Netzwerke 2 - Informatik

Netzwerke 2
Praktikumsversuch – Datenverkabelung
Kabelaufbau und -test
Zielsetzung
Kennenlernen von Kenngrößen und Aufbau von Datenkabel
Datenkabelanalyse mit Hilfe des Kabeltesters LT 8600 /Wavetec Wandel Coltermann
•
•
Aufgabenstellung
• Eigenbau eines Patchkabels und Überprüfen auf Funktion
• Kabeltester justieren (Nullabgleich)
• Überprüfen von Patchkabel mit Hilfe des Kabeltesters und Erkennen von Fehlern
Literatur Empfehlung
• Jens Dittrich, Uwe von Thiene n - Moderne Datenverkabelung (ISBN 3-8266-4061-6)
Einführung
Grundlegend wird zwischen Lichtwellenleitern und stromleitenden Kabeln unterschieden. In diesem
Praktikumsversuch wird auf symmetrische Kupferkabel wie Sternvierer- und Twisted-Pair Kabel
eingegangen, welche besonders für die Tertiärverkabelung (Verkabelungen in einem Raum) eine
wichtige Rolle spielen. Sie unterscheiden sich im Aufbau wo im Sternvierer jeweils 4 Kupferadern
zu einem Stamm verseilt werden und im Twisted-Pair Kabel immer 2 Adern zu einem Paar und
mehrere Paare wiederum zu einem Kabel verseilt werden. Dennoch ist der allgemeine
gebräuchliche Name für beide Kabel Twisted Pair (TP).
Für die Bezeichnung symmetrisches Kupferkabel ist nicht wie ma n am ehesten annehmen würde der
Kabelaufbau Grund. Bei einer Datenübertragung besteht ein symmetrischer Leiter immer aus 2
Adern und der Bezugserde (Bei TP der Schirm), welche durch aktive Netzwerk Komponenten so
angesteuert werden damit sich die Signalamp lituden eines Adernpaars gegenüber der Bezugserde zu
0 Volt addieren.
Grundvoraussetzung dafür sind enge Toleranzen in der Fertigung der Kabel und exakte
Ansteuerung durch aktive Komponenten, die – im Idealfall – den Leiter und somit die
Datenübertragung unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen aus der Umwelt machen.
Aufbau von Twisted-Pair Kabeln
Twisted-Pair-Kabel gibt es in zwei- und vierpaariger Ausführung. Bei aktuellen
Netzwerkinstallationen werden fast nur vierpaarige Kabel verwendet.
•
UTP (Unshielded Twisted Pair): Kabel mit ungeschirmten Paaren und ohne Gesamtschirm.
Einsatz vorzugsweise bei der Etagen- und Endgeräteverkabelung. Das Hauptproblem ist das
Übersprechen, d. h. die übertragenen Signale beeinflussen sich gegenseitig. Das Kabel ist
jedoch wegen seines geringen Außendurchmessers und der fehlenden Schirme einfach zu
verarbeiten und zeichnet sich durch geringe Kosten aus.
•
STP (Shielded Twisted Pair): Die Adernpaare sind mit einem metallischen Schirm
(üblicherweise eine Alu-kaschierte Kunststofffolie) umgeben. Bei Schirmung jeweils eines
Paares spricht man auch von PiMF (Paar in Metallfolie), umfasst der Schirm zwei Paare
wird dies auch als ViMF (Vierer in Metallfolie) bezeichnet. Durch diese zusätzliche
Schirmung besitzt das STP-Kabel einen größeren Außendurchmesser und ist dadurch
schlechter zu verlegen (größerer Biegeradius) als UTP-Kabel. Das Übersprechen zwischen
den einzelnen Adernpaaren kann jedoch durch die Schirmung verringert werden (EMVVerträglichkeit).
•
S/STP (Screened Shielded Twisted Pair): Aufbau wie bei STP, jedoch mit zusätzlicher
Gesamtschirmung um die Seele. Der Gesamtschirm kann als Folie oder als Drahtgeflecht
oder aus beidem zusammen ausgeführt sein.
