Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik

M 5.3 Auswahl geeigneter Kabeltypen unter kommunikationstechnischer Sicht

Verantwortlich für Initiierung: Leiter IT

Verantwortlich für Umsetzung: Leiter Haustechnik, Planer

Die Auswahl des Kabels aus kommunikationstechnischer Sicht wird bestimmt durch die erforderliche Übertragungsrate (Diese wird auch häufig Bandbreite genannt, was allerdings nicht ganz korrekt ist.) und die Entfernung zwischen den Übertragungseinrichtungen. Zusätzlich zu beachten sind die baulichen Gegebenheiten, d. h. die Trassen und die Umgebungsbedingungen, unter welchen die Kabel verlegt und betrieben werden. Da sich auch diese auf den Kabelaufbau auswirken, sind sie bei der Auswahl ebenso zu berücksichtigen. Vor- und Nachteile werden nachfolgend unter Sicherheitsgesichtspunkten beschrieben.

Die heute eingesetzten Übertragungssysteme verwenden für die kabelgebundene Kommunikation elektrische oder optische Schnittstellen. Entsprechend müssen die Kabel als Übertragungsmedium metallene Leiter für die elektrische Übertragung oder Kunststoff oder Glas - Lichtwellenleiter (LWL) - für die optische Übertragung zur Verfügung stellen.

Im Folgenden werden Kupfer- und Lichtwellenleiterkabel näher betrachtet:

Twisted-Pair-Kabel

Bei Kupferkabeln für die IT wird ein symmetrischer Kabelaufbau verwendet. Bei diesem Kabelaufbau werden jeweils zwei Adern miteinander zu einem Paar verdrallt und vier dieser Paare zu einem Kabel (Twisted-Pair-Kabel, TP) miteinander verseilt. Der Durchmesser der Adern, deren Isoliermaterial inklusive der Farbstoffe, die Art der Verseilung und Abschirmung dieser Paare unterscheidet die Kabel hinsichtlich ihrer möglichen Bandbreite und ihrer Störunempfindlichkeit. Für eine einheitliche Bezeichnung der Kabeltypen schlägt die ISO/IEC 11801 "Informationstechnik - Anwendungsneutrale Standortverkabelung" in der 2. Ausgabe folgende Vereinheitlichung der Typenbezeichnungen vor, welche die Konstruktionselemente von außen nach innen gelesen eindeutig bestimmt:

Zum Beispiel:

  • das ungeschirmte U/UTP,
  • das ungeschirmte mit einem Gesamtschirm für alle Aderpaare ( F/UTP oder SF/UTP),
  • das geschirmte, bei dem lediglich die einzelnen Aderpaare abgeschirmt sind (U/FTP) - früher auch als Paare in Metallfolie (PiMf) bezeichnet - und
  • vorgenannter Aufbau mit einer zusätzlichen Gesamtabschirmung (F/FTP, S/FTP und SF/FTP).

Die Normen ordnen Grenzwerte für die Übertragungseigenschaften von Kabeln und Anschlusskomponenten Kategorien und Klassen zu. Die Kategorien beschreiben die Anforderungen und Grenzwerte an die einzelnen Elemente der Verkabelungsinfrastruktur, die Klassen regeln diese für das installierte Gesamtsystem.

Die Übertragungseigenschaften für die einzelnen Komponenten sind derzeit in die Kategorien 1 bis 7 eingeteilt. Hierbei gilt, je höher die Kategorie desto höher ist auch die mögliche Übertragungsbandbreite.

Hohe Übertragungsqualitäten lassen sich zuverlässig nur erzielen, wenn eine in sich harmonische Kombination aus Kabel und Anschlusskomponenten (Buchsen und Stecker) gewählt und fachmännisch installiert wurde. Die Geräte "erkennen" keine verlegte Länge sondern reagieren auf elektrische Signale. Daher sind die elektrischen Grenzwertvorgaben für die Strecken die führende Größe. Gemäß ISO/IEC 11801 beträgt die Maximallänge bei Kupferkabeln 90 m (inklusive Patch- und Anschlusskabel 100 m). Diese Maximallänge kann jedoch überschritten werden, wenn die geforderten elektrischen Übertragungsparameter eingehalten werden.

