Die wichtigsten Netzwerkkabeltypen sind Twisted-Pair-, Glasfaser- sowie Koaxialkabel. Wenn Unternehmen neue Technologien einsetzen, ist es wichtig, die richtigen Kabel zu wählen.
Die Auswahl der Kabel ist ein entscheidender Teil des Netzwerkdesigns. Die erforderliche Datenrate, die Kosten und die Entfernung bestimmen die Auswahlmöglichkeiten für jede Verbindung. Für einige Verbindungen gibt es eine offensichtliche Kabeloption. Bei anderen können Sie aus einer Reihe von Möglichkeiten wählen.
Netzwerkdienste wie Dateifreigabe, Internetzugang, Drucken und E-Mail werden alle über die Netzwerkinfrastruktur an die Endbenutzer geliefert. Diese Infrastruktur umfasst in der Regel Switches, Router und – als Grundlage für alles – Netzwerkkabel, eine der ältesten und wichtigsten Komponenten der Netzwerkarchitektur.
Eine kurze Geschichte der Netzwerkkabel
Wir nehmen gerne an, die digitale Kommunikation sei eine neue Idee. Aber bereits im Jahre 1844 sendete Samuel Morse eine Nachricht über 37 Meilen (rund 60 Kilometer) von Washington, D.C. nach Baltimore und verwendete dazu seine neue Erfindung, den Telegrafen. Das scheint weit entfernt von den heutigen Computernetzwerken, doch die Prinzipien bleiben die gleichen.
Der Morsecode ist eine Art von Binärsystem, das kurze und lange Signale in unterschiedlichen Abfolgen nutzt, um Buchstaben und Zahlen darzustellen. Moderne Datennetzwerke verwenden Einsen und Nullen, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.
Aber, und darin liegt der große Unterschied, während die Telegrafisten Mitte des 19. Jahrhunderts vielleicht vier oder fünf Signale in der Sekunde übermitteln konnten, kommunizieren Computer heutzutage mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 GBit/s – oder anders ausgedrückt 100.000.000.000 einzelne Einsen und Nullen pro Sekunde.
Obwohl der Telegraf und der Fernschreiber die Vorläufer der Datenkommunikation waren, haben sich die Dinge erst in den letzten 35 Jahren wirklich beschleunigt. Dies entstand aus der Notwendigkeit heraus, damit Computer in immer höherem Tempo kommunizieren konnten, was die Entwicklung von immer schnellerer Netzwerkausrüstung vorangetrieben hat. Dabei wurden Kabel und Verbindungshardware mit höherer Spezifikation benötigt.
Lassen Sie uns die wichtigsten Arten von Netzwerkkabeln und die verschiedenen Optionen, die mit diesen Kabeln verfügbar sind, betrachten.
1. Koaxialkabel
Koaxialkabel oder Koaxkabel sind eine Option für Netzwerkverkabelungen. Ein innerer leitender Kern ist von einer leitenden Abschirmschicht umgeben. Diese Abschirmschicht ist dann von einer äußeren Schutzschicht umschlossen.
Der Kern, der die Signale überträgt, besteht aus massivem Kupfer, kupferummanteltem Stahlkabel oder Kupfergeflecht. Kern und leitende Abschirmungen arbeiten im Differentialmodus, um sowohl die Emission elektromagnetischer Störungen als auch das Eindringen externer Störungen zu verhindern.
Koaxialkabel haben eine lange Geschichte. Mitte des 19. Jahrhunderts wurden sie für Unterwasserkabel verwendet. Heute werden sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Breitbandanschlüsse für Privathaushalte, Telefonleitungen und Verbindungen zu Radio- und Fernsehsendern.
In Rechenzentren kommen Koaxialkabel häufig für Fibre-Channel-Verbindungen zwischen Servern und Festplatten zum Einsatz. Ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber elektrischem Rauschen macht sie in störungsreichen Umgebungen wie Industrieanlagen wertvoll.
