Einführung in die Netzwerktechnik Aufbau, Begriffe Thorsten Punke

Einführung in die Netzwerktechnik
Aufbau, Begriffe
Thorsten Punke Dipl. Ing.
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Inhalte
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Aufbau von Netzen
Begriffe und Definitionen
Topologien von Netzwerken
Standards
Übetragungsparameter
Kabeltypen
Steckverbinder
Aktive Komponenten
Hinweise
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Begriffe der Netzwerktechnik
• LAN (Local Area Network)
Ein LAN ist ein Netzwerk innerhalb eines Gebäudes
oder Raumes.
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Begriffe der Netzwerktechnik
• WAN (Wide Area Network)
Ein WAN ist ein Netzwerk zwischen verschiedenen
Standorten, die oft viele Kilometer entfernt liegen
WAN-Verbindung
X Kilometer
Standort A
Standort B
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Begriffe der Netzwerktechnik
• Application (Anwendung)
Beispielsweise:
Textverarbeitung
Tabellenkalkulation
CAD (Computer aided design)
DTP (Desktop Publishing)
Telefonie (analog, ISDN,
ADSL)
Videokonferenzen
CATV
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Begriffe der Netzwerktechnik
• Protokolle
− ATM (Asynchronous Transfer Mode)
− Token Ring
− Ethernet
• Übertragungstechnologien
− 4 Mbit/s, 16 Mbit/s Token Ring
− 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1000 Mbit/s Ethernet
− 155 Mbit/s, 622 Mbit/s ATM
Ethernet ist heute das bedeutendste Protokoll, ATM wird
neben Ethernet in WANs eingesetzt, Token Ring veraltet
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Verkabelungsstandards
• Überblick
IEC
International
Electrotechnical
Commission
ISO
International
Standards
Organization
ISO / IEC 11801
CENELEC
European Committee
for Electrotechnical
Standardization
DIN/DKE
Deutsches
Institut für Normung/
Deutsche Kommission
Elektrotechnik
ANSI
American National
Standards Institute
EN 50173
BSI
British
Standards Institution
ETC.
TIA
Telecommunications
Industry Association
TIA / EIA 568A
EIA
Electronic Industry
Association
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Verkabelungsstandards
• Definition:
− Internationale Standards für den Entwurf, die Installation und
die Administration von Kommunikations-Systemen in
Gebäudekomplexen
− Der nationale amerikanische Standard EIA/TIA 568 A und die
europäische Norm EN 50173 sind von dem globalen Standard
ISO / IEC 11801 abgeleitet
− Aufgabe
− Schaffung eines einheitlichen Standards mit der Anpassung
an nationale Gegebenheiten. Schaffung einer installierten
Basis, die zukünftige Anwendungen nutzen können und deren
Eigenschaften bekannt sind.
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Verkabelungsstandards
• Norm für die strukturierte, universelle
Gebäudeverkabelung in Deutschland: EN 50173
• Vorgegebene Struktur (Topologie): sternförmig
• Bus oder Ring veraltet und nicht normkonform!
RING
BUS
STERN
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Verkabelungsstandards
• Koaxverkabelungen sind billig, aber veraltet.
• 100 Mbit/s und mehr nur noch mit Kategorie 5
Komponenten
• Das bedeutet auch Twisted Pair Kabel!
• Aktive Komponenten nur noch mit RJ45
Steckverbindern.
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ISO / IEC 11801 und EN 50173
• Tertiäre Verkabelung
Etagenverkabelung
Horizontalbereich
• sekundäre Verkabelung
Steigbereich
Gebäudebackbone
• primäre Verkabelung
Standortbackbone
Campusbackbone
Struktur: Baum bzw. Sternförmig
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ISO / IEC 11801 und EN 50173
Gebäude 3
Übergabepunkt
Etagenverteiler
Gebäude 2
Etagenverteiler
Gebäudeverteiler
Campusverteiler
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Neue Ausgabe der IS 11801
Zentralisierte Verkabelungsstruktur
TC?
