Гигабитная проводка - пять лет спустя

Утверждение стандарта на кабельные системы Категории 6 в июне 2002 г. подводит итог пятилетнему периоду становления гигабитной проводки.

Hа последнем участке компьютерной сети — «последней стометровке» — гигабитные потоки можно передавать по неэкранированным витым парам, экранированным витым парам и 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 задачи организаций, где будет смонтирована сеть.

В данной статье рассмотрена высокоскоростная неэкранированная проводка, соответствующая стандартам Категорий 5е и 6. Все характеристики даются на примере кабельной системы Avaya SYSTIMAX.

ПАРАМЕТРЫ

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 первым относятся параметры, определяющие условия передачи сигнала от передающего устройства к приемнику; ко вторым — параметры, описывающие взаимное влияние между парами, а также экранирование кабеля.

Обе группы параметров рассматриваются в рамках обширной и развитой теории линий связи, изложению которой в соответствующих монографиях уделяется почти по сотне страниц. Мы же приведем здесь лишь элементарные сведения, необходимые инсталляторам и пользователям локальных компьютерных сетей.

Параметры передачи. В качестве не зависящих от частоты параметров кабеля обычно указывают следующие: сопротивление при постоянном токе (DC Resistance), емкость (Capacitance) пары на частоте 1 кГц, скорость распространения (Nominal Velocity of Propagation, NVP), выраженную относительно скорости света. Например, для кабеля Avaya SYSTIMAX GigaSPEED 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 (207000 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 определяются 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.

Качество тракта передачи определяет такая характеристика, как возвратные потери (Return Loss, RL). Дело в том, что при высокоскоростной передаче важное значение приобретает согласование отдельных элементов тракта, при низких скоростях оно не оказывает сколь-нибудь заметного влияния. Линия всегда содержит устройства, характеристики которых не очень хорошо согласованы 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 меньшие потери на отражение (тем большее значение в дБ имеют возвратные потери).

В последних версиях 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 Категории 5е минимальные требования по возвратным потерям выглядят так:

RL = 17 — 10 lg (f/20), дБ

(где f — частота, от 20 до 100 МГц).

Для тракта Категории 6 эта характеристика выражается следующим соотношением:

RL = 19 — 10 lg (f/20), дБ

(от 20 до 250 МГц).

Обратим внимание, что если значение SRL обусловлено технологией изготовления кабелей на заводе, 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 (Near End Crosstalk, NEXT); переходное затухание на дальнем конце (Far End Crosstalk, FEXT); защищенность на ближнем конце (Attenuation-to-Crosstalk Ratio, ACR); защищенность на дальнем конце (ELFEXT). Определение этих параметров дано на Рисунке 1.

В четырехпарном кабеле учитывается влияние на пару остальных трех пар. Для этого замеряют 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 имеет место для двухпарного случая:

PS ACR = PS NEXT - AC,
S ELFEXT = PS FEXT - AC.

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, график которой снижается с ростом частоты.

Рисунок 3. Сглаженные характеристики четырехпарного кабеля Категории 5е.

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 резко изменяется выше частоты 100 МГц, граничной для кабельных систем Категории 5е. Следует иметь в виду, что параметр PS FEXT очень важен при параллельной четырехпарной передаче в дуплексном режиме, например в сети Gigabit Ethernet.

Сглаженные частотные зависимости основных параметров собранного тракта Категории 6 показаны на Рисунке 4.

Рисунок 4. Основные характеристики тракта (Channel) Категории 6.

СТАНДАРТ НА КАТЕГОРИЮ 6

Первый стандарт на кабельные системы EIA/TIA-568 был выпущен в 1991 г. В нем формулировались технические требования только на кабели и соединители в полосе до 16 МГц — требования ко всему тракту в стандарте не определялись. Затем в 1995 г. вышла вторая версия этого стандарта (TIA/EIA-568-A), в которой были закреплены требования к проводке Категории 5 с полосой 100 МГц. На пути от первой до второй версий характеристики тракта мучительно вырабатывались, что видно из технических бюллетеней TSB 36, TSB 40A, TSB 67 и др.

Примерно в это же время впервые возникли условия для появления стандарта на более широкополосную проводку, получившую впоследствии название Категория 6. К настоящему времени принят окончательный вариант той части стандарта, где заданы требования на проводку Категории 6, под шифром TIA/EIA-568-B.2-1 и с названием Transmission Performance Specifications for 4-pair 100 W Category 6 Cabling («Спецификации на характеристики передачи 4х-парной 100-Омной проводки Категории 6»).