Entwicklung von Ethernet
Der erste Ethernet-Standard verwendete Koaxialkabel. Ethernet wurde Mitte der 1970er Jahre von Robert Metcalfe und David Boggs bei Xerox im Palo Alto Research Center in Kalifornien entwickelt. 1979 schlossen sich DEC und Intel mit Xerox zusammen, um das Ethernet-System zu standardisieren. Die erste Spezifikation durch die drei Firmen, als Ethernet Blue Book bezeichnet, wurde 1980 veröffentlicht. Sie wurde auch als DIX-Standard (nach den Initialen der Unternehmen) bekannt.
Der Standard forderte Geschwindigkeiten von bis zu 10 MBit/s – das entspricht 10 Millionen Einsen und Nullen pro Sekunde – und basierte auf einem dicken Backbone-Koaxialkabel, das durch das gesamte Gebäude lief. Dabei zweigten kleinere Koaxialkabel im Abstand von 2,5 Metern ab, die zu den Workstations führten. Das dicke Koaxialkabel, das in der Regel gelb war, wurde unter der Bezeichnung Thick Ethernet oder 10BASE5 bekannt.
Die Bezeichnung 10BASE5 bedeutet:
Die 10 am Anfang bezieht sich auf auf die Geschwindigkeitvon 10 MBit/s.
BASE gibt an, dass es sich um ein Basisbandsystem (Baseband) handelt. Das Baseband nutzt die gesamte Bandbreite für jede Übertragung. Im Gegensatz dazu steht das Breitband (Broadband), das die Bandbreite in separate Kanäle für die gleichzeitige Nutzung aufteilt.
Die 5 am Ende bezieht sich auf die maximale Kabellänge des Systems. In diesem Fall sind das 500 Meter.
1983 veröffentlichte das IEEE den offiziellen Ethernet-Standard. Er wurde IEEE 802.3 getauft, nach dem Namen der Arbeitsgruppe, die für seine Entwicklung zuständig war.
Im Jahre 1985 wurde Version 2 (IEEE 802.3a) veröffentlicht. Diese zweite Version ist gemeinhin bekannt als Thin Ethernet oder 10Base2. In diesem Fall beträgt die maximale Länge 185 Meter, auch wenn die 2 nahelegt, dass es eigentlich 200 Meter sein müssten.
Seit 1983 wurden eine Reihe von Standards eingeführt.
Twinax-Kabel
Twinax-Kabel ähneln Koaxialkabeln, aber statt aus einem einzelnen Kern besteht der Twinax-Kern aus zwei Leitern. Twinax-Kabel übertragen Ethernet mit hoher Datenrate zu geringeren Kosten als Glasfaser.
Passive Twinax-Kabel unterstützen Verbindungen über kurze Distanzen. Aktive Twinax-Kabel enthalten Komponenten, die die Signalstärke erhöhen, wodurch Verbindungen über größere Entfernungen möglich sind.
Triax- und Quadrax-Kabel
Triax- und Quadrax-Kabel sind ebenfalls mit Koaxialkabeln vergleichbar. Sie werden am häufigsten für TV-Verbindungen verwendet, können aber auch Gigabit-Ethernet übertragen.
Der Triax-Kern ähnelt dem Koaxialkern, verfügt jedoch über eine zusätzliche Isolations- und Abschirmschicht. Ein Quadrax-Kern besteht aus vier einzelnen Drähten. Sowohl Triax- als auch Quadrax-Kabel verfügen über zusätzliche Isolations- und Abschirmschichten, die die Übertragung zusätzlicher Signale oder die Stromübertragung ermöglichen.
Abbildung 1: Die verschiedenen Arten von Netzwerkkabeln im Überblick.
2. Twisted Pair
Ursprünglich von Alexander Graham Bell für die Übertragung von Telefonsignalen erfunden, sind Twisted-Pair-Kabel die häufigste Wahl für Netzwerkkabel.