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S/UTP (Screened Unshielded Twisted Pair): Aufbau wie bei UTP, jedoch mit zusätzlicher
Gesamtschirmung um die Seele. Der Gesamtschirm kann als Folie oder als Drahtgeflecht
oder aus beidem zusammen ausgeführt sein. Besteht der Gesamtschirm nur aus einer Folie,
wird so ein Kabel auch als FTP-Kabel bezeichnet; besteht der Gesamtschirm auf Folie +
Drahtgeflecht auch als S/FTP-Kabel.
Weitere Eigenschaften
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Auch der Aderdurchmesser spielt bei der Wahl der Kabel eine wichtige Rolle.
Umso größer der Querschnitt der einzelnen Adern desto geringer die Dämpfung.
Gegensätzlich vergrößert sich dadurch der vom Hersteller angegebene Biegeradius des
Kabels, der nicht unterschritten werden darf um eine Beschädigung der Adern zu
verhindern.
•
Heutzutage wird hauptsächlich Kupfer als Material für Datenkabel verwendet da Kupfer ein
gutes Verhältnis von Preis und Leistung aufweisen kann. Dennoch gibt es noch den
Unterschied zwischen Adern die aus einem Kupferdraht bestehe n und denen die aus
mehreren Kupferlitzen verseilt sind, diese finden Anwendung in Patchkabeln. Für
Festinstallationen eignen sich die das massive Kupferkabel das einen höheren Biegeradius
hat aber dafür eine geringere Dämpfung.
•
Ein weiteres sicherheitstechnisches Kriterium könnte sein, dass manche zur Schirmung
verwendete Materialen die nicht Halogen frei sind, im Brandfall giftige Gase bilden.
Auch wichtig kann es sein wie leicht entflammbar die Kabel sind oder welchen
mechanischen Belastungen sie standhalten können.
Steckverbindung und Verkabelung
RJ-45 Steckverbindung
• Ursprünglich in den 80ern Jahren für Telefonanwendungen im amerikanischen Markt
entwickelt ist die RJ-45 heute eine der weitverbreitetsten Steckverbindungen im EDV
Netzwerkbereich. Bis heute wurden von den Herstellern die Steckverbindungen immer
weiter verbessert, heutige Verbindungen verfügen über vergoldete Kontakte und
Schirmungen die eine hochfrequente Datenübertragung garantieren.
Verdrahtung
• Straight Ethernet Kabel Belegung für RJ-45-Stecker (beidseitig):
Signal
Pin Farbe
TX+
1
weiß/orange
TX-
2
orange
RX+
3
weiß/grün
4
blau
5
weiß/blau
6
grün
7
weiß/braun
8
braun
RX-
Anwendung: Zum Verbinden einer Netzwerkkarte mit einem Hub/Switch.
•
RJ-45-Stecker Belegung für Crossover Kabel (Ein Stecker gleich wie Patchkabel (siehe
oben), der zweite überkreuzt)
Pin
Farbe
1
weiß/grün
2
grün
3
weiß/organe
4
blau
5
weiß/blau
6
orange
7
weiß/braun
8
braun
Anwendung: Zum Verbinden zweier Netzwerkkarten, Hubs oder Switches.
