Während die Datenübertragungseigenschaften verschiedener Kabeltypen Netzwerkern immer wieder Gesprächsstoff bieten, bleiben die Adern des Netzwerks für viele Administratoren in mechanischer und physikalischer Hinsicht eine "Blackbox": Vorne speist man Daten ein, hinten sollten sie tunlichst in geeigneter Form wieder herauskommen. Dabei spielen gerade die Kabelwerkstoffe und vor allem die genaue Form ihrer Zusammenstellung eine wesentliche Rolle für die Leistungsfähigkeit der Datenleiter. Das gilt gleichermaßen für die heute in LANs gebräuchlichen symmetrischen Kupferkabel wie für ihren designierten Nachfolger, die Glasfaser.
Die Kosten für die Verkabelung betragen zwar nur noch fünf Prozent der Gesamtkosten eines Netzwerks, doch ist sie immer noch der auf die längste Lebensdauer ausgelegten Teil des LAN. Einmal geplant und installiert, muss sie wenigstens ein Jahrzehnt, besser noch 15 Jahre zuverlässig ihren Dienst verrichten. Dabei soll sie ausbaufähig angelegt und auch für künftige Datendienste nutzbar sein. Angesichts der in steigendem Tempo aufeinander folgenden Innovationszyklen in der IT-Industrie stellt diese Anforderung eine immer höhere Hürde dar.
Kabeltypen:Symmetrische Kabel
Bei der Verkabelung mit Kupfer kommen nur noch symmetrische Kabel zum Einsatz. Die Symmetrie bezieht sich dabei nicht auf den physikalischen Kabelaufbau, sondern auf die elektrischen Eigenschaften des Kabels. Beim asymmetrischen Koaxialkabel erzeugen die Signale auf dem Innenleiter einen Potenzialunterschied zum als Bezugserde dienenden Außenleiter. Diese Asymmetrie lässt den Außenleiter als Antenne wirken. Einerseits strahlt er dadurch elektromagnetische Signale ab, andererseits beeinflussen Störungen von außen auch den Signaltransfer auf dem Innenleiter.
Symmetrische Datenübertragungsleitungen vermeiden diesen Effekt durch eine spezielle Übertragungstechnik sowie die gezielte Verdrillung der beiden Einzelleiter. Bei symmetrischen Übertragungstechniken speisen die aktiven Komponenten gleiche Signale mit gegensätzlicher Polarität ins Kabel ein. So heben sich im Idealfall die Potenziale und Ströme von Außen betrachtet auf (Symmetrie), der Potenzialunterschied zur Bezugserde beträgt 0 Volt.
In der Praxis lässt sich dieses Verhalten jedoch nicht ganz erreichen, die verbleibenden Störfelder fallen aber sehr niedrig aus. Bei 10BaseT etwa beträgt die verbleibende Störspannung maximal 92 µV.
Vierer und Paare
Die symmetrischen Übertragung von Datendiensten erfordert mindestens zwei Adern pro Übertragungsrichtung, Gigabit Ethernet nutzt sogar acht Adern. Daher werden stets wenigstens vier Adern zu einem Kabel verseilt. Dazu existieren grundsätzlich zwei Möglichkeiten: Entweder verdrillt man alle vier Leiter, ein entsprechendes Kabel heißt Sternvierer oder Starquad. Alternativ lassen sich auch je zwei Adern miteinander zu Paaren verseilen; dann handelt es sich um Twisted Pair (TP). Da eine LAN-Verkabelung acht Adern vorsieht, fasst man zwei Sternvierer oder vier Adernpaare in einem Kabel zusammen.
Während Sternvierer parallel zueinander im Kabel laufen, werden bei TP auch die Adernpaare mit unterschiedlicher Schlaganzahl gegeneinander verdreht. Dieses sogenannte Staggered Twisting führt allerdings aufgrund der Längenunterschiede zu Laufzeitdifferenzen der Einzelsignale. Daher ersetzt bei Kabeln für hohe Frequenzen meist eine Einzelschirmung das Staggered Twisting.
