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Übertragungsmedien und Leitungen (Übung)
              Kapitel 3.2


                 Netze und Protokolle
        Dipl.-Wirtsch.-Ing. Henrik Schumacher




              Institut für Kommunikationstechnik
                      www.ikt.uni-hannover.de
Übertragungsmedien in Rechnernetzen

Aufgabe: Beförderung „roher“ Bitströme zwischen den
Systemen
Nach welchen Kriterien können Übertragungsmedien
unter Berücksichtigung dieser Aufgabe unterschieden
werden?

   Bandbreite
   Verzögerungen
   Kosten (was immer das bedeutet)
   Aufwand bezüglich der Installation
   Aufwand bezüglich der Wartung




                                 (2)
Magnetische Medien (1)

Welche der heute zur Verfügung stehenden
Übertragungsmedien erreicht die höchste Datenrate?

   Antwort: Magnetische Medien
   Beispiel (aus Tanenbaum):
      Magnetband im LTO-Industriestandard fasst ca. 200 GByte
      ein Karton mit 60 cm x 60 cm x 60 cm fasst 1.000 Bänder, dies
      entspricht 200 TByte
      Zustellung innerhalb von 24h, Datenrate = 19 GBit/s
      Zustellung innerhalb von 1h, Datenrate = 400 GBit/s




                                   (3)
Magnetische Medien (2)

Obwohl die zuvor vorgestellte Methode der
Bitübertragung sehr leistungsfähig und kostengünstig ist,
wird ihre massenhafte Anwendung durch einen
entscheidenden Nachteil gehemmt.
Um welchen Nachteil handelt es sich dabei und wann wird
dieser besonders spürbar?

   Hohe Verzögerungszeiten bei kleinen Datenmengen bzw. kleinen
   Dateneinheiten (Stunden bzw. Minuten)




                               (4)
Verdrilltes Kabelpaar (1)

Ältestes und gebräuchlichstes Übertragungsmedium ist
das verdrillte Kabelpaar
Unterteilung in Kategorien:
   Kategorie 3 (Cat3): Verwendung bei Telefonanschlüssen,
   einfacher Aufbau, sehr billig, extrem hoher Verbreitungsgrad
   Kategorie 5 (Cat5): Einführung ab 1988, höhere Symmetrie,
   bessere Störeigenschaften, in verschiedenen Schirmungsgraden,
   Rechnernetze
   Kategorie 5E: für GBit/s-Ethernet (1999: IEEE-Standard 802.3ab
   – vier Adernpaare, je 250 MBit/s)
   Kategorie 7: Geeignet für 10 GBit/s-Ethernet




                                (5)
Verdrilltes Kabelpaar (2)

Anwendung bei analogen und digitalen Übertragungen

erzielbare Bandbreite abhängig vom Durchmesser der Cu-
Adern sowie von der Länge des Kabels (einige MBit/s bis
zu einer Entfernung von einigen Kilometern)

hohe Leistungsfähigkeit bei (relativ) geringen Kosten

praktikabelste Lösung für „die letzten Meter“ zum
Endgeräte-Anschluss (LWL hat sich hier nicht bewährt!)




                             (6)
xDSL-Technologien
                                       (Digital Subscriber Line)
HDSL - High Data Rate Digital Subscriber Line
   2 oder 3 Kupfer-Doppeladern
   bidirektional auf jedem Adernpaar
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SDSL - Symmetric Digital Subscriber Line
   1 Adernpaar
ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line
   Up-/Downstream mit unterschiedlichen Datenraten (z.B. 640
   kBit/s und 8 MBit/s)
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VDSL - Very High Speed Digital Subscriber Line
   Bis zu 200 Mbit/s in Summe bei VDSL2



                                 (7)
ADSL - Aufteilung der Frequenzbereiche
                                           (ANSI)




POTS
       Upstream              Downstream




4   26        138                                1100
                                      Frequenz in kHz

                       (8)
ADSL - Aufteilung der Frequenzbereiche

Ist ADSL nach ANSI geeignet für den Einsatz in
Deutschland? Begründen Sie Ihre Antwort!

