Netzarten und Übertragungsmedien

IT 12.4 – Netzwerke · Einheit 4 von Teil A „Grundlagen“

Lernziele

Du kannst LAN, WAN und LoRaWAN unterscheiden und Beispielen zuordnen.
Du kannst Aufbau, Stärken und Schwächen von Twisted-Pair-Kabel, Glasfaser und Funk beschreiben, die WLAN-Frequenzbänder vergleichen und Maßnahmen zur Absicherung eines WLAN erläutern.
Du kannst Kabelkategorien und Abschirmungen lesen und für eine Anforderung das passende Kabel bestimmen.
Du kannst für eine Situation das passende Übertragungsmedium nach Entfernung, Umgebung und Datenmenge auswählen und begründen.

Ein Campus wird vernetzt

Deine Schule wächst. Vier Stellen sollen ans Schulnetz angeschlossen werden:

Ein neues Gebäude auf dem Nachbargrundstück, 800 m vom Hauptgebäude entfernt. Dort sollen später viele Klassen gleichzeitig ins Internet.
Ein Klassenraum mit 30 Laptops, die die Schülerinnen und Schüler mal hier, mal dort aufstellen.
Die Werkstatt: Dort stehen große Maschinen mit starken Elektromotoren.
Eine Wetterstation mit Bodensensoren auf einem Feld, 3 km entfernt. Dort gibt es keinen Stromanschluss. Die Sensoren schicken nur alle paar Minuten ein paar Messwerte.

Ein einziges Kabel für alles? Funk für alles? Wie würdest du entscheiden?

Erkunden: Wie schließen wir an?

Bevor du weiterliest: Überlegt zu zweit, wie ihr die vier Stellen anschließen würdet. Die Erklärungen weiter unten helfen euch erst danach, eure Vorschläge zu überprüfen.

Erkundung: Vier Anschlüsse, vier Lösungen? mittel

a) Schlagt für jede der vier Stellen eine Verbindung vor: Kabel (welches?), Funk (welcher?) oder etwas anderes. Stellt eure Vorschläge in einer Tabelle dar.

b) Nennt die Kriterien, nach denen ihr entschieden habt.

c) Notiert, wo ihr unsicher seid oder etwas nicht wisst.

Tipp 1

Denkt an Verbindungen, die ihr aus dem Alltag kennt: das Netzwerkkabel am Rechner, das WLAN zu Hause, den Glasfaseranschluss, den manche Haushalte haben. Was passt zu großen Entfernungen, was zu Geräten, die herumgetragen werden?

Lösung (mögliche Vorschläge)

Netzarten: LAN, WAN und LoRaWAN

Netze unterscheidet man unter anderem nach ihrer Ausdehnung und ihrem Zweck:

Drei Netzarten: ein LAN in einem Gebäude, ein WAN zwischen weit entfernten Standorten und ein LoRaWAN für Sensoren mit großer Reichweite.

Ein LAN (Local Area Network, lokales Netz) verbindet Geräte in einem Gebäude oder auf einem Gelände, zum Beispiel das Schulnetz oder dein Heimnetz. Man baut und betreibt es selbst. Ein LAN ist heute meist als Stern oder Baum aufgebaut, mit Switches als Verteilern.
Ein WAN (Wide Area Network, Weitverkehrsnetz) verbindet Standorte über große Entfernungen: Städte, Länder, Kontinente. Die Leitungen gehören meist Netzbetreibern, die man dafür bezahlt. Das größte WAN ist das Internet.
LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ist ein Funknetz für das sogenannte Internet der Dinge: Sensoren und kleine Geräte, die nur gelegentlich wenige Daten senden, dafür aber über große Entfernungen und mit sehr wenig Energie. Viele solcher Geräte laufen jahrelang mit einer Batterie.

Der Aufbau eines LoRaWAN

Ein LoRaWAN besteht aus drei Teilen:

Endgeräte, zum Beispiel Sensoren, funken ihre Messwerte.
Gateways mit Antenne empfangen die Funksignale aller Endgeräte in ihrer Umgebung und leiten sie über das Internet weiter.
Ein Netzwerkserver sammelt die Daten und gibt sie an die Anwendung weiter, die sie auswertet.

Die Endgeräte sind dabei nicht miteinander verbunden, sondern funken zu den Gateways, und die Gateways sind mit dem Server verbunden. Erinnert dich das an eine Topologie aus Einheit 3?