Twisted Pair verwendet Kupferdrähte, die, wie der Name schon sagt, paarweise miteinander verdrillt sind. Der Verdrillungseffekt jedes Paares in den Kabeln stellt sicher, dass jede Störung, die auf einem Kabel auftritt oder von diesem aufgenommen wird, durch das Partnerkabel, das um das ursprüngliche Kabel gewickelt ist, kompensiert wird. Durch die Verdrillung der beiden Drähte wird auch die vom Schaltkreis abgegebene elektromagnetische Strahlung reduziert.
nicht abgeschirmte Twisted-Pair-Kabel (Unshielded Twisted Pair, UTP)
Shielded Twisted Pair
Bei STP werden Kupferdrähte zunächst mit einer Kunststoffisolierung ummantelt. Eine Metallabschirmung, die aus Metallfolie oder -geflecht besteht, umgibt das Bündel der isolierten Paare. Wenn elektromagnetische Strahlung ein ernsthaftes Problem darstellt, kann jedes Adernpaar zusätzlich zur äußeren Abschirmung einzeln abgeschirmt werden. Dies wird als Folien-Twisted-Pair (FTP) bezeichnet.
10 MBit/s und 100 MBit/s verwenden zwei Kabelpaare zur Übertragung von Ethernet. Für einen Gigabit-Durchsatz müssen alle vier Paare genutzt werden.
Unshielded Twisted Pair
UTP-Kabel sind die beliebteste Art von Netzwerkkabeln. Sie lassen sich leicht handhaben, installieren, erweitern und warten. UTP-Kabel enthalten in der Regel vier Kupferdrahtpaare, wobei jedes Paar aus zwei miteinander verdrillten Drähten besteht. Diese Paare sind mit einer Kunststoffisolierung ummantelt. Sie sind nicht abgeschirmt und haben nur eine äußere Ummantelung.
Die meisten Kategorien von Twisted-Pair-Kabeln sind als UTP erhältlich. Einige neuere Kategorien sind jedoch auch in Kombinationen aus geschirmt, foliengeschirmt und ungeschirmt zu haben.
Kategorien von Twisted-Pair-Kabeln
Das American National Standards Institute (ANSI) und die International Electrotechnical Commission (IEC), Teil der International Organization for Standardization (ISO), haben eine Reihe von Standards beziehungsweise Kategorien für Twisted-Pair-Kabel festgelegt. Kategorie 1 (Cat1) und Kategorie 2 (Cat2) wurden nicht offiziell standardisiert, sondern haben sich im Laufe der Zeit zu De-facto-Standards entwickelt. Derzeit sind acht Kabelkategorien erhältlich.
Die korrekte Bezeichnung für Netzwerkkabel beginnt offiziell mit Cat (kurz für Category, englisch für Kategorie), gefolgt von der entsprechenden Zahl. Die Verwendung von CAT in Großbuchstaben ist zwar weit verbreitet, jedoch ist die offizielle Bezeichnung gemäß den Standards Cat. Diese Kategorien spezifizieren den Typ des Kupferkabels und der Buchsen. Die meisten Telefon- und Netzwerkkabel bestehen aus Kupfer. Die Zahl (1, 3, 5 und so weiter) bezieht sich auf die Spezifikationsrevision und, in praktischer Hinsicht, auf die Anzahl der Verdrillungen innerhalb des Kabels – das heißt auf die Verbindungsqualität in einer Buchse.
Cat1
Cat1 wird üblicherweise für Telefonleitungen verwendet. Dieser Kabeltyp ist nicht verdrillt. Das Kabel ist nicht in der Lage, Traffic in einem Computernetzwerk zu unterstützen.
