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Seminararbeit Wintersemester 07/08

IEEE Gigabit Standards

(1 Gbit/s, 10 Gbit/s, 100 Gbit/s) Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt Diplomstudiengang Ingenieurinformatik 5. Semester Markus Büttner 15.01.2008 Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Ludwig Eckert / Prof. Dr.-Ing. Ansgar Ackva

Markus Büttner Seminarthema: IEEE Gigabit Standards FH Würzburg-Schweinfurt, 15.01.2008 Seite 2 von 44

Inhaltsverzeichnis

0 Glossar.......................................................................................................... 4

1 Allgemeines zu Ethernet ............................................................................... 9

2 Normen und Standards (IEEE), sonstige Normen......................................... 9

3 Kupferkabel ................................................................................................. 14 3.1 Allgemeines über Twisted-Pair-Kabel ........................................................ 14 3.2 Steckersysteme für Kupferverbindungen ................................................... 15

3.2.1 RJ-45-Stecker ..................................................................................... 15 3.2.2 RJ-45-Stecker bis 625 MHz von Siemon............................................. 16 3.2.3 Tera-Steckersysteme .......................................................................... 17 3.2.4 GG-45-Steckersystem......................................................................... 18

3.3 IB4X-Kabel (Twinaxial-Kabel)..................................................................... 18 3.4 Prüfnormen................................................................................................. 19

4 Lichtwellenleiter (LWL)................................................................................ 19 4.1 Allgemeines zu Lichtwellenleitern............................................................... 19 4.2 Monomode ................................................................................................. 20 4.3 Multimode................................................................................................... 21 4.4 Steckverbinder für Lichtwellenleiter............................................................ 21 4.5 Klassifizierung von Lichtwellenleitern ......................................................... 22

5 Gegenüberstellung Kupferkabel und Lichtwellenleiter ................................ 23

6 Industrie- / Büroumgebungen...................................................................... 23

7 Ethernet-Link allgemein............................................................................... 25

8 Gigabit Ethernet-Link .................................................................................. 26 8.1 Normen und Standards, Übersicht ............................................................. 26 8.2 Kupferkabel-Verbindungen......................................................................... 26

8.2.1 1000Base-T (IEEE 802.3 Clause40) ................................................... 26 8.2.2 1000Base-CX (IEEE 802.3 Clause39) ................................................ 27 8.2.3 1000Base-TX, 1000Base-T2/4............................................................ 27 8.2.4 Stecker, Anschlussdosen.................................................................... 28

8.3 Glasfaser-Verbindungen ............................................................................ 28 8.3.1 1000Base-SX, 1000Base-LX/LH (IEEE 802.3 - Clause 38) ............... 28 8.3.2 1000Base-X ........................................................................................ 28 8.3.3 1000Base-ZX ...................................................................................... 28 8.3.4 Stecker, Anschlussdosen.................................................................... 28

8.4 Prüfnormen................................................................................................. 28

9 10 Gigabit Ethernet-Link.............................................................................. 28 9.1 Normen und Standards .............................................................................. 28 9.2 Kupferkabel-Verbindungen......................................................................... 30

9.2.1 Spezielle Anforderungen bei 10GbE über Kupfer ............................... 30 9.2.2 10GBase-T (IEEE 802.3 Clause 55) ................................................... 31 9.2.3 10GBase-CX4 (IEEE 802.13 – Clause 54).......................................... 32 9.2.4 Verkabelung mit Cat6a oder Cat7 für 10GbE?.................................... 32 9.2.5 Kabeltrassen, Patchfelder, Stecksysteme........................................... 33 9.2.6 Wie sollte nun die Verkabelungslösung für 10GbE aussehen?........... 34 9.2.7 Prüfnormen ......................................................................................... 34

9.3 Glasfaser-Verbindungen ............................................................................ 35


9.3.1 Allgemeines......................................................................................... 35 9.3.1.1 Nomenklatur für 10GbE ............................................................... 35 9.3.1.2 Übersicht über die verschiedenen 10GbE-Standards über Glasfaser 36 9.3.1.3 Kodierverfahren 64B/66B............................................................. 36 9.3.1.4 10 Gigabit-Ethernet-Schichtenmodell (GbE) ................................ 36

9.3.2 10GBase-LX4...................................................................................... 36 9.3.3 10GBase-SR....................................................................................... 37 9.3.4 10GBase-LRM .................................................................................... 37 9.3.5 10GBase-ER....................................................................................... 37 9.3.6 10GBase-SW, 10GBase-LW, 10GBase-EW....................................... 37 9.3.7 10GBase-EX4 ..................................................................................... 37 9.3.8 Stecker, Anschlussdosen................ Fehler! Textmarke nicht definiert.

9.4 Zukunft von 10GbE .................................................................................... 38

10 20,40,80 Gigabit-Ethernet ........................................................................... 38

11 100 Gigabit Ethernet-Link............................................................................ 38

12 Erwartungen für zukünftige Entwicklungen ................................................. 39 12.1 Kupferverkablung ....................................................................................... 39 12.2 Glasfaserverkabelung ................................................................................ 40 12.3 Entwicklung der Datenraten ....................................................................... 40 12.4 Fazit ........................................................................................................... 40

13 Anhang A .................................................................................................... 41

14 Anhang B .................................................................................................... 42 14.1 Quellenangaben zu den Abbildungen ........................................................ 42 14.2 Quellenangaben:........................................................................................ 44


0 Glossar 64B/66B Kodierverfahren Bei diesem Verfahren werden nur zwei zusätzliche Bits für die Übertragung eines 64-Bit-Datenblocks benötigt. Reine Daten (D0 - D7) werden in diesem Verfahren mit »01« codiert, Kontrollbytes (C0 - C7) und ein Gemisch aus Kontroll- und Datenbytes erhalten die Codierung »10«. Unbenutzte Bits werden als »0« übertragen.

8B/10B Kodierverfahren Hier werden 8-Bit-Wörter in 10-Bit-Wörter umgewandelt. Da hier mehr Kombinationen zur Verfügung stehen als benötigt werden, werden nur die Kombinationen mit maximal fünf Einsen oder Nullen in Folge verwendet. Durch dieses Verfahren sind ausrechend Pegelwechsel für die Synchronisation im Signal vorhanden.

AFEXT AFEXT steht für alien far end crosstalk und ist das Übersprechen am „fernen Ende“ von den Adernpaaren aus anderen Kabeln. Siehe auch FEXT.

ANEXT ANEXT steht für alien near end crosstalk und ist das Übersprechen am „nahen Ende“ von den Adernpaaren aus anderen Kabeln. Siehe auch NEXT.

ANSI/EIA/TAI Nummer ANSI steht für American National Standards Institute Die ANSI hat die EIA und die TAI akkreditiert, deshalb der Präfix ANSI/EIA/TIA. Die Nummern der Normen sind sowohl unter EIA, TIA als auch ANSI/EIA/TIA gleich.

AWG Nummer AWG ist die Abkürzung für American Wire Gauge und ist die Codierung für den Drahtdurchmesser von Kupferkabeln. Die Nummer ist ein Maß für die Drahtdicke. Je größer die Nummer, um so kleiner ist der Drahtdurchmesser.

CAT Nummer CAT ist die Abkürzung für Category und unterteilt die Netzwerkkabel in verschiedene „Qualitätsklassen“

CENELEC CENELEC steht für European Committee for Electrotechnical Standardization und ist eine der drei großen Normungsorganisationen in Europa. CENELEC ist zuständig für die europäische Normung im Bereich der Elektrotechnik

Channel-Link Hier werden die Übertragungseigenschaften der Kabelstrecke incl. der verwendeten Patchkabel gemessen, also von der einen aktiven Netzwerkkomponente bis zur Anderen. Siehe auch Permanent-Link.

CSMA/CD CSMA/CD ist die Abkürzung für Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection. CSMA/CD beschreibt den Zugriff verschiedener Stationen auf ein gemeinsames Übertragungsmedium. Hier wird von einer sendebereiten Station zunächst das Medium abgehört ob es frei ist. Während dem Senden der Daten wird das Medium


ebenfalls abgehört und somit können Kollisionen erkannt werden. Wenn eine Kollision vorliegt, wird ein 32-Bit Folge von 010101…. gesendet und alle Stationen warten eine zufällige Zeit bis zu einer erneuten Übertragung ihrer Nachricht.

CWDM Ist die Abkürzung für Coarse Wavelength Multiplex und ist kostengünstiger als WDM oder DWDM, da hier Frequenzen mit größeren Abständen verwendet werden. Deshalb sind keine so hochwertigen und teueren Komponenten wie bei WDM oder DWDM nötig. siehe WDM und DWDM

DSP DSP steht für Digital Signal Processing. Mit dieser Technik können Störsignale von benachbarten Adernpaaren im gleichen Kabel reduziert oder eliminiert werden.

DWDM Ist eine Weiterentwicklung von DWM und ist die Abkürzung von Dense Wavelength Division Multiplex. Hier liegen die verwendeten Wellenlängen sehr dicht beieinander. Hier sind besonders hochwertige Laser und Filter nötig. Siehe auch WDM.

EMV EMV steht für Elektromagnetische Verträglichkeit und kennzeichnet den unerwünschten Zustand dass sich technische Geräte durch Magnetwellen stören können.

EN Nummer EN steht für eine Europäische Norm. Diese Normen werde vom European Committee for Electrotechnical Standardization (CENELEC) herausgegeben.

Ethernet Ethernet wurde um 1973 über mehrere Jahre am Xerox Palo Alto Research Center (PARC) entwickelt. Das Protokoll wurde von dem funkbasiertem ALOHAnet abgeleitet. Daher auch der Name Ethernet (englisch für Äther, nach historischen Annahmen das Medium für Funkwellen)

FEXT FNEXT ist die Abkürzung für far end crosstalk und heißt auf deutsch Fernübersprechen. Hier wird das Störsignal eines anderen Adernpaares im gleichen Kabel am „fernen Ende“ gemessen, also an der Empfängerseite des Kabels.

HSSG HSSG steht für Higher Speed Study Group, gehört zum IEEE und beschäftigt sich seit 1999 mit den Ethernet-Standards ab 10Gigabit Ethernet.

IEC IEC steht für International Electrotechnical Commission. Der Sitz vom IEC ist in Genf und befasst sich mit Normen in der Elektronik und Elektronik.

IEEE IEEE steht für Institute of Electrical and Electronics Engineers. Dies ist ein weltweiter Berufsverband von Ingenieuren. Hier wurde auch Ethernet unter IEEE 802.3 standardisiert.


IP20 / IP67 IP steht für International Protection und gibt die Eignung von elektrischen Betriebsmitteln unter verschiedenen Umgebungsbedingungen an. IP 20 bietet Schutz gegen Fremdkörper (Fingerschutz) jedoch kein Schutz gegen Wasser.

IP 67 ist Staubdicht und ist bei zeitweiligen Untertauchen gegen Wasser geschützt.

ISO/IEC Nummer ISO steht für International Organization for Standardization und ist die Internationale Vereinigung von Normungsorganisationen. Hier werden Normen in allen Bereichen erarbeitet außer im Bereich der Elektrik und Elektrotechnik. IEC steht für International Electrotechnical Commission. Der Sitz vom IEC ist in Genf und befasst sich mit Normen in der Elektronik und Elektronik. Normen mit der Bezeichnung ISO/IEC wurden in Zusammenarbeit der beiden Institutionen erarbeitet. Die angefügte Nummer beinhaltet die Nummer der Norm.

ITU ITU ist die Abkürzung für International Telecommunication Union. Ihr sitz ist in Genf und sie beschäftigt sich offiziell und weltweit mit technischen Aspekten der Telekommunikation.

