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Einführung in die NetzwerktechnikAufbau, Begriffe

Thorsten Punke Dipl. Ing.

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Inhalte

• Aufbau von Netzen• Begriffe und Definitionen• Topologien von Netzwerken• Standards• Übetragungsparameter• Kabeltypen• Steckverbinder• Aktive Komponenten• Hinweise

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Begriffe der Netzwerktechnik

• LAN (Local Area Network)Ein LAN ist ein Netzwerk innerhalb eines Gebäudesoder Raumes.

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Begriffe der Netzwerktechnik

• WAN (Wide Area Network)Ein WAN ist ein Netzwerk zwischen verschiedenenStandorten, die oft viele Kilometer entfernt liegen

Standort A Standort B

WAN-VerbindungX Kilometer

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Begriffe der Netzwerktechnik

• Application (Anwendung)Beispielsweise:

TextverarbeitungTabellenkalkulationCAD (Computer aided design)DTP (Desktop Publishing)Telefonie (analog, ISDN, ADSL)VideokonferenzenCATV

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Begriffe der Netzwerktechnik

• Protokolle− ATM (Asynchronous Transfer Mode)− Token Ring− Ethernet

• Übertragungstechnologien− 4 Mbit/s, 16 Mbit/s Token Ring− 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1000 Mbit/s Ethernet− 155 Mbit/s, 622 Mbit/s ATM

Ethernet ist heute das bedeutendste Protokoll, ATM wirdneben Ethernet in WANs eingesetzt, Token Ring veraltet

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Verkabelungsstandards

• ÜberblickIEC ISO

International InternationalElectrotechnical Standards

Commission Organization

ISO / IEC 11801

ANSIAmerican NationalStandards Institute

DIN/DKEDeutsches

Institut für Normung/Deutsche Kommission

Elektrotechnik

EN 50173CENELEC

European Committeefor Electrotechnical

Standardization

TIATelecommunicationsIndustry Association

EIAElectronic Industry

Association

BSIBritish

Standards Institution

TIA / EIA 568A

ETC.

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Verkabelungsstandards

• Definition:− Internationale Standards für den Entwurf, die Installation und

die Administration von Kommunikations-Systemen inGebäudekomplexen

− Der nationale amerikanische Standard EIA/TIA 568 A und dieeuropäische Norm EN 50173 sind von dem globalen StandardISO / IEC 11801 abgeleitet

− Aufgabe− Schaffung eines einheitlichen Standards mit der Anpassung

an nationale Gegebenheiten. Schaffung einer installiertenBasis, die zukünftige Anwendungen nutzen können und derenEigenschaften bekannt sind.

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Verkabelungsstandards

• Norm für die strukturierte, universelleGebäudeverkabelung in Deutschland: EN 50173

• Vorgegebene Struktur (Topologie): sternförmig• Bus oder Ring veraltet und nicht normkonform!

STERNSTERN

RINGRING

BUSBUS

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Verkabelungsstandards

• Koaxverkabelungen sind billig, aber veraltet.• 100 Mbit/s und mehr nur noch mit Kategorie 5

Komponenten• Das bedeutet auch Twisted Pair Kabel!• Aktive Komponenten nur noch mit RJ45

Steckverbindern.

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ISO / IEC 11801 und EN 50173

• Tertiäre Verkabelung EtagenverkabelungHorizontalbereich

• sekundäre Verkabelung SteigbereichGebäudebackbone

• primäre Verkabelung StandortbackboneCampusbackbone

Struktur: Baum bzw. Sternförmig

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ISO / IEC 11801 und EN 50173

Campus-verteiler

Gebäude 2

Gebäude 3

Etagen-verteiler

Übergabepunkt

Gebäude-verteiler

Etagen-verteiler

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Neue Ausgabe der IS 11801Zentralisierte Verkabelungsstruktur

Equipm ent Room

Server

In terconnect / sp lice

M ax 300 m total (fiber)TC ?