Twisted-Pair-Typen
Während Sternvierer-Kabel bei gleicher Adernzahl weniger voluminös und damit verlegefreundlicher als TP ausfallen, bietet Twisted Pair mit seiner paarweisen Verdrillung eine sehr gute Störunterdrückung. Beide Typen eignen sich bei entsprechender Ausführung gleichermaßen für Highspeed-Verkabelungen. Im allgemeinen Sprachgebrauch vermischt sich die Unterscheidung zwischen den Verseilvarianten ohnehin zunehmend; heute läuft praktisch jedes Kabel aus verdrillten Einzelleitern unter der Gattungsbezeichnung Twisted Pair. Zur Unterscheidung dient statt dessen die Schirmungsart des Kabels:
- Als UTP (Unshielded TP) bezeichnet man mehradrige Kabel ohne jegliche Schirmung.
- Besitzt das Kabel dagegen einen Gesamtschirm aus Metallgeflecht und/oder Metallfolie, spricht man von S/UTP (Screened UTP). Für S/UTPKabel, das ausschließlich mit Metallfolie geschirmt ist, hat sich auch die Bezeichnung FTP (Foiled TP) eingebürgert.
- Verfügt ein Kabel über Einzelschirme für die Adernpaare respektive Sternvierer, jedoch über keinen Gesamtschirm, handelt es sich um STP (Shielded TP). Im deutschen Sprachraum heißt mit Metallfolie ausgeführtes STP je nach Verseilung auch PiMF (Paare in Metallfolie) oder ViMF (Vierer in Metallfolie).
- Ein sowohl mit Paar wie auch Gesamtschirmung versehenes Kabel wird als S/STP (Screened STP) bezeichnet; auch hier unterscheidet man zwischen PiMF und ViMF.
Kabelbezeichnung im Detail
Neben der Grobeinteilung symmetrischer Kupferkabel nach Schirmtyp existiert auch ein DIN-Bezeichnungsschema, in das zahlreiche weitere Eigenschaften des Kabels einfließen.
Demnach hat ein J-02YSCY4x2x0,6PiMf-Kupferkabel folgende Eigenschaften: Das Kabel ist ein Innenkabel mit einer Leiterisolation aus Foam-Skin-PE, der Gesamtschirm besteht aus einem Kupfergeflecht, der Außenmantel aus PVC. Das Kabel enthält vier Adernpaare mit einem Querschnitt von 0,6 mm, die durch Metallfolie geschirmt sind.
Adernaufbau
Hinsichtlich der Leiter selbst interessieren vor allem Anzahl, Materialart und Leiterquerschnitt. Als Adermaterial dient meist massives Kupfer, das gegenüber alternativen Kandidaten (Silber, Nickel) einen guten Kompromiss aus Preis und Leitfähigkeit bietet. Bei Patch oder Endgerätekabeln besteht der Leiter häufig aus Kupferlitze, was der Kabelflexibilität zugute kommt. Eine Verzinnung der Litze beugt Korrosion vor, erhöht aber gleichzeitig die Dämpfung. Bei der geringen Länge von Patchkabel fällt dies jedoch kaum ins Gewicht. Die Leiteranzahl im Kabel wird üblicherweise in der Form "Stränge mal Verseilung" angegeben, bei TP-Kabel also als 4x2x (vier Paare aus je zwei Leitern).
Da die Dämpfung im Leiter mit steigendem Querschnitt sinkt, wären eigentlich möglichst dicke Adern wünschenswert. Das hieße jedoch: hoher Kabelpreis und voluminöse, starre Kabel. Hier streben die Hersteller eine Balance zwischen Kosten, Dämpfung und Flexibilität an.
Die Kabelkennung gibt dazu den Leiterdurchmesser an - meist jedoch nicht in Millimetern, sondern nach dem US-Maß AWG (American Wiring Gauge). Da ein Leiter mehrere Adern umfassen kann, findet sich häufig eine zusätzliche Angabe der Adernzahl. AWG 24/1 kennzeichnet etwa eine Einzelader mit 0,511 mm Durchmesser.