LED LED steht für Light Emitting Diode und ist ein Halbleiter-Bauelement, mit dem die Lichtsignale in der Glasfaserübertragung erzeugt werden.

LWL LWL ist die Abkürzung für Lichtwellenleiter

MAC MAC ist die Abkürzung für Media Access Control (Medienzugriffskontrolle) Die MAC ist eine Unterteilung der 2. Schicht des OSI-Schichtenmodells und umfasst Nerzwerkprotokolle und Bauteile, die regeln, wie sich Rechner das gemeinsam genutzte physikalische Übertragungsmedium teilen.

Mikron Mikron ist eine veraltete Bezeichnung für Mikrometer

MLT-3 MLT-3 steht für Multilevel Transmission Encoding -3 levels. Es handelt sich um Datenübertragungstechnik mit 3 Pegeln (+,0,-)

NEXT NEXT ist die Abkürzung für near end crosstalk und heißt auf deutsch Nahübersprechen. Hier wird das Störsignal eines anderen Adernpaares im gleichen Kabel am „nahen Ende“ gemessen, also an der Senderseite des Kabels.

OM Nummer Sind die Qualitätsklassen für Multimode-Glasfaserkabel. Siehe OS Nummer

OS Nummer Sind die Qualitätsklassen für Singlemode-Glasfaserkabel. Siehe OM Nummer


OSI-Modell Im OSI-Modell (auch OSI-Schichtenmodell) ist die Netzwerkkommunikation zwischen verschiedenen Teilnehmern geregelt. Durch die Aufteilung in verschiedenen Schichten und Schnittstellen dazwischen, können Geräte verschiedener Hersteller und mit verschiedenen Übertragungsgeschwindigkeiten miteinander kommunizieren.

PAM5 Ist eine Pulsamplitudenmodulation mit fünf Zuständen. Hier werden nicht nur 2 Pegel z.B. 0V/+5V sondern 5 Pegel übertragen.

Permanent-Link Hier werden Übertragungseigenschaften der reinen Kabelstrecke von Patchfeld zu Patchfeld gemessen. Siehe auch Channel-Link.

PMD PMD ist die Abkürzung für Polarisationsmoden-Dispersion und ist eine Modulationsformat, dass in der DWDM-Technik eingesetzt wird.

SDH Bezeichnung SDH ist eine Multiplextechnik im Bereich der Telekommunikation, die das Zusammenfassen von niederratigen Datenströmen zu einem hochratigen Datenstrom erlaubt. SDH steht für Syncronous Digital Hierarchy und ist eine Norm die auf Grundlage von SONET entwickelt wurde.

SONET Bezeichnung SONET steht für Synchronous Optical Network und ist eine standardisierte Multiplextechnik für synchrone Datenströme.

TCP/IP TCP/IP steht für Transmission Control Protocol/Internet Protocol und ist ein Netzwerkprotokoll, es ist unabhängig für alle gängigen Betriebssysteme einsetzbar. Über das TCP/IP-Protokoll können Rechner weltweit miteinander Daten austauschen.

TIA/EIA Nummer oder EIA/TIA Nummer TIA steht für Telecommunications Industry Association und ist eine Vereinigung von mehr als 1.100 Unternehmen. EIA steht für Electronic Industries Alliance und gibt Standards frei z.B. für Modemverbindungen die EIA-232 (früher RS-232). 1991 wurde die EIA mit der TAI zusammengelegt, daher der Doppelname. Die angefügte Nummer beinhaltet auch hier die Nummer der Norm.

TLC-Wert TLC ist die Abkürzung für Transverse Conversion Loss und legt die Obergrenze für die Erdungssymmetrie fest.

Trellis-Codierung Bei dem Trellis-Verfahren werden zu sichernde Daten sendeseitig mit einem Sicherungspolynom verknüpft; es werden also ständig Redundanzbits in den Datenstrom eingefügt. Dieses Bit dient Redundanzzwecken und verknüpft die zeitliche Reihenfolge der übertragenen Datenbits. Die Signalübergänge sind dadurch nicht mehr frei, sondern unterliegen einer gewissen Gesetzmäßigkeit, mit deren Hilfe empfangsseitig fehlerbehaftete Signalfolgen ausgefiltert werden.


WDM WDM ist die Abkürzung für Wavelength Division Multiplex. Es handelt sich um ein optisches Frequenzmultiplexverfahren, das bei der Übertragung von Daten über Glasfaserkabel eingesetzt wird. Hier werden die Signale mit verschiedenen Wellenlängen übertragen und somit sind mehrere Signale auf einer Glasfaser möglich. Die Signale werden durch optische Filter voneinander getrennt.


1 Allgemeines zu Ethernet Die Grundzüge des Ethernet entstanden 1972 und 1980 begann die Standardisierung des Ethernet durch das IEEE. Seit den 90ern hat sich Ethernet zum weltweiten Standard für lokale Datennetze entwickelt. Weiterhin wird diese Technik auch immer stärker in lokal nicht begrenzten Netzen eingesetzt wie z.B. in Verbindungen des Internets. Bei Ethernet sind Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 10MBit bis 100Gbit möglich. Ethernet bildet die Basis für Netzwerkprotokolle, wie z.B. TCP/IP. Ethernet beschreibt die Signalisierung für die Bitübertragungsschicht weiterhin werden Paketformate und Protokolle festgelegt. Je nach Geschwindigkeit ist ein Kabel der entsprechenden Qualität nötig, die CAT[Nummer] genannt wird. Es gibt ebenfalls Standards, um Ethernet über Glasfaserverbindungen zu realisieren. Aus Sicht des OSI-Modells spezifiziert Ethernet sowohl die physikalische Schicht (OSI Layer 1) als auch die Data-Link-Schicht (OSI Layer 2). Ethernet ist in der IEEE-Norm 802.3 standardisiert.

2 Normen und Standards (IEEE), sonstige Normen Die Abkürzung IEEE steht für Institute of Electrical and Electronics Engineers und ist ein weltweiter Berufsverband von Ingenieuren aus den Bereichen Elektrotechnik und Informatik. Das IEEE gibt weltweit gültige Normen und Standards für die Datenübertragung heraus. In der IEEE 802.3 ist Ethernet definiert. Hier sind technische Rahmenbedingungen wie Topologie, Übertragungsmedium, Übertragungsgeschwindigkeit und das Zugriffsverfahren (CSMA/CD) beschrieben bzw. vorgegeben. Je nach Geschwindigkeit und Übertragungsmedium werden noch Buchstaben angehängt z. B. 802.3ab für Gigabit-Ethernet über Kupferkabel. Seit kurzer Zeit sind die angehängten Buchstaben durch den Zusatz „Clause xx“ ersetzt. Eine Zuordnung der herkömmlichen Bezeichnungen zu den neuen Bezeichnungen ist weiter unten in der Tabelle zu finden. Den jeweiligen 802.3 Clause xx –Standards sind die Bezeichnungen wie z. B. 1000Base-T zugeordnet. Hier steht 1000 für die Übertragungsgeschwindigkeit, und T für Twisted-Pair-Kabel (paarweise verdrilltes Kupferkabel).


Folgende Normen existieren zur strukturierten Verkabelung speziell zur Kabeldefinition und Verarbeitung der Kabel: Bezeichnung der Norm Jahr Inhalt/Titel Weltweite Gültigkeit ISO/IEC 11801 2002 Anwendungsneutrale Verkabelung

mit Definition der Kabelkategorien und -klassen IEC 61156 Mehradrige und symmetrische paar-

/viererverseilte Kabel für die digitale Nachrichtenübertragung der Kategorie 3 bis 5

IEC 61156-1 2007 Fachgrund-Spezifikationen IEC 61156-2 2003 Rahmenspezifikation für Etagenkabel IEC 61156-3 2003 Rahmenspezifikation für Geräteanschlusskabel IEC 61156-4 2003 Rahmenspezifikation für Verteilerkabel IEC 61156-5 2002 bis 600 MHz

(Cat 5e – Cat 7) IEC 61156-5-1 2007 bis 1000 MHz

(Cat 5e – Cat 7a) IEC 61156-6 2007 Bis 1000 MHz - Arbeitsplatzverkabelung IEC 61156-7 2007 Bis 1200 MHz ISO/IEC 24702 Verkabelungen von Industriegebäuden Europaweite Gültigkeit: EN 50173 1995 Informationstechnik - Anwendungsneutrale

Kommunikationskabelanlagen an ISO/IEC 11801 angelehnt 2007: Erweiterung um die Klassen E und F, sowie GG45- und Tera-Stecker

EN 50173-1 2007 Teil 1: Allgemeine Anforderungen

EN 50173-2 2007 Teil 2: Bürogebäude EN 50173-3 2007 Teil 3: Industriell genutzte Standorte EN 50173-4 2007 Teil 4: Wohnungen EN 50173-5 2007 Teil 5: Rechenzentren CLC/TR 50173-99-1:2007 2007 Verkabelungsleitfaden zur Unterstützung von 10

GBASE-T EN 50288-x-x Mehradrige metallische Daten- und Kontrollkabel

für analoge und digitale Übertragung mit Anforderungen an Kabel der Kategorien 5 bis 7

EN 50288-1 2003 Teil1: Fachgrundspezifikation EN 50288-4-1:2003 2003 Teil 4-1: Rahmenspezifikation für geschirmte

Kabel bis 600 MHz - Kabel für den Horizontal- und Steigbereich – Kategorie 7

EN 50288-4-2:2003 2003 Teil 4-2: Rahmenspezifikation für geschirmte Kabel bis 600 MHz - Geräteanschlußkabel und Schaltkabel – Kategorie 7

EN 50288-10-1:2007 2007 Teil 10-1: Rahmenspezifikation für Kabel bis 500 MHz - Horizontal- und Steigbereich


Nur in den USA EIA/TIA 568 1991 Commercial Building Telecommunications Wiring

Standard, hier waren für jeden Arbeitsplatz zwei Kupferverbindungen, getrennt nach Telefon und Datenverarbeitung, vorgesehen

EIA/TIA 568 A 1995 Nachfolger von EIA/TIA 568, hier wurde in die Bereiche Campus (Primärbereich), Gebäude (Sekundärbereich), Etage (Teritärbereich) unterteilt

EIA/TIA 568 B EIA/TIA 568-B.2-1 EIA/TIA 568-B.2-10 Informationen zu Cat 6A TIA Update: TSB-155 2005 nur für Cat 6 Bestandsinstallationen Folgende Normen existieren zur Verbindungstechnik Bezeichnung der Norm Inhalt Weltweite Gültigkeit IEC 874-19 Europaweite Gültigkeit: EN 60603-7 Steckverbinder für elektronische Einrichtungen –

Teil 7: Bauartspezifikation für ungeschirmte freie und feste Steckverbinder, 8polig

100 MHz EN 60603-7-2 Kategorie 5 ungeschirmt EN 60603-7-3 Kategorie 5 geschirmt 250 MHz EN 60603-7-4 Kategorie 6 ungeschirmt EN 60603-7-5 Kategorie 6 geschirmt 600 MHz EN 60603-7-7 Kategorie 7 geschirmt (GG45) EN 60603-7-104 Kategorie 7 geschirmt (Tera) Folgende Normen stehen indirekt in Zusammenhang mit der Verkabelung Bezeichnung der Norm Inhalt Europaweite Gültigkeit: EN 50310 Potentialausgleich und Erdung in Gebäuden mit

Einrichtungen der Informationstechnik EN 50174-x Installation von Kommunikationskabelanlagen Folgende Normen sind bei der Prüfung von Verkabelungen zu beachten Bezeichnung der Norm Inhalt Europaweite Gültigkeit: EN 50346 Prüfen von installierter

Kommunikationsverkabelung EN 61935-1 Spezifikation für die Prüfung der symmetrischen

Kommunikationsverkabelung nach EN 50173


In den Normen sind beispielsweise folgende Parameter zur Verkabelung festgelegt: • Adernpaare je Port • Hinweise zur EMV / Erdung • verwendbare Kupferkabeltypen bzw. LWL-Typen • Hinweise zur Schirmung der Kabel • Dämpfungswerte bei gewissen Frequenzen • maximal zulässige Werte für die Kabelparameter wie NEXT, FEXT usw.

