Гигабитная проводка

Гигабитные потоки в локальных сетях требуют более строгого отношения к кабельной системе, чем скорости порядка 100 Мбит/с, характерные для проводки Категории 5.

В компьютерной прессе замелькала приставка "Гига": процессор с тактовой частотой 1 ГГц, сеть с пропускной способностью 1 Гбит/с. Кабельные системы из области "Мега" также постепенно переходят в область "Гига". По этой причине многие компании в логотипе систем проводки последнего времени используют приставку Giga: у Lucent это GigaSPEED, у RiT - SMART Giga.

Подчеркнем: таких высот удалось достичь на базе традиционных физических принципов, используя кремниевые полупроводники и медную проводку. Проявили себя мощные основы, заложенные 20-30 лет назад, и дали такой высокий рост скоростей. Но достигнутые рубежи - далеко не предел: разработчики уже берут на вооружение иные физические явления, чтобы с их помощью получить во много раз большие рекорды. Оптроника и сверхпроводники, примененные в процессорах, обеспечат скорости обработки в десятки-сотни гигагерц. То же самое можно сказать о линиях связи: лазеры и одномодовое волокно уже сегодня позволяют получить скорости передачи 10 Гбит/с и выше. А впереди еще спектральное уплотнение волокна, при котором суммарный темп передачи возрастает во много раз. Так что база для развития информационных сетей обеспечена на долгие годы.

Положение дел с кабельными системами Категорий 6 и 7 год назад было изложено в LAN (апрель 1998 г., с. 65-70). В этой статье подробнее рассмотрим характеристики сетевой проводки, необходимые для передачи гигабитных потоков.

На последнем участке компьютерной сети - "последней стометровке" - гигабитные потоки можно передавать по неэкранированным витым парам, по экранированным витым парам и по оптическим волокнам. Проблема выбора состоит в том, что ни одна из указанных выше проводок не годится на все случаи жизни. Необходимо учитывать специфические свойства сети, а также структурные особенности и функции организаций, где сеть смонтирована. Следует знать, что ни на Категорию 6, ни на Категорию 7 нет пока стандартов. В октябре 1998 г. выпущены лишь проекты стандартов с дополнительными требованиями на проводку Категории 5 и Категорию 5е, предназначенную для гигабитных сетей.

Параметры гигабитной проводки

Нормальная работа медной проводки зависит от множества факторов, среди которых важное место занимают ее электрические характеристики - частотные зависимости параметров. Сами параметры делятся на две группы: параметры передачи и параметры влияния. К первой группе относятся параметры, определяющие условия передачи сигнала от передающего устройства к приемнику. Ко второй - параметры, описывающие взаимное влияние между парами, а также экранирование.

Обе группы параметров рассматриваются в рамках обширной и развитой теории линий связи, изложению которой в соответствующих монографиях уделяется около сотни страниц. Мы же обсудим здесь лишь элементарные основы, необходимые инсталляторам и пользователям локальных компьютерных сетей. Некоторые параметры и характеристики медной проводки рассмотрены в более ранних публикациях (LAN, 1996-1998 гг.).

Параметры передачи. В качестве не зависящих от частоты параметров кабеля обычно указывают следующие: сопротивление на постоянном токе (DC resistance), емкость (capacitance) пары на частоте 1 кГц, скорость распространения (nominal velocity of propagation, NVP), выраженную относительно скорости света. Для кабеля SYSTIMAX 1071 значения этих параметров следующие: сопротивление одного провода пары 9,4 Ом/100 м; емкость пары 5,6 нФ/100 м; скорость распространения 0,69 скорости света (207 000 км/с). В последних документах нормируется перекос задержки (delay skew) - частотно-зависимый параметр, но заданный как не зависящий от частоты (50 нс/100 м).

Другие параметры кабеля заданы как частотно-зависимые и указываются в виде характеристик (performance). К частотно-зависимым параметрам относятся: волновое сопротивление (impedance), погонное затухание (attenuation), задержка сигнала (delay) и структурные возвратные потери (structural return loss, SRL). Эти характеристики строго нормированы и задаются в табличном виде в стандартах и спецификациях (технических условиях).

Теперь рассмотрим характеристику, определяющую качество тракта передачи: возвратные потери (return loss, RL). Дело в том, что при высокоскоростной передаче важно согласование отдельных элементов тракта, мало влияющее при низких скоростях. Линия всегда содержит устройства, не очень хорошо согласованные с основным кабелем, - соединители, панели переключений, шнуры, что и вызывает отражения сигнала. Чем лучше эти элементы согласованы, "пригнаны" друг к другу, тем меньшие отражения сигнала они вызывают и тем меньше потери на отражение (тем больше в дБ возвратные потери - return loss).

