau in der optischen Achse plan miteinander verschweißt werden. Unter Laborbedingungen stellt das natürlich längst kein Problem mehr dar, aber im mobilen Einsatz sieht das schon etwas anders aus.

Beim sogenannten 'Spleißen' von Glasfaserkabeln gibt es zahlreiche Fehlermöglichkeiten. Das beginnt nach dem Entfernen des Sekundärschutzes mit mangelhaftem Reinigen der Faser. Weitere Fehlermöglichkeiten sind zu sparsame Verwendung des Leims zum Verkleben der Faser im Kontaktkörper oder zu wenig Sorgfalt beim anschließenden Schleifen der Kontaktfläche. Das beste 'Meßinstrument' ist hier eine Lupe mit mindestens 10-facher Vergrößerung. Man leitet sichtbares Licht in die Faser und prüft die Fläche auf Verunreinigungen oder Kratzer. Zum Reinigen der Kontaktfläche verwendet man nicht-denaturierten reinen Alkohol.

Dämpfung

10Base-F Ethernet

Link-Segmente mit FOIRL-Geräten können bis zu 1000 m lang sein und Segmente mit 10Base-F Geräten bis zu 2000 m.

Maximale Länge von Glasfaserkabeln ohne Verstärkung:

Die häufigsten Fehlerursachen bei Glasfaserleitungen

Gigabit-Ethernet

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z, 802.3ab)

STP- und Fiber-Standards sind verabschiedet, zur Festlegung des UTP-Standards wurde ein eigenes IEEE-802.3ab-Subkommitee gebildet. Dieses hat das Ziel, einen Standard für eine Reichweite von 100m auf UTP Cat. 5 Kabeln zu erzielen.

Gigabit Ethernet: 1000Base-T über Kupfer

1. Leistungssumme des Nahnebensprechens(PSNEXT)
   Power Sum NEXT (PSNEXT) beschreibt die Summe aller Störleistungen, die durch Nahnebensprechen in ein Paar eingekoppelt werden. Das kommt dem tatsächlichen Einsatzfall, d.h. wenn alle Paare in Betrieb sind, nahe. Maßgeblich ist immer der stärkste Störer. Nur bei hohen Paarzahlen gibt es deutliche Unterschiede zwischen NEXT und Power Sum NEXT.
2. Fernnebensprechen (FEXT)
   Mit FEXT (Far End Cross Talk) wird das Nebensprechen am fernen (empfängerseitigen) Ende bezeichnet, das im Allgemeinen geringere Störungen verursacht als das Nahnebensprechen.Man unterscheidet beim FEXT zwischen:
   • Input-Output-FEXT (l/O-FEXT) und
   • Equal-Level-FEXT (EL-FEXT).
   Beide Größen sind durch die Gleichung EL-FEXT = I/O - FEXT - Dämpfung verbunden, wobei das ELTEXT in etwa dem ACR beim NEXT entspricht.
3. Leistungssumme des Fernnebensprechens (PSFEXT)
   Power Sum FEXT (PSFEXT) beschreibt die Summe aller Störleistungen, die durch Fernnebensprechen in ein Paar eingekoppelt werden. Das kommt dem tatsächlichen Einsatzfall, alle Paare in Betrieb, nahe.
4. Delay und Skew
   Propagation Delay (Verzögerung der Ausbreitung) bezeichnet die Verzögerungszeit/Laufzeit der Signalübertragung über ein Paar. Sind die Signalverzögerungen frequenzabhängig, führt das zu Signalverzerrungen, auch "Dispersion" genannt. Der Wert "Delay Skew" gibt die Differenz der Verzögerungszeiten/Laufzeiten zwischen zwei Paaren an.
5. Rückflußdämpfung (RL)
   Die Rückflußdämpfung, auch "Return Loss" genannt, beschreibt die Inhomogenitäten/Fehlanpassungen entlang des Übertragungskanals anhand des Verhältnißes von rücklaufender zu hinlaufender elektromagnetischer Welle.
6. Störleistungsunterdrückung
   Die Störleistungsunterdrückung ist ein Maß für die Fähigkeit eines Kabels, elektrische externe Störungen zu bedämpfen. Je höher die Störleistungsunterdrückung ist, umso besser ist die elektromagnetische Verträglichkeit.

Gigabit Ethernet: konkurrierende Eigenschaften

Anmerkung: Die "Schlaglänge" ist die Länge (z. B. in Millimetern), bei der sich eine Ader vom Anfangspunkt A bis zum Endpunkt B einmal um 360 Grad gedreht hat.