Für den genauen Inhalt der Spezifikationen sind die einzelnen Normen selber zu Rate zu ziehen.


Tabelle mit den verschiedenen IEEE-Standards:

IEEE-Standard

IEEE- neu Bezeichnung Jahr Datenrate Kabel

802.3 802.3 Clause 8

10Base-5 1983 10 MBit/s Koaxialkabel (DIX/AUI), 500 m

802.3a 802.3 Clause 10

10Base-2 1988 10 MBit/s Koaxialkabel (BNC), 185 m

802.3i 802.3 Clause 14

10Base-T 1990 10 MBit/s Twisted-Pair-Kabel (RJ-45), 100 m

802.3j 802.3 Clause 18

10Base-FL 1992 10 MBit/s Glasfaserkabel

802.3u 802.3 Clause 25

100Base-TX 1995 100 MBit/s

Twisted-Pair-Kabel (RJ-45), 100 m

802.3u 802.3 Clause 26

100Base-FX 1995 100 MBit/s

Glasfaserkabel

802.3z 802.3 Clause 38

1000Base-SX 1000Base-LX

1998 1 GBit/s Glasfaserkabel

802.3z 802.3 Clause 39

1000Base-CX 1998 1 GBit/s STP-Kabel (Twinax) / Übertragung mit 625 MHz

802.3ab 802.3 Clause 40

1000Base-T 1999 1 GBit/s Twisted-Pair-Kabel (RJ-45), 100 m

802.3ae 802.3 Clause 44 - 53

10GBase-SR 10GBase-SW 10GBase-LR 10GBase-LW 10GBase-ER 10GBase-EW 10GBase-LX4

2002 10 GBit/s Glasfaserkabel

802.3ak 802.3 Clause 54

10GBase-CX4 2004 10 GBit/s Spezielle IB4X-Kabel Twinaxial-Kabel

802.3an 802.3 Clause 55

10GBase-T 2006 10 GBit/s Twisted-Pair-Kabel (RJ-45), 100 m

802.3ba - 100GBit/s Geplant für 2010


3 Kupferkabel

3.1 Allgemeines über Twisted-Pair-Kabel Kabel werden nach ISO/IEC 11801 (weltweit) in verschiedene Kategorien und Klassen eingeteilt. Nahezu identische Angaben enthält auch der CENELEC Standard EN 50173-1 (europaweit).

Kabelkategorie Klasse Frequenz Verwendung/Art

Cat1 Class A 100 kHz "Klingeldraht"

Cat2 Class B 1 oder 1,5 MHz

Cat3 Class C 16 MHz 10BaseT und Telefonie

Cat4 Class C 20 MHz selten im Einsatz

Cat5 Class D 100 MHz 100BaseT, FDDI

Cat5e Class D 100 MHz Kabel bis 350 MHz verfügbar, 1000BaseT

Cat6 Class E 250 MHz Kabel bis 450 MHz verfügbar

Cat6e Class E 500 MHZ Für 10GBase-T

Cat6a Class E 625 MHz Für 10GBase-T

Cat7 Class F 600 MHz PiMf

Cat7a Class F 1000 MHz

Cat8 Class G 1200 MHz PiMf Die Frequenz (z.B. 100 MHz) die ein Kabel übertragen kann, ist nicht gleich der Übertragungsrate im Netz (z.B. 1000 MBit/s). Durch Kodierverfahren (z.B. MLT-3 und PAM5) wird die benötigte Frequenz stark reduziert. Dadurch ist es möglich Gigabit Ethernet über ein Cat5e-Kabel zu übertragen. Kupferkabel werden als Litze (mehrere verdrillte Kupferdrähte pro Ader) oder als Vollader ausgeführt. Da die Dämpfung im Leiter mit steigendem Querschnitt sinkt, wären eigentlich möglichst dicke Adern wünschenswert. Das hieße jedoch: hoher Kabelpreis und voluminöse, starre Kabel. Hier streben die Hersteller eine Balance zwischen Kosten, Dämpfung und Flexibilität an. Die Kabelkennung gibt dazu den Leiterdurchmesser an - meist jedoch nicht in Millimetern, sondern nach dem US-Maß AWG (American Wiring Gauge). Da ein Leiter mehrere Adern umfassen kann, findet sich oft eine zusätzliche Angabe der Adernzahl. AWG 24/1 kennzeichnet etwa eine Einzelader mit 0,511 mm Durchmesser. Wesentliche Unterschiede im Aufbau der Kupferkabel hängen von der Schirmung ab.


Abbildung 3.1: Kerpen special MegaLine 526 SC flex 4P *H* mit Folienschirm und Geflechtschirm (Cat 5) [1]

Abbildung 3.2: Cat7 Kabel mit Doppeladerschirm und Geflechtschirm [2]

3.2 Steckersysteme für Kupferverbindungen

3.2.1 RJ-45-Stecker Der RJ-45-Stecker ist der Standardstecker bei Kupferverbindungen bis Cat5e, je nach Ausführung auch noch bei Cat 6a oder Cat 7a eingesetzt.

Abbildung 3.3: RJ-45 Stecker und Montagekupplung von Hirose [3]


3.2.2 RJ-45-Stecker bis 625 MHz von Siemon Bei den Steckermodule 10G 6A F/UTP von Siemon sind bis zu 625 MHz möglich z.B. für Kategorie 6a.

Abbildung 3.4: Kupplungen 10G 6A F/UTP von Siemon [4] Passen zu den Buchsen gibt es zwei Stecker von Siemon den 10G 6A UTP BladePatch und MC. Das 10G 6A UTP BladePatch ist ein spezielles RJ45-Patchkabel, das ohne Betätigen einer externen Verriegelung gesteckt und abgezogen werden kann. Der patentierte, interne Push-Pull-Verriegelungsmechanismus rastet ein, wenn der Stecker in die Buchse oder das Patchkabel eingesteckt wird. Zum Lösen der Steckverbindung muss lediglich an der Hülse gezogen werden. Diese Stecker wurden im April 2006 von Siemon vorgestellt.

Abbildung 3.5: 10G 6A UTP BladePatch und MC von Siemon [5]


3.2.3 Tera-Steckersysteme

Abbildung 3.6: Tera-Steckersysteme bis 1,2GHZ von Siemon z.B. für Cat7/8 [6]

Abbildung 3.7: Stecker für 1-4 Paare Kupferadern [7]

Tera bietet eine hohe Flexibilität, da jedes Adernpaar einzeln gepatcht werden kann. Über das gleiche Kabel kann TV, Video, Daten und Telefon übertragen werden. Der vollgeschirmte Tera-Stecker ermöglicht 1-, 2- und 4-Kanalbetrieb (Cable Sharing) und hat einen dem RJ-45-Stecker vergleichbaren Platzbedarf, mit dem er allerdings nicht kompatibel ist. Mit dem Tera-Steckersystem sind Frequenzen bis 1,2 GHz möglich. Den TERA-Stecker gibt es in der Ausführung für 4 Adernpaare, 2 Adernpaare und 1 Adernpaar. Die Stecker lassen sich zusammen kombiniert in eine 4 paarige Buchse stecken. Es sind Adapterkabel zwischen 10Gbit-fähigen-RJ-45-Steckern und TERA-Steckersystemen erhältlich. Auf Basis dieser Patchkabel ist es möglich, Verkabelungen von leistungsfähigen Kategorie 7A/Klasse FA mit Geschwindigkeiten von 10 Gbit/s und darüber zu installieren und gleichzeitig das vorhandene Netzwerk-Equipment nahtlos in das System zu integrieren. Diese Kabel wurden von Siemon im Oktober 2007 vorgestellt.

Abbildung 3.8: Adapterkabel zwischen 10Gbit-fähigen-RJ-45-Steckern und TERA-Steckersystemen [8]


3.2.4 GG-45-Steckersystem Der GG-45-Stecker für Kategorie7 mit getrennt liegenden Adern wurde von Nexan entwickelt.

Abbildung 3.9: GG-45-Stecker spezifiziert bis 1000MHz [9]

Abbildung 3.10: GG45- Snap-In-Modul [10]

Das GG-45-Steckersystem hat insgesamt 12 Kontakte: acht an der Oberseite und vier an den Außenkanten der Unterseite. Von den 12 Kontakten sind immer nur acht gleichzeitig aktiv. Ein Federmechanismus schaltet dabei von den äußeren acht Eckkontakten, die bei Verkabelungen nach der Klasse F benutzt werden, auf die oberen acht Kontakte, bei Verkabelungen nach Klasse D. Die Kontakte liegen wegen der Nebensprechdämpfung in kleinen Kammern, die durch Stege voneinander getrennt sind. Nach Herstellerangaben ist das Steckersystem bis 1000 MHz spezifiziert. Der GG-45-Stecker ist abwärtskompatibel zum RJ-45-Stecker und wurde vom IEC und von der ISO für Verkabelungen nach Kategorie 7 als Standard festgelegt.

3.3 IB4X-Kabel (Twinaxial-Kabel) Speziell für 10GBase-CX4 wird das IB4X-Kabel (Twinaxial-Kabel) verwendet. Es handelt sich um ein 8-paariges Kabel deren 16 Leitungen das amerikanische Drahtmaß (AWG) 24 haben. Das IB4X-Kabel zeichnet sich durch eine Einfügungsdämpfung von unter 10 dB bis zu Frequenzen von 1,25 GHz aus, durch geringste Laufzeitdifferenzen und Rückflussdämpfungen. Es hat eine Impedanz von 95 Ohm oder 155 Ohm und eine maximale Länge von 15 m.


Abbildung 3.11: Querschnitt eines IB4X-Kabels [11]

Abbildung 3.12: IB4X-Stecker [12]

3.4 Prüfnormen Für einen Permanentlink der Klassen D-F sind folgende Normen anwendbar:

weltweit: • ISO/IEC 11801 (2002) • IEC 61156 (2007)

europaweit: • EN 50173 (2007) • EN 50288 (2003/2007)

nur USA: • EIA/TIA 568 A / B

Bei einem Channel-Link nach 10GBase-T IEEE 802.3 – Clause 55 (früher: IEEE 802.3an): • TIA TSB-155, draft 5.0 (nur bei bestehenden Cat6 Installationen) • ISO/IEC TR 24750 (nur bei bestehenden Cat6 Installationen)

Bei Neuinstallationen für 10GBase-T sind die vorher genannten Normen anzuwenden.

4 Lichtwellenleiter (LWL)

4.1 Allgemeines zu Lichtwellenleitern Der Lichtwellenleiter (LWL) kann aus Glas oder Kunststoff hergestellt sein. Allgemein hat ein Lichtwellenleiter folgenden Aufbau: • Polymerummantelung (Primärcoating) • optischer Mantel • optischer Kern


Abbildung 4.1: Aufbau eines Lichtwellenleiters [13]

Es gibt zwei Arten von Lichtwellenleitern Multimode und Monomode auch Singlemode genannt. Im Wesentlichen ist der Aufbau der Kabel gleich, jedoch ist bei Monomode der optische Kern lediglich 9 Mikrometer dick. Bei Multimode-Fasern hat der Glaskern einen Durchmesser von 50 oder 62,5 Mikrometer. Das Mantelglas hat jeweils einen Durchmesser von 125 Mikrometer.