TC = Telecom m unications C loset

Pu ll Through M ax 90 m total (fiber)

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Kategorien und Linkklassen

• Die Leistungsfähigkeit von Komponenten (Patchkabel,Verteilfelder, Kabel, Arbeitsplatzanschlußdosen) wird inKategorien angegeben:

Kategorie 3 bis 16 MHz für TelefonieKategorie 5 bis 100 MHz Datentechnik & TelefonieKategorie 6 bis 250 MHz zukünftige AnwendungenKategorie 7 bis 600 MHz zukünftige Anwendungen

und CATVAchtung! Gilt in der Form nur für Kupferkomponenten

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Kategorien und Linkklassen

• Die Leistungsfähigkeit eines Links wird in Linkklassenangegeben:

• Linkklasse D bis 100 MHz alle heutigen DiensteLinkklasse E bis 250 MHz mit ZukunftsreserveLinkklasse F bis 600 MHz enorme Zukunftsreserve

Achtung! Gilt in der Form nur für Kupferkomponenten

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Kategorie 5 Komponenten

Kategorien und Linkklassen

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Kategorien und Linkklassen

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Linkmodelle

• Permanent Link− Permanent Link ist die Strecke von Arbeitsplatzdose zum

Verteilfeld im Etagenverteiler ohne die Anschlußkabel(Patchkabel). D.h. die fest verbaute Verkabelungsstrecke, diespäter mit Patchkabeln beschaltet wird.

Max. 90 Meter

Verteilfeld

Dose

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Linkmodelle

• Channel Link− Channel Link ist die Strecke von Arbeitsplatzdose zum

Verteilfeld im Etagenverteiler einschließlich Anschlußkabel(Patchkabel). D.h. die komplette passive Verkabelungsstreckewie Sie später im Betrieb ist.

Max. 90 Meter

Verteilfeld

Dose

Patchkabel 1Patchkabel 2

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Kabel - Entfernungen (EN 50173)

• Die maximale Kabellänge zwischen Etagenverteiler undArbeitsplatzanschlußdose darf 90 Meter nichtüberschreiten.

• Gesamtlänge beider Patchkabel max. 10 Meter(Patchkabel 1 + Patchkabel 2)

PC

Max. 90 Meter

Verteilfeld

Dose

Patchkabel 1Patchkabel 2

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Übertragungsmedium

• Der Aufbau von Netzen kann mit Kupfer- oderLichtwellenleitern erfolgen.

• Dabei werden LWL Kabel für lange Strecken und hoheDatenraten (10Gigabit/s) eingesetzt.

• Kupferkabel werden zu 75% vom Etagtenverteiler zumArbeitsplatz eingesetzt.

• Zu Hause sind nur Netze aus Kupferkabeln sinnvoll.

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Kupfer/Glas

• Kosten/Nutzenanalyse zwischen LWL und Kupfer• Bei den passiven Komponenten wie Kabel,

Anschlusdosen und Verteilfeldern bietet Glas einbesseres Preis/Leistungsverhältnis.

• Bei den aktiven Komponenten (Switch, Router, NIC) istKupfer um den Faktor 2-3 billiger.

• Ein Grund für eine gemischte Verkabelung.• LWL kann keine Energie übertragen!

− Kann bei VoiP ein Nachteil sein

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Kabel - Konstruktionen

• EN 50173 und ISO/IEC 11801 fordern 8-adrigeVerkabelung (4 Aderpaare bei PiMF)

• Drahtquerschnitt AWG (American Wire Gauge)(Durchmesser des Leiters)− zulässig AWG 22-24

− AWG 22: 0,64 mm (Mittelwert)− AWG 23: 0,57 mm (Mittelwert)− AWG 24: 0,51 mm (Mittelwert)

• Aderdurchmesser bis 1.6 mm• Außendurchmesser (Mantel) kleinstmöglich

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Kabel - Installation

• Einzugskräfte sollten nicht größer sein als− 150 Newton (~15 kg) bei UTP bzw. FTP Kabeln− 250 Newton (~25 kg) bei STP Kabeln

• Nicht mehr als zwei 90° Biegungen während desEinzugsvorganges!

• Kabel nicht länger als 30 Meter an einem Stück inKanäle einziehen!

