6. Kabel und Geräte zur Installation von Computernetzwerken

6.1. Kabel 

6.1.1. Anforderungen an Netzwerk-Kabel

Eine wichtige Rolle bei der Datenübertragung zwischen Computern spielt das Übertragungsmedium, im Normalfall das Netzwerkkabel. Es muss die Daten über oftmals große Entfernungen transportieren. Dabei darf es nicht zu Störbeeinflussungen durch äußere elektromagnetische Felder oder durch andere Signalleitungen kommen, die das Signal verfälschen oder gar unlesbar machen. Große Datenmengen bedeuten oftmals sehr hohe Frequenzen. Das heißt, dass ein Datenübertragungsmedium möglichst eine hohe Grenzfrequenz haben muss. Nicht zuletzt muss das Datenkabel auch mechanisch den Anforderungen eines jahrelangen Dienstes in oftmals aggressiver Umgebung standhalten.

6.1.2. Kupferkabel 

Für lokale Netze werden meist Kupferkabel eingesetzt, wenn auch der Anteil der Glasfaser- und drahtlosen Verbindungen immer mehr zunimmt. Bei Kupferkabeln unterscheidet man hauptsächlich zwischen symmetrischen (Twisted Pair) und asymmetrischen Leitungen (Koaxialkabel – Koax)

6.1.2.1. Koax

ursprünglich für alle Computernetze verwendet, heute für Breitbandnetze

• max. Übertragungsrate ca. 2 Gbit/s auf 2 km

• größere Distanzen und höhere Geschwindigkeiten als bei twisted Pair

• gibt kaum eigene Strahlung ab

• äußere Einstrahlungen werden gut kompensiert (störungsunempfindlich)

Beispiel: Kabelfernsehen, breitbandige Computernetze

Typen von Koax-Kabeln:

6.1.2.2. Twisted Pair

Twisted Pair Kabel sind Netzwerkkabel, die aus vier verdrillten (twisted) Adernpaaren (pair) bestehen.

• max. Übertragungsrate ca. 100 Mbit/s auf 100m

• Verdrillung reduziert die gegenseitige Störbeeinflussung zwischen benachbarten Kabeln

• empfindlich gegenüber elektromagnetischer Strahlung

• Entfernungen u. U. bis zu einigen km möglich (ohne Verstärkung)

• preiswert und leicht zu verlegen

Das Kabel verbindet genau zwei Stationen miteinander.

Zum Anschluss mehrerer Stationen müssen so genannte Hubs (engl. "Hub" = Nabe eines Speichenrades) eingesetzt werden, es lassen sich dann bis zu 1024 Stationen miteinander koppeln.

Als Verbinder kommen normalerweise RJ-45-Stecker (Western-Stecker) und -Dosen zum Einsatz.

Die hier beschriebenen Twisted-Pair-Kabel sind Verlegekabel der Kategorie 5. Sie werden hauptsächlich in strukturierten Verkabelungssystemen (Netzwerk und Telefonie) eingesetzt. Man unterscheidet folgende Ausstattungsarten:

6.1.2.3. U/UTP - Unscreened Unshielded Twisted Pair

U/UTP-Kabel sind sehr einfach aufgebaute ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel. Dadurch sind sie sehr einfach herzustellen und preisgünstig, aber auch sehr störanfällig.

Das Kabel besteht aus einem Kunststoffmantel, in dem sich die verdrillten Adernpaare befinden. Das Kabel ist sehr flexibel und einfach zu verlegen.

6.1.2.4. S/UTP - Screened Unshielded Twisted Pair

Das S/UTP-Kabel hat zwischen Kunststoffmantel und den verdrillten Adernpaaren eine Schirmung aus Kupfergeflecht oder Aluminiumfolie. Die Qualität dieser Kabel ist wesentlich höher als U/UTP. Sie stellt das Mindestmaß an Qualität für die Netzwerkverkabelung sicher.

6.1.2.5. S/STP - Screened Shielded Twisted Pair

Das S/STP-Kabel ist das hochwertigste Twisted-Pair-Kabel. Zusätzlich zum Schirmgeflecht sind hier die einzelnen Adernpaare mit einer Aluminiumfolie geschirmt. Dieses Kabel ist wenig flexibler und daher schwerer zu verlegen.

6.1.2.6. Typen von Twisted-Pair-Kabeln

6.1.2.7. Stecker

Die zugehörigen Steckverbinder für Twisted Pair sind so genannte RJ45-Stecker, oft auch als Westernstecker bezeichnet.