M a x 3 0 0 m to ta l (fib e r)
In te rco n n e ct / sp lice
P u ll T h ro u g h
M a x 9 0 m to ta l (fib e r)
E q u ip m e n t R o o m
S e rv e r
T C = T e le co m m u n ic a tio n s C lo se t
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Kategorien und Linkklassen
• Die Leistungsfähigkeit von Komponenten (Patchkabel,
Verteilfelder, Kabel, Arbeitsplatzanschlußdosen) wird in
Kategorien angegeben:
Kategorie 3 bis 16 MHz
Kategorie 5 bis 100 MHz
für Telefonie
Datentechnik & Telefonie
Kategorie 6 bis 250 MHz
Kategorie 7 bis 600 MHz
zukünftige Anwendungen
zukünftige Anwendungen
und CATV
Achtung! Gilt in der Form nur für Kupferkomponenten
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Kategorien und Linkklassen
• Die Leistungsfähigkeit eines Links wird in Linkklassen
angegeben:
• Linkklasse D bis 100 MHz
alle heutigen Dienste
Linkklasse E bis 250 MHz
mit Zukunftsreserve
Linkklasse F bis 600 MHz
enorme Zukunftsreserve
Achtung! Gilt in der Form nur für Kupferkomponenten
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Kategorien und Linkklassen
Kategorie 5 Komponenten
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Kategorien und Linkklassen
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Linkmodelle
• Permanent Link
− Permanent Link ist die Strecke von Arbeitsplatzdose zum
Verteilfeld im Etagenverteiler ohne die Anschlußkabel
(Patchkabel). D.h. die fest verbaute Verkabelungsstrecke, die
später mit Patchkabeln beschaltet wird.
Verteilfeld
Max. 90 Meter
Dose
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Linkmodelle
• Channel Link
− Channel Link ist die Strecke von Arbeitsplatzdose zum
Verteilfeld im Etagenverteiler einschließlich Anschlußkabel
(Patchkabel). D.h. die komplette passive Verkabelungsstrecke
wie Sie später im Betrieb ist.
Verteilfeld
Patchkabel 1
Max. 90 Meter
Patchkabel 2
Dose
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Kabel - Entfernungen (EN 50173)
• Die maximale Kabellänge zwischen Etagenverteiler und
Arbeitsplatzanschlußdose darf 90 Meter nicht
überschreiten.
• Gesamtlänge beider Patchkabel max. 10 Meter
(Patchkabel 1 + Patchkabel 2)
Verteilfeld
PC
Patchkabel 1
Max. 90 Meter
Patchkabel 2
Dose
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Übertragungsmedium
• Der Aufbau von Netzen kann mit Kupfer- oder
Lichtwellenleitern erfolgen.
• Dabei werden LWL Kabel für lange Strecken und hohe
Datenraten (10Gigabit/s) eingesetzt.
• Kupferkabel werden zu 75% vom Etagtenverteiler zum
Arbeitsplatz eingesetzt.
• Zu Hause sind nur Netze aus Kupferkabeln sinnvoll.
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Kupfer/Glas
• Kosten/Nutzenanalyse zwischen LWL und Kupfer
• Bei den passiven Komponenten wie Kabel,
Anschlusdosen und Verteilfeldern bietet Glas ein
besseres Preis/Leistungsverhältnis.
• Bei den aktiven Komponenten (Switch, Router, NIC) ist
Kupfer um den Faktor 2-3 billiger.
• Ein Grund für eine gemischte Verkabelung.
• LWL kann keine Energie übertragen!
− Kann bei VoiP ein Nachteil sein
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Kabel - Konstruktionen
• EN 50173 und ISO/IEC 11801 fordern 8-adrige
Verkabelung (4 Aderpaare bei PiMF)
• Drahtquerschnitt AWG (American Wire Gauge)
(Durchmesser des Leiters)
− zulässig AWG 22-24
− AWG 22: 0,64 mm (Mittelwert)
− AWG 23: 0,57 mm (Mittelwert)
− AWG 24: 0,51 mm (Mittelwert)
• Aderdurchmesser bis 1.6 mm
• Außendurchmesser (Mantel) kleinstmöglich
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Kabel - Installation
• Einzugskräfte sollten nicht größer sein als
− 150 Newton (~15 kg) bei UTP bzw. FTP Kabeln
− 250 Newton (~25 kg) bei STP Kabeln
• Nicht mehr als zwei 90° Biegungen während des
Einzugsvorganges!
• Kabel nicht länger als 30 Meter an einem Stück in
Kanäle einziehen!
