Verkabelung, Switch und Router

IT 12.4 – Netzwerke · Einheit 5 von Teil A „Grundlagen“

Lernziele

Du kannst den Aufbau einer strukturierten Verkabelung mit Primär-, Sekundär- und Tertiärbereich beschreiben und Leitungen zuordnen.
Du kannst überprüfen, ob eine Leitung im Tertiärbereich die Längengrenzen einhält.
Du kannst erklären, wie ein Switch seine Adresstabelle lernt und Nachrichten weiterleitet, und ihn mit einem Hub vergleichen.
Du kannst die Aufgaben von Switch, Router und Zugangspunkt unterscheiden, aktive und passive Komponenten zuordnen und sie in einer Netzplanung einsetzen.

Was steckt im Keller?

In vielen Schulen gibt es im Keller einen verschlossenen Raum mit einem Schrank voller Kabel und kleiner Kästen, an denen Lämpchen blinken. Von dort kommt das Netz in jeden Klassenraum.

Jetzt soll ein Raum im Dachgeschoss neu ans Netz. Die Hausmeisterin fragt: „Ziehen wir einfach ein Kabel vom Keller bis nach oben?“

Und was machen die blinkenden Kästen eigentlich mit euren Daten?

Erkunden: Ein Gebäude verkabeln

Bevor du weiterliest: Plant zu zweit die Verkabelung für das folgende Schulgebäude. Die Erklärungen weiter unten helfen euch erst danach, euren Plan zu überprüfen.

Erkundung 1: Ein Kabel pro Dose? mittel

Das Schulgebäude ist 90 m lang und hat einen Keller, ein Erdgeschoss, ein 1. und ein 2. Obergeschoss. Jede Etage ist 4 m hoch. Der Serverraum liegt im Keller am westlichen Ende des Gebäudes. Auf jeder der drei Etagen über dem Keller gibt es 15 Räume mit je 2 Netzwerkdosen.

Ein Kollege schlägt vor: „Wir ziehen von jeder Dose ein eigenes Kabel direkt in den Serverraum.“

a) Ermittelt ungefähr, wie lang das Kabel zur entferntesten Dose wäre (am östlichen Ende im 2. Obergeschoss). Rechnet für den Weg innerhalb der Räume und im Serverraum zusammen 5 m dazu. Ermittelt außerdem, wie viele Kabel im Serverraum ankommen würden.

b) Beurteilt den Vorschlag. Denkt dabei auch an Einheit 4.

c) Entwickelt einen besseren Plan und skizziert ihn.

d) Später soll die Sporthalle angeschlossen werden, die 300 m entfernt steht. Erweitert euren Plan.

Tipp 1

Zu a): Die Länge setzt sich aus dem Weg entlang des Gebäudes, dem Weg nach oben durch die Etagen und den 5 m zusammen.

Tipp 2

Zu c): Muss jedes Kabel bis in den Keller laufen? Oder könnte auf jeder Etage etwas stehen, das die Kabel dieser Etage sammelt?

Lösung (mögliche Ideen)

Strukturierte Verkabelung

Eure Pläne aus der Erkundung haben wahrscheinlich schon die Idee, die hinter der strukturierten Verkabelung steckt: Man verkabelt nicht jede Dose einzeln vom Keller aus, sondern in Ebenen, die wie die Äste eines Baums aufeinander aufbauen. Wie das geht, beschreibt die Norm DIN EN 50173.

Strukturierte Verkabelung: Der Primärbereich verbindet die Gebäude, der Sekundärbereich die Etagen eines Gebäudes, der Tertiärbereich führt auf jeder Etage zu den Anschlussdosen.