6.1.2.8. Pin-Belegung eines Twisted-Pair Kabels

Zum Verbinden einer Netzwerkkarte mit einem „normalen“ Hubport verwendet man ein (1-1)-Kabel:

An den RJ45-Buchsen (Draufsicht - von vorne) gesehen:

Also: 1-1, 2-2, 3-3, 6-6

6.1.2.9.Crossover-Kabel für Ethernet

Das Crossover-Kabel überkreuzt die zwei Empfangs- und Sendeleitungen zweier miteinander verbundener Netzwerkkomponenten.

Es wird verwendet,

• wenn zwei Netzwerk-Komponenten (Hubs, Switches) verbunden werden sollen, aber kein Uplink-Port vorhanden ist.

• wenn zwei Netzwerk-Karten direkt miteinander verbunden werden sollen.

Also: 1-3, 2-6, 3-1, 6-2

6.1.3. Lichtwellenleiter (LWL) 

Lichtwellenleiter bestehen aus Glas oder lichtdurchlässigem Kunststoff. Physikalische Grundlage des LWL ist das Prinzip von Brechung und Reflexion. Ein sich durch den Kern des Kabels bewegender Lichtstrahl wird beim Auftreffen auf die Grenzschicht zwischen Kern und Ummantelung totalreflektiert und verlässt so nie das Kabel.

Charakteristika von LWL:

• Verwendung ursprünglich hauptsächlich in Hochgeschwindigkeitsnetzen und im Telefon-Weit­verkehrs­netz, wird zunehmend auch bei LANs eingesetzt.

• Bandbreite: ca. 200 MHz bis 5 GHz

• Unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen.

• erfordert hohen technischen Aufwand: LED (Light Emitting Diode = Lichtdiode) oder Laser als Sender, Fotodiode als Empfänger, Spezialwerkzeug bei der Verkabelung.

• Früher komplexe Handhabung (spleißen, Endstücke konfektionieren, biegen und brechen), heute standardisierte Verbindungstechnik

• geringe Herstellungskosten

• geringer Raumbedarf und geringes Gewicht

• für Verlegung in explosionsgefährdeten Räumen geeignet

• Substitution von Kupfer (Glas ist billiger)

• Abhörsicherheit (keine elektromagnetische Abstrahlung)

Es gibt hinsichtlich der möglichen Führung der Strahlen zwei Typen von LWL, die Multimode-LWL (Vielwellenleiter) und die Monomode-LWL (Einwellenleiter). Bei Monomode-LWL ist der Faserdurchmesser kleiner als beim Multimode-LWL. Die Verluste und die Dispersion (Lichtstreuung) bei Monomode-Fasern sind sehr gering. Damit ist der Monomode-LWL zur Übertragung bei großen Distanzen geeignet, gleichzeitig ist er aber hinsichtlich Herstellung und technischen Anforderungen an die Zusatzgeräte teurer.

6.2. Geräte zur Verbindung von Netzwerkkomponenten

6.2.1. Wozu Verbindungsgeräte? 

Ein Twisted-Pair-Kabel verbindet genau zwei Geräte miteinander. Sobald mehr als zwei Geräte miteinander vernetzt werden sollen, braucht man Zusatzgeräte (Hubs oder Switches), die dies realisieren. Des Weiteren ist es oftmals notwendig, einzelne Netze miteinander zu verbinden oder Längenbegrenzungen, Bandbreitenengpässe oder sonstige Einschränkungen zu überwinden.

6.2.2. Repeater 

Ein Repeater (Signalverstärker) ist eine aktive Netzwerkkomponente, die eine Regenerierungsfunktion übernimmt. Ein Repeater empfängt Signale, verstärkt sie und gibt sie weiter. In lokalen Netzen dient der Repeater dazu,, die maximale Signalreichweite bzw. Kabellänge zu erhöhen. Ein Repeater regeneriert nur die Bitströme, hat aber keinen Einblick in den Inhalt der Sendungen. alle Segmente des Netzwerks müssen deshalb das gleiche Zugriffsverfahren verwenden. Ein Repeater ist vollkommen transparent, d. h., weder angeschlossene Geräte noch Programme „wissen“ von diesem Gerät. Repeater spielen bei neueren Vernetzungen keine Rolle mehr.