Straight Ethernet Cable
Cross-Cable
Kategorien bei Twisted Pair nach EIA/TIA-568:
Category Type Spectral B/W Length LAN Applications
Notes
Cat3
UTP 16 MHz
100m 10Base-T, 4Mbps
Telephone Cables
Cat4
UTP 20 MHz
100m 16Mbps
Rarely Used
Cat5
UTP 100MHz
100m 100Base-Tx,ATM, CDDI LAN
Cat5e
UTP 100MHz
100m 100Base-T
LAN
Cat6
UTP 250MHz
100m 1000Base-T
LAN
Cat7
ScTP 600MHz
100m 1000Base-T
LAN
CAT 5, 5e, 6 Detailiert:
CAT 5
CAT 5e
CAT 6
Frequency
100 MHz
100 MHz
250 MHz
Attenuation (Min. at 100 MHz)
22 dB
22 dB
19.8 dB
Characteristic Impedance
100 ohms ±
15%
100 ohms ±
15%
100 ohms ±
15%
NEXT (Min. at 100 MHz)
32.3 dB
35.3 dB
44.3 dB
PS-NEXT (Min. at 100 MHz)
no specification 32.3 dB
42.3 dB
ELFEXT (Min. at 100 MHz)
no specification 23.8 dB
27.8 dB
PS-ELFEXT (Min. at 100 MHz) no specification 20.8 dB
24.8 dB
Return Loss (Min. at 100 MHz) 16.0 dB
20.1 dB
Delay Skew (Max. per 100 m)
20.1 dB
no specification 45 ns
45 ns
Kurze Übersicht über das Testgerät
Praktikumsaufgaben:
Der Feld-Nullabgleich
Um bei dem Tester eine optimale Messgenauigkeit zu gewährleisten, sollte täglich ein FeldNullabgleich durchgeführt werden.
•
Nehmen Sie den Nullabgleichsadapter und verbinden Sie das Handgerät, wie in der
untenstehenden Abbildung gezeigt, mit dem Endgerät.
Durchführung des Feld-Nullabgleichs:
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Zuerst müssen Sie das Handgerät (FE) und das Endgerät (NE) einschalten. Wählen Sie nun im
Bereitschaftsbildschirm mit Hilfe der Cursor- und der Enter-Taste die Option
Nullabgleich . Es erscheint der Nullabgleich-Bildschirm.
•
Durch Drücken der linken Funktionstaste starten Sie den Nullabgleich.
Während der Ausführung des Nullabgleichs wird die Meldung Bitte Warten eingeblendet.
•
In etwa 1 Minute ist der Nullabgleich abgeschlossen.
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Ein erfolgreicher Nullabgleich wird durch die Meldung Nullabgleich vollständig
signalisiert.
•
Durch das Drücken der Escape-Taste kehrt der Tester in den Bereitschaftsbildschirm zurück.
Anleitung zum Bau eines Patchkabels
Hilfsmittel
• Kabelschneider, Abisolierzange, Flachzange, Crimpzange.
Material
• ca. 1m STP Kabel Kat. 5e.
• 2x RJ-45 Buchse, 2x Aderkamm, 2x Knickschutz.
Vorgehensweise
• Aufstecken des Knickschutzes auf das Kabel.
• Abisolieren des Mantels etwas länger als das rechteckige RJ-45 Gehäuse.
Wichtig: Adernpaare und Schirmdraht dürfen nicht verletzt werden.
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Entfernen der Metall- und Folienschirmung.
Schirmdraht nach hinten umlegen und Adernpaare straff ziehen.
Einfädeln der Adern in den Kunststoffkamm, angefangen mit Pin 1, in folgender
Reihenfolge:
Weiß-Orange, Organe, Weiß-Grün, Blau, Weiß-Blau, Grün, Weiß-Braun, Braun.
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•
Möglichst ebenes ablängen der Kabel auf Länge des rechteckigen Gehäuses.
Einführen des Kabels in das RJ-45 Steckergehäuse. Weiß-Orange Ader muss sich auf Pin 1
befinden. Alle Adern müssen gleichmäßig ohne starken Druck vorne am Steckergehäuse
anliegen. Schirmdraht muss die Metallklemmen berühren.
•
•
Metallklammern zum festklemmen des Kabels mit Flachzange leicht zusammendrücken.
RJ-45 Stecker mit Stecker in die Crimpzange stecken und soweit wie möglich
zusammendrücken, bis die Crimpzange wieder frei gibt.
Dabei ist darauf zu achten, dass das Kabel nicht verrutscht und auch nicht zu fest das Kabel
in das Gehäuse gedrückt wird.
Entnehmen des Kabels aus der Zange. Überprüfen ob alle Adern immer noch gleichmäßig
vorne anliegen und auch alle Metallkontakte gleichmäßig in die Adern gedrückt worden
sind.
Knickschutz auf Gehäuse schieben und wiederholen des Vorgangs auf der anderen Seite.