Cat1 wird ebenfalls von Telefongesellschaften genutzt, die ISDN- und PSTN-Dienste bieten. In solchen Fällen wird für die Verkabelung zwischen dem Standort des Kunden und dem Netzwerk der Telefongesellschaft ein Cat1-Kabel verwendet. Cat1 wird mittlerweile auch für einige IoT-Netzwerke mit niedriger Datenrate verwendet.
Cat2
Cat2-Kabel sind Netzwerkkabelspezifikationen, die vier Paare verdrillter Kupferdrähte verwenden. Diese Kabeltypen können Computernetzwerke und Telefonverkehr unterstützen. Cat2 wird hauptsächlich für Token-Ring-Netzwerke verwendet und unterstützt Geschwindigkeiten von bis zu 4 MBit/s. Für höhere Netzwerkgeschwindigkeiten – 100 MBit/s oder höher – ist Cat5e oder höher erforderlich.
Cat3
Cat3-Kabel bestehen aus vier verdrillten Kupferdrahtpaaren. Cat3 wurde zur Unterstützung des ursprünglichen 10-MBit/s-Ethernets verwendet, typischerweise für Token-Ring-Netzwerke. Obwohl 10-MBit/s-Geschwindigkeiten fast ausgestorben sind, wird Cat3 in einigen Anwendungen immer noch verwendet.
Abbildung 2: Verwenden Sie diese Tabelle, um die verschiedenen Kategorien von Twisted-Pair-Kabeln zu vergleichen.
Cat4
Cat4-Kabel bestehen aus vier verdrillten Kupferdrahtpaaren. Wie Cat3-Kabel werden Cat4-Kabel für Token-Ring-Netzwerke verwendet. Während Cat3 eine maximale Geschwindigkeit von 10 MBit/s unterstützt, wurde diese Grenze bei Cat4 auf 16 MBit/s erhöht. Beide Kategorien haben eine Längenbegrenzung von 100 m. Cat4 ist nicht weit verbreitet.
Cat5 und Cat5e
Cat5-Kabel bestehen aus vier verdrillten Kupferdrahtpaaren. Cat5 hat mehr Verdrillungen pro Zoll als Cat3, sodass es mit höheren Geschwindigkeiten und über größere Längen betrieben werden kann.
Das populärere Cat5-Kabel wurde weitgehend durch die Cat5e-Spezifikation ersetzt. Cat5e bietet eine verbesserte Übersprechspezifikation, sodass es Geschwindigkeiten von bis zu 1 GBit/s unterstützt.
UTP-Cat5e ist eines der beliebtesten UTP-Kabel. Es ersetzte die alten Koaxialkabel, die dem ständig wachsenden Bedarf an schnelleren und zuverlässigeren Netzwerken nicht mehr gerecht wurden. Cat5e ist die weltweit am häufigsten verwendete Art von Netzwerkverkabelung und kostengünstig. Im Gegensatz zu den nachfolgenden Kabeln dieser Kategorie verzeiht es, wenn die Richtlinien für Kabelabschluss und -bereitstellung nicht eingehalten werden.
Cat5 und Cat5e werden häufiger für Ethernet mit 10 MBit/s und 100 MBit/s verwendet.
Cat6 und Cat6a
Cat6-Kabel wurden ursprünglich für Gigabit-Ethernet entwickelt, obwohl andere Standards die Gigabit-Übertragung über Cat5e-Kabel ermöglichen. Cat6-Kabel ähneln Cat5e-Kabeln, enthalten jedoch eine physische Trennung zwischen den vier Paaren, um elektromagnetische Störungen weiter zu reduzieren.
Es gibt kein Kabel, das für alle Zwecke geeignet ist.
Cat7
Cat7 ist eine neuere Spezifikation für Kupferkabel, die Geschwindigkeiten von 10 GBit/s bei Längen von bis zu 100 Metern unterstützen soll. Zu diesem Zweck verfügt das Kabel über vier einzeln abgeschirmte Adernpaare sowie über einen zusätzlichen Kabelschirm, um die Signale vor Übersprechen und elektromagnetischen Störungen zu schützen.