   Antwort: Nein
   ISDN ist im Gegensatz zu (beispielsweise) den USA in D weit
   verbreitet, der Einsatz von ADSL darf daher den Einsatz von
   ISDN nicht ausschließen
   Benötigte Bandbreite für ISDN:
      130 kHz in D (Kodierung 4B3T)
      80 kHz in Europa (Kodierung 2B1Q)
   ADSL nach ANSI lässt maximal 26 kHz im Basisband zu




                                 (9)
ADSL - Aufteilung der Frequenzbereiche
                                             (ISDN)




ISDN
             Upstream           Downstream




       130
                                       Frequenz in kHz

                         (10)
Basisband-Koaxialkabel (Coax)

geeignet für hohe Datenraten (bis in den GBit/s-Bereich)
und große Entfernungen
historisch bedingte Unterscheidung in Kabel mit 50 Ohm
Wellenwiderstand für digitale Übertragung (Rechnernetze)
und 75 Ohm für analoge Übertragung (Rundfunk)
heute auf Langstrecken durch Lichtwellenleiter verdrängt,
Bedeutung noch für ältere LANs und den
Rundfunkbereich (Breitband-Koaxialkabel)
zukünftig für die Überbrückung der „letzten Meile“
interessant




                            (11)
Lichtwellenleiter – LWL (1)

theoretische Datenrate der verwendeten Materialien zur
Zeit ca. 50 TBit/s
Probleme bei der Umschaltung von elektrischen auf
optische Signale führen zu einer Begrenzung der
Datenrate auf ca. 10 GBit/s (100 GBit/s im Laborversuch)
Unterscheidung zwischen Monomode-Fasern und
Multimode-Fasern
   Multimode-Fasern haben schlechtere Eigenschaften bezüglich
   der Lichtbrechung, sind aber deutlich billiger als Monomode-
   Fasern




                                (12)
Lichtwellenleiter (2)

Lichtbrechung und Totalreflexion an einer Grenzschicht
zwischen zwei Medien mit unterschiedlicher Brechzahl:




                           (13)
Vergleich Lichtwellenleiter – Verdrilltes
                                            Kabelpaar (1)
Nennen Sie Vorteile von Lichtwellenleitern gegenüber
Kupferleitungen!

   höhere Bandbreite
   niedrigere Signaldämpfung (nur ca. alle 30 km ist ein Repeater
   notwendig, bei Kupferleitungen hingegen ca. alle 5 km)
   Kosteneinsparung!
   unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen
   Störungen durch Lichtwellenleiter sind praktisch nicht vorhanden
   unempfindlich gegen viele – auch ätzende – Chemikalien




                                 (14)
Vergleich Lichtwellenleiter – Verdrilltes
                                             Kabelpaar (2)
Welcher Grund könnte – unabhängig von den zuvor
genannten Vorteilen – Telefongesellschaften und große
Unternehmen dazu bewegen, Lichtwellenleiter statt
Kupferkabel einzusetzen?

   Lichtwellenleiter sind sehr schmal und leicht, darum schafft der
   Austausch der Kupferverkabelung mit Lichtwellenleitern Platz in
   den vorhandenen – und oft überfüllten – Kabelkanälen
   Kupfer lässt sich gut wiederverkaufen
   Beispiel (Tanenbaum):
       1000 verdrillte Kabelpaare, Länge 1 km = 8000 kg
       2 Glasfasern, Länge 1 km = 100 kg (zusätzlich bieten die
       Glasfasern eine höhere Übertragungskapazität!)




                                   (15)
Vergleich Lichtwellenleiter – Verdrilltes
                                           Kabelpaar (3)
Nennen Sie Nachteile von Lichtwellenleitern gegenüber
Kupferleitungen!

   relativ neue Technik deren Beherrschung nicht vielen Technikern
   geläufig ist
   die optische Übertragung ist unidirektional, daher sind immer
   zwei Fasern notwendig (bei bidirektionaler Übertragung –
   alternativ zwei Frequenzbänder was zu erheblich teurerer
   Anschlusstechnik führt)
   die verwendete Anschlusstechnik ist komplizierter als bei
   Kupferleitungen und nicht verwechslungssicher
   die verwendete Anschlusstechnik benötigt mehr Platz als bei
   Kupferleitungen
   keine Speisung des Endgerätes möglich


                                (16)
Optische Nachrichtenübertragung (1)

Erläutern Sie das Prinzip der optischen
Nachrichtenübertragung anhand eines Blockschaltbildes.
Gehen Sie davon aus, dass das Signal sowohl am Eingang
als auch am Ausgang als elektrische Größe vorliegt!




                          (17)
Optische Nachrichtenübertragung (2)




Bestandteile der optischen Nachrichtenübertragung (von
links):
   Quelle (Sender)
   Analog/Digital-Wandler
   Treiberstufe (Verstärker)
   Leuchtdiode
   Lichtwellenleiter
   Fototransistor
   Digital/Analog-Wandler
   Treiberstufe (Verstärker)
   Senke (Empfänger)


                               (18)
Kostenaspekte bei Übertragungsmedien

Nennen Sie Faktoren, die die Optimierung der Kosten bei
der Planung von Netzen wesentlich beeinflussen und
begründen Sie deren Einfluss.

   Leitungslänge (Zahl und Größe der Netzknoten, Investitionen)
   Leitungstyp (Cu, LWL) (Bandbreite, Investitionen)
   Multiplexbildung, Hierarchie (Betriebskosten)
   Konzentration (geringere Kosten im Netz)
   Flächendeckung (Investitionen)
   Art, Ort, Größe der Kommunikationseinrichtungen (Netzstruktur,
   Investitionen)




                                (19)
Ende




Fragen?