Die Isolierung der einzelnen Adern verhindert nicht nur den Gleichstrom-Kurzschluss. Sie sorgt auch für niedrige Hochfrequenz-Querströme zwischen den Leitern und senkt damit die Hochfrequenz-Dämpfung des Kabels. Die Wirksamkeit der Querstromreduzierung hängt von der Dielektrizitätskonstante (DK) der Isoliermaterials ab: Je kleiner die DK, desto besser die HF-Isolierung. Eine Übersicht der gängigen Adernisolatoren finden Sie in der Tabelle.
Das früher gern verwendete PVC scheidet nicht nur aufgrund seiner mäßigen Isolation heute als Werkstoff für den Adernmantel aus. Auch aus Sicht des Brandschutzes ist es ungeeignet. Bei der Verbrennung halogenhaltiger Kunststoffe wie PVC entstehen dichte Rauchschwaden und hochgiftiger Chlorwasserstoff (HCl). Dieser bildet als korrosives Brandgas in Verbindung mit Wasser Salzsäure, die weit über die Umgebung des eigentlichen Brandherds hinaus zu extremer Korrosion metallischer Oberflächen sorgt. Elektrische und elektronische Systeme verwandeln sich innerhalb kurzer Zeit zu Schrott.
Halogenfreie Werkstoffe wie PP und PE bieten eine deutlich bessere Grundisolation, die sich durch Aufschäumen noch steigern lässt. Die mangelnde Querdruckfestigkeit solcher Zell-PE-Mäntel behebt eine zusätzliche Haut aus ungeschäumtem Material. Man spricht dann von Foam-Skin-PE.
Die Dotierung mit Zusatzstoffen wie Aluminiumhydroxid kann halogenfreien Werkstoffen zu hoher Brandfestigkeit verhelfen. Entsprechende Kabel erkennen Sie an Kennungen wie FRLSOH, FRNC oder FRLSZH. Für spezielle Anwendungen gestatten nichtbrennbare Teflon-Isolierungen Betriebstemperaturen von -190 bis +260 Grad Celsius.
Farb-Codes
Die Adernisolierung zeigt sich mechanischen Beschädigungen gegenüber empfindlich. Dies betrifft speziell Unterschreitungen der minimalen Biegeradien: Kabelknicks reduzieren die Isolationswirkung und führen zu hohen Dämpfungswerten. Im Extremfall kann sich der Leiter sogar langsam durch den Mantel drücken und letztlich einen Kurzschluss verursachen. Entsprechende Fehler treten als Zeitbombe auf - manchmal erst mehrere Monate nach der Verlegung.
Neben ihrer elektrischen Funktion übernimmt die Isolierung noch die Aufgabe der Farbcodierung der einzelnen Adern. Dazu existieren eine ganze Reihe nationaler und internationaler Standards, die Sie in der Tabelle aufgeführt finden.
Schirmung
Wie schon erwähnt, arbeiten symmetrische Kabel zwar theoretisch potentialfrei zur Bezugserde: Praktisch lässt sich dieser Effekt jedoch nicht vollständig verwirklichen, da die Signalgabe der Endgeräte nicht absolut symmetrisch erfolgt.
Zudem verschieben sich während Verlegung und Montage die Lagen im Kabel, was die Wirkung der Verdrillung abschwächt. Erleidet darüber hinaus die Adernisolierung Schäden, verstärken sich dadurch die kapazitiven Einflüsse zwischen den Leiterpaaren. Die resultierende Asymmetrie macht das Kabel empfindlich für Einstrahlungen sowie für induktive und kapazitive Einkopplungen. Noch schlimmer: Bei den mit Highspeednetzen verbundenen hohen Frequenzen wirkt das Kabel nicht nur als Störsender, sondern auch als Informationsquelle. Die entstehenden Gleichtaktwellen lassen sich abhören und zur Rekonstruktion der übertragenen Daten nutzen. Mit ausreichend empfindlichen Empfangsgeräten gelingt dies auf Distanzen bis hin zu einem Kilometer. Nur eine Schirmung des Kabel beugt solchen Effekten wirksam vor. Zur Einzelschirmung der Adernpaare sowie zur Gesamtschirmung gegen elektrische Felder dient aluminiumkaschierte Polyesterfolie. Die magnetische Hochfrequenzkomponente schwächt die Folie allerdings nur wenig, so dass die Gesamtschirmung üblicherweise noch durch ein verzinntes Kupfergeflecht ergänzt wird. Bei einem Bedeckungsgrad der Ader von rund 70 Prozent erzielt die Geflechtschirmung eine gute Wirkung bei magnetischen HFFeldern, ohne dass dabei die Flexibilität des Kabels allzu sehr beeinträchtigt wird.