Das TP-Kabel ist durch die Verkabelungsnormen Standard bei der Verkabelung im sogenannten Access-Bereich auf der Etage. Dieser Kabeltyp hat folgende Vorteile:

  • TP-Kabel, insbesondere deren Konfektion, sind bei geringerem Bandbreitenbedarf im Vergleich zu LWL relativ billig.
  • TP-Kabel lassen sich relativ einfach verlegen und konfektionieren.
  • TP-Kabel können als Universalverkabelung angesehen werden, da andere Dienste ohne größeren technischen Aufwand hierüber genutzt werden können (z. B. Telefonie).
  • Die Installationen können messtechnisch leicht überprüft werden.
  • TP-Kabel ermöglichen die Stromversorgung von Geräten, die nach den Vorgaben der Spezifikation "Power over Ethernet" (PoE) versorgt werden.

Dem stehen folgende Nachteile gegenüber:

  • Durch die bei der Datenübertragung in den Kabeln fließenden Wechselströme und die im Kabel immer vorhandenen geringen Unsymmetrien in der Verseilung der Adern werden elektromagnetische Felder erzeugt, welche in der Umgebung wahrgenommen werden (Abhörgefahr) und Systeme stören können. Aber auch elektromagnetische Felder der Umgebung können wiederum die Übertragung im Kabel stören.
    Durch die Verwendung von Schirmen im Kabelaufbau werden diese Effekte minimiert (vergleiche U/UTP bis SF/FTP). Die Angaben zum Mindestabstand zwischen unterschiedlichen Kabeln, Leitungen und Systemen sowie zur Erdung von Schirmen sind zu beachten.
  • Die vorgenannten Effekte wirken auch innerhalb des Kabels. Ungeschirmte Installationskabel (U/UTP) bieten vor dem sogenannten Übersprechen zwischen einzelnen Paaren den geringsten Schutz. Hier wirkt lediglich die Verseilung der einzelnen Adern.

Lichtwellenleiter (LWL)

Bei der Übertragung von Signalen in Lichtwellenleitern wird Licht vom sichtbaren bis stark infraroten Bereich verwendet. Zur Erzeugung dieses Lichts werden Dioden oder Laser eingesetzt. Diese wandeln das elektrische Signal in Lichtmoden unterschiedlicher Richtungen bzw. unterschiedlich starker Bündelung.

Der Lichtwellenleiter, auch Faser genannt, besteht aus dem zur Übertragung verwendeten Kern- und einem umgebenden Mantelmaterial. Die Materialien unterscheiden sich in der sogenannten Brechzahl.

Die Verkabelungsstandards definieren für Multimode-LWL die Kategorien OM-1, OM-2 und OM-3. Gegenstand dieser Spezifikationen sind Lichtwellenleiter mit Gradientenprofil der Brechzahl und einem Kern/Mantel-Nenndurchmesser von 50/125 oder 62,5/125 Mikrometern. Für Singlemode-LWL gilt die Kategorie OS-1. Der Kern/Mantel-Nenndurchmesser von Singlemode-LWL beträgt 9/125 Mikrometer.

Während sich in Multimodefasern mehrere Lichtmoden eines Signals einkoppeln, koppelt sich in Singlemodefasern aufgrund des geringen Kerndurchmessers nur eine Lichtmode ein. Dadurch unterscheiden sich die Fasertypen in den möglichen Bandbreiten und den maximalen Längen, die ohne zusätzliche Verstärker erreicht werden können. Die Fasertypen können bei der Verbindung von Systemen in einigen Fällen nicht gemischt werden.

Eingesetzt werden Lichtwellenleiter unter anderem in folgenden Bereichen:

  • bei der Überbrückung großer Entfernungen in Weitverkehrsnetzen (Wide Area Network - WAN),
  • in Stadtnetzen (Metropolitan Area Network - MAN),
  • in Unternehmensnetzen (Local Area Network - LAN) für die Verbindungen zwischen den Gebäuden und in die Etagen,
  • in Bereichen mit hohen elektromagnetischen Störstrahlungen sowie
  • in Speichernetzen (Storage Area Network - SAN) in Rechenzentren zur Verbindung der Systeme zur Übertragung höchster Datenraten.

Entscheidend für die Qualität der Verbindungen ist auch die Auswahl der Steckverbinder für die Glasfaserinfrastruktur.

Die Verwendung von Lichtwellenleitern bietet folgende Vorteile:

  • LWL erlauben hohe Bandbreiten in Verbindung mit großen überbrückbaren Entfernungen im Vergleich zu Kupferkabeln.
  • LWL sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern.
  • Es entstehen keinerlei Übersprecheffekte wie bei elektrischen Leitern.
  • LWL bieten eine potentialfreie Verbindung zwischen den Endstellen der Verkabelung.
  • Ein Abhören ist nur mit hohem technischen Aufwand möglich.
  • Kabel mit hohen Faserzahlen können kompakter gebaut werden als vergleichbare Kupferkabel bei deutlich geringerem Gewicht.
  • Die Brandlast ist bei LWL im Vergleich zu Kupferkabeln geringer. Die Gründe hierfür sind die im Vergleich geringere erforderliche Menge an Material, der Materialmix im Kabelaufbau und die möglichen hohen Faserzahlen ohne die Bauform massiv zu vergrößern.