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  • 1. Übertragungsmedien und Leitungen (Übung) Kapitel 3.2 Netze und Protokolle Dipl.-Wirtsch.-Ing. Henrik Schumacher Institut für Kommunikationstechnik www.ikt.uni-hannover.de
  • 2. Übertragungsmedien in Rechnernetzen Aufgabe: Beförderung „roher“ Bitströme zwischen den Systemen Nach welchen Kriterien können Übertragungsmedien unter Berücksichtigung dieser Aufgabe unterschieden werden? Bandbreite Verzögerungen Kosten (was immer das bedeutet) Aufwand bezüglich der Installation Aufwand bezüglich der Wartung (2)
  • 3. Magnetische Medien (1) Welche der heute zur Verfügung stehenden Übertragungsmedien erreicht die höchste Datenrate? Antwort: Magnetische Medien Beispiel (aus Tanenbaum): Magnetband im LTO-Industriestandard fasst ca. 200 GByte ein Karton mit 60 cm x 60 cm x 60 cm fasst 1.000 Bänder, dies entspricht 200 TByte Zustellung innerhalb von 24h, Datenrate = 19 GBit/s Zustellung innerhalb von 1h, Datenrate = 400 GBit/s (3)
  • 4. Magnetische Medien (2) Obwohl die zuvor vorgestellte Methode der Bitübertragung sehr leistungsfähig und kostengünstig ist, wird ihre massenhafte Anwendung durch einen entscheidenden Nachteil gehemmt. Um welchen Nachteil handelt es sich dabei und wann wird dieser besonders spürbar? Hohe Verzögerungszeiten bei kleinen Datenmengen bzw. kleinen Dateneinheiten (Stunden bzw. Minuten) (4)
  • 5. Verdrilltes Kabelpaar (1) Ältestes und gebräuchlichstes Übertragungsmedium ist das verdrillte Kabelpaar Unterteilung in Kategorien: Kategorie 3 (Cat3): Verwendung bei Telefonanschlüssen, einfacher Aufbau, sehr billig, extrem hoher Verbreitungsgrad Kategorie 5 (Cat5): Einführung ab 1988, höhere Symmetrie, bessere Störeigenschaften, in verschiedenen Schirmungsgraden, Rechnernetze Kategorie 5E: für GBit/s-Ethernet (1999: IEEE-Standard 802.3ab – vier Adernpaare, je 250 MBit/s) Kategorie 7: Geeignet für 10 GBit/s-Ethernet (5)
  • 6. Verdrilltes Kabelpaar (2) Anwendung bei analogen und digitalen Übertragungen erzielbare Bandbreite abhängig vom Durchmesser der Cu- Adern sowie von der Länge des Kabels (einige MBit/s bis zu einer Entfernung von einigen Kilometern) hohe Leistungsfähigkeit bei (relativ) geringen Kosten praktikabelste Lösung für „die letzten Meter“ zum Endgeräte-Anschluss (LWL hat sich hier nicht bewährt!) (6)
  • 7. xDSL-Technologien (Digital Subscriber Line) HDSL - High Data Rate Digital Subscriber Line 2 oder 3 Kupfer-Doppeladern bidirektional auf jedem Adernpaar 1.5 oder 2 Mbit/s SDSL - Symmetric Digital Subscriber Line 1 Adernpaar ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line Up-/Downstream mit unterschiedlichen Datenraten (z.B. 640 kBit/s und 8 MBit/s) quasi-unidirectionaler Betrieb möglich Frequenzbänder können außerhalb des Basisbandes liegen (Telefonie) VDSL - Very High Speed Digital Subscriber Line Bis zu 200 Mbit/s in Summe bei VDSL2 (7)
  • 8. ADSL - Aufteilung der Frequenzbereiche (ANSI) POTS Upstream Downstream 4 26 138 1100 Frequenz in kHz (8)
  • 9. ADSL - Aufteilung der Frequenzbereiche Ist ADSL nach ANSI geeignet für den Einsatz in Deutschland? Begründen Sie Ihre Antwort! Antwort: Nein ISDN ist im Gegensatz zu (beispielsweise) den USA in D weit verbreitet, der Einsatz von ADSL darf daher den Einsatz von ISDN nicht ausschließen Benötigte Bandbreite für ISDN: 130 kHz in D (Kodierung 4B3T) 80 kHz in Europa (Kodierung 2B1Q) ADSL nach ANSI lässt maximal 26 kHz im Basisband zu (9)
  • 10. ADSL - Aufteilung der Frequenzbereiche (ISDN) ISDN Upstream Downstream 130 Frequenz in kHz (10)