LoRaWAN-Funk erreicht je nach Umgebung mehrere Kilometer, in Städten mit vielen Hindernissen weniger, im freien Gelände mehr. Die Datenrate ist dafür sehr gering: nur einige hundert Bit bis wenige Kilobit pro Sekunde. In Europa funkt LoRaWAN im lizenzfreien Frequenzbereich um 868 MHz.

Übertragungsmedien

Ein Übertragungsmedium ist der Weg, über den das Signal läuft. Die drei wichtigsten im Netzwerk sind Kupferkabel, Glasfaser und Funk.

Links ein Twisted-Pair-Kabel im Querschnitt, rechts Glasfasern im Längsschnitt.

Twisted-Pair-Kabel (Kupfer)

Das typische Netzwerkkabel enthält acht Kupferadern, je zwei sind miteinander verdrillt (englisch twisted pair). Die Verdrillung sorgt dafür, dass sich Störungen von außen auf beide Adern eines Paars gleich auswirken und sich so weitgehend gegenseitig aufheben. Am Ende sitzt meist ein RJ45-Stecker.

Wichtig: Für Ethernet über Kupferkabel gilt eine Höchstlänge von 100 m pro Strecke.

Kategorien: Wie schnell ein Kabel sein darf, hängt von seiner Kategorie (kurz Cat) ab. Je höher die Kategorie, desto höher die Frequenzen, die das Kabel übertragen kann (siehe Bandbreite in Einheit 2), und desto höher die mögliche Bitrate:

Kategorie	Bandbreite	typische Bitrate	Länge
Cat 5e	100 MHz	1 Gbit/s	bis 100 m
Cat 6	250 MHz	1 Gbit/s / 10 Gbit/s	bis 100 m / bis 55 m
Cat 6A	500 MHz	10 Gbit/s	bis 100 m
Cat 8	2 000 MHz	bis 40 Gbit/s	bis 30 m

Abschirmung: Gegen Störungen kann ein Kabel zusätzlich geschirmt sein. Die Bezeichnung hat die Form X/YTP:

Der Teil vor dem Schrägstrich beschreibt den Schirm um alle Paare zusammen.
Der Buchstabe vor TP beschreibt den Schirm um jedes einzelne Paar.
Dabei steht U für ungeschirmt (unshielded), F für Folie (foil), S für Geflecht (screen). TP heißt twisted pair.

Beispiel: F/UTP = eine Folie um alle Paare, die einzelnen Paare sind ungeschirmt.

Glasfaser

In einer Glasfaser läuft Licht statt Strom. Der Lichtstrahl bleibt im Kern der Faser, weil er am Übergang zum umgebenden Glas immer wieder reflektiert wird, auch um Kurven herum.

Multimode-Fasern haben einen dickeren Kern (meist 50 µm). Das Licht läuft dort auf mehreren Wegen. Sie werden für kürzere Strecken eingesetzt, bei 10 Gbit/s etwa bis 300 bis 400 m, je nach Faserqualität.
Singlemode-Fasern haben einen sehr dünnen Kern (etwa 9 µm). Das Licht läuft nur auf einem Weg. Damit sind viele Kilometer möglich.

Eigenschaften der Glasfaser:

sehr hohe Bitraten über große Entfernungen,
unempfindlich gegen elektrische und magnetische Störungen, weil Licht übertragen wird,
keine elektrische Verbindung zwischen den beiden Enden,
schwerer abzuhören als Kupfer,
aber: empfindlich gegen starkes Knicken, Verlegen und Anschließen sind aufwendiger, Komponenten teurer.

Funk (WLAN)

Beim WLAN (Wireless LAN) werden die Daten per Funk übertragen, in Frequenzbereichen um 2,4 GHz, 5 GHz und bei neueren Geräten 6 GHz.

Stärken: Geräte sind beweglich, es müssen keine Kabel zu jedem Platz verlegt werden.
Schwächen: Alle Geräte in einer Funkzelle teilen sich den Funkkanal, wie bei einem Bus. Wände und andere Funknetze schwächen und stören das Signal. Die Reichweite liegt in Gebäuden meist bei einigen zehn Metern. Die tatsächliche Datenrate ist oft deutlich geringer als die beworbene Höchstrate.

Ein WLAN wird von einem Zugangspunkt aufgespannt (englisch Access Point, kurz AP). Er verbindet die Funkgeräte mit dem kabelgebundenen Netz. In vielen Heimroutern ist er eingebaut.