Bereich	verbindet	typisches Medium	Richtwert Länge
Primärbereich (Gelände)	Standortverteiler ↔ Gebäudeverteiler	Glasfaser, meist Singlemode	bis 1 500 m
Sekundärbereich (Gebäude)	Gebäudeverteiler ↔ Etagenverteiler	Glasfaser, oft Multimode	bis 500 m
Tertiärbereich (Etage)	Etagenverteiler ↔ Anschlussdose	Twisted Pair	siehe unten

Der Standortverteiler (SV) ist der zentrale Punkt eines Geländes. Von ihm führen die Leitungen zu den Gebäuden. Er steht meist im Hauptgebäude und ist oft mit dessen Gebäudeverteiler (GV) zusammengefasst.
Der Gebäudeverteiler verbindet die Etagen eines Gebäudes.
Der Etagenverteiler (EV) versorgt die Dosen einer Etage. In kleinen Gebäuden kann ein Verteiler auch mehrere Etagen versorgen, wenn die Längen das zulassen.
Die Anschlussdose in der Wand ist das Ende der fest verlegten Verkabelung. Dort steckt man das Gerät ein.

Vorteile der strukturierten Verkabelung:

anwendungsneutral: Dieselben Kabel und Dosen eignen sich für Rechner, Drucker, Telefone oder Zugangspunkte.
herstellerunabhängig: Die Norm legt Kabel, Längen und Anschlüsse fest, nicht den Hersteller.
erweiterbar und flexibel: Neue Etagen oder Gebäude werden einfach an den nächsthöheren Verteiler angeschlossen. Umzüge erledigt man durch Umstecken im Verteiler.
übersichtlich: Jede Leitung hat einen festen Platz. Fehler lassen sich Ebene für Ebene eingrenzen.

Im Verteiler: Patchfeld und Patchkabel

Die fest verlegten Kabel enden im Verteilerschrank an einem Patchfeld: einer Leiste mit vielen nummerierten Buchsen, eine für jede Dose. Von dort führt ein kurzes Patchkabel zum Verteilergerät, das die Nachrichten weiterleitet. Am anderen Ende verbindet ein Anschlusskabel das Gerät im Raum mit der Dose.

Der Vorteil: Wenn ein Raum umzieht oder ein Anschluss gestört ist, steckt man im Schrank nur ein Patchkabel um. Die Kabel in den Wänden bleiben, wie sie sind.

Längen im Tertiärbereich

Für eine Strecke im Tertiärbereich gelten zwei Grenzen:

Das fest verlegte Kabel vom Patchfeld bis zur Dose darf höchstens 90 m lang sein.
Die ganze Strecke mit Patchkabel und Anschlusskabel darf höchstens 100 m lang sein.

Beispiel: Fest verlegt sind 72 m, das Patchkabel im Schrank ist 2 m lang, das Anschlusskabel am Rechner 3 m. Das fest verlegte Kabel bleibt unter 90 m, die ganze Strecke ist 72 m + 2 m + 3 m = 77 m lang, also unter 100 m. Beide Grenzen sind eingehalten.

Erkunden: Was machen die Kästen?

Im Verteilerschrank stehen Geräte, die Nachrichten von einem Anschluss zu den anderen weiterleiten. In der Simulation hängen sechs Geräte A bis F an einem solchen Verteiler. Es gibt zwei Arten von Verteilern: Kasten 1 und Kasten 2. Findet heraus, wie sie sich unterscheiden.

Erkundung 2: Kasten 1 oder Kasten 2? mittel

Protokoll

Noch keine Nachricht gesendet.

a) Untersucht Kasten 1 und Kasten 2. Sendet bei beiden mehrere Nachrichten zwischen verschiedenen Geräten. Beschreibt, welche Geräte eine Nachricht jeweils bekommen.

b) Kasten 2 verhält sich nicht immer gleich. Klickt auf „Neu starten“ und sendet mit Kasten 2 nacheinander A → C, C → A und noch einmal A → C. Beschreibt, was sich zwischen der ersten und der dritten Nachricht ändert.

c) Leitet ab, was sich Kasten 2 merken muss, um so zu arbeiten, und woher er diese Information bekommt.

d) Beurteilt, welcher der beiden Kästen für ein Netz mit vielen Geräten besser geeignet ist.