Zusammenfassung: 1000Base-T auf UTP Kabeln

• Verwendung einer 5 Level Codierung
• gleichzeitig Verwendung von 4 Adernpaaren
• Vollduplex Betrieb auf allen 4 Paaren
• Trellis Codierung (nicht 8B10B)

Gegenüberstellung Ethernet - fast Ethergent - Gigabit-Ethernet

Zugriffsverfahren: CSMA/CD

Muss Carrier Extension eingesetzt werden, steigt auch der Overhead des Ethernet-Protokolls. Um dieses Anwachsen möglichst zu kompensieren, führt Gigabit Ethernet das Frame Bursting ein, das ebenfalls auf dem Physical Layer integriert wird. Dabei wird im Physical Layer versucht, mehrere kurze Datenblöcke in einen Ethernet-Frame zu packen, um so die erforderliche Mindestlänge von 512 Byte ohne den Einsatz von Carrier Extension zu erreichen.

Im Gegensatz zu Ethernet und Fast Ethernet werden bei Gigabit Ethernet alle vier Paare eines Twisted Pair-Kabels verwendet. Damit können im Vollduplex-Betrieb die Daten Ober jeweils zwei Paare gleichzeitig gesendet und empfangen werden.

Für die Optik-Version bestehen folgende Randbedingungen:

Fibre Channel

Die folgende Tabelle fasst nochmals knapp alle Medien zusammen:

10 Gigabit Ethernet

Anzeige-LEDs

Die Receive- und Transmit-Leuchtdioden sind nützlich, um den augenblicklichen Status einer Netzwerkkarte ablesen zu können. Falls keine LED leuchten will, ist der Treiber für die Karte wahrscheinlich (noch) nicht korrekt installiert worden oder die Karte wurde nicht korrekt mit dem Netz verbunden. Die Anzeige LNK (Link) oder ACT (Activity) sollte auf jeden Fall dann leuchten, wenn das Netzwerk aktiv ist. Außerdern sollte an einer Netzwerkkarte auch die Receive-Anzeige leuchten oder blinken, wenn Pakete im Netz übertragen werden.

Wie funktioniert Wake-on-LAN

Unter Windows XP wird in der ACPI-Spezifikation festgelegt, dass WOL einen Rechner aus den Zuständen S3 (Suspend-to-RAM), S4 (Suspend-to-Disk) und S5 (Soft-Off) aufwecken kann. Die Optionen werden an unterschiedlichen Stellen in den Eigenschaften der Netzwerkkarte (erreichbar über den Geräte-Manager) konfiguriert.

Bei Linux deaktivieren viele Netzwerkkarten-Treiber die WOL-Funktion nach dem Starten des Interfaces. Um diese nun wieder zu aktivieren, benutzen wir das Programm ethtool, das in vielen Fällen nützlich ist. Durch den Aufruf unter Angabe des Netzwerk-Interfaces erhalten Sie alle Informationen über die Netzwerkkarte:

# ethtool eth0
Settings for eth0:
        Supported ports: [ TP ]
        Supported link modes:   10baseT/Half 10baseT/Full
                                100baseT/Half 100baseT/Full
                                1000baseT/Full
        Supports auto-negotiation: Yes
        Advertised link modes:  10baseT/Half 10baseT/Full
                                100baseT/Half 100baseT/Full
                                1000baseT/Full
        Advertised auto-negotiation: Yes
        Speed: 1000Mb/s
        Duplex: Full
        Port: Twisted Pair
        PHYAD: 0
        Transceiver: internal
        Auto-negotiation: on
        Supports Wake-on: umbg
        Wake-on: d
        Current message level: 0x00000007 (7)
        Link detected: yes

  Supports Wake-on: umbg
  Wake-on: g

Wie man an der zweiten Zeile sieht, ist das WOL derzeit deaktiviert. Um WOL per Magic Packet zu aktivieren, genügt der Kommandoaufruf ethtool -s eth0 wol g. Damit man das nicht nach jedem Reboot des Rechners das Kommando von Hand eingeben muss, schreibt man es am besten in die Datei /etc/rc.local. Debian-User vermerken NETDOWN=no in der Datei /etc/default/halt, damit die Netzwerkkarte eingeschaltet bleibt.

Wie nun den Rechner aufwecken? Das Magische am "Magic Packet" ist gar nicht so magisch: Es wird ein Datenpaket an den Rechner gesendet, das aus sechs Bytes mit dem hexadezimalen Wert 0xFF besteht. Dann folgt 16-mal die Hardwareadresse (MAC-Adresse) der Netzwerkkarte. Die Daten können als nacktes Ethernet-Paket gesendet werden, oder per UDP bzw. TCP. Bei den meisten Linux-Distributionen ist ein Perl-Programm namens "wakeonlan" von Jose Pedro Oliveira enthalten, welches mit allem Komfort arbeitet. Es kann beispielsweise die MAC-Adressen der zu weckenden Rechner aus einer Datei lesen, einen ARP-Eintrag für die IP-Adresse hinzufügen usw.