В последних редакциях стандартов на проводку вводятся требования как по структурным возвратным потерям (SRL) для кабеля, так и по возвратным потерям (RL) для всего тракта. В частности, для трактов PowerSum минимальные требования по возвратным потерям выглядят так:

RL = 17 - 10 lg (f/20), дБ (где f - частота, от 20 до 100 МГц).

Для тракта GigaSPEED компании Lucent Technologies эта характеристика выражается следующим соотношением:

RL = 19 - 10 lg (f/20), дБ (от 20 до 200 МГц).

Обратим внимание, что если SRL обусловлен технологией кабелей на заводе-изготовителе, то характеристика RL в первую очередь зависит от правильного подбора компонентов проводки, а затем - от качества монтажных работ на объекте.

Параметры влияния. К параметрам влияния между двумя парами относятся: переходное затухание на ближнем конце (NEXT - near end crosstalk); переходное затухание на дальнем конце (FEXT - far end crosstalk), защищенность на ближнем конце (ACR), защищенность на дальнем конце (ELFEXT). Определение этих параметров дано на Рисунке 1.

В четырехпарном кабеле учитывают влияние на пару, подверженную влиянию, остальных трех пар. Для этого берут суммарную мощность (PowerSum) помехи, наведенной от трех пар. Такие параметры имеют приставку PS. Схема образования суммарной помехи (с указанием параметров влияния) представлена на Рисунке 2.

Остальные два параметра (PS ACR и PS ELFEXT) рассчитываются аналогично тому, как это изложено для двухпарного случая:

PS ACR = PS NEXT - A_C,

PS ELFEXT = PS FEXT - A_C.

Оценочные графики частотных зависимостей некоторых параметров кабеля, рассмотренных выше, даны на Рисунке 3. Проанализируем эти характеристики. Затухание, как следует из теории, растет почти пропорционально корню квадратному из частоты. Суммарное переходное затухание на ближнем конце (PS NEXT) между парами кабеля представляет собой в полулогарифмическом масштабе практически прямую линию, снижающуюся с ростом частоты.

Интересно ведет себя суммарное переходное затухание на дальнем конце кабеля (PS FEXT): с ростом частоты сначала оно падает (как PS NEXT), на частотах 20-100 МГц меняется мало, а выше 100 МГц увеличивается как (примерно) затухание. Как мы видим, поведение PS FEXT круто изменяется выше частоты 100 МГц, граничной для кабельных систем Категории 5, не предназначенных для гигабитных скоростей. Следует иметь в виду, что параметр PS FEXT очень важен при параллельной четырехпарной передаче в дуплексном режиме, например - в сети Gigabit Ethernet.

Об измерениях параметров

В методиках оценки характеристик высокоскоростных кабельных систем пока еще много неопределенностей. Не установлен состав тестируемых параметров и соответствующие требования, окончательно не зафиксирован диапазон рабочих частот. Тем не менее разработчики тестеров предпринимают необходимые шаги и кое-что уже сделали. Об этом можно прочитать в LAN, сентябрь 1998 г., с. 57-72; февраль 1999 г., с. 55-62. Статьи, касающиеся испытаний гигабитной проводки, описывают методы измерений параметров кабельных систем двух Категорий - 5е и 6. Большая часть публикаций относится к тестированию Категории 5е и модификации Категории 5, содержащей добавление новых параметров. Требования к проводке Категории 5 и 5е, предназначенной для сети Gigabit Ethernet (1000BaseT), сводятся к следующему:

1. погонное затухание, переходное затухание на ближнем конце, задержка сигнала и перекос задержки заданы почти такими же, как для кабельных систем Категории 5;
2. возвратные потери и защищенность на дальнем конце вводятся как новые параметры; необходимо разработать технические требования к ним и методы испытаний;
3. частотные характеристики задаются в суммарном виде (PowerSum), с учетом влияния трех пар на четвертую пару.

Модифицированная Категория 5 отличается от Категории 5 1995 года добавлением требований по защищенности на дальнем конце (ELFEXT) и возвратным потерям (RL). Собственно говоря, в установлении критериев по этим параметрам и состоит в известном смысле модификация Категории 5. Отсюда возникает необходимость введения новых измерительных процедур, которых не было при испытании проводки старой Категории 5. Рабочий диапазон модифицированных Категорий тот же, что у Категории 5, т. е. от 1 до 100 МГц.

