In diesem Beitrag werden die gängigsten Übertragungstechnologien für Local Area Networks behandelt, ohne zu sehr ins Detail zu gehen. Hier soll vor allem ein Überblick über die physikalschen Eigenschaften und Kernmerkmale vermittelt werden, die unter anderem einen direkten Vergleich ermöglichen sollen.

Bis vor einigen Jahren war für eine lange Zeit 10Base-2 (Thin-Ethernet) in lokalen Netzen dominierend. Diese Technik brachte es auf eine Bandbreite von 10Mbit/s im Halbduplexverfahren.

Ein Vorteil von 10Base-2 war sicherlich die einfache Installation, da zum Betrieb mehrerer Teilnehmer einfach T-Stücke zwischen das Medium geschaltet werden mussten. Aber genau diese Einfachheit hatte auch einen Grund, welcher die Ursache für die ganzen Nachteile dieser Technik war. Alle Teilnehmer teilten sich das Medium. Daraus folgte, dass zu jeder Zeit nur ein Teilnehmer senden konnte. Deshalb auch Halbduplex. Die Realisierung erfolgte durch ein recht kompliziertes Verfahren zur Kollisionserkennung (2 oder mehr Teilnehmer versuchen gleichzeitig Daten zu senden), dem CSMA/CD-Algorithmus (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect).

Dabei wurde quasi per Zufall entschieden, wer als nächstes an der Reihe war Daten zu senden. Bedingt durch das gemeinsam genutzte Übertragungsmedium waren auch alle Teilnehmer verpflichtet jeglichen Datenverkehr auf dem Medium zu prüfen um festzustellen, ob es an sie selbst addressiert war. Durch die Verwendung von Netzkoppelelementen wie Bridges und Repeatern war es bedingt möglich die Kollisionen zu begrenzen und die Reichweite zu erhöhen, aber alles in allem trotzdem eine recht leistungsschwache Technik, die heutigen Anforderungen an Bandbreite und Schnelligkeit nicht mehr gerecht werden kann.

Analog zu 10Base-2 existiert 10Base-5. Der wesentliche Unterschied dieser beiden Versionen besteht darin, dass bei 10Base-5 ein dickeres Koaxialkabel (Thick-Ethernet) verwendet wird und dadurch eine maximale Segmentlänge von 500 Metern ermöglicht wird. Ansonsten sind die Spezifikationen und Beschränkungen identisch.

Auf 10Base-2 folgten viele weitere Spezifikationen durch das IEEE 802 Konsortium, aber in der breiten Masse hat sich dann doch 100Base-TX und der aktuelle Nachfolger 1000Base-T durchgesetzt.

100Base-TX bietet eine Bandbreite von 100Mbit/s im Halbduplexverfahren und 200Mbit/s bei Vollduplex. 1000Base-T bietet eine Bandbreite von 1000Mbit/s im Halbduplexverfahren und 2000Mbit/s bei Vollduplex.

Das folgende Schaubild vermittelt einen Eindruck über die Einsatzmöglichkeit von 100Base-TX. Bis auf die Bandbreite gilt dieses Schaubild ebenso für 1000Base-T.

Eine herausragende Eigenschaft von 100Base-TX /1000Base-T wird eigentlich erst durch die Verwendung von Switchen deutlich. Diese sind in der Lage direkte bidirektionale (Vollduplex) Verbindungen zwischen kommunizierenden Teilnehmern zu realisieren. Ruft z.B. der Laptop Daten vom Server ab, bekommen weder der Arbeitsplatz-PC, noch der Netzwerkdrucker etwas davon mit. So ist es auch möglich, dass parallel dazu der Arbeitsplatz-PC mit dem Drucker kollisionsfrei kommunizieren kann.

Selbst wenn mehrere Endgeräte auf das gleiche Endgerät zugreifen, kommt es zu keinen Kollisionen. Die Lösung hierfür liegt darin, dass Swichte einen schnellen Speicher besitzen, wo Frames zwischengespeichert werden können, falls ein Port gerade belegt ist. Da die Performance der Switche in der Regel der Anzahl der Ports und der möglichen Bandbreite angepasst ist, bemerken die Endgeräte nicht, dass die Kummunikation kurzzeitig unterbrochen wird. Schlimmstenfalls kommt es zu geringfügigen Verlängerungen der Laufzeit, welche aber in keiner Weise mit denen vergleichbar sind, die bei Kollsionen wie unter 10Base-2 auftreten.