• Hängende Kabel alle 1,5 Meter abstützen
• Nicht über scharfe Gebäudekanten einziehen
Beschädigung der Kabelgeometrie:
Probleme bei Dämpfung, Nahnebensprechen, Return Loss
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Kabel - Installation
• Biegeradien beim Einziehen und im verlegten Zustand
unbedingt einhalten
− UTP, FTP: mind. 8 x Kabeldurchmesser beim Einziehen,
4 x Kabeldurchmesser im verlegten Zustand
• Beim Bündeln von Kabel mit Kabelbindern zulässigen
Querdruck berücksichtigen
richtig
falsch
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Messgrössen bzw. Störgrössen
• Messgrössen/Störgrössen bei Benutzung von 2 Paaren
− Dämpfung
− Nahnebensprechen
• Messgrössen/Störgrössen bei Benutzung von 4 Paaren
− Dämpfung
− Nahnebensprechen
− Rückflussdämpfung
− Power Sum Werte
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Kupfer Verkabelungs Systeme
Messgrössen bzw. Störgrössen
Refl. TXin
Near
RXout
Far
Dämpfung:
• Verluste auf der Strecke
• Abschwächung des Signals
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Kupfer Verkabelungs Systeme
NEXT & NEXT Loss
TXin
Near
• NEXT Loss beschreibt das Übersprechen zwischen zwei
Paaren.
• Im Idealfall findet kein Übersprechen statt.
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Kupfer Verkabelungs Systeme
NEXT & NEXT Loss
• NEXT ist schlecht
− NEXT muss so klein wie möglich sein
• NEXT Loss ist gut
− NEXT Loss muss also so gross sein wie möglich
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Signalübertragung - Crosstalk
1
2
3
4
5
6
7
8
•Öffnen der Verdrillung
•Zuviel Mantel und / oder Folie entfernt
•Beschädigung des Kabels
•Dehnen, Stauchen, Biegen usw.
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Kupfer Verkabelungs Systeme
SNR & ACR
N EXT Loss & Attenu atio n
Att., (PS) NEXT Loss [dB]
70
60
50
40
NE XT, W ors t Cas e
P S NE XT, W ors t Cas e
30
NE XT Lim it, Clas s E
A ttenuation Lim it, Clas s E
20
A ttenuation, W ors t Cas e
10
0
0
50
100
150
200
250
300
Frequency [M Hz]
NEXT Loss & Dämpfung. Die Differenz ist ACR
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Kupfer Verkabelungs Systeme
PS-Effekte
1
2
3
• Powersum bedeutet, das Effekte als Summe an einem Paar
auftreten
• Drei Paare senden, das vierte wird von Störgrössen beeinflusst
• Auch das kann gemessen werden.
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Kupfer Verkabelungs Systeme
Skew (i)
• Skew ist der Unterschied in der Signalverzögerung
zwischen den einzelnen Paaren in [ns/m]
− Die Signalverzögerung beschreibt wie lang ein Signal braucht
um von hier nach da zu gelangen (UTPtyp<5,7)
• Skew ist nur wichtig bei vielpaarigen
Übertragungsverfahren wie Gigabit Ethernet
− Die Unterschiede der Verzögerungen müssen vom Empfänger
ausgeglichen werden
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Kupfer Verkabelungs Systeme
Return Loss
Refl. TXin
Reflection = Refl. / TXin
• Jede Unregelmäßigkeit innerhalb des Channels
verursacht Reflektion
− Connecting hardware
− Kabel Unregelmäßigkeiten
• Reflection ( =Refl. / TXin ) ist eine negative Zahl <1
• Return Loss [dB] = - Reflection [dB] um einen positiven
Ausdruck zu erzeugen
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Kupfer Verkabelungs Systeme
& Gigabit Ethernet
• Gigabit Ethernet nutzt volle duplex transmission auf
allen vier Paaren gleichzeitig
TX, RX
TX, RX
TX, RX
TX, RX
• Gigabit Ethernet benötigt komplexe Elektronik um
die TX und RX Signale zu trennen
• NEXT, FEXT und Reflektionen wirken alle auf den
Empfänger
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Kabel - Konstruktionen
• UTP
unshielded twisted pair
ungeschirmtes, verdrilltes Kabel
• FTP
foiled twisted pair
Kabel mit Foliengesamtschirm
• S-UTP screened, unshielded twisted pair
Kabel m. Gesamtgeflechtschirm (nur Patchkabel)