Tipp 1

Zu c): Schaut genau, welche Nachricht in Teil b) dafür gesorgt hat, dass sich das Verhalten geändert hat. Wer war bei dieser Nachricht der Absender?

Lösung (Beobachtungen)

Hub und Switch

Kasten 1 war ein Hub, Kasten 2 ein Switch.

Ein Hub gibt alles, was an einem Anschluss ankommt, an alle anderen Anschlüsse weiter. Er weiß nichts über die angeschlossenen Geräte. Jedes Gerät prüft selbst, ob die Nachricht für es bestimmt ist, und verwirft sie sonst.

Ein Switch leitet Nachrichten gezielt weiter. Dazu führt er eine Adresstabelle, in der steht, an welchem Anschluss (englisch Port) welches Gerät hängt. Bei jeder Nachricht geht er so vor:

Lernen: Er trägt den Absender und den Anschluss, an dem die Nachricht ankam, in die Tabelle ein.
Weiterleiten:
- Steht das Ziel in der Tabelle, schickt er die Nachricht nur an diesen Anschluss.
- Kennt er das Ziel noch nicht, schickt er sie an alle anderen Anschlüsse.
- Eine Nachricht an alle (Broadcast, Einheit 3) schickt er immer an alle anderen Anschlüsse.

Beispiel: Die Tabelle ist leer. E sendet an B. Der Switch trägt ein: „E an Anschluss 5“. B kennt er noch nicht, also schickt er die Nachricht an alle anderen.

In Wirklichkeit stehen in der Tabelle keine Namen, sondern MAC-Adressen. Das ist eine feste Adresse, die jede Netzwerkkarte ab Werk hat, zum Beispiel 3C:52:82:1A:F0:07. Mehr dazu in Einheit 6. In der Simulation nehmen wir vereinfacht die Gerätenamen.

Probiere es selbst aus. Hier siehst du auch die Adresstabelle des Switches:

Protokoll

Noch keine Nachricht gesendet.

Adresstabelle des Switches

Gerät	Anschluss

leer

Router

Ein Switch verbindet Geräte innerhalb eines Netzes, zum Beispiel alle Rechner eines Schulgebäudes. Soll eine Nachricht in ein anderes Netz, etwa ins Internet, braucht man einen Router.

Ein Router verbindet verschiedene Netze miteinander. Er liest in jeder Nachricht die IP-Adresse des Ziels (Einheit 7) und entscheidet, über welchen Weg die Nachricht weitergeschickt wird. Diese Entscheidung heißt Wegesteuerung oder Routing (Einheit 11).

	Switch	Router
verbindet	Geräte in einem Netz	verschiedene Netze
entscheidet anhand der	MAC-Adresse (Hardwareadresse)	IP-Adresse
typischer Ort	Etagen- und Gebäudeverteiler	Übergang zum Internet oder zwischen Netzen

Aktive und passive Komponenten

Die Bauteile eines Netzes teilt man in zwei Gruppen:

Passive Komponenten brauchen keinen eigenen Strom und verarbeiten die Signale nicht. Sie leiten sie nur weiter: Kabel, Anschlussdosen, Patchfelder, Netzwerkschränke.
Aktive Komponenten brauchen Strom und verarbeiten die Signale: Sie verstärken sie, lesen Adressen oder entscheiden, wohin eine Nachricht geht. Beispiele sind Hubs, Switches, Router und Zugangspunkte.

Ein Zugangspunkt (Access Point, Einheit 4) ist eine aktive Komponente. Er arbeitet wie ein Switch für Funkgeräte: Er verbindet die Geräte im WLAN mit dem kabelgebundenen Netz und leitet Nachrichten anhand der MAC-Adressen weiter. Das WLAN gehört dabei zum selben Netz wie die Kabelgeräte am Switch. Ein Router ist er nicht.

Manche Switches versorgen angeschlossene Geräte zusätzlich über das Netzwerkkabel mit Strom, zum Beispiel Zugangspunkte oder Telefone. Das nennt man PoE (Power over Ethernet). Dann braucht der Zugangspunkt an der Decke keine eigene Steckdose.

