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Übertragungsmedium

Ein weiteres Kriterium, durch das sich lokale Netzwerke unterscheiden lassen, ist das eingesetzte Übertragungsmedium. Zunächst einmal versteht man darunter welche Art der Verkabelung eingesetzt wird. Man unterscheidet dabei folgende Übertragungsmedien:

Abbildung 3.7: Übertragungsmedien, die in lokalen Rechnernetzen eingesetzt werden.

Die einsetzbaren Kabeltypen unterscheiden sich nicht nur in ihren Kosten sondern auch durch die möglichen Übertragungsraten, die Anfälligkeit gegenüber Störungen durch elektromagnetische Streufelder, Verlegbarkeit und überbrückbare Entfernung3.2. Twisted Pair Das älteste und nach wie vor weitverbreitetste Übertragungsmedium ist das Twisted Pair Kabel. Dieses Medium wird nicht nur bei der Verkabelung von LANs eingesetzt, sondern auch bei High-Speed Netzen und bei Telefonverkabelung. Das Twisted Pair Kabel besteht prinzipiell erst mal aus zwei isolierten Kupferkabeln, jeweils mit typischerweise 1mm Durchmesser. Die Drähte sind miteinander verdrillt, die Form erinnert unwillkürlich an ein DNS Molekül. Sinn und Zweck der Verdrillung ist die Reduzierung von elektrischen Interferenzeffekten zwischen zwei eng aneinanderliegenden Leitern3.3. Das Twisted Pair Kabel, das im alten Ethernet Standard definiert ist, findet man häufig auch unter der Bezeichnung 10BASE-T. Auch heutzutage noch wird das Twisted-Pair-Kabel nicht nur in lokalen Netzwerken sondern auch im Telefonnetz eingesetzt. Twisted-Pairs können ohne Verstärker über mehrere Kilometer verlegt werden, für weitere Abstände braucht's dann Repeater. Twisted-Pair-Kabel werden sowohl für digitale als auch analoge Signalübertragung eingesetzt. Die Bandbreite dieses Übertragungsmediums hängt von der Dicke der Drähte und der überbrückten Länge ab, dieser Kabeltyp erlaubt Übertragungsraten von mehreren Megabits pro Sekunde über einige Kilometer. Twisted Pair Verkabelung kommt eine besondere Bedeutung zu, da die alternativen Koaxialkabel nicht mehr den heutigen Anforderungen gerecht werden. Entsprechend nimmt die Zahl der Koaxialkabel-Installationen ab und die Verwendung von Twisted Pair zu. Weiterhin eignen sich hochwertige Twisted Pair Kabel auch für die Übertragung schnellerer Signale (e.g. Fast Ethernet), so daß beim Auswechseln der Endgeräte die vorhandene Kabelinfrastruktur beibehalten werden kann. Beim Auf- und Ausbau der Infrastruktur eines Netzwerkes müssen heutzutage verschiedene Aspekte berücksichtigt werden. In der Vergangenheit hat sich gezeigt, daß die herkömmliche Vorgehensweise, je nach aktuellem Bedarf unterschiedliche Topologien, Übertragungsmedien und Anschlusstechniken einzusetzen, in der Regel hohe Folgekosten verursacht, wenn nachträglich Änderungen oder Erweiterungen der vorhandenen Struktur notwendig werden. Darüber hinaus erweisen sich Kabel, deren Übertragungsverhalten Transferraten von 10 oder 16 Megabit/sec problemlos ermöglicht, inzwischen häufig als ungeeignet für den Einsatz neuerer Technologien wie Fast Ethernet, Gigbit Ethernet, FDDI oder ATM.

Abbildung 3.8: AUI-to-10Base-T Adapter, dieser wurd benutzt, um einen Computer mit einem AUI Anschluß mit einem 10BASE-T Netzkabel zu verbinden.

