Egal, ob eine Verbindung zu einer Internetseite, Netzwerkdrucker oder zu den sozialen Medien, immer wird eine Verbindung benötigt. Diese kann kabelgebunden oder auch kabellos sein, aber diese physische Verbindung ist zwingend erforderlich.
In diesem Artikel lernst Du die Arbeit auf dem Physical Layer kennen. Dabei werden Dir neben der Erklärung von Bits und Bandbreite, die verschiedenen Netzwerkmedien zur Übertragung vorgestellt: Kupferkabel, Glasfaserkabel und Wireless Media. Darüber hinaus lernst Du die verschiedenen Steckertypen kennen.
Datentransfer von 125 kB bei 100 Mbps:
$$t=\frac{125\:\text{kB}\cdot 8}{100\:\text{Mbps}}=10\:\text{ms}$$Daten werden digital als einzelne Bits übertragen. Die Information besteht dabei lediglich aus 0/1, bzw. dem Zustand an/aus. Die einzelnen Bits werden hintereinander übertragen. Je mehr Bits in einem bestimmten Zeitraum übertragen werden, desto höher ist die Bandbreite (engl. bandwidth). Sie wird in Bits pro Sekunde (bps) angegeben.
Während die Bandbreite den theoretisch möglichen Wert beschreibt, berücksichtigt der Durchsatz (engl. throughput) Verluste durch bspw. Störungen. Die Nutzdatenrate (engl. goodput) berücksichtigt zudem den Overhead durch Protokollinformationen.
Bandbreite | Wert |
---|---|
1 kbps | 1.000 bps |
1 Mbps | 1.000.000 bps |
1 Gbps | 1.000.000.000 bps |
Die einzelnen Bits werden als Spannungs-/Stromsignal auf einer Kupferleitung übertragen. Für den geschlossenen Stromkreis benötigt man pro Signalstrecke zwei Leitungen (ein Leitungspaar). Die Reichweite wird durch Dämpfung (hier der elektrische Widerstand der Leitung) und durch Störungen begrenzt.
Durch den wechselnden Strom, der auf Kupferleitungen bei der Übertragung fließt, entsteht ein wechselndes Magnetfeld. Dieses wiederum erzeugt in benachbarten Leitungen eine Spannung, welche sich mit deren Signalen überlagert. Dieses sogenannte Übersprechen stört das Signal und reduziert die Reichweite. Hinzu kommt, je höher die Bandbreite, desto stärker das Übersprechen.
Um dieses Übersprechen zu reduzieren verdrillt man die Leitungen paarweise zu einem UTP-Kabel (unshielded twisted pair). Um ein noch besseres Ergebnis zu bekommen, kann man die Leitungen zusätzlich schirmen: STP (shielded twisted pair). Des weiteren werden Koaxialkabel eingesetzt.
Man beachte, dass das Produkt aus Bandbreite und Reichweite bei Kupfer im mittleren Bereich liegt. Sogenannte Straight-Through-Kabel werden zwischen Rechner und Switch sowie Rechner und Router eingesetzt. Crossover-Kabel werden hingegen zwischen gleichen Netzwerkkomponenten sowie Switch und Router eingesetzt.
Kabeltyp | Beschreibung |
---|---|
UTP unshielded twisted pair | zwei oder vier paarweise verdrillte Kabeladern |
STP shielded twisted pair | zwei oder vier paarweise verdrillte und geschirmte Kabeladern |
zweipoliges Kabel, bestehend aus einem Innenleiter und einem konzentrisch angeordneten Außenleiter |
Dämpfung $a$ bei einer Eingangsleistung von $P_e=50\:\text{mW}$ und einer Ausgangsleistung von $P_a=25\:\text{mW}$:
$$a=10\cdot log_{10}\left( \frac{P_e}{P_a}\right) =3\:\text{dB}$$Die einzelnen Bits werden als Lichtimpulse auf einer Glasfaserleitung übertragen. Diese Glasfaser hat einen Glaskern (engl. core) in dem die Lichtimpulse scheinen. Der darum liegende Glasmantel (engl. cladding) ist so hergestellt, dass das Licht an der Grenze vollkommen reflektiert wird und so im Glaskern geführt wird.
Die Reichweite in Glasfaserkabeln wird durch Dämpfung und Dispersion begrenzt. Die Dämpfung entsteht durch Lichtstreuung im Glaskern und ist bei einer Wellenlänge von 1500 nm minimal. Dispersion führt zu einer Verbreiterung der Lichtimpulse aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten. Dies liegt daran, dass unterschiedliche Wellenlängen sich unterschiedlich schnell im Glas ausbreiten. Bei 1300 nm ist die Dispersion minimal. Glasfasern haben eine sehr geringe Dämpfung und die höchste Bandbreite bei langer Reichweite. Beispielsweise sind 10 Gbps auf eine Distanz von 10 km möglich.