Aufgaben

Aufgabe 1: Welcher Bereich? leicht

Ein Krankenhaus besteht aus Haus A und Haus B. Ordne jede Leitung dem Primär-, Sekundär- oder Tertiärbereich zu. Begründe kurz. Eine Leitung gehört zu keinem der drei Bereiche.

a) die Glasfaser vom Verteiler im Keller von Haus A zum Verteiler im Keller von Haus B
b) das Kabel vom Verteiler der Station im 3. Stock zur Dose in Zimmer 312
c) die Glasfaser vom Keller von Haus B hinauf zum Verteiler im 4. Stock
d) das 2 m lange Kabel vom Rechner im Stationszimmer zur Dose in der Wand
e) die Leitung des Netzbetreibers, die das Krankenhaus mit dem Internet verbindet

Lösung

Aufgabe 2: Passt die Länge? mittel

a) Fest verlegt sind 84 m, das Patchkabel im Schrank ist 3 m lang, das Anschlusskabel 5 m. Überprüfe, ob die Strecke zulässig ist.

b) Fest verlegt sind 88 m, das Patchkabel ist 2 m lang. Am Arbeitsplatz soll ein 15 m langes Anschlusskabel eingesteckt werden, weil der Schreibtisch weit von der Dose entfernt steht. Überprüfe und bestimme, wie lang das Anschlusskabel höchstens sein darf.

c) Ein Raum am Ende eines Flurs ist auf dem kürzesten Kabelweg 97 m vom Etagenverteiler entfernt. Entwickle zwei Lösungen, wie der Raum trotzdem angeschlossen werden kann.

Tipp 1

Prüfe immer beide Grenzen getrennt: zuerst das fest verlegte Kabel allein, dann die ganze Strecke.

Tipp 2

Zu c): Die Grenzen gelten für die Strecke vom Etagenverteiler bis zur Dose. Was ließe sich an diesem Verteiler oder seinem Ort ändern?

Lösung

Aufgabe 3: Die Adresstabelle mittel

An einem Switch mit vier Anschlüssen hängen vier Geräte:

Anschluss	1	2	3	4
Gerät	Y	W	Z	X

Die Adresstabelle ist zu Beginn leer. Nacheinander werden diese Nachrichten gesendet:

W → X
X → W
Z → W
W → Y
Y → Z
X → alle (Broadcast)

a) Bestimme für jede Nachricht, an welche Anschlüsse der Switch sie weiterleitet, und gib die Adresstabelle nach jeder Nachricht an. Stelle dein Ergebnis in einer Tabelle dar.

b) Begründe, warum der Switch die 4. Nachricht an alle weiterleitet, obwohl W vorher schon gesendet hat.

Tipp 1

Geh Nachricht für Nachricht vor und halte die Reihenfolge ein: zuerst lernen, dann weiterleiten.

Tipp 2

Gelernt wird nur aus dem Absender. Für das Weiterleiten zählt nur, ob der Switch das Ziel schon kennt.

Lösung

Aufgabe 4: Hub oder Switch im Informatikraum? mittel

Im Informatikraum hängen 16 Rechner an einem Verteiler.

a) Rechner 1 schickt eine große Datei an Rechner 2. Gleichzeitig will Rechner 3 eine Datei an Rechner 4 schicken. Erläutere, was passiert, wenn der Verteiler ein Hub ist, und was, wenn er ein Switch ist.

b) Ein Schüler lässt auf Rechner 7 ein Programm laufen, das alle ankommenden Nachrichten anzeigt, auch die, die der Rechner sonst verwerfen würde. Beurteile, was er mit einem Hub und was er mit einem Switch mitlesen kann.

Tipp 1

Zu a): Erinnere dich an den Bus aus Einheit 3. Was bedeutet es, wenn alle Geräte dieselbe Leitung benutzen?

Tipp 2

Zu b): Überlege für den Switch, welche Nachrichten er trotzdem an alle Anschlüsse schickt.