Abbildung 4.2: Einmodefaser und Multimode-Faser [14] Oftmals werden die Lichtwellenleiter vorkonfektioniert (mit Steckern) bestellt, damit eine aufwändige Montage der Stecker auf der Baustelle entfallen kann. Durch die Verarbeitung der Stecker im Labor kann auch ein sehr hoher Qualitätsstandard bei den Steckverbindern eingehalten werden. Weiterhin wird vor Ort kein teueres Spezialwerkzeug benötigt und die Kabelverlegung läuft schneller ab. Dadurch steigt die Wirtschaftlichkeit.

4.2 Monomode Bei Monomode-Kabeln wird nur ein Lichtstrahl übertragen, der sich nicht durch Reflexion fortsetzt. Bei Multimode-Kabeln können mehrere Lichtstrahlen transportiert werden, die sich durch Totalreflexion im Glaskern fortsetzen.

Monomode-Kabel werden für weite Übertragungsstrecken von 100 – 4000 km eingesetzt. Hier werden Laser als Lichtquellen verwendet. Oft verwendet in Backbones, wo mehrere tausend Meter überbrückt werden müssen oder in Weitverkehrsnetzen.


4.3 Multimode Bei Multimode-Kabeln werden LEDs als Lichtquellen eingesetzt. Hier sind Entfernungen bis ca. 2km möglich. Diese Kabel werden oft in LANs und bei Entfernungen bis mehrere Hundert Meter innerhalb eines Netzes eingesetzt.

Pro Verbindung werden 2 Kabel benötigt, je eines für Hin- und eines für Rückkanal. Es gibt bereits Kabel bei denen zwei „Adern“ miteinander verbunden sind und entsprechend auch Doppelstecker angebracht sind.

4.4 Steckverbinder für Lichtwellenleiter Bei den LWL werden vorrangig zwei Steckertypen eingesetzt, ST-Stecker und SC-Stecker. SC wird häufig für Gigabit Ethernet (1000BaseSX, 1000BaseLX) verbaut.

Abbildung 4.3: ST-Stecker und SC-Stecker [15] ST-Stecker (Straight Tip) Der ST-Stecker ist der Klassiker unter den LWL-Steckern. Er wurde von AT&T entwickelt und eignet sich für Single- und Multimode-Fasern. SC-Stecker Der SC-Stecker hat ähnliche Abmessungen wie der ST-Stecker. Der Stecker ist rechteckig und rastet mit einem Klick ein (C wie Click). LC-Stecker Ein weiterer kompakter LWL-Stecker ist der LC-Stecker. Das System wurde von der Firma Lucent entwickelt. E2000-Stecker Die Firma Diamond entwickelte das E2000-System. Die Stecker haben eine integrierte Schutzkappe und ermöglichen eine hohe Packungsdichte. 3M Volition VF-45 Das Volition-System wurde von 3M entwickelt. Der Stecker ähnelt einem RJ45-Stecker und hat einen integrierten Staubschutz. Der VF-45-Stecker ist ein Duplexstecker.


Abbildung 4.4: 3M Volition VF-45 Stecker [16] MTRJ, MT-RJ Wie der Name vermuten lässt, ähnelt auch der MTRJ-Stecker dem bekannten RJ45. MTRJ wurde von mehreren Firmen wie AMP und HP entwickelt und soll SC ablösen. MTRJ ist ein Duplexstecker. MIC-Stecker MIC ist ein relativ großer Stecker mit einer Rastung. ESCON Relativer großer Glasfaserstecker. ESCON stammt von der IBM und wird im Großrechnerbereich eingesetzt. FC/PC-Stecker Kleiner LWL-Verbinder mit Schraubverriegelung. FSMA-Stecker Der FSMA-Stecker ähnelt dem FC/PC-Stecker und hat ebenfalls keinen Verdrehschutz.

4.5 Klassifizierung von Lichtwellenleitern Bei den OM-Klassen handelt es sich um die standardisierte Klassifizierung von Lichtwellenleitern für die LWL-Verkabelung, vergleichbar der Klassifizierung von TP-Kabeln (Kategorie). Die Standardisierung, die die Verkabelung von Gigabit-Ethernet und 10-Gigabit-Ethernet unterstützen soll, wird von ISO/IEC durchgeführt und sieht drei Klassen für Multimodefasern (OM1, OM2, OM3) und eine Klasse für Monomodefasern (OS1) vor.

Abbildung 4.5: Klassen für Lichtwellenleiter [17]


5 Gegenüberstellung Kupferkabel und Lichtwellenleit er Lichtwellenleiter Kupferkabel (Twisted Pair): Vorteile: Vorteile:

- große Übertragungsbandbreite - niedrige Signaldämpfung - kein Nebensprechen zwischen

den Adern - keine Beeinflussung durch äußere

elektrische Störfelder - Schutz vor Potentialübertragung - Blitzschutz - Verlegbarkeit im

explosionsgefährdeten Umfeld - Abhörsicherheit (kein Magnetfeld)

- leichte Verarbeitung / Konfektionierung

- kein Spezialwerkzeug nötig - vergleichsweise geringer

Installationsaufwand - relativ geringe Installationskosten - viele preiswerte aktive

Komponenten sind erhältlich

Nachteile: Nachteile: - hohe Montagekosten bzw.

Montageaufwand - relativ teueres Werkzeug zur

Herstellung von Steckverbindungen nötig

- höhere Kosten gegenüber Kupferleitern bei kurzen Verbindungen

- nicht geeignet für lange Verkabelungswege

- störanfällig gegen Magnetfelder - maximale Datenübertragungs-

geschwindigkeit geringer als bei Glasfaser

- Potentialtrennung nur mit besonderen Maßnahmen möglich

6 Industrie- / Büroumgebungen In der Büroumgebung werden an die Verkabelung im Sinne des Feuchtigkeitsschutzes und der Staubfestigkeit keine besonderen Anforderungen gestellt. Alle Marktüblichen Stecker und Kupplungen können hier eingesetzt werden. Im industriellen Bereich werden besondere Anforderungen an die Kommunikationsstruktur gestellt. Folgende Faktoren beeinträchtigen die Performance des Kommunikationsnetzes: • lange Verkabelungswege • Luftverschmutzung • galvanische Trennung und Erdung • extreme Bedingungen in der Betriebsumgebung (z.B. Temperatur) • elektromagnetische Störungen durch verschiedenste Quellen (z.B.

Elektromotoren) Damit Magnetfelder keine Störungen hervorrufen oder bei langen Verkabelungswegen, werden teilweise Glasfaserkabel eingesetzt. Zum Schutz gegen Schmutz werden verkapselte Stecker eingesetzt, die Luft und Stabdicht sind. Für das Industrielle Umfeld sind Steckverbinder nach den Schutzklassen IP20 und IP67 verfügbar. Da hier ein zusammenwachsen von Ethernet und dem


Automatisierungsbereich stattfindet, gewinnen diese speziellen Stecker immer mehr an Bedeutung. Eine Norm für anwendungsneutrale Verkabelungen von Industriegebäuden ist die ISO/IEC 24702. In der Automatisierungstechnik liegt für die Verkabelung die Norm IEC 61918 vor.

Abbildung 6.1: Cat5-Kabel nach IP 67 / IP 20 von Telegärtner [18]

Abbildung 6.2: Cat 6 Datendose in IP 67-Ausführung von Telegärtner [19]

Ein vergleichbares Kabel von Dätwyler für diese Einsatzbereiche deckt die üblichen Anforderungen im industriellen Umfeld ab, das Kabel ist besonders robust und ölbeständig. Das System von Dätwyler entspricht den Anforderungen einer Übertragungsstrecke mit der Class E (250 MHz) nach ISO/IEC11801:2002 und EN50173-1:2002.

Abbildung 6.3 : SC-Doppelstecker in IP67-Ausführung von Telegärtner [20]

Abbildung 6.4 : SC-Doppelkupplung in IP67-Ausführung von Telegärtner [21]

Von 3M gibt es spezielle Lichtwellenleiter, die zu den herkömmlichen Kabeln kompatibel aber durch eine zusätzliche Polymerbeschichtung wesentlich robuster sind.


Abbildung 6.5: Robuste Glasfaser für Einsatz im industriellen Umfeld von 3M Deutschland [22]

7 Ethernet-Link allgemein Allgemein besteht eine Ethernet Verbindung häufig aus mehreren Kabelstrecken mit mehreren Verbindungen. Von der aktiven Netzwerkkomponente verläuft das Systemkabel zu einem Patchfeld, vom Patchfeld ist über die Installationsstrecke mit der Anschlussdose verbunden, die Verbindung zwischen Anschlussdose und Client wird mit einem Patchkabel hergestellt. Siehe dazu nachfolgende Abbildung.

Abbildung 7.1: Definition Ethernet-Link [23] Aus diesem Aufbau heraus ergeben sich bestimmte Probleme bei der Kabelverbindung. Zum einen müssen die Stecker an den Kabeln die geforderte Qualität aufweisen, damit hohe Frequenzen möglich sind und zum anderen müssen


die Anschlussdosen und Patchfelder ebenfalls in einer entsprechend hohen Qualität ausführt sein, damit hier keine Störungen in der Kabelverbindung auftreten.

8 Gigabit Ethernet-Link

8.1 Normen und Standards, Übersicht Für Gigabit gibt es die Standards 1000BASE-LX, 1000BASE-SX, 1000BASE-T und 1000BASE-CX.

Abbildung 8.1: 1000BASE-Varianten mit Reichweite je nach Übertragungsmedium [24]

8.2 Kupferkabel-Verbindungen

8.2.1 1000Base-T (IEEE 802.3 Clause40) Der frühere Standard war IEEE 802.3ab. Hier wird 1 Gbit/s über Kupferkabel ab Cat5 UTP-Kabel (besser Cat-5e) übertragen. Die maximale Länge eines Segments beträgt wie bei 10Base-T und 100Base-TX 100 Meter. Wichtige Merkmale des Verfahrens sind: • Verwendung aller vier Doppeladern in beide Richtungen (Echokompensation) • Modulationsverfahren PAM-5 (Pulsamplitudenmodulation mit fünf Zuständen)

übermittelt zwei Bit pro Schritt und Adernpaar • Einsatz einer Trellis-Codierung und Scrambling • Schrittgeschwindigkeit 125 MBaud pro Adernpaar • Übertragungsbandbreite 62,5 MHz • Vollduplexbetrieb


Im Grundprinzip ist 1000Base-T eine „hochskalierte“ Variante des seinerzeit erfolglosen 100Base-T2, nur dass es doppelt so viele Adernpaare (nämlich alle vier Paare einer typischen Cat-5-Installation) verwendet und die gegenüber Cat-3 größere verfügbare Bandbreite eines Cat-5-Kabels ausnützt.

Hier werden alle 4 Adernpaare im Vollduplex-Modus gleichzeitig genutzt. Im Transceiver werden die Signale des eigenen Senders vom empfangenen Signal subtrahiert.