Ein Merkmal von 100Base-TX ist der verwendete Kabeltyp CAT-5 Twistet-Pair. CAT-5 definiert den zulässigen Frequenzbereich und Twisted-Pair bedeutet, dass jedes Adernpaar verdrillt ist. Dies hat elektrotechnische Gründe auf die hier nicht tiefer eingegangen wird. Auf jeden Fall sollte die Verdrillung eines Adernpaars so weit wie möglich bis zum jeweiligen Anschlusspunkt bestehen bleiben! Zum Einsatz kommt bei 100Base-TX in der Regel die UTP-Variante (Unshielded Twisted-Pair). Diese gibt es in 2 Verdrahtungvarianten, genormt nach TIA/EIA 568. 1:1 Patchkabel (A oder B) und Crossover Patchkabel. Bei 100Base-TX werden effektiv nur die Adern 1,2,3 und 6 zur Übertragung genutzt.

TIA/EIA 568A - 1:1 Verdrahtung:

TIA/EIA 568B - 1:1 Verdrahtung:

Die 1:1 Verdrahtung ist für alle Technologien nach IEEE 802.3 bis 1000Base-T anwendbar. Allerdings ändern sich bei 1000Base-T für die Schaubilder die Bezeichnungen der PINs, da es dort keine NC (Not Connected) PINs gibt. Je nach Zweck, welche weiter unten aufgeführt werden, kann aber auch der Einsatz der Crossover Verdrahtung notwendig sein. Auch hier muss berücksichtigt werden, dass 1000Base-T alle Adernpaare zur Übertragung nutzt. Daher ist die Crossover Verdrahtung nur bis bis 100Base-TX zulässig ist. Für 1000Base-T ist der Einsatz der Full-Corssover Verdrahtung notwendig. Diese ist jedoch zu Crossover abwärtskompatibel, so dass die Full-Crossover Verdrahtung wieder für alle Technologien nach IEEE 802.3 bis 1000Base-T einsetzbar ist.

...Bilder wegen Farbfehlern in Überarbeitung

Der bei 100Base-TX (ebenso bei 1000Base-T) verwendete Steckertyp ist die RJ-45 (8P8C). RJ steht hier für Registered Jack, 45 gibt die Bauform an und 8P8C bedeutet 8 Positions mit 8 Pins. Pin 1 ist in jeder Ansicht markiert.

Trivia: Umgangssprachlich wird auch oft der Begriff Western Stecker benutzt, welcher auf die ursprüngliche Herstellerfirma Western Electric zurückzuführen ist.

Wie die fachgerechte Montage von Kabel und Stecker aussehen kann, soll in einem Bild veranschaulicht werden.

Je nach Stecker-Variante kann dieses Beispiel von der Praxis abweichen. Verwendet man z.B. UTP, dann fehlt die Schirm-Folie. Dann wäre auch die Verwendung von geschirmten Steckern unnötig. Diese Kombination wäre dann zwar theoretisch anfälliger für Störungen, wird aber in der Regel zumindest mit 100Base-TX problemlos funktionieren.

Netzwerkdosen und Patchfelder verwenden LSA-Anschlussleisten, die mit einem speziellen LSA-Anlegewerkzeug in die Leisten gequetscht werden. Die Belegung verläuft nach der gleichen Norm wie bei den Kabeln. Die LSA-Anschlussleisten bieten zusätzlich Farbmarkierungen, welche das Auflegen der Leitungen vereinfachen.

Allerdings gibt es neben TIA/EIA noch einige weitere Farb-Normen. Diese sind zwar nicht weit verbreitet, können aber zu Verwirrung oder gar Fehlern führen, wenn man die verschiedenen Normen untereinander mischt. Daher sollte man sich vor der Installation auf eine Norm festlegen und darauf achten, dass auch zukünftig angeschaftes Verlegematerial dieser Norm entspricht.

Ursprünglich gab es feste Vorgaben, für welchen Zweck welche Verdrahtungsart eingesetzt werden musste.

1:1 Patchkabel:

• Switch zu PC (oder anderem Endgerät)

Crossover Patchkabel:

• PC zu PC
• Switch zu Switch
• Switch zu Router

Duch die starke Verbreitung der Technik Auto MDI-X, welche in der Lage ist die verwendete Verdrahtungsart selbst zu erkennen, ist es bei sehr vielen Netzkoppelelementen nicht mehr nötig auf die Verdrahtungsart zu achten. Ob ein Gerät diese Technik unterstützt, ist aus den Angaben zum jeweiligen Gerät zu entnehmen. Bei 1000Base-T ist Auto MDI-X standard. Daher ist dort auch nur selten die Crossover Variante von Patchkabeln anzutreffen.