Lichtwellenleiter
Betreibern von Glasfaserverkabelungen entlockt das Problem der Schirmung bestenfalls ein müdes Lächeln: Lichtwellenleiter (LWL) bieten nicht nur enorme Bandbreite, sondern zeigen sich auch elektromagnetischen Störungen und der Gegenseitigen Beeinflussung gegenüber als vollkommen unempfindlich.
Als Übertragungsmedium dient eine Quarzglasfaser. Die Rolle des Informationsträgers spielt infrarotes Licht der Wellenlängen 850, 1300 oder 1550 Nanometer: In diesen "optischen Fenstern" bietet die Glasfaser Dämpfungsminima von einigen Dezibel pro Kilometer (Fensterglas: 50.000 dB/km).
Um das Licht durch die Faser zu leiten, nutzen LWL einen Spezialfall der Brechung: Am Übergang von optisch dichteren zu optisch dünneren Medien wird Licht unter bestimmten Eintrittswinkeln total reflektiert. Daher bestehen LWL aus einem Kern mit hoher und einem Mantel mit niedriger Brechzahl. Licht, das mit einem flacheren als dem Akzeptanzwinkel in den Kern einfällt, durchläuft unter mehrfacher Totalreflexion die gesamte Faser. Je größer der Sinus des Akzeptanzwinkels - die numerische Apertur -, desto mehr Licht lässt sich in den LWL einkoppeln.
Als wichtigste Leistungskennziffern fungieren bei Glasfaser die Dämpfung (in dB/km) sowie das Bandbreitenlängenprodukt. Ein LWL mit dem Bandbreitenlängenprodukt 600 MHz x km bietet über 500 m eine nutzbare Bandbreite von 1200 MHz, über 1000 m von 600 MHz, über 6 km liegt sie bei 100 MHz. Grundsätzlich unterscheidet man Glasfaserkabel nach Mehrmodenfasern (MMF, Multimode Fiber) und Einmodenfasern (SMF, Single Mode Fiber).
Dispersion, Moden und Bandbreitenlängenprodukt
Als Moden bezeichnet man in der Glasfaserterminologie die Lichtstrahlen, die unter verschiedenen Winkeln in den Kern eintreten. LWL mit einem abrupten Übergang der Brechzahlen zwischen Kern und Mantel führen zu unterschiedlich langen Übertragungswegen für die einzelnen Moden.
Aus dieser Modendispersion resultiert eine hohe Dämpfung und ein "Verschmieren" des Signals aufgrund der Laufzeitdifferenz. Daraus resultiert ein niedriges Bandbreitenlängenprodukt: Bei längeren Fasern muss der Sender zwischen den einzelnen Lichtpulsen einen großen Abstand einfügen, damit die Signale noch getrennt am Empfänger ankommen. Mehrmodenfasern mit Stufenindexprofil eignen sich daher nur bedingt zur Datenübertragung.
Lichtwellenleiter mit allmählichem Übergang der Brechzahl zwischen Kern und Mantel gleichen die Modenlaufzeiten an. Solche Multimode-Gradientenindexfasern lassen sich durch die konzentrische Anordnung nach außen optisch dünner werdender Materialien realisieren.
Da die Phasengeschwindigkeit von Licht mit sinkender Brechzahl zunimmt, laufen die Moden auf den kurzen Wegen im Kernzentrum langsamer als die Moden in Mantelnähe, die eine weitere Strecke zurückzulegen haben. Dieser Effekt nivelliert Laufzeitunterschiede und reduziert so die Modendispersion.