  • 11. Basisband-Koaxialkabel (Coax) geeignet für hohe Datenraten (bis in den GBit/s-Bereich) und große Entfernungen historisch bedingte Unterscheidung in Kabel mit 50 Ohm Wellenwiderstand für digitale Übertragung (Rechnernetze) und 75 Ohm für analoge Übertragung (Rundfunk) heute auf Langstrecken durch Lichtwellenleiter verdrängt, Bedeutung noch für ältere LANs und den Rundfunkbereich (Breitband-Koaxialkabel) zukünftig für die Überbrückung der „letzten Meile“ interessant (11)
  • 12. Lichtwellenleiter – LWL (1) theoretische Datenrate der verwendeten Materialien zur Zeit ca. 50 TBit/s Probleme bei der Umschaltung von elektrischen auf optische Signale führen zu einer Begrenzung der Datenrate auf ca. 10 GBit/s (100 GBit/s im Laborversuch) Unterscheidung zwischen Monomode-Fasern und Multimode-Fasern Multimode-Fasern haben schlechtere Eigenschaften bezüglich der Lichtbrechung, sind aber deutlich billiger als Monomode- Fasern (12)
  • 13. Lichtwellenleiter (2) Lichtbrechung und Totalreflexion an einer Grenzschicht zwischen zwei Medien mit unterschiedlicher Brechzahl: (13)
  • 14. Vergleich Lichtwellenleiter – Verdrilltes Kabelpaar (1) Nennen Sie Vorteile von Lichtwellenleitern gegenüber Kupferleitungen! höhere Bandbreite niedrigere Signaldämpfung (nur ca. alle 30 km ist ein Repeater notwendig, bei Kupferleitungen hingegen ca. alle 5 km) Kosteneinsparung! unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen Störungen durch Lichtwellenleiter sind praktisch nicht vorhanden unempfindlich gegen viele – auch ätzende – Chemikalien (14)
  • 15. Vergleich Lichtwellenleiter – Verdrilltes Kabelpaar (2) Welcher Grund könnte – unabhängig von den zuvor genannten Vorteilen – Telefongesellschaften und große Unternehmen dazu bewegen, Lichtwellenleiter statt Kupferkabel einzusetzen? Lichtwellenleiter sind sehr schmal und leicht, darum schafft der Austausch der Kupferverkabelung mit Lichtwellenleitern Platz in den vorhandenen – und oft überfüllten – Kabelkanälen Kupfer lässt sich gut wiederverkaufen Beispiel (Tanenbaum): 1000 verdrillte Kabelpaare, Länge 1 km = 8000 kg 2 Glasfasern, Länge 1 km = 100 kg (zusätzlich bieten die Glasfasern eine höhere Übertragungskapazität!) (15)
  • 16. Vergleich Lichtwellenleiter – Verdrilltes Kabelpaar (3) Nennen Sie Nachteile von Lichtwellenleitern gegenüber Kupferleitungen! relativ neue Technik deren Beherrschung nicht vielen Technikern geläufig ist die optische Übertragung ist unidirektional, daher sind immer zwei Fasern notwendig (bei bidirektionaler Übertragung – alternativ zwei Frequenzbänder was zu erheblich teurerer Anschlusstechnik führt) die verwendete Anschlusstechnik ist komplizierter als bei Kupferleitungen und nicht verwechslungssicher die verwendete Anschlusstechnik benötigt mehr Platz als bei Kupferleitungen keine Speisung des Endgerätes möglich (16)
  • 17. Optische Nachrichtenübertragung (1) Erläutern Sie das Prinzip der optischen Nachrichtenübertragung anhand eines Blockschaltbildes. Gehen Sie davon aus, dass das Signal sowohl am Eingang als auch am Ausgang als elektrische Größe vorliegt! (17)
  • 18. Optische Nachrichtenübertragung (2) Bestandteile der optischen Nachrichtenübertragung (von links): Quelle (Sender) Analog/Digital-Wandler Treiberstufe (Verstärker) Leuchtdiode Lichtwellenleiter Fototransistor Digital/Analog-Wandler Treiberstufe (Verstärker) Senke (Empfänger) (18)
  • 19. Kostenaspekte bei Übertragungsmedien Nennen Sie Faktoren, die die Optimierung der Kosten bei der Planung von Netzen wesentlich beeinflussen und begründen Sie deren Einfluss. Leitungslänge (Zahl und Größe der Netzknoten, Investitionen) Leitungstyp (Cu, LWL) (Bandbreite, Investitionen) Multiplexbildung, Hierarchie (Betriebskosten) Konzentration (geringere Kosten im Netz) Flächendeckung (Investitionen) Art, Ort, Größe der Kommunikationseinrichtungen (Netzstruktur, Investitionen) (19)
  • 20. Ende Fragen? (20)