6.2.3. Hub 

Ein Hub ist ein Verteiler in einem sternförmigen Netz und wird häufig auch als Kabelkonzentrator, Sternkoppler oder Sternverteiler bezeichnet. Ein Hub hat mehrere Ports (5, 8, 16, 24), mit denen jeweils ein Endgerät verbunden wird. Auf der Strecke Port – Endgerät steht dem Endgerät die volle Bandbreite zur Verfügung. Die innere Verbindung (interner Datenbus) der einzelnen Ports heißt Backplane und kann meist eine wesentlich höhere Bandbreite (im GBps-Bereich) realisieren. Dadurch werden Engpässe bei der Verbindung der Geräte untereinander vermieden. Auch ein Hub ist ein vollständig transparentes Gerät, jedes Signal ist überall vorhanden. Die Endgeräte müssen sich das Übertragungsmedium teilen (shared medium). Logisch bleibt so die Struktur eines Busses erhalten, d. h. jeder Netzwerkknoten erhält jede Nachricht.

Moderne Hubs arbeiten mit Signalverstärkung (aktiver Hub), erkennen die Geschwindigkeit der sendenden Netzwerkkarten (meist 10 oder 100 MBps) und stellen sich darauf ein (Automatik-Hub).

Ein Switching Hub ist ein Hub, der ein ankommendes Signal nur an das Zielgerät weiterschaltet. Dadurch wird die Eigenschaft der Bustopologie, dass alle Netzwerkknoten das Signal bekommen, außer Kraft gesetzt. Der Datendurchsatz kann dadurch wesentlich größer werden. Hubs können miteinander verbunden werden, so dass man bzgl. der Kopplung von Rechnern sehr flexibel ist.

6.2.4. Bridge 

Eine Bridge verbindet zwei lokale Netzwerke (Subnetze) miteinander. Jedes Teilnetz kann bzgl. der Längenbestimmungen oder der Anzahl der Arbeitsstationen als eigenständig bezeichnet werden.

Im Gegensatz zum Repeater kann eine Bridge unterschiedliche Übertragungsraten und unterschiedliche Zugriffsverfahren umsetzen, also z. B. auch zwischen CSMA/CD und Token Passing eingesetzt werden.

Arbeitsweise: Eine Bridge führt eine Zwischenspeicherung und Aufbereitung der Datenpakete durch, bevor sie die Pakete anhand der MAC-Adresse weiterleitet. Für diesen Zweck werden Adresstabellen verwendet.

Die Bridge „lernt“ mögliche Empfänger, indem die Absender von Paketen in den einzelnen Teilnetzen in eine Tabelle eingetragen werden. Diese Tabelleneinträge werden laufend aktualisiert. Ein Paket muss nur dann an alle Teilnetze gesendet werden, wenn der Empfänger nicht in dieser Tabelle eingetragen ist und das Zielnetz somit nicht bekannt ist.

6.2.5. Switch 

Ein Switch ist ein elektronisches Gerät zur Verbindung von Netzwerk-Segmenten, ähnlich einem Hub. Es dient zu Verbindung mehrerer Computer über ein lokales Netzwerk. Ein Switch wird wegen der ähnlichen Eigenschaften zur Bridge oft auch als Multi-Port-Bridge bezeichnet.

Arbeitsweise: Die einzelnen Ports eines Switch können unabhängig voneinander Daten empfangen und senden. Sie sind über einen internen Hochgeschwindigkeitsbus (Backplane) miteinander verbunden. Datenpuffer sorgen dafür, dass nach Möglichkeit keine Datenpakete verloren gehen.

Vorteil: Keine Datenkollisionen, der Datendurchsatz wird deutlich erhöht.

Nachteil: Da gesendete Nachrichten nicht mehr überall vorhanden sind, ist das Netz bei Fehlersituationen schwerer zu überblicken.

6.2.6. Router 

Ein Router ist ein Gerät, das getrennte Netzwerke koppeln oder große Netzwerke in Subnetze aufteilen kann. Dies Kopplung kann eine Verbindung zwischen zwei oder mehr lokalen Netzen oder die Verbindung zwischen LAN und WAN bzw. WAN und WAN sein.

Ein Router ist ein Vermittlungsrechner, der am Aufbau einer Verbindung in einem Computernetz mit Paketvermittlung, zum Beispiel dem Internet, beteiligt ist. Solche Rechner leiten („routen") die Datenpakete anhand der Adresse eines routingfähigen Protokolls wie z.B. TCP/IP zum jeweiligen Zielrechner. Die Adresse im Header eines Datenpakets gibt an, in welches Subnetz, an welchen anderen Router oder Rechner er die Daten senden muss. Der Router entscheidet sich für den jeweils (zeitlich und entfernungsmäßig) günstigsten Weg.