• Hängende Kabel alle 1,5 Meter abstützen• Nicht über scharfe Gebäudekanten einziehenBeschädigung der Kabelgeometrie:Probleme bei Dämpfung, Nahnebensprechen, Return Loss

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Kabel - Installation

• Biegeradien beim Einziehen und im verlegten Zustandunbedingt einhalten− UTP, FTP: mind. 8 x Kabeldurchmesser beim Einziehen,

4 x Kabeldurchmesser im verlegten Zustand• Beim Bündeln von Kabel mit Kabelbindern zulässigen

Querdruck berücksichtigen

richtig

falsch

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Messgrössen bzw. Störgrössen

• Messgrössen/Störgrössen bei Benutzung von 2 Paaren− Dämpfung− Nahnebensprechen

• Messgrössen/Störgrössen bei Benutzung von 4 Paaren− Dämpfung− Nahnebensprechen− Rückflussdämpfung− Power Sum Werte

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Kupfer Verkabelungs SystemeMessgrössen bzw. Störgrössen

TXin RXout

Near Far

Refl.

Dämpfung:

• Verluste auf der Strecke

• Abschwächung des Signals

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Kupfer Verkabelungs SystemeNEXT & NEXT Loss

Near

TXin

• NEXT Loss beschreibt das Übersprechen zwischen zweiPaaren.

• Im Idealfall findet kein Übersprechen statt.

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Kupfer Verkabelungs SystemeNEXT & NEXT Loss• NEXT ist schlecht

− NEXT muss so klein wie möglich sein

• NEXT Loss ist gut− NEXT Loss muss also so gross sein wie möglich

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Signalübertragung - Crosstalk

1 2 3 4 5 6 7 8

•Öffnen der Verdrillung•Zuviel Mantel und / oder Folie entfernt•Beschädigung des Kabels

•Dehnen, Stauchen, Biegen usw.

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Kupfer Verkabelungs SystemeSNR & ACR

NEXT Loss & Attenuation

0

10

20

30

40

50

60

70

0 50 100 150 200 250 300

Frequency [M Hz]

Att.

, (PS

) NEX

T Lo

ss [d

B]

NEXT, W orst CasePS NEXT, W orst CaseNEXT Limit, Class EAttenuation Limit, Class EAttenuation, W orst Case

NEXT Loss & Dämpfung. Die Differenz ist ACR

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Kupfer Verkabelungs SystemePS-Effekte

• Powersum bedeutet, das Effekte als Summe an einem Paarauftreten• Drei Paare senden, das vierte wird von Störgrössen beeinflusst• Auch das kann gemessen werden.

1

32

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Kupfer Verkabelungs SystemeSkew (i)

• Skew ist der Unterschied in der Signalverzögerungzwischen den einzelnen Paaren in [ns/m]− Die Signalverzögerung beschreibt wie lang ein Signal braucht

um von hier nach da zu gelangen (UTPtyp<5,7)• Skew ist nur wichtig bei vielpaarigen

Übertragungsverfahren wie Gigabit Ethernet− Die Unterschiede der Verzögerungen müssen vom Empfänger

ausgeglichen werden

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Kupfer Verkabelungs SystemeReturn Loss

TXinRefl.

Reflection = Refl. / TXin• Jede Unregelmäßigkeit innerhalb des Channels

verursacht Reflektion− Connecting hardware− Kabel Unregelmäßigkeiten

• Reflection ( =Refl. / TXin ) ist eine negative Zahl <1• Return Loss [dB] = - Reflection [dB] um einen positiven

Ausdruck zu erzeugen

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Kupfer Verkabelungs Systeme& Gigabit Ethernet• Gigabit Ethernet nutzt volle duplex transmission auf

allen vier Paaren gleichzeitig

TX, RX

TX, RX

TX, RX

TX, RX

• Gigabit Ethernet benötigt komplexe Elektronik umdie TX und RX Signale zu trennen

• NEXT, FEXT und Reflektionen wirken alle auf denEmpfänger

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Kabel - Konstruktionen

• UTP unshielded twisted pairungeschirmtes, verdrilltes Kabel

• FTP foiled twisted pairKabel mit Foliengesamtschirm

• S-UTP screened, unshielded twisted pairKabel m. Gesamtgeflechtschirm (nur Patchkabel)