Abbildung 8.2: PAM-5-Modulationsverfahren [25]

8.2.2 1000Base-CX (IEEE 802.3 Clause39) Bei diesem Standard werden zwei Adernpaare eines STP-Kabel verwendet. Die Daten werden nach der 8B/10B-Codierung übertragen. Hier werden 8-Bit-Wörter in 10-Bit-Wörter umgewandelt. Da bei einer Umsetzung der 8-Bit-Folgen lediglich 256 Bitkombinationen vorhanden sind, können aus den 10-Bit-Folgen die Bitkombinationen ausgewählt werden, die maximal fünf Einsen oder Nullen in Folge haben. Dadurch kann aus dem codierten Signal, das hinreichend viele Pegelwechsel aufweist, das für die Synchronisation benötigte Taktsignal abgeleitet werden. Hier wird ein Kabel mit 150 Ohm Impedanz eingesetzt, wegen der Bandbreite von 625 MHz sind maximal 25m Linklänge möglich und es werden wesentlich höhere Anforderungen an das Kabel gestellt als bei 1000Base-T. Die Komponenten sind außerdem nicht kompatibel zu den Komponenten von 1000Base-T.

8.2.3 1000Base-TX, 1000Base-T2/4 Diese beiden Normen sind nicht in IEEE 802.3 standardisiert und stellen erfolglose Versuche verschiedener Interessensgruppen dar, die aufwändigen Modulier/Demodulier- und Echokompensationsschaltungen von 1000Base-T durch eine höhere Signalisierungsrate auszugleichen. Statt Klasse-D-Verkabelung wie bei 1000Base-T benötigen diese Übertragungsverfahren im Gegenzug Installationen nach Klasse E und Klasse F. Das Hauptargument für die Entstehung dieser Übertragungsverfahren, die hohen Kosten für Netzwerkanschlüsse mit 1000Base-T-Unterstützung, ist längst entkräftet.


8.2.4 Stecker, Anschlussdosen Da bei den 1000Base-T Standard eine Verkabelung der Klasse D (Cat5e) eingesetzt wird, könne auch die „Standard“-RJ45-Stecker und Dosen nach Cat5e verwendet werden. siehe dazu Abschnitt 3.2.1

8.3 Glasfaser-Verbindungen

8.3.1 1000Base-SX, 1000Base-LX/LH (IEEE 802.3 - Clause 38)

Der frühere Standard war IEEE 802.3z. Hier wird 1 Gbit/s über Glasfaser übertragen. Die beiden Standards unterscheiden sich prinzipiell nur in der verwendeten Wellenlänge des optischen Infrarot-Lasers: 1000Base-SX verwendet kurzwelliges Licht mit 850 nm Wellenlänge, bei 1000Base-LX strahlen die Laser langwelliges Licht mit 1310 nm Wellenlänge aus. Multimode-Glasfaserkabel können je nach Faserquerschnitt und modaler Dämpfung zwischen 200 und 550 Meter erreichen, während Singlemode-Glasfaserkabel bis 5000 Meter spezifiziert sind. Allerdings lassen sich Singlemode-Glasfaserkabel nur mit 1000Base-LX verwenden. Hier kommt ebenfalls die 8B/10B Codierung zum Einsatz.

8.3.2 1000Base-X 1000Base-X nutzt ebenfalls 8B/10B-Codierverfahren. Da hier ein Byte mit 8 Bit auf 10 Bit codiert wird, ergibt sich eine Datenrate von 1250 Mbit/s. 1000Base-X lässt sich über verschiedene Glasfasern oder über ein bis zu 25 Meter langes 150-W-Twinax-Kabel übertragen.

8.3.3 1000Base-ZX Zum Einsatz kommen Singlemode-Glasfaserkabel mit einer maximalen Länge von 70 km. Das verwendete Licht hat eine Wellenlänge von 1550 nm. Mit dispersionsoptimierten Singlemode-Glasfaserkabeln lassen sich sogar Distanzen von 100 Kilometern überbrücken.

8.3.4 Stecker, Anschlussdosen Hier kommen die üblichen ST- und SC-Stecker zum Einsatz

8.4 Prüfnormen Die Prüfnormen entsprechen den unter 8.1 genannten Standards und Normen.

9 10 Gigabit Ethernet-Link

9.1 Normen und Standards Folgende Basiselemente wurden bei der Standardisierung des 10-Gbit/s-Ethernet (10GbE) berücksichtigt. Beibehaltung des 802.3- und Ethernet-Frame-Formats und der bestehenden minimalen und maximalen Frame-Länge sowie die Koexistenz mit Power over Ethernet (PoE) nach 802.3af.


Die Einhaltung der IEEE 802 Functional Requirements mit Ausnahme der Hamming-Distanz. Die Unterstützung von Sternstrukturen mit Point to Point Connections (PP) und lediglich ein Vollduplex-Modus nach IEEE 802.3x. Außerdem wurde die strukturierte Verkabelung nach ISO/IEC 11801 in der neuesten Version einbezogen. Es wurden mehrere physikalische Interfaces definiert: so u.a. 300 Meter über Multimodefasern und 100 Meter über Twisted Pair nach der Link-Klasse F. Tabelle für 10GbE mit den Reichweiten und Medienarten

Abbildung 9.1: 10GBase-Varianten mit Übertragungsmedium und Reichweite [26] Mit den bisher verwendeten Monomodefasern (1.310 nm) werden Entfernungen bis zu 10 km überbrückt; für Entfernungen von bis zu 40 km sind Monomodefasern mit einer Lichtquelle von 1.550 nm vorgesehen. Das 10GbE-Schichtenmodell unterstützt am MAC-Interface eine Datenrate von 10 Gbit/s, als Codierverfahren wurde eine effiziente Block-Codierung ausgewählt, die nur zwei zusätzliche Bits für einen 64-Bit-Datenblock benötigt. Neben dieser neuen Codiertechnik kommt auch die 8B/10B-Codierung zur Anwendung. 10GbE unterstützt auch Sonet/SDH. Es wird also zwei unterschiedliche physikalische 10GbE-Schnittstellen geben: eine für den LAN-Bereich mit 10 Gbit/s und eine für Weitverkehrsnetze mit 9,584640 Gbit/s, die der Sonet OC-192c/SDH-Stufe VC-4-64c entspricht. Deshalb wurden für das Schichtenmodell von 10GbE im Unterschied zu GbE einige neue Schichten und Schnittstellen definiert. Jedoch wurden nur an der Bitübertragungsschicht Ergänzungen vorgenommen. SONET steht für Synchronous Optical Network und ist eine standardisierte Multiplextechnik für synchrone Datenströme. SDH ist eine Multiplextechnik im Bereich der Telekommunikation, die das Zusammenfassen von niederratigen Datenströmen zu einem hochratigen Datenstrom erlaubt. SDH steht für Syncronous Digital Hierarchy und ist eine Norm die auf Grundlage von SONET entwickelt wurde.


9.2 Kupferkabel-Verbindungen

9.2.1 Spezielle Anforderungen bei 10GbE über Kupfer Die Anforderungen an ein Verkabelungssystem für 10GbE-Übertragung sind nicht trivial. Bereits bei der Migration von 100 Mbit/s auf 1 GbE können unzureichende Leistungsreserven des Verkabelungssystems oder eine mangelhafte Installation eine störungsfreie Übertragung verhindern. Die in der Praxis aufgetretenen Problempunkte potenzieren sich beim Einsatz von 10GbE nochmals erheblich. Die größte Herausforderung bei der Entwicklung einer 10GbE-fähigen Infrastruktur ist die notwendige Verdoppelung der maximalen Übertragungsfrequenz. Nutzt man bei 1GbE nur das Spektrum bis 250 MHz zur Übertragung, erfordert 10GbE eine Maximalfrequenz von 500 MHz auf dem Kabel. Die Frequenzverdoppelung stellt vor allem eine enorme Herausforderung für die Stecker und Buchsen dar. Diese Anforderungen auf Basis der weltweit etablierten RJ45-Technologie zu erfüllen, die vom Prinzip her noch aus der Zeit der 10-Mbit-Verkabelung stammt, erfordert einen hohen Aufwand im Bereich Forschung und Produktentwicklung. Daher ist der Markt der Anbieter für 10-GbE-Verkabelungssysteme derzeit noch recht überschaubar. Eine weitere große Herausforderung für die 10-GbE-Technolgie ist das Fremdnebensprechen, das sogenannte Alien Crosstalk (AXT). Es entsteht, da ein Teil der in das Netzwerkkabel eingespeisten Sendeleistung über elektromagnetische Felder die Signale in anderen Leitungen beeinflusst. Tritt das Übersprechen zwischen den vier für eine Verbindung nötigen Aderpaaren auf, ist der Near End Crosstalk (NEXT) die entscheidende Störgröße. Diese Störung kann aber kompensiert werden, da der Empfänger das Signal der störenden Leitung kennt.

Abbildung 9.2: Spezielles Kabel der Klasse 6e für 10GbE mit Frequenzen bis 500MHz [27]


Bei Cat6a und Cat6e wird durch einen Steg in der Kabelmitte ein Mindestabstand zwischen den Adern gewährleistet. Durch diesen Abstand werden die Störungen zwischen den Adernpaaren verringert und es sind Frequenzen von 500 MHz bzw. 625 MHz möglich.

9.2.2 10GBase-T (IEEE 802.3 Clause 55) Dieser Standard war früher IEEE 802.3an und wurde Mitte 2006 verabschiedet. Er beschreibt die Möglichkeit einer 10-Gigabit/s-Übertragung über vier Paare aus verdrillten Kupfer-Doppeladern. Die dafür verwendete strukturierte Verkabelung wird im Standard TIA/EIA 568 beschrieben. Die zulässige Linklänge ist vom eingesetzten Verkabelungstyp abhängig. Um die angestrebte Linklänge von 100 m zu erreichen, sind die Anforderungen von CAT6a oder Cat7 zu erfüllen. Weil nicht immer geeignete Verkabelung vorhanden ist, wird nach dem physikalischen Zusammenschalten zweier Stationen der Übertragungskanal ausgemessen und die Übertragungsgeschwindigkeit festgelegt. Die maximale Länge der Übertragungstrecke ist abhängig von dem verwendeten Kabeltyp. Bitrate Linklänge Kabeltyp 10 Gbit/s 22 m Kat. 5, U/UTP 10 Gbit/s 60 m Kat. 5, SF/UTP 10 Gbit/s 55 m Kat. 6e, U/UTP 10 Gbit/s 100 m Kat. 6a, S/FTP 10 Gbit/s 100 m Kat. 7, S/FTP Bei der Übertragung von 10 Gbit/s über Kupferleitungen werden wie schon zuvor bei 1000Base-T alle vier Paare für die gleichzeitige Übertragung in beiden Richtungen verwendet. Das heißt, der Datenstrom wird auf vier mal 2,5 Gbit/s aufgeteilt, jeweils über ein Adernpaar übertragen, und am Ende wieder zusammengesetzt. Hierbei wird die fünfwertige Modulation (Puls Amplituden Modulation) PAM-5 verwendet. Damit wird erreicht, dass drei Bits zu einem Symbol zusammengeführt werden können und somit die vom Kupferkabel benötigte Übertragungsfrequenz kleiner ist. Der Vorteil gegenüber Glasfasersystemen liegt in der schnelleren Konfektionierung, dadurch werden die Kosten gering gehalten. Darüber hinaus ist die Langlebigkeit von Kupfersystemen nach wie vor höher als bei Glasfasersystemen. Nur mit DSP möglich Rauschen und Störungen können durch externe Quellen oder auch im Kabel selbst hervorgerufen werden. Die im Kabel selbst entstehenden Störungen lassen sich zwar mittels moderner digitaler Signalverarbeitung (Digital Signal Processing – DSP) in den aktiven Komponenten unterdrücken. Und erst durch den Einsatz von DSP werden die für 10GBASE-T erforderlichen Störabstände überhaupt erreichbar. Dabei ist der Alien NEXT-Parameter (NEXT = Near-End Crosstalk = Nah-Nebensprechen), also die Störgeräusche durch benachbarte Kabel, hier der bei weitem kritischste Faktor. Der Grund: Gerade die NEXT-Auswirkungen können mit DSP nicht kompensiert werden, sie müssen in der Verkabelung selbst unterdrückt werden.