Aufgrund der extrem hohen Datenraten müssen alle Komponenten, die während der gesamten Installation einer Verkabelungsinfrastruktur für ein Netzwerk nach Cat7 verwendet werden, Cat7-zertifiziert sein. Dazu zählen Patchfelder, Patchkabel, Buchsen und RJ-45-Anschlüsse. Das Fehlen von Cat7-zertifizierten Komponenten beeinträchtigt die Gesamt-Performance und führt infolgedessen zum Nichtbestehen aller Cat7-Zertifizierungstests – zum Beispiel mithilfe eines Kabeltesters –, weil die Cat7-Performance-Standards höchstwahrscheinlich nicht erfüllt werden können. Heute wird Cat7 im Allgemeinen in Rechenzentren für Backbone-Verbindungen zwischen Servern, Netzwerk-Switches und Storage-Geräten eingesetzt.
Cat6 kann Geschwindigkeiten von 1 GBit/s bei Längen von bis zu 100 m unterstützen. Es ermöglicht auch 10 GBit/s bei Längen von bis zu 55 m. Es nutzt Bandbreitenfrequenzen von bis zu 250 MHz.
Bei der Installation neuer Cat6-Kabel ist zu beachten, dass alle Kabelkomponenten, Buchsen, Patchfelder, Patchkabel und so weiter, Cat6-zertifiziert sein müssen. Dies erfordert von Netzwerkprofis besondere Vorsicht bei der ordnungsgemäßen Terminierung der Kabelenden. Organisationen, die Installationen mit Cat6-Kabeln durchführen, sollten einen gründlichen Testbericht unter Verwendung eines zertifizierten Kabelanalysators anfordern, um sicherzustellen, dass die Installation gemäß den Cat6-Richtlinien und -Standards durchgeführt wurde.
Im Jahr 2009 wurde Cat6a als Kabel mit höherer Spezifikation eingeführt, das eine bessere Immunisierung gegen Übersprechen und elektromagnetische Störungen bietet. Es bietet eine bessere Bandbreite bei Frequenzen bis zu 500 MHz, unterstützt 10 GBit/s und hat eine Kabellänge von bis zu 100 m.
Cat7
Cat7 ist eine Kupferkabelspezifikation, die für Geschwindigkeiten von 10 GBit/s bei Längen von bis zu 100 m ausgelegt ist. Um dies zu erreichen, verwendet das Kabel FTP für vier einzeln abgeschirmte Paare sowie eine zusätzliche Kabelabschirmung, um die Signale vor Übersprechen und elektromagnetischen Störungen zu schützen.
Aufgrund der extrem hohen Datenraten müssen alle Komponenten, die bei der Installation einer Netzwerkinfrastruktur der Kategorie 7 verwendet werden, dafür zertifiziert sein. Dazu gehören Patch-Panels, Patchkabel, Buchsen und RJ-45-Steckverbinder. Das Fehlen von für Kategorie 7 zertifizierten Komponenten führt zu einer Verschlechterung der Gesamtleistung und zum Scheitern von Zertifizierungstests für Kategorie 7, zum Beispiel mit einem Kabelanalysator, da die Leistungsstandards für Kategorie 7 höchstwahrscheinlich nicht erfüllt werden.
Cat7 wird in der Regel in Data Centern für Backbone-Verbindungen zwischen Servern, Switches und Speichergeräten eingesetzt.
Cat8
Cat8 ist eine neuere Kategorie von Twisted-Pair-Kabeln, die besser mit der Geschwindigkeit und dem Umfang von Glasfaser konkurrieren kann. Sie hat eine maximale Datenrate von 40 GBit/s und verwendet RJ-45-Steckverbinder. Sie nutzt die Frequenz von 2 GHz (2.000 MHz), eine Steigerung gegenüber den 600 MHz von Cat7.