Der Einsatz von Lichtwellenleitern ist jedoch mit folgenden Nachteilen verbunden:

  • Der Installationspreis für LWL liegt vor allem durch die notwendigen Spleißarbeiten höher als bei Kupferkabeln.
  • Die Koppel-Komponenten zum Betrieb von LWL, insbesondere für Singlemode-LWL, sind teurer als solche für Kupferkabel.
  • Die LAN-Anbindung über TP-Kabel wird von gängigen Arbeitsplatz-Computern in der Grundausstattung meist besser unterstützt als über LWL. Arbeitsplatz-Clients werden derzeit meist über Kupferkabel an das LAN angeschlossen.

Eine Übersicht über die Längenbeschränkungen von Kabeln für einige der üblichen Protokolle gibt die folgende Tabelle:

Netzzugangsprotokoll
  Kabeltyp
max. Länge
Ethernet 10Base-T TP 100 m
  10Base-FL Monomode Multimode LWL 2.000 m
  10Base-FL Singlemode Singlemode LWL 25.000 m
Fast Ethernet 100Base-TX TP Cat 5 100 m
  100Base-FX Multimode LWL 400 m
Gigabit Ethernet 1000Base-T TP Cat 5e 100 m
  1000Base-SX Multimode LWL 550 m
  1000Base-LX Multimode LWL 550 m
  1000Base-LX Singlemode LWL 10.000 m
10 Gigabit Ethernet 10GBase-T TP Cat 6a 100 m
  10GBase-LX4 Multimode LWL 300 m
  10GBase-LW4 Singlemode LWL 10.000 m
  10GBase-SR Multimode LWL 300 m
  10GBase-LR Singlemode LWL 10.000 m
  10GBase-ER Singlemode LWL 40.000 m
  10GBase-LW Singlemode LWL 10.000 m

Tabelle: Längenbeschränkungen gängiger Verkabelungstypen

Zu beachten ist, dass hier die jeweilige maximale Länge genannt ist. Diese setzt sich häufig aus dem eigentlichen Installationskabel und den Anschlusskabeln (Patchkabeln) zusammen. Für 1000Base-T sollte also z. B. die Länge des Installationskabels 90 m nicht überschreiten, um genügend Längenspielraum für Patchkabel zu haben.

Zusammenfassung

Im WAN und MAN sind LWL-Verkabelungen mit Singlemode-Fasern Standard. In der LAN-Verkabelung sind diese Fasern heute zwischen den Gebäuden und bei weiter entfernten Etagenverteilern aufgrund der Längeneinschränkungen von 10 Gigabit Ethernet unbedingt zu empfehlen.

Der Einsatz von LWL bis zum Arbeitsplatz und damit der Wegfall der Kupferverkabelung auf der Etage kann nur in einer Gesamtbetrachtung bewertet werden.

Für den Einsatz von LWL sprechen:

  • die günstigere Brandlastsituation,
  • die bessere Abhörsicherheit von LWL,
  • EMV -Neutralität,
  • mögliche Einsparungen im Trassenbau,
  • Flächeneinsparungen durch die geringere Zahl erforderlicher Verteilerräume und damit Einsparungen in der Elektroverkabelung für die Verteilerräume,
  • Vereinfachungen im USV- und Erdungskonzept.

Gegen LWL sprechen andererseits:

  • die höheren Kosten für Schnittstellenkarten in den Endgeräten und in den Netzkomponenten,
  • die meist weiter bestehende Notwendigkeit einer Telefonverkabelung über Kupferkabel,
  • mögliche Einschränkungen für die Umsetzung von Power-over-Ethernet für IP-Telefonie oder auch für den Anschluss von Access-Points im WLAN.

Für Neuinstallationen wie auch bei Modernisierungen ist es daher zu empfehlen, mit einem Fachplaner die Anforderungen aus technischer, sicherheitstechnischer und wirtschaftlicher Sicht zu erarbeiten und auszuwerten (siehe auch M 5.2 Auswahl einer geeigneten Netz-Topologie ).

Prüffragen:

  • Berücksichtigt die Auswahl der Kabeltypen sowohl kommunikations- und sicherheitstechnische als auch bauliche Anforderungen?

Stand: 13. EL Stand 2013