Allerdings tritt dieses Problem nur bei ungeschirmten Systemen auf, da geschirmte Verkabelungen ausreichend gegen Alien-NEXT-Effekte geschützt sind. Doch geschirmte Systeme weisen andere Nachteile auf, wie z.B. Beeinträchtigungen der Übertragungsbandbreite. „WARP-Technologie“ Eine neue Technologie für 10Gbit Ethernet, mit der ebenfalls Leitungslängen von 100 m erreicht wurden, hat das Schweizer Unternehmen R&M (Reichle & De-Massari) auf den Markt gebracht. Sie kombiniert die Vorteile aus geschirmter und ungeschirmter Technik. Bei dieser so genannten „WARP-Technologie“ – das Kürzel steht für „Wave Reduction Patterns“ – sind Kabel und Module mit etwa 1 bis 2 cm langen Metallfoliensegmenten und Metallplatten geschirmt. Anders als bei bisherigen Schirmungen sind die Foliensegmente aber nicht kontaktiert und liegen nicht auf Erd-Potenzial. Sie sind durch kleine Zwischenräume voneinander getrennt und hängen elektrisch sozusagen „in der Luft“. Eine Eigenschaft dieser „schwebenden Schirmung“ ist, dass sie praktisch keine Kapazitäten zur Erde aufbaut. Somit beeinträchtigt sie die Bandbreite der Übertragung nicht, bietet aber trotzdem einen maßgeblichen Schutz gegen NEXT etc. Die Kombination von solch „unterbrochener“ Schirmung und symmetrischer Signalübertragung führt dazu, dass Störungen, die sich auf beide Adern gemeinsam auswirken (Gleichtakt-Störungen), durch die Symmetrie der Signale eliminiert werden; es wird ausschließlich die Differenz zwischen den beiden Adern eines „Twisted Pairs“ (eines verdrillten Adernpaares) ausgewertet. Und alle jene Störungen, die sich nur auf eine der beiden Adern auswirken könnten, werden durch das Verdrillen der Adern im Kabel und zum Großteil von dieser speziellen Schirmung abgefangen.

9.2.3 10GBase-CX4 (IEEE 802.13 – Clause 54) 10GBaseCX4 ist ein weiterer Standard für 10-Gigabit-Ethernet über Kupferkabel. Hier werden nicht Ethernet-Verkabelungen der Kategorie-5 oder Kategorie-6 verwendet sondern das doppelt-twinaxiale IB4X-Kabel. Aufbau des Kabels siehe Abschnit 3.2. Dies soll über kurze Distanzen aber immer noch kostengünstiger sein als eine Glasfaserverbindung. Es sind Verbindungen von maximal 15 Metern möglich. Überwiegend wird dieser Standard bei der Verbindung von Servern in Rechenzentren angewendet.

9.2.4 Verkabelung mit Cat6a oder Cat7 für 10GbE? Da 10GbE über Kupfer sowohl über Cat6a als auch über Cat7 / Cat7a betrieben werden kann, stellt sich die Frage welche Verkabelung vorzuziehen ist. Vorteile von Cat.6A gegenüber Cat7 /Cat7a • Kategorie 6A bietet eine Rückwärtskompatibilität zu den

Bestandsinstallationen, da sie auf dem weit verbreiteten RJ45 Steckgesicht beruht. Damit ist Kategorie 6A kompatibel zu allen gängigen Switchen und Netzwerkkarten von 10 Mbit/s bis 10 Gbit/s.

• Wie das dänische Komitee im ISO/IEC-Standardgremium bereits 2006 angemerkt hat, garantiert die Kombination von Kategorie-7-Installationskabeln


mit Kategorie-6-Steckverbindungen keine Kategorie-6 / Klasse-E-Leistung. Daher ist eine Rückwärtskompatibilität nicht gewährleistet! Ursache ist ein um 10dB schlechterer TCL-Wert bei der Cat.7-Norm, verglichen mit der Cat.6-Norm. Der TCL-Wert (Transverse Conversion Loss) legt die Obergrenze für die Erdungssymmetrie fest, die durch die Kopplung des Erdsignals über den Schirm im Kabel entsteht. Die Unsymmetrie kann zu NEXT-Problemen in den Steckerkomponenten und damit zum Fail-Ergebnis bei der Cat.6-Messung führen.

• Es reicht nicht aus, eine Cat.7-Verkabelungslösung in einem Gebäude zu verlegen. Vielmehr müssen in den Gebäuden erst entsprechende Voraussetzungen für Erdungssysteme (Maschenerdungskonzept) und die Stromversorgung (TN-S) geschaffen werden.

• Auch die Kosten für eine Cat.7-Installation sprechen eine deutliche Sprache. Die Mehrkosten für ein Erdungskonzept und die beidseitige Erdung der Kabelschirme (für Personenschutz und EMV-Konformität) schlagen mit rund 15 Euro pro Kabelstrecke zu Buche. Nach Aussage von Netzwerkplanern kann man bei Cat.7 S/FTP verglichen mit Cat.6A UTP von Mehrkosten in Höhe von rund 37 Prozent ausgehen.

9.2.5 Kabeltrassen, Patchfelder, Stecksysteme Die gesteigerten Anforderungen enden jedoch nicht beim TP-Kabel, sondern ziehen sich durch die gesamte Infrastruktur. So empfiehlt beispielsweise die EN-50174-2-Norm bestimmte Kabeltrassen, einen maximalen Kabelfüllgrad innerhalb der Trassen und ein geeignetes Erdungskonzept. Für die Trassen sollen möglichst geschlossene Konstruktionen anstelle von Gitterstäben oder langlochgeschlitzten Blechen zum Einsatz kommen, denn offene oder gelochte Varianten wirken zu wenig gegen Einstreuungen von außen. Patchpanels für 10GBASE-T tragen ihre RJ45-Buchsen versetzt. Dadurch steigt der Abstand, und das Übersprechen zwischen den Leitungen (Alien Crosstalk) geht zurück.

Abbildung 9.3: Patchpanel für 10GBASE-T von ADC Krone [28]


Die benutzbaren Steckersysteme wurden bereits in Abschnitt 3.2.2 – 3.2.4 beschrieben.

9.2.6 Wie sollte nun die Verkabelungslösung für 10G bE aussehen?

Folgende Voraussetzungen sollten bei der Auswahl einer Lösung für 10GbE unbedingt beachtet werden: • Nur wenn ein TN-S-Stromversorgungssystem (Fünfleitersystem) vorhanden

ist, kommt auch eine geschirmte Lösung in Frage • Geschirmte Lösungen erfordern ein sorgfältig geplantes und realisiertes

Maschenerdungskonzept • Nur normgerechte Lösungen nach der neuen Verkabelungsnorm ISO/IEC

11801 Klasse EA / EN50173 Klasse EA verwenden • Nur Komplettlösung eines Systemherstellers einsetzen, kein Mixed and Match • 10GbE-Applikationsgarantie durch den Hersteller vereinbaren

Eine wichtige Hilfestellung erfährt man über die Datenblätter der Hersteller.

9.2.7 Prüfnormen Für Kupfer-Links liegen bei 10 GbE folgende Normen und Standards vor: • IEEE 10GBASE-T 802.3an für die aktiven Komponenten • TIA TSB-155 nur für Cat.6 Bestandsinstallationen • ISO/IEC TR 24750 nur für Cat.6 Bestandsinstallationen • ANSI/TIA/EIA 568B.2-10 für die neue Cat.6a • ISO/IEC 11801 für die neue Klasse EA

Die Ergänzungen der beiden letzt genannten Normen werden für die Kategorie 6a bzw. die Klasse EA voraussichtlich im Frühjahr 2008 verabschiedet. Der Standard TIA/EIA TSB-155 ist lediglich eine Anleitung zur Beurteilung einer bestehenden Verkabelung der bisherigen Kategorie 6 für die Nutzung mit 10-Gbit-Ethernet. Dieser Standard beinhaltet Übertragungstrecken- und Permanent-Link-Spezifikationen sowie Testmethoden für das Fremdnebensprechen (Alien Crosstalk). TIA/EIA TSB-155 hat aber keinerlei normative Anforderungen! Für den Upgrade einer Cat.6 Installation auf 10GbE sind mitunter folgende Maßnahmen nötig: • Austausch der Patchkabel auf Cat.6A-kompatible Patchcords • Kabel und Patchkabel dürfen nicht mehr gebündelt sein • ausschließliche Nutzung der versetzten Positionen am Patchfeld für

10GBASE-T • Austausch der Cat.6-Steckverbinder auf Cat.6A-Komponenten

Auch bei Einhaltung all dieser Vorgaben ist der Betrieb von 10GbE unter realen Installationsbedingungen nicht garantiert.


Der ISO/IECTR (Technical Report) 24750 ist ebenfalls nur eine Anleitung zur Beurteilung einer Bestandsverkabelung der bestehenden Kategorie 6, hat jedoch zum Unterschied zur TIA/EIA TSB-155 einen normativen Charakter. Aber auch er respezifiziert keine bestehende Klassen-E- oder -F-Installation nach ISO/IEC 11801:2002. Es gelten hier dieselben Installationsrichtlinien wie bei dem vorgenannten TIA/EIA-TSB-155 Standard. Auch die Aussage ist ähnlich: ISO/IECTR 24750 gibt ebenfalls keine Garantie für den Betrieb von 10 Gbit Ethernet über das bestehende Cat.6-Kabel.

9.3 Glasfaser-Verbindungen

9.3.1 Allgemeines

9.3.1.1 Nomenklatur für 10GbE Die Nomenklatur orientiert sich an der bekannten Ethernet-Nomenklatur 10GBase-xxx und charakterisiert im Appendix (xxx) die Wellenlänge des Lichtwellenleiters, die Codierung und das Wellenlängenmultiplex. So unterscheidet 10GbE zwischen einer langen Wellenlänge von 1.310 nm (Buchstabe L), einer extrem langen Wellenlänge (E) mit 1.550 nm und einer kurzen Wellenlänge (S) von 850 nm. Des Weiteren wird unterschieden zwischen einer 8B/10B-Codierung (X) und einer Blockcodierung (R) für LANs sowie einer WAN-Codierung (W). Beim Wellenlängenmultiplex unterscheidet die Nomenklatur zwischen seriell (1) und der Anzahl für das WDM (n). Als Stecker wird der Duplex-SC-Stecker verwendet.

Abbildung 9.4: Nomenklatur für 10GbE [29]


9.3.1.2 Übersicht über die verschiedenen 10GbE-Stan dards über Glasfaser

Übersichtstabelle: Optische 10GbE-PHY-Standards LAN PHY WAN PHY PHY 10GBase SR 10GBase LR 10GBase ER 10GBase LX4 10GBase SW 10GBase LW 10GBase EW Modus Serial Serial Serial WWDM Serial Serial Serial WAN Interface Sublayer nein Nein nein nein WIS WIS WIS Wellenlänge 850 nm 1310 nm 1550 nm 1310 nm 850 nm 1310 nm 1550 nm Medium Multimode Single Mode Single Mode Multimode Multimode Single Mode Single Mode PCS-Kodierung 64B/66B 64B/66B 64B/66B 8B/10B 64B/66B 64B/66B 64B/66B Physische Bitrate 10,3Gbps 10,3Gbps 10,3Gbps

4*3,125 Gbps 9,953 Gbps 9,953 Gbps 9,953 Gbps

Reichweite 65m 10 km 40km 300 m 65m 10 km 40 km

9.3.1.3 Kodierverfahren 64B/66B Die 64B/66B-Codierung ist ein sehr effizientes Codierverfahren, das in 10-Gigabit-Ethernet eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren werden nur zwei zusätzliche Bits für die Übertragung eines 64-Bit-Datenblocks benötigt. Reine Daten (D0 - D7) werden in diesem Verfahren mit »01« codiert, Kontrollbytes (C0 - C7) und ein Gemisch aus Kontroll- und Datenbytes erhalten die Codierung »10«. Unbenutzte Bits werden als »0« übertragen.