Während in US-Installationen hauptsächlich Gradientenindex-MMF mit einem Kern/Manteldurchmesser von 62,5/125 µm zum Einsatz kommt, bevorzugen Europäer die 50/125 µmVariante. Sie bietet mit bis zu 1200 MHz x km ein deutlich besseres Bandbreitenlängenprodukt.
Einmodenfasern
Reduziert man den Kerndurchmesser einer Stufenindexfaser so weit, dass sich nur noch der Grundmode parallel zur Faserachse darin ausbreiten kann, erhält man eine Einmoden-Faser. Bei einem Kerndurchmesser unter 10 µm arbeitet Einmodenfaser nur bei Wellenlängen über 1250 nm, also im zweiten oder dritten optischen Fenster. Aufgrund der in diesem Bereich geringen Dämpfung erreicht dieser Glasfasertyp Reichweiten bis zu 100 km. Ein Ineinanderlaufen der Signale durch unterschiedlichen Weg in der Faser kann nicht mehr auftreten, sodass auch hohe Bandbreiten möglich sind.
Allerdings tritt statt der Modendispersion mit der frequenzabhängigen Materialdispersion ein anderer Effekt in den Vordergrund. Jeder Impuls muss sich aus physikalischen Gründen aus einem ganzen Paket von Wellen mit nahe beieinander liegenden Frequenzen zusammensetzen. Ein derartiges Wellenpaket hat somit immer eine gewisse Bandbreite in der Frequenz und der Wellenlänge. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht hängt jedoch - wenn auch nur minimal - materialspezifisch von der Wellenlänge ab. Mit wachsender Wellenlänge bewegen sich die einzelnen Frequenzanteile des Impulses daher immer langsamer durch den LWL. Dies führt dazu, dass der Impuls auch bei einer Monomode-Fiber auseinander läuft.
Ein dazu gegenläufiger Effekt, die Wellenleiterdispersion, kompensiert dies etwas: Ein Teil der Welle läuft auch bei einer Monomode-Fiber im Grenzgebiet zum Mantel, der eine höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit als der Kern der Faser bietet. Diese Eindringtiefe steigt mit wachsender Wellenlänge, so dass diese Frequenzanteile schneller durch die Faser wandern. betreibt man genügend Aufwand bei der Produktion der Faser, kann man dadurch auch perfekt kompensierte LWL erzeugen.
Neben der Dämpfung wird als charakteristische Eigenschaft bei einer Monomode-Faser nicht mehr das Bandbreitenlängenprodukt angegeben. Diese hängt ja jetzt direkt von den spektralen Eigenschaften des Senders ab. Statt dessen führen die Hersteller den Dispersionskoeffizienten an, über den sich mit der Frequenzverteilung des Senders das Bandbreitenlängenprodukt individuell errechnen lässt. Typisch kommt man dabei auf Werte über 10 GHz/km.
Durch spezielle optische Korrekturfilter, eine perfekte Kompensation von Wellenleiter- und Materialdispersion durch komplexe Mehrfachmantel-Profile sowie die Nutzung zahlreicher, eng benachbarter Wellenlängen im optischen Fenster (DWDM ) sind mit Einmoden-Fasern extrem hohe Datenübertragungsraten auch über weite Strecken möglich. So genannte Ultra-Long-Haul-Systeme erreichen dabei 10 GBit/s über eine Strecke von 4000 km - und das ohne jeglichen zwischengeschalteten elektrischen Verstärker.
LWL-Aufbau
Auf Grund ihrer hohen mechanischen Empfindlichkeit erhalten Glasfasern gleich drei verschiedene Umhüllungen. Unmittelbar auf den Fasermantel residiert ein Primärcoating, das den Basisschutz der Faser sicherstellt. Ein Sekundärcoating fasst eine oder mehrere Fasern zu einer Ader zusammen. Solche Adern erhalten schließlich einen Kabelmantel aus den auch bei Kupferkabeln üblichen Werkstoffen wie etwa PE.