• S-FTP screened, foiled twisted pair
wie FTP mit zusätzl. Gesamtgeflechtschirm
• PiMF Paare in Metallfolie
Folienschirm für jedes Kabelpaar,
Gesamtgeflechtschirm
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Schirmungstechnologien - Kabeleigenschaften
FTP
S-FTP
Cat.5/Cat.5e/Cat.6
PiMF
Cat.5/Cat.5e/Cat6Cat.6/Cat.7/Cat.8
Immunity
Cable
Crosstalk
LF
HF
Emmisions
Mag
UTP
FTP
S-FTP
PiMF
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Kabeleigenschaften
Typische Gebäudekabel
• LWL Kabel unterscheiden sich in zwei Arten:
− Fasertyp
− Kabelaufbau
• Beim Fasertyp unterscheidet man Multimodefasern und
Singlemodefasern
• Der Kabelaufbau ist entsprechend den
Umgebungsbedingungen
• Die Palette reicht von Verbindungskabeln bis hin zu
Kabel die unter Wasser oder im Erdreich verlegt werden
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Kupferdatenkabel
• 100MHz S-FTP Kabel
− halogenfrei flammwidrig
− Folien- und Geflechtschirm
− AWG 24
• 300/600MHz PiMF Kabel
− Für hohe Leistungsreserven
− halogenfrei flammwidrig
− AWG 23
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Kabeleigenschaften
Aufbau und Eigenschaften von LWL Kabeln
Fiber
(Glasfaser)
Strength Members
(Zugentlastung)
Coating
(Schutzlack)
Outer Jacket
(Kabelmantel)
Core
(Kern)
Cladding
(Primärmantel)
Protective Buffer
(Ader / Röhrchen)
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Kabeleigenschaften
Typische Gebäudekabel
Duplex
Breakout
Multi-Fiber Distribution
(Kabel mit Vielfachader)
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Fiber Optic Verkabelungs-Systeme
GLASFASERGRÖßEN
MULTI-MODE
62.5/125
50/125
SINGLE-MODE
9/125
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Aufbau einer Glasfaser
CORE ( Kern )
Transportiert das Licht-Signal
Germania dotiertes Glas
CLADDING
Hält das Licht im Kern
Pures Glas
COATING
Schützt die Glasfaser vor
Bruch, Druck und Feuchtigkeit
Core
Cladding
125 um
Coating
250 um
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Steckverbinder in Netzwerken
• Als Steckverbinder für das Medium Kupfer hat sich der
RJ 45 Steckverbinder durchgesetzt
• Im LWL Bereich gibt es verschiedene Steckverbinder,
was historisch bedingt ist.
• Standard heute: SC, MT-RJ, LC als
Massensteckverbinder.
• Daneben gibt es noch einige, die in Nischen eingesetzt
werden.
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Steckverbinder - RJ 45
• Kontaktpaare definiert
• Paare sind 12,36,45,78
• EIA/TIA 586 A oder B
möglich
• Die unterschiedlichen
Belegungen sind aus der
Historie entstanden. Heute
sind keine Leistungsunterschiede zu erkennen.
• Paare im Steckverbinder
müssen Paaren im Kabel
zugeordnet sein
PAAR 2
PAAR 3
PAAR 1 PAAR 4
1 2 3 4 5 6 7 8
1
2
3
4
5
6
7
8
T3 (WHT/GRN)
R3 (GRN/ WHT)
T2 (WHT/ORG)
R1 (BLU/ WHT)
T1 (WHT/BLU)
R2 (ORG/WHT)
T4 (WHT/BRN)
R4 (BRN/ WHT)
1
2
3
4
5
6
7
8
T2 (WHT/ORG)
R2 (ORG/ WHT)
T3 (WHT/GRN)
R1 (BLU/ WHT)
T1 (WHT/BLU)
R3 (GRN/WHT)
T4 (WHT/BRN)
R4 (BRN/ WHT)
EIA/TIA 568 A
PAAR 3
PAAR 2
1
PAAR 1 PAAR 4
2 3 4 5 6 7 8
EIA/TIA 568 B
45
Steckverbinder - RJ 45
• Die verschiedenen Übertragungstechnologien benutzen
unterschiedliche Paare im RJ - 45. In den meisten Fällen
wird ein Paar zum Senden und eines zum Empfangen
benötigt
IS DN, A DS L
36,45
A TM
12,78
10/100 B as e T 1000 B as e T
12,36
12,36,45,78
Tok en Ring
36,45
46
Steckverbinder - RJ 45
•
•
•
•
•
Beispiel für Hochleistungssteckverbinder
360° Schirmung
Knickschutz mit "Anti-Tangle"-Funktion in diversen Farben
Kurze Signalwege
Wenig Reflektion
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Steckverbinder LWL
• Im LWL Bereich gibt es verschiedene Steckverbinder
• Die wichtigsten sind ST, SC und MT-RJ
• Es darf jeder Steckverbinder eingesetzt werden, der die
technischen Daten erfüllt
• Aussnahme: Anschlussdose am Arbeitsplatz!