9.3.1.4 10 Gigabit-Ethernet-Schichtenmodell (GbE) Für das Schichtenmodell von 10GbE wurden im Unterschied zu Gigabit-Ethernet einige neue Schichten und Schnittstellen definiert. Der MAC-Sublayer orientiert sich im Wesentlichen an den bekannten Ethernet-Hochgeschwindigkeitsversionen. Der MAC-Layer unterstützt allerdings nur noch Vollduplex-Übertragung. Darüber hinaus gibt es am MAC-Interface zwei Datenraten: Für LANs die Übertragungsgeschwindigkeit von exakt 10 Gbit/s und für WAN-Anwendungen die Übertragungsrate von 9,584640 Gbit/s und ein optionales medienunabhängiges Interface. Unterstützt wird ferner die Link Aggregation nach 802.3ad.

9.3.2 10GBase-LX4 Die 10GBase-LX4 ist eine 10GbE-Schnittstelle. Nach der Schnittstellen-Nomenklatur von 10-Gigabit-Ethernet handelt es sich um eine Lichtwellenleiterschnittstelle für lokale Netze (LAN), die in CWDM vier Kanäle im Wellenlängenbereich von 1.310 nm multiplext. Die Gesamtdatenrate teilt sich auf die vier Kanäle auf, so dass jeder Kanal eine Datenrate von 3,125 Gbit/s hat.


Als Lichtwellenleiter verwendet die 10GBase-LX4 eine Multimodefaser 50/62,5 µm. Die Reichweite für die Multimodefaser liegt bei 300 m, bei Einsatz von Monomodefasern, der ebenfalls spezifiziert ist, können 10 km überbrückt werden.

9.3.3 10GBase-SR Nach der Nomenklatur der 10GbE-Schnittstellen handelt es sich bei einer 10GBase-SR um eine Schnittstelle mit Lichtwellenleitern, die mit kurzen Wellenlängen (S) von 850 nm und mit der 64B/66B-Codierung (R) arbeitet. Die 10GBase-SR-Schnittstelle hat mit 10,3 Gbit/s die volle Datenrate von 10-Gigabit-Ethernet. Als Übertragungsmedium benutzt sie eine Multimodefaser 50/62,5 µm, die überbrückbare Entfernung liegt bei 65 - 300 m.

9.3.4 10GBase-LRM 10GBase-LRM (Long Range Multimode) ist eine 10GbE-Schnittstelle. Nach der Schnittstellen-Nomenklatur von 10-Gigabit-Ethernet ist es eine LAN-Schnittstelle für Multimodefasern mit einer Wellenlänge von 1.310 nm (L) und einer 64B/66B-Codierung (R). Die 10GBase-LRM wurde speziell für Server-Farmen entwickelt wo vorwiegend Multimodefasern eingesetzt werden. Diese sollen mit der 10GBase-LRM-Schnittstelle für die 10-Gigabit-Ethernet-Technologie nutzbar gemacht werden. Um die Reichweite zu verbessern, arbeitet 10GBase-LRM senderseitig mit einer Electronic Dispersion Compensation (EDC). Die Reichweite betrug in der Anfangsphase 300 m und wurde später aus praktischen Überlegungen auf 220 m reduziert.

9.3.5 10GBase-ER Hier wird eine Singlemodefaser, eine Wellenlänge von 1550 nm und eine 64B/66B-Kodierung ohne Anpassung an ein WAN-Frameformat verwendet. Damit können LAN-Strecken mit einer Datenrate von 10 Gigabit/s und einer Entfernung von 40 km überbrückt werden. Dies geht weit über die klassischen LAN-Distanzen hinaus.

9.3.6 10GBase-SW, 10GBase-LW, 10GBase-EW Diese Varianten benutzen einen zusätzlichen WAN Phy, um mit OC-192 / STM-64 SONET/SDH-Equipment zusammenarbeiten zu können. Der Physical Layer entspricht 10GBase-SR bzw. 10GBase-LR und 10GBase-ER, sie benutzen daher auch die gleichen Fasertypen und erreichen die gleichen Reichweiten (zu 10GBase-LX4 gibt es keine entsprechende Variante mit WAN Phy).

9.3.7 10GBase-EX4 10 GBaseEX ist eine nicht standardisierte Variante von 10-Gigabit-Ethernet, die aber dennoch u.a. von Cisco angeboten wird. Sie verwendet Singlemodefaser, eine Wellenlänge von 1550 nm und eine 8B/10B-Kodierung (wie beim Vorgänger Gigabit-Ethernet) auf vier parallelen Leitungen im so genannten WWDM-Modus. Damit können LAN-Strecken mit einer Datenrate von 10 Gigabit/s und einer LAN-untypischen Entfernung von 50 km überbrückt werden.


9.4 Zukunft von 10GbE In einer weltweiten Umfrage von SYSTIMAX Solutions, haben mehr als 2000 IT-Manager angegeben, dass sie 10GbE-Installationen im Jahr 2007 planen. Bisher werden 59% aller 10GbE-Installationen im Backbone eingesetzt und nur 27% in der Horizontalverkabelung.

Abbildung 9.5: Relative Kosten 10G Glasfaser vs. 10G Kupfer [30] Anhand des Kostenvergleiches von Kupfer zu Glasfaser wird ersichtlich, dass sich auch in Zukunft 10GbE über Kupfer am Markt behaupten wird.

10 20,40,80 Gigabit-Ethernet Diese Standards haben sich nicht durchgesetzt, da der Nachfolgestandard mit 100Gbit/s bereits in der Entwicklung steckt.

11 100 Gigabit Ethernet-Link

Das Thema 100-Gigabit-Ethernet wird von IEEE behandelt und von der Higher Speed Study Group (HSSG) für eine Standardisierung vorbereitet. Daneben wird die Bezeichnung 100-Gigabit-Ethernet aber auch marketingmäßig für optische Höchstgeschwindigkeitsnetze benutzt. Die erstgenannte Technik stammt aus den IEEE-Standardisierungsgremien und stellt damit die konsequente Weiterentwicklung von 10-Gigabit-Ethernet dar.

1. 100-Gigabit-Ethernet ist eine Zukunftstechnik für Netzwerk-Betreiber für die Aggregation im Internet-Backbone und für Rechenzentren. Die HSSG treibt unter der Projektbezeichnung 802.3ba diese 100-Gigabit-Technologie voran, wobei neben der Datenrate von 100 Gbit/s auch die in optischen Transportnetzen (OTN) benutzte Datenrate von 40 Gbit/s im Standard berücksichtigt wird.


Zum Erreichen höherer Geschwindigkeiten und insbesondere der 100 Gbit/s stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Da noch nicht feststeht, welches Verfahren letztendlich eingesetzt wird, wird man aus den unterschiedlichen Interfaces die auswählen, die die bestmögliche technische Lösung bieten. Man setzt dabei auf verschiedenste Modulations- und Multiplextechniken wie das Raummultiplex, das Wellenlängenmultiplex und das Zeitmultiplex und Kombinationen daraus.

2. Die Bezeichnung 100-Gigabit-Ethernet wird auch für optische Netze benutzt, obwohl diese Technik nichts mit Ethernet und IEEE 802.3 zu tun hat. Nachfolgend wird auf die Interpretation eingegangen, bei der es darum geht, die Datenrate in optischen Netzen zu erhöhen um dem rapide wachsenden Datenstrom im Internet gerecht zu werden und den Providern entsprechende Weitverkehrsstrecken zur Verfügung stellen zu können.

Da die Multiplexhierarchie in der ITU-Empfehlung G.709 festgelegt ist, wurden entsprechende Technologien für die Realisierung von 100 Gbit/s entwickelt. Zu diesen Technologien gehört die Polarisationsmoden-Dispersion (PMD), die bei höheren Datenraten der optischen Transporteinheiten von 2,5 Gbit/s und 10 Gbit/s eingesetzt werden. Bei 40 Gbit/s wird dieses Modulationsverfahren durch Unsymmetrien der Glasfaser beeinträchtigt, weswegen man bei 40-Gbit/s-Datenraten die unempfindlichere RZ-DQPSK-Modulation einsetzt. In Verbindung mit der DWDM-Technik, die ein Wellenlängenmultiplex auf 160 optischen Kanälen zulässt, können die optischen Weitverkehrsstrecken bis zu Datenraten von 6,4 Tbit/s (Terabit) aufgerüstet werden. Wobei Entfernungen von mehreren hundert Kilometern überbrückt werden können.

12 Erwartungen für zukünftige Entwicklungen

12.1 Kupferverkablung Was kommt nach Cat.6A und Cat.7? Die Frage nach dem nächsten großen Schritt bei den Verkabelungsstandards ist schwer zu beantworten. Derzeit arbeitet man an einer 100GbE-Lösung. Forscher an der Pennsylvania State University sind sich sicher über ein Kupferkabel der Kategorie 7 mit 100Gbit/s eine Linklänge von 70m erreichen zu können. Eine Linklänge von 100 Metern ist angedacht. Die maximale Übertragungsfrequenz wird sich im Kupferbereich nur unter großen Schwierigkeiten weiter steigern lassen. Die bei höheren Frequenzen rasch zunehmende Dämpfung des Signals ist schon heute die größte Herausforderung. Eine Erhöhung der Übertragungsfrequenzen deutlich über 500 MHz führt zu einer Signaldämpfung jenseits von 50dB. Kompensieren ließe sich dies nur über noch mehr Sendeleistung, was den Trend zu immer energiesparenden Systemen unterlaufen würde. Bereits 6 dB mehr Dämpfung bedeuten den Faktor 2, also ein Verdoppelung der Dämpfung. Allein aus diesen Gründen ist eine Erhöhung von Datenübertragungsfrequenzen derzeit unerwünscht.


Eine andere Möglichkeit, dem Empfänger noch einen ausreichenden Nutzsignalpegel zu bieten, wäre die deutliche Reduzierung der maximalen Kabellänge. Aber auch das lässt sich in der Horizontalverkabelung wohl kaum realisieren.

12.2 Glasfaserverkabelung Eine Weiterentwicklung im Bereich der Lichtwellenleiter bezieht sich weniger auf die Kabel selbst als vielmehr auf die eingesetzten Laser und die Verbesserung der Verbindungspunkte wie Stecker und Kupplungen. Um für kommende Anforderungen gerüstet zu sein, sollten nur Lichtwellenleiter der Klasse OM3 verwendet werden.

12.3 Entwicklung der Datenraten Für 100GbE befindet sich der Standard derzeit in der Entwicklung und soll bis 2010 fertig gestellt sein. Dieser Standard wird nicht nur dekadische Datenraten von 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1 Gbit/s, 10 Gbit/s und 100 Gbit/s unterstützen sondern auch 40 Gbit/s. Für die 100-Gigabit-Technik gibt es hinreichend Bedarf von Netzwerk-Betreibern und in Rechenzentren. Als Übertragungsmedien kommen Glasfasern zum Einsatz, wobei mit Multimodefasern bis zu 100 m überbrückt werden sollen und über Monomodefasern Entfernungen zwischen 10 km und 40 km ins Auge gefasst werden. Neben der Glasfaser soll auch der Einsatz von Kupferkabeln über eine Entfernung von 10 m im Standard 802.3ba verankert werden.