6.2.7. Gateway 

Ein Gateway verbindet Netzwerke mit völlig unterschiedlichen Protokollen und Adressierungen.

Ein Gateway kann damit eigentlich inkompatible Netze miteinander verbinden. Möglich wird dies dadurch, dass ein Gateway auf allen 7 Schichten des OSI-Modells tätig werden kann und somit im Extremfall eine ankommende Nachricht bis auf Schicht 7 entpackt, um sie dann für das andere Netz passend wieder bis auf Schicht 1 zu verpacken. Ein Gateway setzt also real ein Protokoll in ein anderes um.

6.2.8. Welche Geräte arbeiten in welchen Schichten des OSI-Modells?

6.3. Wireless LAN (WLAN) / IEEE 802.11

6.3.1. Die Alternative zum Netzwerkkabel 

Die kabellose Datenübertragung bei Computernetzen gewinnt immer mehr an Bedeutung. Waren die Übertragungssysteme Mitte der neunziger Jahre des vorigen Jahrhunderts noch zu teuer und zu langsam, so stellen sie heute schon eine echte Alternative bei der Strukturierung von Kabelnetzen dar, besonders wenn es darum geht, aufwändige Installationsarbeit und en damit verbundenen „Kabelsalat“ zu vermeiden.

Seit 1997 gibt es die Ethernet-Variante IEEE 802.11, die eine verbindliche drahtlose Schnittstelle darstellt. Im Zusammenhang mit IEEE 802.11 fällt sehr häufig der Begriff WiFi, der für Wireless Fidelity steht und von der Wireless Ethernet Compability Alliance (WECA) kommuniziert wird. Die WECA ist ein Zusammenschluss von Firmen, die mit dem WiFi-Logo ihre Produkte als IEEE 802.11-kompatibel kennzeichnen. Doch nicht nur das, die Geräte haben eine Art TÜV durchlaufen, der diese Kompatibilität geprüft hat. Produkte mit diesem Logo lassen sich also uneingeschränkt mit Produkten andere Hersteller kombinieren.

Drahtlose Netzwerkkarten lassen sich ohne Probleme in jedes System einbinden. Auf bestimmte Protokolle ist man nicht angewiesen. Wireless LAN ist vollkommen protokolltransparent, wie jedes andere IEEE-802-Netzwerk auch.

Obwohl Wireless LAN protokollunabhängig arbeitet, können sich Probleme in der Praxis mit einigen Protokollen und Anwendungen ergeben. Ausschlaggebende Faktoren sind die höhere Bitfehlerrate (Bit Error Rate, BER) und die größere Verzögerung bei der Übertragung von Daten. Es liegt in der Natur des Wireless LAN, dass die zur Übertragung benötigte Zeit länger ist als im drahtgebundenen LAN.

Das ISM-Frequenzband (Industrial, Scientific, Medicine) kann für Anwendungen in Industrie, Wissenschaft und Medizin frei und ohne Lizenz benutzt werden. Das bedeutet, dass auf privatem Grund und Boden keine Gebühren bezahlt werden müssen. Das ISM-Frequenzband ist weltweit als lizenzfrei anerkannt.

In diesem Frequenzspektrum um 2,4 GHz konkurrieren viele Standards und proprietäre Funktechniken der unterschiedlichsten Hersteller und Anwendungen, unglücklicherweise auch Geräte des täglichen Gebrauchs, z. B. Mikrowellenherde und schnurlose Telefone. Die Realisierbarkeit eines Funknetzwerkes nach 802.11 hängt also maßgeblich von der Nutzung anderer Produkte in diesem Frequenzspektrum ab. Z. B. nutzen auch Bluetooth-Endgeräte für den Kurzstreckenfunk dieses Frequenzspektrum. Störungen sind da nicht ausgeschlossen.

6.3.2. Topologien beim Wireless LAN 

Schon mit zwei drahtlosen Stationen lässt sich ein einfaches Wireless LAN aufbauen. Bei der Einrichtung sind keine weiteren aktiven Elemente erforderlich. Die Stationen kommunizieren direkt über den WLAN-Adapter. In Laptops ist das eine PCMCIA-Karte. In Desktop-Systemen gibt es dazu eine PCI-Steckkarte.