• S-FTP screened, foiled twisted pairwie FTP mit zusätzl. Gesamtgeflechtschirm

• PiMF Paare in MetallfolieFolienschirm für jedes Kabelpaar,Gesamtgeflechtschirm

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FTP

Cat.5/Cat.5e/Cat.6

S-FTP

Cat.5/Cat.5e/Cat6

PiMF

Cat.6/Cat.7/Cat.8

Schirmungstechnologien - Kabeleigenschaften

UTP

FTP

S-FTP

PiMF

ImmunityCrosstalk Emmisions

LF HF MagCable

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KabeleigenschaftenTypische Gebäudekabel• LWL Kabel unterscheiden sich in zwei Arten:

− Fasertyp− Kabelaufbau

• Beim Fasertyp unterscheidet man Multimodefasern undSinglemodefasern

• Der Kabelaufbau ist entsprechend denUmgebungsbedingungen

• Die Palette reicht von Verbindungskabeln bis hin zuKabel die unter Wasser oder im Erdreich verlegt werden

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• 100MHz S-FTP Kabel− halogenfrei flammwidrig− Folien- und Geflechtschirm− AWG 24

• 300/600MHz PiMF Kabel− Für hohe Leistungsreserven− halogenfrei flammwidrig− AWG 23

Kupferdatenkabel

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KabeleigenschaftenAufbau und Eigenschaften von LWL Kabeln

CoatingCoating(Schutzlack)(Schutzlack)

ProtectiveProtective Buffer Buffer(Ader / Röhrchen)(Ader / Röhrchen)

Outer JacketOuter Jacket(Kabelmantel)(Kabelmantel)

Strength MembersStrength Members(Zugentlastung)(Zugentlastung)

FiberFiber(Glasfaser)(Glasfaser)

CoreCore(Kern)(Kern)

CladdingCladding(Primärmantel)(Primärmantel)

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KabeleigenschaftenTypische Gebäudekabel

DuplexDuplex

Multi-Fiber DistributionMulti-Fiber Distribution(Kabel mit(Kabel mit Vielfachader Vielfachader))

BreakoutBreakout

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Fiber Optic Verkabelungs-SystemeGLASFASERGRÖßEN

62.5/12562.5/125 50/12550/125 9/1259/125

MULTI-MODEMULTI-MODE SINGLE-MODESINGLE-MODE

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Aufbau einer Glasfaser

CoreCore

CladdingCladding125 um125 um

CoatingCoating250 um250 um

CORE ( Kern ) Transportiert das Licht-Signal Germania dotiertes Glas

CLADDING Hält das Licht im Kern Pures Glas

COATING Schützt die Glasfaser vor Bruch, Druck und Feuchtigkeit

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Steckverbinder in Netzwerken

• Als Steckverbinder für das Medium Kupfer hat sich derRJ 45 Steckverbinder durchgesetzt

• Im LWL Bereich gibt es verschiedene Steckverbinder,was historisch bedingt ist.

• Standard heute: SC, MT-RJ, LC alsMassensteckverbinder.

• Daneben gibt es noch einige, die in Nischen eingesetztwerden.

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Steckverbinder - RJ 45

• Kontaktpaare definiert• Paare sind 12,36,45,78• EIA/TIA 586 A oder B

möglich• Die unterschiedlichen

Belegungen sind aus derHistorie entstanden. Heutesind keine Leistungsunter-schiede zu erkennen.

• Paare im Steckverbindermüssen Paaren im Kabelzugeordnet sein

12345678

T2 (WHT/ORG)R2 (ORG/ WHT)T3 (WHT/GRN)R1 (BLU/ WHT)T1 (WHT/BLU)R3 (GRN/WHT)T4 (WHT/BRN)R4 (BRN/ WHT)

EIA/TIA 568 B

1 2 3 4 5 6 7 8

1 2 3 4 5 6 7 8

PAAR 2 PAAR 1 PAAR 4

PAAR 3

PAAR 3 PAAR 1 PAAR 4

PAAR 2

12345678

T3 (WHT/GRN)R3 (GRN/ WHT)T2 (WHT/ORG)R1 (BLU/ WHT)T1 (WHT/BLU)R2 (ORG/WHT)T4 (WHT/BRN)R4 (BRN/ WHT)

EIA/TIA 568 A

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Steckverbinder - RJ 45

• Die verschiedenen Übertragungstechnologien benutzenunterschiedliche Paare im RJ - 45. In den meisten Fällenwird ein Paar zum Senden und eines zum Empfangenbenötigt