Twisted Pair Kabel gibt es in verschiedenen Ausführungen, die für LANs interessanten sind:

Tabelle 3.1: Kategorien bei Twisted Pair Kabel
Kategorie max. Beispiel
  Frequenz  
1 100 kHz ISDN Basisanschluß
2 1 MHz ISDN Primärmultiplexanschluß
3 16 MHz 10BASE-T, Token Ring
4 20 MHz 16 MBit Token Ring
5 100 MHz 100BASE-T Ethernet, CDDI
6 200 MHz 155 MBit ATM
7 600 MHz 622 MBit ATM, GigaBit Ethernet


Beide Kabeltypen werden oftmals als Unshielded Twisted Pair (kurz als UTP) bezeichnet, um sie von IBM - Shielded Twisted Pair (kurz: STP) zu unterscheiden. Dieser Typ wurde um 1980 von IBM in die Welt gesetzt, hat sich aber aufgrund hoher Kosten und umständliche Verarbeitung nicht verbreitet. Koaxialkabel Ein weiteres weitverbreitetes Übertragungsmedium ist das Koaxialkabel. Dieser Kabeltyp wird auch beim Fernsehen eingesetzt. Es hat eine bessere Abschirmung gegenüber elektromagnetischen Störungen als das Twisted Pair, daher lassen sich damit längere Distanzen überbrücken. Ein Koaxialkabel besteht aus einem Kupferdraht, der mit einem isolierenden Dielektrikum ummantelt ist. Dieses Dielektrikum wiederum ist von einer zweiten leitenden Schicht umgeben, üblicherweise besteht dieser Mantel aus einem netzartigen Geflecht. Ganz außen ist dann noch ein Kunststoffschicht, die das Kabel vor physikalischen Einwirkungen schützt. In Abbildung 3.9 ist ein Schnitt durch ein Koaxialkabel dargestellt.

Abbildung 3.9: Aufbau eines Koaxialkabels. Copper core = Kupfer Kern; Insulating material = isolierendes Dieelektrikum; Braided outer conductor = äußerer Leiter; Protective plastic covering = Plastikummantelung.

Speziell für lokale Netzwerke haben sich hier zwei Koaxialkabel-Standards etabliert, deren Details in der Ethernet-IEEE 802.3 Spezifikation festgelegt sind. Die Rede ist von: 10BASE-5 oder ThickWire Das dicke gelbe ThickWire Kabel ist der Urtyp des Ethernet-Kabels. Signale und Übertragungsgeschwindigkeit sind bei allen Kabeltypen prinzipiell gleich, unterschiedlich dagegen sind die Konfigurationsregeln - darunter versteht man die Art und Weise des Zusammenbaus. Beim ThickWire Kabel wird im einfachsten Fall die AUI - Buchse3.4 (siehe Abbildung 3.10) des Rechnerausgangs mit einem sogenannten Transceiver-Kabel und einem Transceiver an das gelbe Kabel angeschlossen. Maximal darf ein solches Ethernet 500 m lang sein und es dürfen maximal 100 Transceiver angeschlossen werden. Der Abstand zwischen zwei Transceivern muß 2,5 m oder ein Vielfaches davon betragen. Beim Anschluß eines Transceivers an das gelbe Kabel wird dieses nicht aufgetrennt. Das Kabel wird angebohrt und der Transceiver über einen Dorn mit der zentralen Kupferader des Koaxialkabels verbunden. Da bei der Installation eines Transceivers das Kabel nicht unterbrochen wird, wird beim Hinzufügen einer Station der Netzbetrieb nicht gestört.

Abbildung 3.10: Ein AUI-Stecker.

Ein Transceiver3.5 enthält die Sende- und Empfangslogik. Er sichert die Datenübertragung bis 500m Länge, führt die Kollisionserkennung durch und übernimmt das Carrier Sensing. Das ThickWire kann aus mehreren Kabelteilen bestehen, die durch entsprechende Kabelstecker miteinander verbunden sind. Die maximale Länge darf jedoch nie die 500 m Grenze überschreiten, egal aus wievielen Teilen das Ethernet aufgebaut ist. An beiden Enden muß das Kabel mit einem 50 $ \Omega $ Widerstand elektrisch abgeschlossen werden. Dies nennt man auch eine Terminator. Das Kabel muß immer genau an einem Ende geerdet sein.

Abbildung 3.11: Ein 50 $ \Omega $ Terminator für ein 10BASE-2 Ethernet.

10BASE-2 oder ThinWire oder Cheapernet Diese Variante von Ethernet entspricht der 10BASE-2-Norm und arbeitet im Prinzip wie das ThickWire. Verwendet wird jedoch ein wesentlich dünneres Koaxialkabel das zudem auch wesentlich flexibler ist (und damit einfacher zu verlegen) und dann auch noch preiswerter (daher Cheapernet). ThinWire hat - wie so ziemlich alles - Vor- und Nachteile. Viele Stationen (Workstations, Terminals, PC) werden zusätzlich zu der AUI-Buchse mit einem Direktanschluß für ThinWire geliefert. Wird dieser Anschluß eingesetzt, spart man das Geld für Transceiver und Transceiver-Kabel. ThinWire ist auf eine Maximallänge von 185 m und auf maximal 30 Stationen beschränkt. Zwischen den einzelnen Stationen muß ein Mindestabstand von 0,5 m liegen. Wird eine neue Station in den Bus eingefügt, muß das Kabel unterbrochen werden. Der Arbeitsstations-Adapter an der Netzwerkkarte wird mit einem T-Stück direkt mit den beiden aufgetrennten Enden des Koaxialkabels verbunden. Das T-Stück muß direkt auf dem Station-Adapter sitzen und darf nicht mit einem Koaxialkabel verlängert werden.