Lösung

Aufgabe 5: Switch, Router oder beides? schwer

a) Ordne zu, ob in den folgenden Situationen ein Switch, ein Router oder beides gebraucht wird, und begründe:

In einem Klassenraum sollen 6 zusätzliche Rechner angeschlossen werden, es gibt aber nur 2 Dosen.
Das Schulnetz soll mit dem Internet verbunden werden.
Das Netz der Verwaltung (mit Schülerdaten) und das Netz für den Unterricht sollen getrennte Netze sein. Beide sollen ins Internet.

b) Zu Hause steht oft ein Gerät, das „Router“ genannt wird. Daran hängen ein Rechner per Kabel und ein Handy per WLAN, und es ist mit dem Internetanschluss verbunden. Erläutere, warum in diesem Gerät eigentlich mehrere Geräte stecken.

Tipp 1

Frage dich bei jeder Situation: Werden Geräte in einem Netz verbunden oder verschiedene Netze miteinander?

Tipp 2

Zu b): Zähle auf, was das Gerät zu Hause alles tut: Was macht es mit dem Rechner am Kabel, was mit dem Handy, was mit dem Internetanschluss? Denk auch an Einheit 4.

Lösung

Aufgabe 6: Ein Betrieb mit Lagerhalle schwer

Ein Handwerksbetrieb soll neu vernetzt werden:

ein Bürogebäude mit zwei Etagen, 35 m lang: im Erdgeschoss 8 Arbeitsplätze, im Obergeschoss 6 Arbeitsplätze; der Internetanschluss liegt im Erdgeschoss,
eine Lagerhalle, 250 m vom Bürogebäude entfernt, mit 3 Arbeitsplätzen und Handscannern, mit denen die Mitarbeiter durch die Halle laufen.

Entwirf eine Netzplanung und skizziere sie. Gib dabei an, wo Verteiler stehen, welche Bereiche der strukturierten Verkabelung es gibt, welche Medien du verwendest (Einheit 4) und wo Switches, Router und WLAN-Zugangspunkte eingesetzt werden. Begründe deine Entscheidungen.

Tipp 1

Beginne mit den Entfernungen: Welche Strecken sind kürzer als 90 m, welche länger? Daraus ergeben sich die Bereiche und die Medien.

Tipp 2

Wie viele Router braucht der Betrieb, wenn er nur ein Netz und einen Internetanschluss hat?

Lösung

Aufgabe 7: Eine Materialliste prüfen mittel

Für die Vernetzung eines Bürogebäudes mit zwei Etagen und einem Nebengebäude in 180 m Entfernung liegt diese Materialliste vor:

Nr.	Komponente	Einbauort
1	Netzwerkschrank 19 Zoll	Erdgeschoss
2	Patchfeld 24 Anschlüsse	Erdgeschoss
3	Switch 48 Anschlüsse mit PoE	Erdgeschoss
4	Anschlussdosen, je 2 Buchsen	Erdgeschoss, Obergeschoss, Nebengebäude
5	Verlegekabel Twisted Pair Cat 7	vom Patchfeld im Erdgeschoss zu allen Dosen, auch ins Nebengebäude
6	Zugangspunkte	Erdgeschoss, Nebengebäude
7	Patchkabel Cat 6A	Erdgeschoss

a) Ordne die Komponenten 1 bis 7 den aktiven oder passiven Komponenten zu.

b) Beschreibe, wo die Planung von den Vorgaben der strukturierten Verkabelung abweicht.

c) Gib an, welche Komponenten ergänzt werden müssen, damit die Planung den Vorgaben entspricht.

Tipp 1

Zu a): Braucht das Teil Strom und verarbeitet es Signale?

Tipp 2

Zu b): Wie weit darf ein Twisted-Pair-Kabel höchstens fest verlegt werden? Wo stehen in der Liste die Verteiler?