ОСНОВНЫЕ НОВШЕСТВА В СТАНДАРТЕ

Первое нововведение — тестовая конфигурация Basic Link («базовая линия») заменена на Permanent Link («проброс»). Главное, из-за чего пришлось вводить новую тестовую конфигурацию, — трудности с учетом оконечных шнуров. Очевидно, современные компьютеризованные тестеры позволяют учесть оконечные шнуры при первоначальной калибровке.

Следующее новшество — основное представление стандартных требований в виде уравнений (ранее акцент делался на табличное выражение). Таблицы параметров также приведены в стандарте, но только как справочные. Такое изменение вызвано теми же причинами: современные анализаторы кабельных систем вычисляют и строят графические зависимости по аналитическим выражениям легко и просто. Разумеется, графическая форма представления параметров нагляднее, чем табличная. В качестве примера приведу выражение для максимально допустимых потерь в кабеле Категории 6:

Insertion Loss100 m ё 1.808Цf + 0.017f +
 + 0.2/Цf (дБ),

где f — частота (МГц).

В новом стандарте сделан основательный акцент на параметр ELFEXT. Потребность в такой характеристике впервые возникла в связи с внедрением параллельной передачи по всем четырем парам проводов. Напомню, что предыдущие попытки введения этого параметра имели место при освоении 100VG-AnyLAN и 100BaseT4 (Fast Ethernet с параллельной передачей по четырем парам Категории 3). Оба протокола не прижились, и интерес к ELFEXT слегка поутих. Но с появлением стандарта 1000BaseT (который правильнее было бы назвать 1000BaseT4) внимание к характеристике защищенности линии связи на дальнем конце вновь возродилось и даже усилилось.

Отмечу, что при параллельной передаче по всем четырем парам более актуальной является характеристика «суммарная защищенность на дальнем конце» (PS ELFEXT), так как при таком способе помехи собираются с трех влияющих пар на четвертой, подверженной влиянию. Поэтому характеристика PS ELFEXT наиболее полно представлена именно в этом стандарте. Если впоследствии будет реализована передача в каждую сторону только по двум парам, то снова более актуальной станет ELFEXT.

В новом стандарте отсутствуют требования по защищенности на ближнем конце — знаменитый ACR, кочевавший ранее по всем публикациям. Очевидно, что его можно найти, вычтя из переходного затухания (NEXT) вносимые потери (Insertion Loss). В то же время заняла свое законное место норма по суммарному переходному затуханию на ближнем конце (PS NEXT), очень важная при дуплексной передаче.

ДРУГИЕ ОСОБЕННОСТИ СТАНДАРТА

Основные характеристики в стандарте заданы для четырех видов продукции: кабелей, соединителей, проброса (Permanent Link) и тракта (Channel). Таблицы параметров приведены для кабеля длиной 100 м, проброса — 90 м и тракта — 100 м. (Проброс состоит из горизонтального кабеля и двух соединителей на концах.)

Принципиальная разница между пробросом и трактом заключается в следующем. Пробросы монтирует и испытывает компания, сдающая заказчику смонтированную в здании капитальную часть проводки. В свою очередь, тракты испытывает та же или другая компания, которая сдает заказчику полную кабельную систему, со всеми кроссами, панелями, шнурами и всей необходимой и обширной документацией. Следующей стадией работ обычно бывает тестирование локальной сети, включая активное оборудование — концентраторы, коммутаторы, серверы, рабочие станции, принтеры, сканеры и др. При заключении контракта эти стадии должны быть четко разделены — иначе неизбежны массовые выяснения отношений по поводу того, что из оборудования уже протестировано, а что еще требует окончательных испытаний и оформления документации.

В данном стандарте намного подробнее, чем в предыдущих, заданы требования на возвратные потери всех элементов тракта: горизонтального кабеля, гибкого кабеля со скрученными многопроволочными проводниками, соединителя, соединительного шнура, тракта и проброса. Частично эти характеристики представлены в Таблицах 1 и 2.

Еще два обязательных требования стандарта — задержка распространения и перекос задержки. Для кабеля эти параметры приведены в Таблице 3.

Максимальная задержка на распространение для тракта Категории 6 на частоте 10 МГц должна быть не более 555 нс, для проброса — не более 498 нс. Максимальный перекос задержки для тракта Категории 6 должен быть не более 50 нс, для проброса — 44 нс.