WLAN genauer: Frequenzbänder, Kanäle, Sicherheit

Zwei wichtige Frequenzbänder:

	2,4 GHz	5 GHz
Reichweite	größer; das Signal kommt besser durch Wände	kleiner; wird von Wänden stärker gedämpft
Datenrate	geringer	höher
Belegung	stark belegt: viele WLANs, Bluetooth, Funk-Babyphones, Mikrowellengeräte und viele IoT-Geräte	weniger belegt, mehr freie Kanäle
Kanäle	in Europa 13, die sich überschneiden; störungsfrei nebeneinander nur wenige (zum Beispiel 1, 5, 9, 13)	deutlich mehr Kanäle, die sich nicht überschneiden
Geräte	fast alle Geräte, auch einfache Sensoren und ältere Geräte	nicht alle, vor allem einfache IoT-Geräte oft nicht

Neuere Geräte nutzen zusätzlich 6 GHz (Wi-Fi 6E und neuer). Viele Zugangspunkte senden auf zwei Bändern gleichzeitig.

IoT (Internet of Things, Internet der Dinge) meint Geräte, die selbst Daten senden, zum Beispiel Sensoren, Steckdosen oder Kameras.

Ein WLAN gut ausleuchten:

genügend Zugangspunkte, jeder per Kabel angeschlossen, möglichst zentral und erhöht aufgestellt, nicht hinter Metall,
benachbarte Zugangspunkte auf verschiedenen Kanälen, die sich nicht überschneiden; vorher messen, welche Kanäle schon belegt sind,
Geräte, die es können, auf 5 GHz verlegen; das entlastet 2,4 GHz.

Ein WLAN absichern:

Verschlüsselung mit WPA2 oder besser WPA3 (Wi-Fi Protected Access). Die alten Verfahren WEP und WPA gelten als geknackt.
ein langes, geheimes Passwort, das man ändert, wenn es zu viele Menschen kennen,
ein Gast-WLAN als eigenes Netz, das nur ins Internet führt und keinen Zugriff auf das Firmennetz hat,
in Firmen oft eine Anmeldung pro Person statt eines gemeinsamen Passworts (WPA2/WPA3-Enterprise), dann kann man einzelne Zugänge sperren,
die Software der Zugangspunkte aktuell halten und die Verwaltung nur für Berechtigte zugänglich machen.

Die Medien im Vergleich

	Twisted Pair	Glasfaser	WLAN
Signal	elektrischer Strom	Licht	Funkwellen
Reichweite	bis 100 m	Multimode einige 100 m, Singlemode viele km	meist einige 10 m in Gebäuden
Bitrate	bis 10 Gbit/s (Cat 6A), mehr auf kurzen Strecken	sehr hoch	wird zwischen allen Geräten geteilt
Störungen	je nach Abschirmung	unempfindlich	empfindlich
Kosten	günstig	teurer	günstig für viele Geräte
Beweglichkeit	fest verlegt	fest verlegt	Geräte beweglich

Aufgaben

Aufgabe 1: Welche Netzart? leicht

Ordne zu: LAN, WAN oder LoRaWAN? Begründe kurz.

a) Ein Winzer misst mit 50 Sensoren die Bodenfeuchte in seinen Weinbergen.
b) Eine Supermarktkette verbindet die Kassen ihrer Filialen in ganz Deutschland mit der Zentrale.
c) Im Informatikraum sind 20 Rechner über einen Switch verbunden.
d) Eine Stadt erfasst mit Sensoren in Mülltonnen, wann diese voll sind.

Lösung

Aufgabe 2: Das richtige Kabel mittel

a) Ein Server soll mit 10 Gbit/s an einen Switch angeschlossen werden, der 80 m entfernt steht. Bestimme die Kategorie, die das Kabel mindestens haben muss.

b) In einem anderen Raum liegt bereits ein Cat-6-Kabel über 40 m. Beurteile, ob dort 10 Gbit/s möglich sind.

c) Ein Kollege schlägt vor, für einen Anschluss in 120 m Entfernung einfach ein besonders gutes Cat-8-Kabel zu nehmen. Nimm Stellung.

Tipp 1

Achte in der Tabelle der Kategorien nicht nur auf die Bitrate, sondern auch auf die Länge, für die sie gilt.