Abbildung 3.12: Zwei ThinWire Kabel, die über ein T-Stück miteinander verbunden sind.

Die Enden des ThinWire-Kabels müssen mit einem Endwiderstand von 50 $ \Omega $ terminiert werden, wie bei allen andern Kabeltypen ist eine Kommunikation auf dem Kabel nicht möglich, wenn es nicht beidseitig terminiert ist. Glasfaser oder Lichtleiter In Computer Netzwerken - nicht nur in LAN - werden flexible Glasfasern zur Datenübertragung eingesetzt. Ein komplettes elektrooptisches Übertragungssystem besteht prinzipiell aus drei Komponenten: Per Konvention repräsentiert ein Lichtpuls eine 1, die Abwesentheit eines Lichtpulses entspricht der 0. Das Übertragungsmedium ist eine ultradünne Glasfaser. Der Detektor erzeugt einen elektrischen Impuls genau dann, wenn er einen Lichtimpuls registriert. Hängt man daher eine Lichtquelle an das eine Ende einer Glasfaser und einen Detektor an das andere Ende, hat man ein unidirektionales Datenübertragungssystem, das ein elektrisches Signal als Input akzeptiert, dieses in Lichtpulse umwandelt und als Output liegt wiederum ein elektrisches Signal vor. Der Übertragung von Licht in einer Glasfaser liegt das physikalische Phänomen der Totalreflexion an Grenzschichten zugrunde. Wenn ein Lichtstrahl von einem Medium zu einem andern läuft - beispielsweise von Silizium zu Luft - wird der Lichtstrahl an der Grenzfläche gebrochen. In Abbildung 3.13 ist dies schematisch dargestellt. Ein Lichtstrahl fällt im Winkel $ \alpha_1$ auf die Grenzfläche und läuft im Winkel $ \beta_1$ aus der Grenzfläche in das zweite Medium. Wie groß die Brechung ist hängt von den Materialeigenschaften der beiden Medien ab, insbesondere spielt hier der Brechungsindex die entscheidende Rolle.

Abbildung 3.13:
\begin{figure}
\centering
\epsfig {file=../pics/2-5.eps,width=11cm}
\end{figure}

Ab einem kritischen Einfallswinkel wird das Licht an der Grenzfläche total reflektiert, d.h. kein Licht passiert die Grenzfläche und tritt in das zweite Medium ein. Ein Lichtstrahl, der mit dem kritischen Einfallswinkel (oder darüber) in eine Glasfaser eintritt, bleibt in dieser Faser gefangen. Der Lichstrahl kann in der Faser große Entfernungen (mehrere Kilometer) ohne Verluste zurücklegen. In Abbildung 3.13 ist nur ein Lichtstrahl dargestellt, der in der Glasfaser entlangläuft. Da aber jeder Lichtstrahl, der mit einem Winkel größer als der kritische Einfallswinkel in die Faser einläuft, können jede Menge Lichtstrahlen durch eine Faser laufen, wobei jeder Lichtstrahl mit einem anderen Winkel gebrochen wird. Man sagt, daß jeder Strahl entspricht einer Mode. Eine Glasfaser mit dieser Eigenschaft nennt man auch Multi-Mode Glasfaser. Wird der Durchmesser der Glasfaser auf wenige Wellenlängen des Lichts reduziert, wirkt die Faser wie ein Wellenleiter. Das Licht propagiert dann geradlinig ohne Reflexion an der Grenzfläche. Dies nennt man eine Single-Mode Glasfaser. Single-Mode Fasern sind teurer als Multi-Mode Fasern, können jedoch größere Distanzen überbrücken. Gegenwärtig zur Verfügung stehende Single-Mode Glasfaserkabel können Datenraten mit mehreren GigaBit/sec über eine Distanz von 30 km übertragen.
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Yasar Arman
2000-05-15