Anschließendes Kontrollieren des Kabels auf richtige Verkabelung der Adern und des
Schirms und der Funktion mit Hilfe des Kabeltesters.
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Prüfen von Patch- und Crossoverkabeln
Die ausgehändigten Patch- und Crossoverkabel sind zu prüfen. Ob es sich bei einem
Kabel um ein Patch- oder Crossoverkabel handelt kann man beispielsweise durch das Ergebnis der
Verkabelung, welche grafisch angezeigt wird, feststellen.
Manche Kabel sind fehlerhaft.
Ihre Aufgabe ist es, den Fehler mithilfe des Prüfgeräts zu finden und zu beschreiben.
Hierbei sollten Sie sich auf die Eigenschaften Verdrahtung, NEXT und Dämpfung konzentrieren,
welche auf den folgenden Seiten beschrieben werden. Ebenfalls sollte die Länge mit einem etwas
längerem Kabel gemessen werden, da das Messgerät die “exakte“ Länge erst ab 5 Metern angibt.
Die anderen Werte sollen in diesem Versuch ausser Acht gelassen werden, da diese 3 genannten
Eigenschaften die wichtigsten im Kabelbau sind. Die restlichen Kabeleigenschaften sind aber
dennoch wichtig und sind deshalb ebenfalls in den unteren Erklärungen aufgeführt.
Voreinstellungen
Schalten Sie das Handgerät mit Display mit der On/Off- Taste ein.
Hinweis: Das Endgerät wird bei Testbeginn automatisch vom Testgerät eingeschaltet.
Die im Display sichtbaren Symbole lassen wir dabei außer Acht, da wir diese für unsere
Testzwecke nicht benötigen.
Einstellen des Kabeltyps
• Zuerst sollte überprüft werden ob die Einstellungen des Testgeräts mit unserem zu
prüfendem Kabeltyp übereinstimmt. Um dies zu prüfen drücken Sie bitte die
Kabelauswahltaste (Taste 10). Danach gelangen Sie in ein Menü mit verschiedenen KabelHauptgruppen. In diesem Menü angelangt, müssen Sie mithilfe der blauen Cursor-Tasten
(Tasten 4) auf den Menüpunkt „TWISTED PAIR BASIC“ wechseln und danach zur
Bestätigung die Enter-Taste (Taste 7) drücken. So gelangen Sie wiederum in ein weiteres
Menü. Hier müssen Sie mit den Cursor-Tasten auf „Cat 5E STP Link“ wechseln und mit
der Enter-Taste bestätigen. Anschließend erscheint kurz auf dem Display das der Kabeltyp
gewechselt wurde. Wenn dies geschehen ist gelangen Sie durch einfaches Drücken der
Escape-Taste (Taste 9) wieder in das Hauptmenü.
Durchführung des Tests
Als erstes müssen die RJ45-Adapter bzw. die so genannten Channel- Adapter an das Handund Endgerät angeschlossen werden. Danach kann das Patch- bzw. Crossoverkabel in die
Adapter eingesteckt werden. Ist dies geschehen, kann der Prüfvorgang im Hauptmenü durch
das Drücken der Autotest-Taste (Taste 3) durchgeführt werden. Dieser Vorgang dauert einen
kleinen Moment. Danach gelangen Sie automatisch in ein Menü, in dem Sie jedes einzelne
Ergebnis abfragen können.
•
•
Ist das Kabel fehlerhaft, wird dies durch ein “X“ angezeigt. Auch in der Liste mit den
einzelnen Eigenschaften wird einzeln angezeigt ob ein Fehler vorliegt oder nicht. Ist das
Kabel andererseits in Ordnung erscheint rechts oben sowie bei jeder Eigenschaft in der Liste
ein Häkchen.
Fehlererkennung
Die Fehlererkennung bei der Verkabelung ist durch die grafische Darstellung sehr einfach.
Das Handgerät zeigt mögliche Fehler wie folgt an:
1. Die Position einer offenen Stelle wird als unterbrochene Linie gekennzeichnet, die mit
zwei “X“ abgeschlossen ist.