Lösung

Aufgabe 3: Abschirmung lesen mittel

a) Gib an, was die Bezeichnungen U/UTP, U/FTP und S/FTP bedeuten.

b) Ein Netzwerkkabel soll in einem Aufzugsschacht direkt am Motor des Aufzugs entlanggeführt werden. Wähle eine der drei Abschirmungen aus und begründe.

Tipp 1

Zerlege die Bezeichnung: Vor dem Schrägstrich steht der Schirm um alle Paare, vor „TP“ der Schirm um jedes einzelne Paar.

Lösung

Aufgabe 4: Zwei Gebäude, 70 Meter mittel

Zwei Gebäude einer Firma stehen 70 m auseinander. Ein Mitarbeiter meint: „Ein Kupferkabel reicht doch, das ist ja kürzer als 100 m.“

a) Bestätige, dass ein Kupferkabel von der Länge her möglich wäre.

b) Erläutere zwei Gründe, warum man zwischen zwei Gebäuden trotzdem meist eine Glasfaser verlegt.

Tipp 1

Zu b): Überlege, was zwischen zwei Gebäuden passieren kann, was innerhalb eines Raums kaum vorkommt, zum Beispiel bei einem Gewitter. Welche Eigenschaft der Glasfaser aus der Liste oben hilft dagegen?

Lösung

Aufgabe 5: Macht WLAN Kabel überflüssig? schwer

Eine Mitschülerin sagt: „Heute braucht doch niemand mehr Netzwerkkabel. WLAN ist überall, und es ist sowieso schnell genug.“

Nimm Stellung. Berücksichtige dabei mindestens drei Gesichtspunkte.

Tipp 1

Denk an: Wie teilen sich die Geräte das WLAN? Was stört Funk? Und: Wie sind eigentlich die WLAN-Zugangspunkte selbst angeschlossen?

Lösung

Aufgabe 6: Ein Bauernhof wird vernetzt schwer

Ein Bauernhof soll vernetzt werden:

das Büro im Wohnhaus mit drei Rechnern und einem Drucker,
der Stall, 400 m vom Wohnhaus entfernt, mit einer Kamera, deren Videobild ständig ins Büro übertragen werden soll,
40 Temperatursensoren auf Wiesen, die bis zu 4 km entfernt sind und keinen Stromanschluss haben.

Entwickle für jeden Teil eine Lösung, stelle sie in einer Tabelle dar und begründe jede Entscheidung mit den Kriterien Entfernung, Umgebung und Datenmenge.

Tipp 1

Geh die drei Teile nacheinander durch und schreib zu jedem zuerst die Entfernung und die Datenmenge auf. Prüfe dann, welche Medien dafür überhaupt infrage kommen.

Tipp 2

Für den Stall: Ein Kupferkabel ist auf 100 m begrenzt. Welche Glasfaser reicht sicher für 400 m?

Lösung

Aufgabe 7: Das WLAN im Hotel mittel

Ein kleines Hotel hat drei Etagen. Bisher gibt es einen Zugangspunkt an der Rezeption im Erdgeschoss. Er sendet nur im 2,4-GHz-Band, das Passwort steht seit Jahren auf einem Schild an der Rezeption. Über dasselbe WLAN laufen auch die Kasse und der Rechner der Buchhaltung. Gäste in den oberen Etagen beschweren sich über langsames und abbrechendes WLAN. Neu sollen elektronische Türschlösser eingebaut werden, die nur 2,4 GHz unterstützen.

a) Erläutere vier Maßnahmen, mit denen das Hotel die Versorgung der Gäste verbessern kann.

b) Vergleiche, welches Frequenzband für die Gastzimmer und welches für die Türschlösser geeignet ist. Begründe.

c) Entwickle ein Konzept, um das WLAN abzusichern. Unterscheide dabei Maßnahmen, die ein Gerät oder Programm brauchen (technisch), und Regeln, an die sich Menschen halten (organisatorisch).

Tipp 1

Zu a): Denke an die Anzahl und den Standort der Zugangspunkte, an Kanäle und an die Frequenzbänder.

Tipp 2

Zu c): Wer alles benutzt im Moment dasselbe WLAN? Sollte das so sein?