Beim Sekundärcoating unterscheidet man zwischen vier möglichen Varianten. Die Vollader integriert Primär und Sekundärcoating zu einer fest verbundenen Hülle. Daraus resultieren ein geringer Durchmesser sowie eine hohe Stabilität gegen Querkräfte. Bei der Verbindung der Ader mit einem Stecker wirkt das fest verbundene Coating zudem als Zugentlastung. VolladerLWL kommt daher vor allem bei der Inhouse-Verkabelung zum Einsatz. Dies gilt auch für die - in der Norm nicht von der Vollader unterschiedene - Kompaktader. Hier liegt die Faser frei in einem gelgefüllten Hohlraum des Sekundär-Coating; der radiale Spielraum beträgt allerdings nur einige hundertstel Millimeter. Dies genügt jedoch, um die durch Temperaturschwankungen auftretenden Zugkräfte zwischen Faser und Coating zu entkoppeln.
Nach demselben Prinzip - allerdings mit wesentlich größerem Abstand zwischen Coating und Faser - funktionieren Hohladern. Der Innenraum enthält fast immer eine Gelmasse, die das Kabel längswasserdicht macht. Es gibt jedoch auch ungefüllte Hohladern, in denen sich die Faser frei bewegt. Im Vergleich zur Vollader bietet die Hohlader eine wesentlich höhere mechanische Festigkeit - allerdings bei deutlich höherem Volumen. Aus diesem Grund finden Hohladern eher bei Außenkabeln Verwendung. Das gilt auch für die Bündelader, die nach dem Hohlader-Prinzip mehrere Fasern in einem Coating integriert.
Ein Kabelmantel, bei Bedarf mit Zugentlastung aus Aramid oder Kevlar, fasst ein oder mehrere LWL-Adern zu einem Innenkabel zusammen. Außenkabel integrieren zudem noch weitere Stütz und Schutzelemente wie torsionsmindernde Metallseelen, längswasserdichtendes Quellmaterial oder einen Nagetierschutz.
Kennzeichnung von Glasfaserkabeln
Wie bei Kupferkabeln existiert auch für Lichtwellenleiter eine DIN-normierte Kennzeichnung, deren einzelne Komponenten Sie der Tabelle entnehmen können.
Ausblick
Herrschte noch vor wenigen Jahren die Meinung, dass jenseits der 100 Mbit/s eine optische Verkabelung notwendig sei, ist heute Gigabit-Ethernet über ungeschirmtes Cat.5-Kabel zur Stockwerksverkabelung Standard. Wer nun meint, für Kupfer sei damit endgültig das Ende der Fahnenstange erreicht, könnte erneut falsch liegen. Anfang Januar 2003 trat erstmals eine IEEE 802.3 Study Group zusammen, die einen Standard für 10 Gbit/s über Kupferkabel erarbeiten will. Wenn möglich, sollen die 10 Gbit/s erneut über das ungeschirmte Cat.5e-Kabel erreicht werden. Wer langfristig auf der sicheren Seite sein will, sollte aber bei neuen Verkabelungen besser gleich Cat.6-Kabel einziehen. Auch bei der Glasfaser geht ein Trend zu immer höheren Geschwindigkeiten bei sinkenden Preisen weiter. Netzwerkkarten für 10 Gbit/s bei Entfernungen bis zu 10 Kilometern sind derzeit ab 5000 Euro erhältlich. Derzeit in der Entwicklung sind Systeme, die bis zu 6,4 TByte/s über ein Fiber übertragen.
Doch eine ganz andere Entwicklung könnte dem Lichtwellenleiter zudem ein neues Einsatzgebiet erschließen: Die großen Halbleiterfirmen wie Intel arbeiten bereits fieberhaft an der optischen Kopplung von Schaltkreisen. Denn bei den immer höheren Taktfrequenzen gerät Kupfer auf dem Mainboard langsam an sein Limit. Lichtwellenleiter aus preiswerten Polymeren sollen daher zukünftig den Datentransport auf der Platine übernehmen.
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