2. Ein Kurzschluss zwischen zwei Adern wird durch eine die betreffenden Adern
senkrecht verbindende Leitung angezeigt.
3. Nicht überprüfte Anschlüsse erscheinen als sehr kurze durch ein “X“ abgeschlossene
Leitungen.
4. Querverbundene Adernpaare werden als einmal überkreuzte Leitungen dargestellt.
5. Aufgetrennte Adernpaare (Split Pairs) werden am unteren Bildschirmrand aufgelistet.
Der Leitungsplan erscheint korrekt.
Die Fehlererkennung bei der Dämpfung und den NEXT-Werten ist bei diesem Messgerät auch
einfach zu bestimmen. Durch das Einstellen des Kabeltyps, was am Anfang beschrieben wurde,
speichert das Messgerät die jeweiligen Grenzwerte für die verschiedenen Eigenschaften. Wird
der Test durchgeführt, überprüft das Messgerät nun, ob das Kabel bzw. die Adernpaare diese
gespeicherten Grenzwerte einhält. Ist dies der Fall, wird dies jeweils mit einem Häkchen
bestätigt. Wird der Grenzwert überschritten, wird das Adernpaar mit einem “X“
gekennzeichnet.
Messung der Länge
Um die Länge eines Kabels mit dem Messgerät zu messen liegt ein etwas längeres Kabel bei.
Da dieses bewusst eine Länge von über 5 Metern hat ist die Messung der Länge möglich. Die
Messung kann wie gewohnt durchgeführt werden. Die Messung kann oft von der tatsächlichen
Länge abweichen. Der Grund dafür ist das die Kabelpaare, wie der Name schon sagt, verdrillt
sind.
Die Kabeleigenschaften - Beschreibung
Verdrahtung
• Überprüfung der Adern und der Abschirmung auf Durchgang. Mit diesem Test kann man
Kurzschlüsse, Unterbrechungen und falsche Anschlüsse feststellen. Zum leichteren
Erkennen von Störungen werden die Testergebnisse grafisch dargestellt.
Länge
• Die Länge wird auf Grundlage der Zeit ermittelt, die ein Signal benötigt, um vom Kabelende
reflektiert zu werden. Für eine präzise Messung muss der Nennwert der
Ausbreitungsgeschwindigkeit (AVP-Wert) des betreffenden Kabels bekannt sein.
NEXT ( Near End Crosstalk ) = Nahnebensprechen
• Im NEXT- Test sendet das Messgerät jeweils auf ein Paar ein Signal und misst wie viel
davon in die verschiedenen benachbarten Paare eingekoppelt wird. Bei einem 4-Paar-Kabel
ergeben sich so sechs Aderpaar-Kombinationen, nämlich 12-36, 12-45, 12-78, 36-45, 36-78
und 45-78, Entsprechend ergeben sich sechs Frequenzgangkurven. Da das NEXT von
beiden Seiten der Leitung gemessen werden muss, erhält man insgesamt 12 Kurven. Starkes
Übersprechen (niedriger Zahlenwert!) ist eine der häufigsten Ausfallursachen bei
Abnahmemessungen. Gute Kabelscanner zeigen das NEXT im Abstand vom Messpunkt so,
dass man Aufschluss darüber erhält, wie viel NEXT an den Steckverbindungen oder auf der
eigentlichen Kabelstrecke auftritt.
Dämpfung
• Die Dämpfung eines Kabels beschreibt das Verhältnis einer am Anfang eingespeisten
Leistung zu der am Ende herauskommenden Leistung.
Also:
- Verluste auf der Strecke
- Abschwächung eines Signals
Je länger ein Kabel ist desto größer ist auch seine Dämpfung. Mit anderen Worten
beeinflusst also die Dämpfung die zulässige maximale Länge einer Verkabelungsstrecke.
Die Dämpfung eines Kabels ist aber nicht nur längenabhängig, sondern auch
frequenzabhängig. Sie nimmt bis ca. 50 MHz mit der Wurzel der Frequenz zu. Bei
Frequenzen über 50 MHz steigt die Dämpfung noch stärker an. Wie der genaue
Verlauf der Dämpfung auch immer aussieht, es gilt, dass mit der Frequenz auch die
Dämpfung wächst.