Lösung

Zusammenfassung

LAN: lokales Netz in Gebäude oder Gelände, selbst betrieben. WAN: Weitverkehrsnetz über große Entfernungen, meist über Netzbetreiber. LoRaWAN: Funknetz für Sensoren mit großer Reichweite, wenig Daten und wenig Energie.
Twisted Pair: verdrillte Kupferadern, höchstens 100 m, Bitrate hängt von der Kategorie ab, Schutz vor Störungen durch Abschirmung (X/YTP).
Glasfaser: Licht statt Strom, sehr schnell und weit, unempfindlich gegen Störungen, keine elektrische Verbindung. Multimode für kürzere, Singlemode für lange Strecken.
WLAN: beweglich und bequem, aber geteiltes Medium, störanfällig und auf Kabel zu den Zugangspunkten angewiesen. 2,4 GHz: größere Reichweite, aber stark belegt. 5 GHz: höhere Datenrate, weniger Störungen, kleinere Reichweite. Absichern mit WPA2/WPA3, starkem Passwort und getrenntem Gast-WLAN.
Das passende Medium wählt man nach Entfernung, Umgebung und Datenmenge.

Selbstcheck

Geh die Fragen ehrlich durch. Wenn du bei einer unsicher bist, lies den verlinkten Abschnitt noch einmal oder bearbeite die passende Aufgabe.

Kannst du LAN, WAN und LoRaWAN unterscheiden und Beispielen zuordnen? → Netzarten, Aufgabe 1
Kannst du Aufbau, Stärken und Schwächen von Twisted Pair, Glasfaser und Funk beschreiben? → Übertragungsmedien, WLAN genauer, Aufgabe 4, Aufgabe 5, Aufgabe 7
Kannst du Kategorien und Abschirmungen lesen und das passende Kabel bestimmen? → Twisted Pair, Aufgabe 2, Aufgabe 3
Kannst du für eine Situation das passende Medium auswählen und begründen? → Vergleich, Erkundung, Aufgabe 6

Wortspeicher

Begriff	Bedeutung in einfachen Worten
LAN	lokales Netz in einem Gebäude oder auf einem Gelände
WAN	Netz über große Entfernungen, z. B. zwischen Städten
LoRaWAN	Funknetz für Sensoren: große Reichweite, wenig Daten, wenig Energie
Gateway	Empfangsstation, die Funksignale ins Internet weiterleitet
Übertragungsmedium	der Weg, über den das Signal läuft: Kabel, Glasfaser oder Funk
Twisted Pair	Kabel mit paarweise verdrillten Kupferadern
Kategorie (Cat)	Güteklasse eines Kupferkabels; je höher, desto schneller
Abschirmung	Folie oder Geflecht im Kabel, die Störungen abhält
Glasfaser	Kabel, in dem Licht die Daten überträgt
Multimode / Singlemode	Glasfaser mit dickem Kern für kürzere bzw. dünnem Kern für lange Strecken
WLAN	Netz über Funk in Gebäuden
Zugangspunkt (Access Point)	Gerät, das ein WLAN aufspannt und per Kabel mit dem Netz verbunden ist
Frequenzband	Bereich von Funkfrequenzen, den ein WLAN nutzt, z. B. 2,4 GHz oder 5 GHz
Kanal	Teilbereich eines Frequenzbands; benachbarte WLANs sollten verschiedene Kanäle nutzen
WPA2 / WPA3	Verfahren, mit denen ein WLAN verschlüsselt wird; WPA3 ist das neuere
Gast-WLAN	eigenes WLAN für Besucher, das nur ins Internet führt
IoT	Internet der Dinge: Geräte wie Sensoren oder Kameras, die selbst Daten senden

Quellen

Hessisches Kultusministerium: Kerncurriculum Fachoberschule, Fachrichtung Technik, Schwerpunkt Informationstechnik, Themenfeld 12.4 Netzwerke (Stand November 2022).
Kabelkategorien und Bezeichnung der Schirmung nach ISO/IEC 11801; Höchstlänge 100 m und Bitraten über Kupfer und Glasfaser nach den Ethernet-Standards IEEE 802.3 (z. B. 10GBASE-T, 10GBASE-SR, 40GBASE-T).
WLAN-Frequenzbereiche nach IEEE 802.11, Kanäle im 2,4-GHz-Band nach ETSI EN 300 328; WPA2 und WPA3 nach den Vorgaben der Wi-Fi Alliance.
LoRaWAN: Spezifikation der LoRa Alliance; Frequenzbereich in Europa um 868 MHz.
Texte, Beispiele, Aufgaben und Abbildungen sind selbst erstellt.