Notebooks, PDAs und weitere mobile Endgeräte verlangten nach einer ebenfalls mobilen Zugriffsmöglichkeit auf ein LAN und dadurch oft auch auf das Internet. Nicht zuletzt dadurch verbreitete sich Wireless-LAN rapide und wurde auch kontinuierlich weiterentwickelt. Ebenfalls in Mode gekommen ist die ausschließliche oder gemischte Verwendung von WLAN bei stationären Endgeräten (z.B. PCs) im LAN, weil man sich dadurch die Verlegung von Kabeln sparen kann.

Spezifiziert ist WLAN nach IEEE 802.11 in verschiedenen Varianten. An realer Bedeutung davon haben zur Zeit:

• 11b (11Mbit/s bei 2,4GHz)
• 11g (54Mbit/s bei 2,4GHz)
• 11n (300Mbit/s bei 2,4GHz; 600Mbit/s bei 5GHz)

Welchen Durchsatz (nutzbare Bandbreite) man jedoch in der Praxis erreicht, hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Signalstärke/Signalqualität
  Blockierendes Material (keine Sichtverbindung); Entfernung; Frequenzstörungen
• Anzahl der Teilnehmer
  Die Verfügbare Bandbreite wird aufgeteilt
• Verschlüsselungs- und Authentifizierungstechniken
  Beispielsweise WPA und 802.1x

Anmerkung: Die Faustregel besagt, dass unter idealen Bedingungen - nur 2 Teilnehmer, bei optimaler Signalstärke/Signalqualität - ein Durchsatz von 0,5 • max. Bandbreite nutzbar bleibt. In Großraumbüros mit teilweise dutzenden WLAN-Teilnehmern können nur noch lokale Vermessungen ordentliche Positionierungspunkte für Zugriffsstationen liefern.

Die wichtigsten WLAN-Geräte sind WLAN-Karten für verschiedene Schnittstellen (PCI, PCMCIA, USB) , sowie Access-Points (Zugriffsstationen), welche die Kommunikation vieler WLAN-Teilnehmer untereinander koordinieren und eine Schnittstelle zu drahtgebundenen LANs bilden:

WLAN basiert wie beispielsweise 10Base-2 auf einem gemeinsam genutzen Medium (hier Luft) im Halbduplex-Verfahren, wo jeder Teilnehmer gleichberechtigt ist. Das führt zu dem gleichen Hauptproblem wie bei 10Base-2, nämlich den Kollisionen. Da aber ein WLAN-Geräte während dem Senden keine Kollisionen erkennen kann, wurde hierfür das CSMA/CD-Verfahren zum CSMA/CA-Verfahren modifiziert. CA steht hier für Collision Avoidance. Dieses Verfahren basiert auf einer präventiven Technik zur bestmöglichen Vermeidung von Kollisionen.

Ein weiteres Problem welches mit WLAN einher geht ist, dass das Übertragungsmedium (Luft) nicht räumlich begrenzt ist, wie z.B. ein Kabel. Die Begrenzung wird lediglich durch die Sende- und Empfangsstärke der WLAN-Geräte bestimmt. Damit nun nicht ungewünschte Teilnehmer auf einem WLAN zugreifen können, wurden verschiedene Verschlüsselungstechniken entwickelt:

• WEP (Wired Equivalent Privacy)
• WPA (WiFi Protected Access)
  
• WPA2

Anmerkung: Da WEP schon einige Zeit nachweislich als unsichere Verschlüsselungstechnik gilt, sollte diese Technik nicht mehr angewandt werden. Auch WPA kann unter günstigen Umständen entschlüsselt werden. Jedoch mit verhältnismäßig großem Aufwand. Geräte die sich mit dem Wi-Fi Alliance Siegel schmücken möchten, dürfen daher ab 2014 nur noch WPA2-AES anbieten. WEP und auch WPA werden bis dahin sukzessive untersagt.

WLAN-Geräte können in verschiedenen Modi betrieben werden, sofern sie diese unterstützen:

• Ad-hoc
  Dieser Modus ist für wenige Teilnehmer ausgelegt, die nicht über einen Access-Point untereinander kommunizieren.
• Infrastruktur
  Hier bildet ein Access-Point einen zentralen Verwaltungspunkt, der die Kommunikation der Teilnehmer untereinander koordiniert.
• WDS (Wireless Distribution System)
  Beim WDS können Access-Points entweder im Bridge-Mode oder Repeate-Mode betrieben werden. Im Bridge-Mode wird zwischen zwei Access-Points eine Punkt-zu-Punkt Verbindung hergestellt. Weitere Teilnehmer können nicht auf die Access-Points zugreifen. Dieser Mode eignet sich um weitere Strecken per WLAN zu überbrücken, ohne dass dabei Bandbreite für Teilnehmer abgegeben werden muss. Der Repeate-Mode hingegen erlaubt es zudem, dass neben der Kommunikation zwischen den Acces-Points auch Endgeräte bedient werden. Dies eignet sich vor allem um größere Bereichee (z.B. Messehallen) flächendeckend mit WLAN zu versorgen. Allerdings reduziert sich dadurch der Durchsatz enorm. Zudem muss eine Überlappung der einzelnen Zellen (>10%) berücksichtigt werden, damit ein unterbrechungsfreier Wechsel auf einen anderen Access-Point sichergestellt werden kann.

Damit WLAN-Geräte andere WLAN-Geräte überhaupt erkennen und darauf zugreifen können, benötigen sie eine Identifikation. Bei WLAN ist dies der SSID (Service Set Identifier). Der SSID wird für alle WLAN-Geräte benötigt, auf die aufgeschaltet wird. Im Ad-hoc Modus benötigen alle Teilnehmer die gleiche SSID. Im Infrastruktur Modus und beim WDS nur der oder die Access-Points. Standardmäßig wird der SSID in regelmäßigen Intervallen als Broadcast gesendet, damit neue WLAN-Geräte diese auffinden können. Allerdings kann man das Senden des SSIDs auch unterbinden. In diesem Fall muss ein neues WLAN-Gerät den SSID kennen. Dieser wird dann bei der Einrichtung manuell angegeben.

Eine weitere Technolgie ist die Datenübertragung über Lichtwellenleiter (z.B. 100Base-FX). Sie wird vornehmlich bei Backboneverbindungen zwischen Switchen und bei der Gebäude-Gebäude Verkabelung eingesetzt. Die LWL-Technologie besitzt einige Vorteile gegenüber der Datenübertragung via Kupferdraht.

• Höhere Bandbreiten möglich (>1Gb/s)
• Dünnere Leitungen, also platzsparend
• Hohe Abhörsicherheit, da keine elektrischen Felder
• Störunanfällig (kein NEXT, Power Sum, etc.)
• Weite Strecken ohne Signalauffrischung (Repeater)

Der einzige Nachteil bei dieser Technik ist der höhere Kostenaufwand für Leitungen und Montagematerial. Daher findet diese Technik vornehmlich im industriellen Bereich Verwendung (Backbones von Telekommunikationsanbietern) oder bei Firmen, wo die Vorteile dieser Technik wichtiger sind, als die höheren Kosten (z.B. der Übertragung sicherheitsrelevanter Daten).

SC-Stecker	ST-Stecker	LC-Stecker

An Leitungsarten werden zwei Typen von Glasfaserleitungen eingesetzt, deren Unterschiede im Folgenden verdeutlicht werden:

• Multimoden-Glasfaser

In einer Multimode-Glasfaser kann das Licht mehrere Wege in der Faser nehmen (Dispersion). Aufgrund der unterschiedlich langen Wege käme es folglich auch zu Laufzeitunterschieden.

Um dies zu unterbinden, verwendet man beim Glaskern so genanntes Gradientenglas. Der Brechungsindex nimmt hier von Innen nach Außen ab, so dass sich das Licht im äußeren Bereich des Glaskerns schneller fortbewegt, als im inneren Bereich. Damit wird gewährleistet, dass ein Signal innerhalb einer bestimmten Zeitspanne am Ende der Leitung erkannt werden kann. Zur Signaleinspeißung wird vornehmlich LED-Technik verwendet. Der wesentliche Vorteil gegenüber den Singlemode-Glasfasern besteht in der kostengünstigeren Herstellung der Leitungen und dass LED-Technik ebenfalls kostengünstiger ist als Laser-Technik.

• Einmoden-Glasfaser

In einer Einmoden-Glasfaser nimmt das Licht einen fast geraden Verlauf.

Dispersion ist so gut wie nicht vorhanden. Zur Signaleinspeißung wird ausschließlich Laser-Technik verwendet. Die Vorteile die sich daraus ergeben sind, dass höhere Bandbreiten als bei Multimode-Glasfasern realisiert werden können und dass die Übertragungsstrecken größer sind.

Die technischen Merkmale der Glasfaserleitungen resultieren im Wesentlichen auf den physikalischen Eigenschaften des Lichts:

• Dispersion
  Lichtstreuung/Lichtbrechung
• Absorption
  Dämpfung durch Verunreinigung der Glasfasern