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

С переходом к гигабитным сетям параметры проводки усложнились, а их набор увеличился. К традиционным — затуханию (Attenuation), переходному затуханию на ближнем конце (NEXT Loss) и защищенности на ближнем конце (ACR) — добавились переходное затухание на дальнем конце (FEXT Loss) и защищенность на дальнем конце (ELFEXT). Кроме того, из-за применения четырехпарной передачи для 1000 BaseT Gigabit Ethernet все параметры потребовалось представлять в суммарном выражении как влияние трех пар на четвертую (Power Sum).

Ниже основное внимание уделено характеристикам передачи — волновому сопротивлению (Characteristic Impedance) и его регулярности, а также возвратным потерям (Return Loss) и вносимым потерям (Insertion Loss). Кратко рассмотрены характеристики влияния (PS NEXT и PS ELFEXT).

НЕРЕГУЛЯРНОСТИ В ТРАКТЕ

С ростом скоростей передачи все большее воздействие оказывают неоднородности тракта и связанные с ними параметры — регулярность волнового сопротивления пар (выраженная через структурные возвратные потери) и отражения от соединительных устройств. Стандарты на компьютерную проводку не описывают пространственные неоднородности входящих в тракт кабельных изделий — это не их задача, зато они формируют требования к структурным возвратным потерям кабелей и к возвратным потерям соединительных устройств, а также всего тракта. В стандартах не указывается частотная структура возвратных потерь компонентов, поскольку она зависит от оборудования, на котором изготовляют кабели, и от конструкции соединительных устройств. Но общее поведение частотных зависимостей этого параметра для различных элементов стандартами определяется довольно строго, и производители, как правило, стремятся выполнить эти требования к кабелям, шнурам и соединителям.

При определении параметров передачи скоростных кабельных трактов могут возникнуть следующие трудности. Надо иметь в виду, что такие тракты содержат большое число разнородных элементов, соединенных в линию, работающую в очень широком диапазоне частот. Тракт (Channel) локальной сети состоит из горизонтального кабеля длиной до 90 м, нескольких соединителей (до четырех) и шнуров (до трех) общей длиной до 10 м. Передаваемый по тракту сигнал не только затухает по ходу распространения, но и отражается в точках соединений, а также в самом кабеле.

Рисунок 5. Виды отражений сигналов в тракте.

На Рисунке 5 показано стрелками разного размера, что в местах соединений сигнал претерпевает довольно большие отражения, а в длинном горизонтальном кабеле — намного меньшие. Однако интегральный эффект отражений в кабеле зачастую превышает суммарные отражения от соединителей.

В стандарты на проводку введены требования к возвратным потерям для всех компонентов: соединителей, шнуров и горизонтального кабеля. Нормирование возвратных потерь для всего тракта в стандартах также имеется, и оно складывается из норм на входящие в тракт компоненты.

Внутри длинного кабеля отражения возникают из-за структурных неоднородностей: неравномерного диаметра проводов, непостоянства шагов скрутки пар, крутых изгибов при прокладке и др. На нижних частотах (до ~20 МГц) этот эффект довольно слаб из-за того, что длина волны достаточно велика, по сравнению с длиной линии. Следовательно, количество отражений на расстоянии 100 м относительно невелико и результирующие структурные возвратные потери небольшие. С ростом частоты до 100 МГц и выше число активных нерегулярностей, в связи с укорочением длины волны, увеличивается, и эффективность отражений возрастает. Особенно сильно потери на отражение проявляются в кабелях Категории 6, рабочий диапазон которых расширяется до 250 МГц, поэтому и требования к конструктивным элементам кабелей новых категорий резко повышаются. Это означает, что диаметр накладываемой на провод изоляции должен быть значительно более регулярным, а скрутка пар должна производиться более равномерно, чем у кабелей Категории 5е. Повышенные требования выдвигаются при скрутке пар в сердечник, а также при наложении защитной оболочки. Определенные ограничения выдвигаются и к прокладке таких кабелей с целью уменьшения отражений от изгибов.