Cat8-Kabel werden in der Regel in Data Center eingesetzt. Sie sind abwärtskompatibel mit früheren Standards und unterstützen Power over Ethernet (PoE).
PoE macht separate Stromkabel für Geräte überflüssig, zum Beispiel für an der Decke installierte Access Points. Bei niedrigen Datenraten liefern PoE-Kabel Strom über die nicht von Ethernet benötigten Paare. Bei höheren Raten, bei denen alle vier Paare verwendet werden, fügt PoE den signalführenden Kabeln Gleichstrom hinzu, ohne die Signale zu stören.
3. Glasfaserkabel
Die Datenraten sind im gesamten Netzwerk gestiegen, und in einigen Fällen sind Glasfaserkabel die einzige Option. Während Cat8-Twisted-Pair-Kabel Daten mit bis zu 40 GBit/s übertragen können, unterstützen Glasfaserkabel Datenraten von bis zu 800 GBit/s.
Glasfaserkabel bestehen aus einer dünnen optischen Faser, die von einem Schutzmantel umgeben ist. Der Schutzmantel besteht aus Glas, das weniger rein ist als der Kern und einen niedrigeren Brechungsindex als dieser hat. Der Unterschied in den Brechungsindizes bewirkt, dass Licht an der Grenze reflektiert wird. Zusätzliche Schichten, zum Beispiel die Zwischenlage und die Mantelschicht, umgeben den Schutzmantel, um die Festigkeit zu erhöhen und das Kabel vor Beschädigungen zu schützen.
Glasfasern haben eine geringe Fehlerrate. Die Daten des Netzwerks werden in einem Lichtstrahl codiert. Anders als bei verdrillten Kabeln erzeugt der Lichtstrahl keine elektronischen Störungen und wird auch nicht durch diese beeinträchtigt. Darüber hinaus können mehrere Frequenzdatenströme über eine einzige Faser gemultiplext werden, um die Gesamtdatenrate zu erhöhen.
Multimode-Glasfaser vs. Singlemode-Glasfaser
Die verschiedenen Fasertypen unterscheiden sich durch den Durchmesser der Faser. Multimode-Glasfasern haben einen Durchmesser von 50 Mikrometern bis 100 Mikrometern (10-4 m). Bei einem Singlemode- oder Monomode-Kabel beträgt der Durchmesser der Glasfaser nur 8 Mikrometer bis 10,5 Mikrometer.
Multimode-Kabel sind in der Herstellung und Installation kostengünstiger als Singlemode-Kabel, haben jedoch eine begrenzte Datenrate und Reichweite. Während Multimode-Kabel 150 m lang 100 GBit/s übertragen können, sind es bei Singlemode-Kabeln 10 km bei 400 GBit/s, bei größeren Entfernungen entsprechend weniger.
Die Leistung variiert zwischen Multimode- und Singlemode-Glasfaser, da sich das Licht auf unterschiedliche Weise durch die beiden Fasertypen bewegt. Bei der größeren Multimode-Faser wird der Lichtstrahl in einem steileren Winkel von der Faser- und Mantelgrenze reflektiert als bei der dünneren Kernfaser der Singlemode-Faser. Der dünnere Kern der Singlemode-Faser führt dazu, dass der Abstand zwischen den Reflexionen geringer ist. Wenn Reflexionen häufiger auftreten, sind die Verluste an der Grenze größer.
Keine Wahl ist endgültig
Es gibt kein Kabel, das für alle Zwecke geeignet ist. Für jede Anwendung sind die unterstützten Datenraten, die Installationskosten und die zukünftige Eignung zu berücksichtigen. Auch die laufenden Wartungskosten sollten ein Faktor sein.
Denken Sie daran, dass keine Wahl für immer gilt. Genauso wie Organisationen regelmäßig Server und Workstations austauschen, können sie bei jeder Aktualisierung ihres Netzwerks auch die Wahl ihrer Verbindungstechnologie überdenken.