Lösung

Zusammenfassung

Strukturierte Verkabelung (DIN EN 50173) baut ein Netz in Ebenen auf: Primärbereich zwischen Gebäuden, Sekundärbereich im Gebäude zu den Etagen, Tertiärbereich von der Etage zur Anschlussdose.
Im Tertiärbereich: fest verlegt höchstens 90 m, die ganze Strecke mit Patch- und Anschlusskabel höchstens 100 m.
Fest verlegte Kabel enden am Patchfeld. Änderungen macht man durch Umstecken der Patchkabel.
Ein Hub schickt jede Nachricht an alle. Ein Switch lernt aus den Absendern, wo welches Gerät hängt, und leitet Nachrichten gezielt weiter.
Ein Router verbindet verschiedene Netze, zum Beispiel das Schulnetz mit dem Internet.
Passive Komponenten (Kabel, Dosen, Patchfelder) brauchen keinen Strom, aktive (Switch, Router, Zugangspunkt) verarbeiten die Signale.

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 den Aufbau einer strukturierten Verkabelung beschreiben und Leitungen zuordnen? → Strukturierte Verkabelung, Erkundung 1, Aufgabe 1
Kannst du die Längengrenzen im Tertiärbereich überprüfen? → Längen im Tertiärbereich, Aufgabe 2
Kannst du erklären, wie ein Switch lernt und weiterleitet, und ihn mit einem Hub vergleichen? → Hub und Switch, Erkundung 2, Aufgabe 3, Aufgabe 4
Kannst du Switch und Router unterscheiden und in einer Planung einsetzen? → Router, Aktive und passive Komponenten, Aufgabe 5, Aufgabe 6, Aufgabe 7

Wortspeicher

Begriff	Bedeutung in einfachen Worten
strukturierte Verkabelung	Verkabelung in festen Ebenen nach einer Norm, übersichtlich und erweiterbar
Primärbereich	Leitungen zwischen den Gebäuden eines Geländes
Sekundärbereich	Leitungen im Gebäude vom Gebäudeverteiler zu den Etagen
Tertiärbereich	Leitungen auf einer Etage vom Etagenverteiler zu den Dosen
Standort-, Gebäude-, Etagenverteiler	Schränke, in denen die Leitungen eines Geländes, Gebäudes oder einer Etage zusammenlaufen
Anschlussdose	Dose in der Wand, in die man das Gerät einsteckt
Patchfeld	Leiste im Verteiler, an der die fest verlegten Kabel enden
Patchkabel	kurzes Kabel im Verteiler vom Patchfeld zum Switch
Anschlusskabel	Kabel vom Gerät zur Dose
Hub	Verteiler, der jede Nachricht an alle weitergibt (veraltet)
Switch	Verteiler, der lernt, wo welches Gerät hängt, und gezielt weiterleitet
Anschluss (Port)	Buchse an Switch oder Router, an der ein Kabel steckt
Adresstabelle	Liste im Switch: welches Gerät an welchem Anschluss
MAC-Adresse	feste Hardwareadresse einer Netzwerkkarte
Router	Gerät, das verschiedene Netze verbindet und den Weg für Nachrichten wählt
passive Komponente	Bauteil ohne eigenen Strom, das Signale nur weiterleitet, z. B. Kabel, Dose, Patchfeld
aktive Komponente	Bauteil mit Strom, das Signale verarbeitet, z. B. Switch, Router, Zugangspunkt
PoE	Stromversorgung eines Geräts über das Netzwerkkabel

Quellen

Hessisches Kultusministerium: Kerncurriculum Fachoberschule, Fachrichtung Technik, Schwerpunkt Informationstechnik, Themenfeld 12.4 Netzwerke (Stand November 2022).
Strukturierte Verkabelung nach DIN EN 50173-1 bzw. ISO/IEC 11801 (Bereiche, Verteiler, Längen im Tertiärbereich). Die Längen im Primär- und Sekundärbereich sind Richtwerte.
Arbeitsweise von Switches (Lernen der Adressen, Weiterleiten) nach IEEE 802.1D.
Texte, Beispiele, Aufgaben, Abbildung und Simulation sind selbst erstellt.