ACR (Attenuation Crosstalk Ratio)
• Dies ist die Differenz von Dämpfung und NEXT und gibt Auskunft über den Störabstand
zwischen dem (gedämpften) Nutzsignal und dem Störsignal NEXT. Der ACR wird nicht
direkt gemessen, sondern auf Grundlage der ge messenen Dämpfungs-und NEXT-Werte
vom Tester errechnet.
Rückflussdämpfung (Return Loss, RL)
Impedanzvariationen (Impendanz = Scheinwiderstand) entlang der Verbindung führen zu
Signalreflexionen, die einerseits das zum anderen Ende gelangende Signal schwächen
(Anteile die reflektiert werden dringen nicht bis zur anderen Seite durch), andererseits aber
auch vom anderen Ende ankommende, entsprechend gedämpfte Signale stören könnten.
Speziell die Steckverbindungen sind, ähnlich wie beim NEXT, für RL kritisch. Allerdings
können auch schlechte oder bei der Installation beschädigte Kabel RL-Probleme
•
verursachen. Ein häufig unterschätztes Problem sind außerdem Impedanzsprünge zwischen
Installations- und Patchkabel. Auch RL wird von beiden Seiten gemessen und in dB
angegeben. Je größer der Zahlenwert, umso besser.
Ausnahmeregel: Liegt die Dämpfung der gemessenen Strecke unter 3dB, wird das RL nicht
bewertet, sondern nur informativ angegeben. Bei kurzen Strecken "sieht" der Kabelscanner
nämlich nicht nur die Reflexion vom Anfang der Strecke, sondern teilweise auch vom
anderen Ende (auf längeren Kabeln wird das vom fernen Ende reflektierte Signal auf dem
Rückweg zum Scanner so stark gedämpft, dass es keine nennenswerte Rolle mehr spielt).
Diese dann fast doppelt so starken Reflexionen können bei Messgeräten, die diese
normgemäße Ausnahmeregel nicht berücksichtigen, zu Fehlbewertungen führen.
Laufzeit & Laufzeitdifferenz
• Die Laufzeit ist der Zeitraum, den ein Signal benötigt, um das Kabel vom einen Ende zum
anderen zu durchlaufen. Die Laufzeitdifferenz stellt die Differenz zwischen der kleinsten
und größten gemessenen Laufzeit zwischen den Adernpaaren dar.
Reserve
• Bei dieser Messung handelt es sich um die Summe der Grenzwertreserven (ACR) der
Verkabelung und der zusätzlichen Reserve zwischen dem schlechtesten NEXT-Wert und
dem NEXT-Grenzwert. Die Berechnung erfolgt mit einer Power-Sum-ACR-Messung am
schlechtesten Adernpaar, nachdem die Dämpfung für dieses Paar auf 100 Meter normiert
wurde (328 Fuß).
ELFEXT (Equal Level Far End CrossTalk)
• ELFEXT, gleichpegliges Übersprechen am fernen Ende, ermittelt den an die Dämpfung
angepassten Rauschpegel zwischen Paaren am empfangenden Ende der
Übertragungsstrecke. Diese Rauschpegelmessung ist für die Übertragungsleistung neuerer
Anwendungen von Bedeutung, die mehrere Adernpaare nutzen (z.B. GigaBit).
Power Sum NEXT / Power Sum ACR / Power Sum ELFEXT
• Jede der an den Paar-zu-Paar-Kombinationen ausgeführten Messungen kann aufsummiert
werden. Da ein ausgewähltes Adernpaar in Kombination mit den drei anderen Paaren eines
Vier-Paar-Systems gemessen wird, ist der Power Sum-Wert eines ausgewählten
Adernpaares die mathematische Summierung einer jenen Paarkombination, wie sie für die
Messung erscheint. Im allgemeinem ergibt sich Dämpfungsgrenzwert von etwa 3 dB.