Es gibt Singlemode- und Multimodefasern. Singlemodefasern haben mit einem kleinen Kerndurchmesser einen sehr kleinen Wellenlängenbereich und dadurch eine geringe Dispersion und noch höhere Reichweiten. Dafür sind Multimodefasern günstiger.
Wähle die korrekten Aussagen aus.
Welche Aussagen über Kupferkabel sind wahr? Wähle zwei.
Welche Aussage über die Bandbreite ist wahr? Wähle eine.
Welche Aussagen über Glasfaserleitungen sind wahr? Wähle zwei.
Welche Arten von Kabel gibt es? Wähle eine Möglichkeit.
Für verdrillte Kupferkabel (UTP, STP) kommen RJ45-Stecker und -Buchsen zum Einsatz. Für Koaxialkabel BNC-Stecker oder N-, bzw. F-type-Stecker.
Für Glasfasern kommen unter anderem Schraubstecker wie F-SMA, FC oder Steckverbinder wie SC oder LSH zum Einsatz.
Wifi-Antennen sind heute häufig in den Geräten so verbaut, dass sie nach außen nicht mehr sichtbar sind.
Die einzelnen Bits werden als elektromagnetische Wellen in der Luft übertragen. Dadurch benötigt man keinerlei physische Verkabelung, was eine Einrichtung sehr einfach macht. Die Reichweite ist begrenzt, weshalb der Sendestandort gut geplant werden muss. In Gebäuden stören besonders Stahlbetondecken; es werden Reichweiten von bis zu 100 m erreicht.
Bei WLAN/WIFI nimmt man eine Bestrahlung der Umgebung in Kauf. Dadurch muß bei der Einrichtung auf eine gute Absicherung des Netzwerks geachtet werden. Die Strahlenintensität $I$ elektormagnetischer Strahlung nimmt in der Regel quadratisch mit dem Abstand ab. Das heißt doppelter Abstand 4mal kleinere Leistung.
$$I~=1/r^2$$Kabellose Übertragung ist sehr komfortabel, hat jedoch das geringste Produkt aus Bandbreite und Reichweite. Die Bandbreite wird mit allen Teilnehmern geteilt (engl. shared medium). Des weiteren gilt: Je höher die Frequenz, desto kürzer die Reichweite.
Standard | Frequenzbereich | max. Bandbreite |
---|---|---|
WiFi 802.11a | 5 GHz | 54 Mbps |
WiFi 802.11g | 2,4 GHz | 54 Mbps |
WiFi 802.11n | 2,4 und 5 GHz | 600 Mbps |
WiFi 802.11ac | 5 GHz | 6936 Mbps |
WiFi 802.11ad | 60 GHz | 6930 Mbps |
3G | 2,1 GHz | 384 kbps |
4G - LTE | 0,8 - 2,6 GHz | 300 Mbps |
5G | 2 - 3,7 GHz | 10 Gbps |
Wähle die korrekten Aussagen aus.
Welche Aufgabe hat der Physical Layer? Wähle eine Antwort.
Was versteht man unter Übersprechen? Wähle zwei Aussagen.
Welche Maßnahmen reduzieren das Übersprechen in Kupfer? Wähle drei Antworten.
Welche Aussage über kabellose Übertragung ist korrekt? Wähle zwei Optionen.
Autoren: A. Grella, D. Supper
das Bit, -s | kleinste Anteil der digitalen Datenübertragung |
die Bandbreite, -n | gibt an wieviele Bits in einem bestimmten Zeitraum übertragen werden |
das UTP-Kabel, ~ | ungeschirmte verdrillte Adernpaare (engl. unshielded twisted pair) |
das STP-Kabel, ~ | geschirmte verdrillte Adernpaare (engl. shielded twisted pair) |
das Koaxialkabel, ~ | zweipoliges Kabel, bestehend aus einem Innenleiter und einem konzentrisch angeordeneten Außenleiter |
das Glasfaserkabel, ~ | Leitung für Lichtimpulse aus Glas |
die Dämpfung, -en | Verlust der Signalstärke, verursacht durch den elektrischen Widerstand (Kupferkabel) oder Reflexion (Glasfaser) |
die Dispersion, - | Verbreiterung von Signalen aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten für verschiedene Wellenlängen |
die Latenz, - | Verzögerungszeiten die in elektronischen Baugruppen entstehen |
der RJ45-Stecker, ~ | Steckernorm für UTP- und STP-Kabel |