ISDN, ADSL ATM 10/100 Base T 1000 Base T Token Ring36,45 12,78 12,36 12,36,45,78 36,45

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• Beispiel für Hochleistungssteckverbinder• 360° Schirmung• Knickschutz mit "Anti-Tangle"-Funktion in diversen Farben• Kurze Signalwege• Wenig Reflektion

Steckverbinder - RJ 45

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Steckverbinder LWL

• Im LWL Bereich gibt es verschiedene Steckverbinder• Die wichtigsten sind ST, SC und MT-RJ• Es darf jeder Steckverbinder eingesetzt werden, der die

technischen Daten erfüllt• Aussnahme: Anschlussdose am Arbeitsplatz!• Zur Anwenderseite ist SC genormt• Wichtige Daten:

− Einfügedämpfung (Übergangsverlust) 0,75dB− Steckzyklen 1000 Zyklen bei einer Änderung von 0,2dB− Rückflussdämpfung (Reflektionen am Übergang) 20dB

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Steckverbinder LWL

MT-RJ

SC-Duplex

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Aktive Komponenten

• Was ist eine aktive Komponente?• Umgangssprachlich alles, was ein Netzkabel hat oder

„aktiv“ mit Strom versorgt wird.• Im Netzwerk werden verschiedene Komponten benötigt• Netzwerkkarte (Arbeitsplatz)• Switch, Router, Hub zur Verteilung im Netz.• Früher: Bridges, Transceiver, Ringleitungsverteiler

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Aktive Komponenten

• Heute kommen nur noch Switche, Router undNetzwerkkarten um Einsatz.

• Dabei variiert die Grösse der Switche und Routergewaltig, je nach Anforderung und Anzahl der Ports.

• Im Unternehmen kommen hauptsächlich geswitchte10/100 Mbit/s zum Einsatz.

• Die Segmente untereinander sind mehr und mehr mit1000 Mbit/s verbunden.

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Aktive Komponenten

• Einsatz von Switchen

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Aktive Komponenten

• Hubs− Werden kaum noch eingesetzt− Viel unnötiger Datenverkehr, da der Hub die Daten vom

Sender an alle Teilnehmer weiterleitet− Bandbreite muss geteilt werden

• Switche− Teilnehmer werden direkt miteinander verbunden− Dadurch kein unnötiger Datenverkehr− Volle Bandbreite für jeden Teilnehmer

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Aktive Komponenten

• Router• Hat Eigenschaften eines Switches/Bridge

− + die Möglichkeit verschiedene Protokolle untereinander zuverbinden

− Wird häufig als Verbindungsglied zwischen LAN und WANeingesetzt, da dort zwei unterschiedliche Protokolle undTopologien aufeinandertreffen.

− Begrenzt auch als Filter/Firewall einsetzbar

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Aktive Komponenten

• Netzwerkkarten• Heute 10/100Mbit/s Karten mit RJ45 Schnittstelle• 1000 Mbit/s Karten für dedizierte Anwender• 1000Mbit/s Karten mit Kupfer oder LWL-Schnittstelle• Switche und Router haben Uplink Module mit 100 oder

1000Mbit/s• Diese werden ausschliesslich in LWL Ausführung

angeboten

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Zusammenfassung

• Für Netzwerke gibt es nationale sowie internationaleStandards.

• Als Übertragungsmedium werden Kupfer und LWLLeitungen eingesetzt.

• In Deutschland werden ausschliesslich geschirmteLeitungen eingesetzt.

• Bei LWL Kabeln werden ausschliesslich 50µm Faserneingesetzt.

• Als Protokoll wird das Ethernet Protokoll eingesetzt.• Zur Zeit sind 10/100 zum Arbeitsplatz sowie 1000Mbit/s

im Backbone Stand der Technik.

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Zusammenfassung

• Netzwerke für zu Hause benötigen nicht zwingend eineVerkabelung.

• Bei kurzen Strecken können alle Teilnehmer direkt miteinem Patchkabel an den Switch angeschlossen werden.

• Auch zu Hause sollten mindestens Kategorie 5Komponenten eingesetzt werden.

• Durch modulare Systeme können 2 Dienste über einKabel übertragen werden, das spart Kabel und Geld.

• Auch TV/Video Signale können über Datenverkabelungenübertragen werden.

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Zusammenfassung

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