Die Topologie eines solchen Ad-hoc-Netzes nennt sich Independent Basic Service Set(IBSS).

Jede Station bildet mit seiner Netzwerkarte eine Funkzelle. Solange sich die Stationen in einer Zelle befinden oder sich die Zellen überschneiden, ist eine Kommunikation zwischen den Stationen möglich. Diese Art der Vernetzung ist für ein WLAN mit IEEE 802.11 eher unüblich. Eine Adhoc-Vernetzung ist mit Irda (Infrarot) oder Bluetooth schneller realisiert.

Ist die Reichweite einer Zelle zu gering, lässt sie sich mit einem Access Point, kurz AP, erweitern. Doch nicht nur das. Der Access Point bildet auch den Übergang zum drahtgebundenen Netzwerk. Der Access Point stellt innerhalb einer Funkzelle den Zugriff auf das drahtgebundene Netzwerk und umgekehrt her. Der Access Point übernimmt dabei die Aufgabe einer Bridge. Er erlaubt es sogar, Protokolle, die das WLAN unnötig überlasten würden, herauszufiltern.

Die Topologie eines solchen Netzwerkes mit Access Point nennt sich Basic Service Set(BSS).

Mittels zweier Access Points lässt sich auch die Reichweite eines kabelgebundenen Netzwerkes erhöhen. Bei einer Infrastruktur auf Basis von 10/100BaseT dürfen die einzelnen Kabelsegmente eine Maximallänge von 100 Metern haben. Mit Wireless LAN besteht die Möglichkeit, Bereiche zu verbinden, die mit der herkömmlichen Verkabelung nicht erreicht werden können.

Die Reichweite im Freien liegt bei guten Bedingungen zwischen 100 und 300 Metern. Reicht das nicht aus, so lassen sich mit zwei gerichteten Antennen einige Kilometer überbrücken. Und das gebühren- und genehmigungsfrei. Auch über Grundstücksgrenzen hinweg.

Die Topologie eines solchen Netzwerkes mit zwei Access Points nennt sich Extendet Service Set(ESS). Es besteht aus zwei oder mehreren Basic Service Sets(BSS-A und BSS-B). Innerhalb des ESS können sich die Stationen frei bewegen. Ein Roaming-Verfahren hält die Netzwerkverbindung zu den Access Points aufrecht.

6.3.3. Praktische Probleme: Einrichtung, Datensicherheit und Übertragungsgeschwindigkeit des WLAN 

Beim Gerätekauf von WLAN-Technik kann man feststellen, dass moderne Accesspoints viel mehr können, als einige Computer mit WLAN-Karten miteinander zu verbinden. Sie stellen meist eine Kombination aus Accesspoint, DSL-Router und Ethernet-Switch (für Twisted-Pair-Verkabelung) dar.

Die Steuerung dieser Geräte bzw. die Einrichtung des Netzes erfolgt unkompliziert über einen Internetbrowser eines PC, der an das Netz angeschlossen ist.

Beim Einrichten eines WLAN wird man typischerweise gefragt, ob man dieses als Ad-hoc- (ohne Access-Point) oder Infrastructure (mit Access-Point) aufbauen möchte.

Eine einfache WLAN-Verbindung ist nicht abhörsicher. Ein in der Nähe befindlicher Computer mit einer WLAN-Karte kann sich problemlos in mein Computernetz einklinken bzw. auf meine Kosten im Internet surfen.

Um den Datenverkehr innerhalb der Funkzelle zu sichern, werden die Daten zwischen den Stationen mit WEP (Wired Equivalency Privacy) verschlüsselt. Die Nutzdaten werden mittels des RC4-Algorithmus mit den Key-Längen 40 oder 104 Bit verschlüsselt.

WEP wurde bereits als nicht besonders sicher eingestuft. Unter Umständen sind weitere Sicherungsmaßnahmen, wie z. B. VPN mit IPsec oder Protokolle mit SSL notwendig. Hinreichenden Schutz bietet das WPA-Verschlüsselungsverfahren.

Hauptproblem bei Funknetzwerken ist die Abhängigkeit des Datendurchsatzes von der Reichweite. Die angegebenen Brutto-Übertragungsraten von über 50 MBit in der Sekunde reduzieren sich in der Praxis auf wenige Mbit/s. Je weiter der Stationsabstand voneinander ist, desto geringer wird auch der Datendurchsatz. Ab einem bestimmten Punkt wird die Verbindung quälend langsam oder bricht ganz ab.