Netzwerkverkabelung: Stern-Topologie und Glasfasertechnik

Sternförmige Netzwerktopologie

Die sternförmige Topologie ist eine Netzwerkstruktur, bei der alle Geräte mit einem zentralen Knotenpunkt, einem Hub oder Switch, verbunden sind. Mehrere solcher zentralen Knoten können kaskadierend miteinander verbunden werden, um das Netzwerk zu erweitern.

Ethernet-Spezifikationen und Grenzen

Der Ethernet-Standard definiert hierfür unter anderem folgende Einschränkungen und Merkmale:

• Bei der VDI-Verkabelung (Voice, Data, Image) werden in Twisted-Pair-Kabeln zwar alle Adernpaare verbunden, für Ethernet-Anwendungen (z.B. 10BASE-T, 100BASE-TX) werden jedoch typischerweise nur zwei Paare genutzt: die Paare 1-2 und 3-6.
• Maximal 4 Hubs (Repeater) dürfen sich auf dem Signalweg zwischen zwei beliebigen, am weitesten voneinander entfernten Stationen befinden (relevant für ältere, Hub-basierte Netzwerke).
• Die maximale Segmentlänge (Kabellänge) beträgt 100 Meter zwischen zwei Hubs oder zwischen einem Hub und einer angeschlossenen Station (Arbeitsplatz).
• Die maximale Anzahl der Stationen (Arbeitsplätze) pro Kollisionsdomäne (relevant für Hub-basierte Netzwerke) ist auf 1024 begrenzt.

Glasfasertechnik: Aufbau und Funktion

Im Bereich der VDI (Voice, Data, Image) treibt die zunehmende Leistungsfähigkeit bei der Datenübertragung die Anforderungen an die Verkabelung stetig voran. Kupfer, bisher das bevorzugte Übertragungsmedium, wird zunehmend unzureichend und muss in vielen Anwendungen der Glasfasertechnik (Lichtwellenleiter, LWL) weichen.

Aufbau einer Glasfaser

Eine Glasfaser besteht im Wesentlichen aus einem Kern (Core) und einem Mantel (Cladding), die von einer Schutzbeschichtung (Coating) umgeben sind.

• Kern (Core): Der innerste Teil der Faser, gefertigt aus hochreinem Quarzglas (Siliziumdioxid), durch den die Lichtsignale geleitet werden.
• Mantel (Cladding): Umgibt den Kern und besteht ebenfalls aus Quarzglas, jedoch mit einem geringfügig niedrigeren Brechungsindex als der Kern. Dieser Unterschied ist entscheidend für die Führung des Lichts im Kern durch das Prinzip der Totalreflexion.

Die Funktionsweise lässt sich mit einem Wasserstrahl vergleichen: Der Kern der Faser entspricht dem Wasserstrahl, und der Mantel (bzw. die Grenzschicht zum Mantel) wirkt wie die umgebende Luft, die den Wasserstrahl durch Reflexion an der Grenzfläche führt und zusammenhält.

Lichtübertragung und Moden in Glasfasern

Informationen (Sprache, Daten, Bilder) werden mittels Lichtimpulsen durch die Faser transportiert. Zur Einspeisung und Detektion des Lichts befinden sich an jedem Ende der Faser optoelektronische Wandler (z.B. Laserdioden oder LEDs für die Sendeseite und Fotodioden für die Empfangsseite), die elektrische Signale in Lichtsignale umwandeln und umgekehrt.

Die Lichtstrahlen werden an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel durch Totalreflexion geführt. Der Lichtweg (auch Modus genannt) unterscheidet sich je nach Fasertyp:

• Multimode-Fasern (MMF): Erlauben die gleichzeitige Ausbreitung mehrerer Lichtmodi (Lichtwege) mit unterschiedlichen Winkeln durch den Kern. Sie haben typischerweise einen größeren Kerndurchmesser.
• Singlemode-Fasern (SMF): Führen nur einen einzigen Lichtmodus (Lichtweg) nahezu parallel zur Faserachse. Sie haben einen sehr kleinen Kerndurchmesser und ermöglichen höhere Bandbreiten sowie größere Übertragungsdistanzen.

So wie Kupferkabel elektrischen Strom leiten, überträgt die Glasfaser Licht. Zum besseren Verständnis dieses Prinzips kann man die Lichtleitung in der Faser mit einem Lichtstrahl vergleichen, der in einen Wasserstrahl eingekoppelt wird: Der Lichtstrahl folgt dem Wasserstrahl auch durch Krümmungen, da er an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft reflektiert wird und so das andere Ende erreicht.

Vorteile und Anwendungsbereiche von Glasfasern

Glasfasern bieten gegenüber Kupferkabeln signifikante Vorteile und eignen sich daher besonders für folgende Anwendungen:

• Vertikalverkabelung (Backbone): Als Hauptverteilungsleitungen in Gebäuden.
• Gebäudeverbindungen: Zur Vernetzung verschiedener Standorte und Campus-Bereiche.
• Große Übertragungsdistanzen: Überbrückung von mehreren Kilometern (bei Singlemode-Fasern oft Dutzende bis Hunderte Kilometer) ohne oder mit wenigen Signalverstärkern.
• Hohe Störsicherheit: Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI), Radiofrequenzinterferenzen (RFI) und Übersprechen.
• Hohe Bandbreiten: Ermöglichen die Übertragung sehr großer Datenvolumen mit hohen Geschwindigkeiten (Terabit-Bereich ist möglich).
• Erhöhte Datensicherheit: Glasfasern sind deutlich abhörsicherer als Kupferkabel, da ein Anzapfen des Lichts schwerer und meist detektierbar ist.
• Geringere Dämpfung: Lichtsignale erfahren in Glasfasern eine geringere Abschwächung pro Längeneinheit als elektrische Signale in Kupferkabeln.
• Geringeres Gewicht und kleinerer Durchmesser: Erleichtert die Installation und spart Platz in Kabelkanälen.