12.4 Fazit Da insgesamt ein steigendes Datenaufkommen zu erwarten ist, die Verkabelung nur einen relativ kleinen Teil der Kosten für eine Netzwerkinstallation beinhaltet, sollte bei der Verkabelung ein ganzes Stück weiter gedacht werden. Somit sollte eine Verkabelung nach den höchsten Standards durchgeführt werden. Freilich muss der Aufwand / die Kosten im Vergleich zum Nutzen gesehen werden. Leider ist manchmal die Entwicklung bei den Standards nicht absehbar und somit können nicht immer die Anforderungen an der Verkabelung für zukünftige Standards abgesehen werden. Weiterhin zeigt auch oft erst der Markt welcher Standard sich letztendlich durchsetzen wird. Es sind bei verschiedenen Quellen unterschiedliche Angaben über die Lebensdauer bzw. Nutzbarkeit der Verkabelung zu finden. Die Angaben liegen zwischen 10 und 20 Jahren.


13 Anhang A

Abbildung A.1: Tabelle über Standards, verwendete Kabeltypen und mögliche Distanzen [31]


14 Anhang B

14.1 Quellenangaben zu den Abbildungen Kapitel 3 [1] http://www.nwlab.net/guide2na/pics/sftp.jpg [2] http://e-special-shop.de/out/oxbaseshop/html/0/dyn_ images/1/

datenleitung_kat7_p1.jpg [3] Hirose [4] http://www.siemon.co.jp/jp/products/system/imgages_ 10G6A/wa_10g-6a-

f-utp-max-modules_big.jpg [5] http://www.siemon.com/de/company/press_releases/ima ges/06-04-25-

patchcord.jpg [6] http://www.hbi.de/clients/Siemon/pms04/19_10/TERA_p air_w_yellow_

connect.jpg [7] http://www.siemon.com/share/products05/mpc_tera-pat ch-

cords_pf3_big.jpg [8] http://www.searchnetworking.de/imgserver/bdb/89300/ 89345/original.jpg [9] http://images.tecchannel.de/images/tecchannel/bdb/

361930/3C46204FC99C885A77C8E5466F3B22BC_1000x700.jp g [10] http://www.deltec.de/besucher/katalogseiten/cat7-

Dateien/Katalog_611_besucher_7969_image002.jpg [11] http://www.itwissen.info/media/lex_pics/aa12g70.png [12] http://www.itwissen.info/media/lex_pics/aa22f70.png Kapitel 4 [13]-[15] CISCO NETWORKING ACADEMY PROGRAM [16] http://www.nwlab.net/guide2na/pics/volition.jpg [17] http://www.itwissen.info/media/lex_pics/aa13tk31.pn g Kapitel 6 [18]-[21] Telegärtner [22] 3M Deutschland Kapitel 7 [23] Vorlesungsskript „Hochgeschwindigkeitsnetze“, Prof. Dr.-Ing. Ludwig Eckert Kapitel 8 [24] CISCO NETWORKING ACADEMY PROGRAM [25] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cd/ 5PAMlevels.png


Kapitel 9 [26] http://www.itwissen.info/media/lex_pics/bg61t12.png [27] http://www.heise.de/bilder/96475/5/1 [28] ADC Krone [29] http://www.itwissen.info/media/lex_pics/bg61g19.png [30] http://images.tecchannel.de/images/tecchannel/bdb/3 60213/original.jpg Anhang A [31] Black Box Network Service AG, Datasheet 41299


14.2 Quellenangaben: Website – ITWissen, verschiedene Unterseiten www.itwissen.info vom 09.01.2008 Website – network lab – Teilbereich Verkabelung http://www.nwlab.net/guide2na/netzwerkanalyse-verka belung.html vom 09.01.2008 Website - 3M Deutschland – Teilbereich Volition Verkabelungssystem http://solutions.3m.com/wps/portal/3M/de_DE/Telecom ms/Networks/Telecomms/Enterprise/ vom 09.01.2008 Website - Dätwyler Kabel+Systeme – verschiedene Unterseiten und Datenblätter http://www.daetwyler.net/ vom 09.01.2008 Enzyklopädie Wikipedia – verschiedene Unterseiten – besonders die genannte Seite http://de.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.3 vom 09.01.2008 Website - Das Elektronik-Kompendium – verschiedene Unterseiten www.elektronik-kompendium.de vom 10.01.2008 Noch mal durch lesen oder löschen http://www.networkcomputing.de/cms/fileadmin/nwc/do wnloads/pdf/itwissen_ebook_gigabit_ethernet.pdf vom 11.01.2008 Webseite – TECCHANNEL – verschiedene Unterseiten http://www.tecchannel.de/ vom 11.01.2008 Website - Black Box Network Service AG – Datenblatt 41299 http://www.black-box.ch/ vom 12.01.2008 Website – Heise Netze – Bereich „Layer 1&2“ http://www.heise.de/netze/layer_1_2/ vom 12.01.2008

1

IEEE Gigabit Standards: 1GBit/s, 10 GBit/s usw.

Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt

Seminarvortrag am: 15.01.2008

Semester: INI5

Seminarbetreuer: Prof. Dr.-Ing. Ludwig Eckert / Prof. Dr.-Ing. Ansgar Ackva

Markus Büttner

Markus Büttner, 15.01.2008 Seminarthema: IEEE Gigabit Standards2

Überblick

1. Allgemeines zu Ethernet2. Normen und Standards (IEEE), sonstige Normen3. Kupferkabel und Stecker4. Lichtwellenleiter und Stecker5. Gegenüberstellung Kupferkabel und Lichtwellenleiter6. Industrie- / Büroumgebungen7. Ethernet-Link allgemein8. Gigabit Ethernet-Link9. 10 Gigabit Ethernet-Link10. 20,40,80 Gigabit11. 100 Gigabit Ethernet-Link12. Erwartungen für zukünftige Entwicklungen


Allgemeines zu Ethernet

� Ethernet seit 1972� Normung durch IEEE ab 1980� Ethernet ist in IEEE 802.3 definiert � Ethernet definiert die Schicht 1 und 2 des

OSI-Schichtenmodells� Seit 90ern zu weltweiten Standard für LANs

entwickelt� Verbreitet sich auch immer mehr für

Verbindungen des Internets


Normen und Standards (IEEE), sonstige Normen

� 3 Arten von Normen– Übertragungsgeschwindigkeit (IEEE)

z.B. 802.3 – Clause 40 (802.3ab) = 1000BASE-T– Verkabelung

z.B. ISO/IEC 11801, EN50173, EIA/TIA 568 A– Stecker und Verbinder z.B. EN 60603-7

� IEEE ist weltweit gültig� Verkabelungsnormen: weltweit, nur USA,

Europa

� Stecker: weltweit, Europa


Kupferkabel

� Einteilung in Klassen und Kategorien nach ISO/IEC 11801 und EN 50173� Kategorie 1-8 und Klasse A-G

z.B. Cat6a = Klasse E


Stecker für Kupferkabel

� Bis 100MHz „normale“ RJ-45 Stecker� GG45-Stecker von Nexan bis 1 GHz EN 60603-7-7� TERA-Stecker von Siemon bis 1,2GHz EN 60603-7-

104


Lichtwellenleiter

� Optischer Kern aus Glas oder Kunststoff� Monomode (Singlemode) oder Multimode� Stecker für LWL� Qualitätsklassen OM1-3 und OS1


Fakten Glasfaser� Sehr gut geeignet für lange Verbindungswege � Große Übertragungsbandbreite bei niedriger Signaldämpfung� Keine Störung durch Magnetfelder� Nur mit Spezialwerkzeug verarbeitbar (hohe Installationskosten)� Abhörsicher, da kein Magnetfeld� Blitzschutz, Potenzialtrennung� Verlegbar in explosionsgefährdeten Umfeld

Glasfaser <-> Kupfer

Fakten Kupfer� Leichte Verarbeitung, kein Spezialwerkzeug nötig� Viele preiswerte aktive Komponenten sind verfügbar� Kupferinstallationen sind langlebiger als LWL � Keine Potentialtrennung möglich� Geringe Installationskosten


Industrieumgebungen

Schwierigkeiten:� Lange Verkabelungswege� Luftverschmutzung� Extreme Bedingungen z.B. Temperatur, Öl� Elektromagentische Störungen


Beispielkomponenten Industrie

Glasfaserlösungen in IP 67-Ausführung

Kupferlösungen in IP 67-Ausführung


Ethernet-Link allgemein


Gigabit Ethernet-Link

Standards für Gigabit über Kupfer:� 1000Base-T , 1000Base-CX, (1000Base-TX)Erhöhung der Datenraten durch:� Nutzen aller vier Adernpaare� Frequenz mit 62,5 MHz (T) / 625 MHz (CX)� Stecker nach Klasse D oder E� Modulationsverfahren PAM-5


Gigabit Ethernet-Link

Standards für Gigabit über Glasfaser� 1000Base-SX, 1000Base-X, 1000Base-ZX� Geschwindigkeit aufgrund der physikalischen

Rahmenbedingungen möglich� Handelsübliche ST- und SC-Stecker



Fakten für 10 Gigabit Ethernet-Link über Kupfer� Frequenz von mind. 500 MHz nötig� Problem mit Stecker und Buchsen bei der

erhöhten Frequenz� Probleme mit Fremdnebensprechen� Nebensprechen zwischen den Adernpaaren wird

durch Kabelkonstruktion verringert



Standards für 10 Gigabit Eternet über Kupfer� 10GBase-T

– 4 genutzte Adernpaare– 100m Link mit Cat 6a und Cat 7 möglich

� 625MHz / 600MHz– Auch hier wird PAM-5 eingesetzt– DSP– WARP von R&M

� 10GBase-CX4– Doppel-twinaxiales IB4X-Kabel � 15m Link



� Kabeltrassen, Patchfelder, Steckersysteme für 10 Gigabit über Kupfer



Verbindung über Glasfaser� Maximallängen von 65m-40km möglich� Erweitertes OSI-Schichtenmodell (MAC-

Layer)Standards für 10Gbit über Glasfaser� 10GBase-SR, 10GBase-LR, 10GBase-ER,

10GBase-LX4, 10GBase-SW, 10Gbase-LW, 10GBase-EW� Unterschiede im Wesentlich bei verwendeter

Glasfaser, Wellenlänge und Kodierung


10 Gigabit Ethernet – Zukunft

Umfrageergebnis von Systimax� Mehr als 2000 IT-Manager haben weltweit

angegeben, dass Sie 2007 10GbE-Installationen planen� 59% aller 10GbE-Installationen im Backbone� 27% in der Horizontalverkabelung


20, 40, 80 Gigabit-Ethernet

� Diese Standards werden nicht mehr weiterentwickelt, da bereits 100 Gigabit-Ethernet in der Entwicklung ist.� Ausnahme: 40 Gbit-Ethernet wird in den

Standard von 100 Gbit-Ethernet mit aufgenommen



� Standardisierung für 2010 geplant� Einsatz für Internet-Backbone und

Rechenzentren geplant� Beste technische Entwicklung wird wohl zum

Standard werden


Ausblick

� Möglicherweise wird es auch für 100Gbit Kupferkabel geben – erste Versuche laufen bereits� Bei Glasfaserverbindungen sollten nur LWL

der Klasse OM3 eingesetzt werden, da Sie die geringste Dämpfung pro km Kabellänge haben und die höchste Zukunftssicherheit.

ieee gigabit standards - · pdf file3.1 allgemeines über twisted-pair-kabel ... 9.3.1.1...

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