Рабочая группа Комитета по кабельным системам TIA TR 41.8.1 разрабатывает требования к тестерам Уровня II, в том числе по измерениям ELFEXT и RL. Для вычисления защищенности на дальнем конце надо предварительно измерить переходное затухание на дальнем конце (FEXT) и вычесть из полученного значения погонное затухание линии (см. Рисунок 1). Однако значения FEXT на верхних частотах намного больше, чем привычные величины NEXT (переходное затухание на ближнем конце, см. Рисунок 3), и поэтому его трудно измерить существующими тестерами.

Следовательно, требуется разработать гораздо более чувствительные тестеры, способные измерять FEXT в кабельных системах Категорий 5е и 6. Задачу эту разработчики испытательных приборов решают, но трудности еще не преодолены. К счастью, уже имеющиеся приборы (например, DSP-2000 компании Fluke) позволяют в определенных пределах измерить необходимые параметры. В новом тестере DSP-4000 увеличена чувствительность, а диапазон частот расширен до 350 МГц, чего будет достаточно для испытаний линий проводки Категории 6. Предположительно он будет выпущен во втором квартале 1999 года.

Кроме измерений параметров, эти приборы способны определять трудно выявляемые неисправности проводок: места плохого согласования тракта - методом TDR (временной рефлектометрии), а также места повышенных переходных помех - методом TDX (time domain cross talk). Учитывая усложнение приборов, фирма Fluke переименовала свои тестеры: раньше они назывались Cable Meter, а теперь Cable Analyzer.

Кабельные системы для гигабитных скоростей

Некоторые компании выпустили на рынок кабельные системы для высокоскоростных сетей, имеющие в логотипе или в наименовании компонентов приставку Giga. Тем самым они показывают, что их продукция переходит в новое качество - в область гигабитных скоростей. Примеры таких систем приведены в Таблице 1.

Среди этих систем одной из наиболее развитых можно считать GigaSPEED Cabling System компании Lucent. Она представляет собой вариант кабельной системы SYSTIMAX, улучшенный как по параметрам, так и по количеству поддерживаемых приложений. По проводке GigaSPEED работает около двадцати приложений.

Задача кабельной системы GigaSPEED - обеспечить передачу со скоростью 1000 Мбит/с (и даже выше) по традиционной проводке из неэкранированных витых пар - по четырехпарному кабелю. Принципиальная возможность такой передачи отмечалась довольно давно. Совершенно иное дело - создание промышленной продукции, удовлетворяющей целому набору требований.

Первоначально были разработаны кабели GigaSPEED марок 1071, 2071 и 3071, описанные в предыдущей статье (LAN, апрель 1998 г., с. 66). Сравнение параметра ACR кабелей различных производителей представлено в Таблице 2а. (Комментарий редактора. К сожалению, данные этого тестирования, проведенного в 1997 году, являются последними из доступных. В 1998 году были опубликованы результаты тестирования гигабитных проводок, однако эти измерения сделаны для частоты 100 МГц. Многие производители справедливо замечают, что эти данные не характеризуют истинного положения дел, и при частоте 200 МГц результаты измерений могут выглядеть совершенно иначе. Тем не менее мы решили привести и эти данные, они представлены на Таблице 2б.)

Кабельная система GigaSPEED традиционно состоит из горизонтальных кабелей, информационных розеток, панелей переключения и соединительных шнуров. Она имеет широкополосность 200 МГц, в то время как обычная проводка Категории 5 - только 100 МГц. Состав тракта (Channel) GigaSPEED показан на Рисунке 4, а его характеристики - на Рисунке 5.

По кабельной системе с полосой частот до 200 МГц сейчас предусматривается работа двух типов высокоскоростных сетей - Gigabit Ethernet и АТМ, со скоростью 1,2 Гбит/с и выше. В отношении Gigabit Ethernet заявлено, что комитет IEEE 802.3 предполагает выпустить стандарт для медной проводки в 1999 году (стандарты для оптического волокна уже вышли).

Как известно, комитет по кабельным системам, образованный ISO/IEC (Международная организация по стандартам/Международная электротехническая комиссия), принял решение стандартизовать проводку с полосой 200 МГц в качестве Класса Е (Категория 6). Это событие откроет перед разработчиками кабельных систем широкие перспективы точно так же, как это произошло после выхода в 1992 году основных документов EIA/TIA (Ассоциаций электронной промышленности и техники связи США) на кабельную систему Категории 5.

Появление проводки Категории 5 открыло дорогу 100-мегабитным скоростям. С выходом кабельных систем Категории 6 начинается расцвет гигабитных сетей.

Приложение

Все упомянутые выше характеристики гигабитной проводки приведены в Таблице 3 (для кабельной системы Giga-SPEED компании Lucent Techno-logies).

Давид Яковлевич Гальперович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОКБ КП, доцент МТУСИ. С ним можно связаться по тел.: (095) 583-5472.