RJ45 Kabel

Netzwerkverkabelung - Physical Layer


Ideen: M. Bundy, A. Grella, M. Metz, A. Grupp, Elektronikschule Tettnang und Cisco Networking Academy 2020

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.

Bits und Bandbreite



Kerze mit digitalem Datenstrom

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

Kupferkabel UTP, STP und Koaxial



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

Glasfaserkabel optical fiber



Lichtleitung in einer Glasfaser

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.

Übung 1 Welche Aussage ist wahr

Wähle die korrekten Aussagen aus.

Welche Aussagen über Kupferkabel sind wahr? Wähle zwei.

  1. Man verwendet verdrillte Leitungen
  2. Man benötigt für die Signalübertragung 2 Leitungen.
  3. Man verwendet für die Signalübertragung 1 Leitung.


Welche Aussage über die Bandbreite ist wahr? Wähle eine.

  1. Sie gibt an, wie groß die Reichweite ist.
  2. Sie ist das Produkt aus Bits pro Sekunde und Reichweite.
  3. Sie gibt an wieviele Bits in einem bestimmten Zeitraum übertragen werden.

Welche Aussagen über Glasfaserleitungen sind wahr? Wähle zwei.

  1. Glasfasern leiten Spannungs-/Stromsignale.
  2. Glasfasern haben bei gleicher Bandbreite die größere Reichweite im Vergleich zu Kupfer.
  3. Glasfasern leiten Lichtimpulse.


Welche Arten von Kabel gibt es? Wähle eine Möglichkeit.

  1. verdrilltes Koaxialkabel
  2. geschirmte Glasfaser
  3. verdrilltes geschirmtes Kupferkabel

Kabelstecker und -buchsen



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.

Router der Firma Telekom

Kabellose Übertragung wireless



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

Übung 2 Welche Aussage ist wahr

Wähle die korrekten Aussagen aus.

Welche Aufgabe hat der Physical Layer? Wähle eine Antwort.

  1. Er beschreibt die Datenübertragung auf Bitebene.
  2. Er erklärt, wie Daten verpackt werden.
  3. Er erklärt wie sicher ein Netz ist.
  4. Er beschreibt die Fehlererkennung im Netz.


Was versteht man unter Übersprechen? Wähle zwei Aussagen.

  1. Die Daten werden zu schnell versandt.
  2. Der Datentransport wird hörbar gemacht.
  3. Daten auf einer Leitung erzeugen ein Signal auf einer benachbarten Leitung.
  4. Signale überlagern sich.

Welche Maßnahmen reduzieren das Übersprechen in Kupfer? Wähle drei Antworten.

  1. Vermeidung von Leitungsknicken
  2. verdrillte Adernpaare
  3. geringere Bandbreite
  4. geschirmte Leitungen


Welche Aussage über kabellose Übertragung ist korrekt? Wähle zwei Optionen.

  1. Bei dreifachem Abstand ist die Intensität 9mal schwächer.
  2. Bei dreifachem Abstand ist die Intensität 3mal schwächer.
  3. Sie ist hat die größte Reichweite.
  4. Sie ist für mobile Anwendungen besonders geeignet.

Übung 3 Bandbreite und Netzwerkmedien

Autoren: A. Grella, D. Supper

  1. Benenne den Unterschied zwischen Bandbreite, Durchsatz und Nutzdatenrate. Gebe die englischen Begriffe an.
  2. Eine Datenmenge von 64 GB soll mit einer Bandbreite von 100 Mbps übertragen werden. Die tatsächliche Nutzdatenrate liegt 25 % darunter. Berechne die Zeitdauer.
  3. Beschreibe die Unterschiede zwischen UTP- und STP-Kabeln.
  4. Erkläre den Nutzen des Verdrillens von Aderpaaren.
  5. TP-Kabel (twisted pair) werden in Kategorien unterteilt. Beschreibe die Eigenschaften von CAT5-, CAT6- und CAT7-Kabeln.
  6. Benenne den Kabeltyp der zwischen Rechner und Rechner sowie Rechner und Router eingesetzt wird.
  7. Erkläre wieso man für Glasfaserkabel nur eine Leitung für Kupferkabel aber zwei Leitungen benötigt.
  1. Beschreibe den Aufbau und die Eigenschaften von Singlemode- und Multimodefasern.
  2. Beschreibe die Begriffe Dämpfung, Dispersion und Latenz.
  3. Eine optische Leistung von 1 mW wird 10 km übertragen. Die ankommende Leistung beträgt noch 0,1 mW. Berechne die Dämpfung.
  4. Berechne den Leistungsunterschied bei einer Dämpfung von 3 dB.
  5. Benenne die Parameter, welche bei der Einrichtung eines WLANs/WiFi mindestens konfiguriert werden müssen.
  6. Benenne welche Eigenschaften ein WiFi-Netz störanfällig, langsam und unsicher machen.
  7. Beschreibe die Merkmale des WiFi-Standards 802.11n und 802.11ac.


Wortliste und Satzbausteine



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
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