• Zur Anwenderseite ist SC genormt
• Wichtige Daten:
− Einfügedämpfung (Übergangsverlust)
0,75dB
− Steckzyklen 1000 Zyklen bei einer Änderung von 0,2dB
− Rückflussdämpfung (Reflektionen am Übergang) 20dB
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Steckverbinder LWL
MT-RJ
SC-Duplex
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Aktive Komponenten
• Was ist eine aktive Komponente?
• Umgangssprachlich alles, was ein Netzkabel hat oder
„aktiv“ mit Strom versorgt wird.
• Im Netzwerk werden verschiedene Komponten benötigt
• Netzwerkkarte (Arbeitsplatz)
• Switch, Router, Hub zur Verteilung im Netz.
• Früher: Bridges, Transceiver, Ringleitungsverteiler
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Aktive Komponenten
• Heute kommen nur noch Switche, Router und
Netzwerkkarten um Einsatz.
• Dabei variiert die Grösse der Switche und Router
gewaltig, je nach Anforderung und Anzahl der Ports.
• Im Unternehmen kommen hauptsächlich geswitchte
10/100 Mbit/s zum Einsatz.
• Die Segmente untereinander sind mehr und mehr mit
1000 Mbit/s verbunden.
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Aktive Komponenten
• Einsatz von Switchen
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Aktive Komponenten
• Hubs
− Werden kaum noch eingesetzt
− Viel unnötiger Datenverkehr, da der Hub die Daten vom
Sender an alle Teilnehmer weiterleitet
− Bandbreite muss geteilt werden
• Switche
− Teilnehmer werden direkt miteinander verbunden
− Dadurch kein unnötiger Datenverkehr
− Volle Bandbreite für jeden Teilnehmer
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Aktive Komponenten
• Router
• Hat Eigenschaften eines Switches/Bridge
− + die Möglichkeit verschiedene Protokolle untereinander zu
verbinden
− Wird häufig als Verbindungsglied zwischen LAN und WAN
eingesetzt, da dort zwei unterschiedliche Protokolle und
Topologien aufeinandertreffen.
− Begrenzt auch als Filter/Firewall einsetzbar
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Aktive Komponenten
•
•
•
•
•
Netzwerkkarten
Heute 10/100Mbit/s Karten mit RJ45 Schnittstelle
1000 Mbit/s Karten für dedizierte Anwender
1000Mbit/s Karten mit Kupfer oder LWL-Schnittstelle
Switche und Router haben Uplink Module mit 100 oder
1000Mbit/s
• Diese werden ausschliesslich in LWL Ausführung
angeboten
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Zusammenfassung
• Für Netzwerke gibt es nationale sowie internationale
Standards.
• Als Übertragungsmedium werden Kupfer und LWL
Leitungen eingesetzt.
• In Deutschland werden ausschliesslich geschirmte
Leitungen eingesetzt.
• Bei LWL Kabeln werden ausschliesslich 50µm Fasern
eingesetzt.
• Als Protokoll wird das Ethernet Protokoll eingesetzt.
• Zur Zeit sind 10/100 zum Arbeitsplatz sowie 1000Mbit/s
im Backbone Stand der Technik.
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Zusammenfassung
• Netzwerke für zu Hause benötigen nicht zwingend eine
Verkabelung.
• Bei kurzen Strecken können alle Teilnehmer direkt mit
einem Patchkabel an den Switch angeschlossen werden.
• Auch zu Hause sollten mindestens Kategorie 5
Komponenten eingesetzt werden.
• Durch modulare Systeme können 2 Dienste über ein
Kabel übertragen werden, das spart Kabel und Geld.
• Auch TV/Video Signale können über Datenverkabelungen
übertragen werden.
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Zusammenfassung
Noch Fragen?
Dann einfach fragen.
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