Die einfachste Form des Weckrufs benötigt aber nur wenige Zeilen Perl. Die folgende Funktion überprüft zunächst, ob ihr eine gültige MAC-Adresse (xx:xx:xx:xx:xx:xx) übergeben wurde, und sendet dann den Weckruf per Broadcast aus. Die MAC-Adresse(n) werden auf der Kommandozeile übergeben:

use strict;
use warnings;
use Socket;

while (@ARGV)
  {  send_wol_broadcast(shift(@ARGV)); }

sub send_wol_broadcast
  {
  my $mac = shift;

  die "Fehler in MAC-Addrese $mac\n"
     if ($mac !~ /([0-9a-f]{2}:){5}[0-9a-f]{2}/i);

  # Doppelpunkte entfernen
  $mac =~ tr/://d;

  # Magic Packet: 6 x FF, 16 x MAC-Adresse
  my $magic = ("\xff" x 6) . (pack('H12', $mac) x 16);

  # Create socket
  socket(S, PF_INET, SOCK_DGRAM, getprotobyname('udp'))
     or die "Oops - Socket: $!\n";

  # Enable broadcast
  setsockopt(S, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, 1)
    or die "Oops - Setsockopt: $!\n";

  # Paket senden
  die "Oops - Send: $!\n" unless
     defined(send(S, $magic, 0, sockaddr_in(0x2fff, INADDR_BROADCAST)));
  close(S);
  }

Linux:   arp -s 197.54.85.222  00:aa:00:62:c6:09
Windows: arp -s 197.54.85.222  00-aa-00-62-c6-09

use strict;
use warnings;
use Socket;

while (@ARGV)
  {send_wol_packet(shift(@ARGV),shift(@ARGV)); }

sub send_wol_packet
  {
  my $mac = shift;
  my $ip = shift;
  my $iaddr;
  
  die "Fehler in MAC-Addrese $mac\n"
    if ($mac !~ /([0-9a-f]{2}:){5}[0-9a-f]{2}/i);

  die "Fehler in IP-Adresse $ip\n"
    if (! defined($iaddr = inet_aton($ip)));

  # ARP-Eintrag schreiben
  if ($^O =~ /MSWIn/) 
    { $mac =~ s/:/-/g; }      # NUR bei Windows
  system("arp -s $ip $mac") == 0
  or die "Warning: arp command failed, you need to be root\n";

  # Doppelpunkte entfernen
  $mac =~ tr/://d;            # fuer Linux
  $mac =~ tr/-//d;            # fuer Windows

  # Magic packet: 6 x FF, 16 x MAC-Adresse
  my $magic = ("\xff" x 6) . (pack('H12', $mac) x 16);

  # Create socket
  socket(S, PF_INET, SOCK_DGRAM, getprotobyname('udp'))
  or die "Oops - Socket: $!\n";

  # Paket senden
  die "Oops - Send: $!\n" unless
    defined(send(S, $magic, 0, sockaddr_in(0x2fff, $iaddr)));
  close(S);
  }

Ethernetkarten konfigurieren unter Linux

In der Regel funktioniert eine Verbindung im Ethernet auch ohne weitere Konfiguration. Um die verfügbare Bandbreite optimal auszunutzen, gilt es einige Grundregeln: Die Duplexeinstellung mussebei beiden Linkpartnern gleich sein. Also entweder beide Seiten eines Link auf Autonegotiation oder beide Seiten fest auf die selben Parameter einstellen. Viele preiswerte Switches bieten keine Einstellmöglichkeiten und arbeiten immer mit Autonegotiation. Die Netzwerkkarten der angeschlossenen Clients müssen also auch auf "Auto" stehen.

Zur Anzeige der aktuellen Parameter wird "ethtool" mit dem entsprechenden Interface als Parameter aufgerufen. Hier die Ausgabe für das Interface eth0:

netzmafia:~# ethtool eth0
Settings for eth0:

        Supported ports: [ TP MII ]
        Supported link modes:   10baseT/Half 10baseT/Full
                                100baseT/Half 100baseT/Full
        Supports auto-negotiation: Yes
        Speed: 10Mb/s
        Duplex: Half
        Port: MII
        PHYAD: 0
        Transceiver: internal
        Auto-negotiation: off
        Supports Wake-on: d
        Wake-on: d

Mit ethtool ist es auch möglich, Einstellungen der Netzwerkkarte zu verändern. Das folgende Kommando stellt das Interface eth0 auf 100 MBit/s und Halbduplex ein.

ethtool -s eth0 speed 100 duplex half

ethtool -s eth0 autoneg on

ethtool -s eth0 wol <argument>

        p  Wake on phy activity
        u  Wake on unicast messages
        m  Wake on multicast messages
        b  Wake on broadcast messages
        a  Wake on ARP
        g  Wake on MagicPacket(tm)
        s  Enable SecureOn(tm) password for MagicPacket(tm)
        d  Disable (wake on nothing).  

ethtool -s eth0 sopass xx:yy:zz:aa:bb:cc

Neuere Netzwerkkarten haben mitunter die Möglichkeit, eine LED manuell blinken zu lassen. Das ist zum Identifizieren einer Karte in komplexen Umgebungen sehr hilfreich. Dazu dient der Parameter "-p":

ethtool -p eth1

Tabellen

Weitere Infos zur Verkabelungspraxis finden Sie im Kapitel Twisted-Pair-Verkabelung und Netzplanung.

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