Структурные возвратные потери (SRL) кабеля суммируются с потерями на отражение соединительных устройств, что приводит к увеличению общих возвратных потерь (RL) передающего тракта. График суммарных возвратных потерь представляет собой сильно изрезанную кривую, пример которой изображен на Рисунке 6. Видно, что на нижних частотах кривая не менее изрезана, чем на верхних. Изрезанность на нижних частотах вызвана в основном отражениями от соединителей, в то время как на верхних она обусловлена внутренними отражениями в кабеле. Обратим внимание, что амплитуда осцилляций кривой уменьшается с ростом частоты — это обусловлено увеличением затухания волны в кабеле при распространении. Для кабелей Категории 5е данный эффект проявляется еще в слабой мере, но для кабелей Категории 6 явление насыщения становится заметным в полной мере.

Рисунок 6. Возвратные потери тракта Avaya GigaSPEED.

Если на кривой возвратных потерь четко видна гармоническая составляющая (на Рисунке 6 это видно), то это значит, что какие-то две нерегулярности особенно велики. Периодичную составляющую с наибольшей частотой вызывают два соединителя, расположенные далеко друг от друга, например соединения горизонтального кабеля с розеткой и кросс-панелью. В то же время длинные «волны» на графике возвратных потерь обычно обусловлены нерегулярностями, находящимися близко друг от друга (соединения на концах одиночного шнура).

ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПАР

В стандартах на структурированные кабельные системы волновое сопротивление витых пар задано в пределах 100+15% (Ом). Замечу, что этот параметр в теории определен для сечения пары, а фактически — на небольшом ее отрезке (до 1/8 длины волны) и зависит от частоты. Прямо измерить волновое сопротивление реального кабеля невозможно, так как он обладает существенной неоднородностью, и поэтому прибегают к косвенным методам — измеряют входное сопротивление (Input Impedance) и уже по нему определяют волновое сопротивление.

В кабелях связи для измерений волнового сопротивления традиционно используется метод холостого хода и короткого замыкания (ХХ и КЗ). При этом методе входное сопротивление дважды измеряется — при ХХ и КЗ на выходе линии, а волновое сопротивление вычисляют как Zв = Ц(Zхх?Zкз). Этот метод достаточно хорош при низких частотах (примерно до 20 МГц). При высоких частотах (до 100 МГц и выше) начинают играть роль описанные в предыдущем разделе нерегулярности волнового сопротивления витых пар, что приводит к большим ошибкам нахождения волнового сопротивления по измерениям входного.

В чем же причины ошибок? Из-за нерегулярностей кривая входного сопротивления на верхних частотах становится сильно изрезанной, и выделить из нее собственно волновое сопротивление крайне сложно. Попытки это осуществить делались неоднократно, но об окончательных результатах говорить рано. Нахождение волнового сопротивления по измерениям входного в нижней части диапазона не представляет особых трудностей — для этого можно применить так называемое «сглаживание», т. е. выделение некоего текущего среднего значения. Попытки применить «сглаживание» в верхней части рабочего диапазона пока, на мой взгляд, успехами не увенчались. До сих пор относительно неплохо удается измерить только входное сопротивление тракта.

Что же делать для точного нахождения волнового сопротивления кабельных изделий? Поскольку описанный выше способ на высоких частотах явно непригоден, я рекомендую применить известный метод, используемый для оценки параметров радиочастотных кабелей. Прием состоит в определении волнового сопротивления по результатам измерений емкости пары и ее электрической длины. К сожалению, этот метод довольно трудоемкий, плохо поддается автоматизации и поэтому не получил широкого распространения.

ПОТЕРИ И ЗАДЕРЖКА СИГНАЛА

Распространяясь по тракту, сигнал теряет свою энергию. Процесс уменьшения амплитуды сигнала при передаче от начала линии к концу называется затуханием (или ослаблением) и на английском обозначается термином attenuation. На нижних частотах рабочего диапазона (до ~50 МГц) потери сигнала при передаче почти совпадают с собственным затуханием кабельного тракта. При переходе к более высоким частотам (до 100 МГц и выше) потери обуславливаются не только собственным затуханием, но и отражениями в тракте, рассмотренными в предыдущих разделах. Этот процесс меняет плавный («гладкий») ход кривой затухания на слегка извилистый, что хорошо видно на Рисунке 7. Данный факт получил отражение в стандартах: в их новых версиях термин attenuation заменяется на insertion loss, т. е. вносимые потери, где учитывается добавка потерь на отражение. В упрощенной, не совсем верной, трактовке вносимые потери равны сумме затухания и потерь на отражение. Из графиков на Рисунке 7 видно, что из-за отражений в тракте общие потери слегка увеличиваются, по сравнению с регулярной парой, а сама кривая приобретает довольно извилистый характер.

Рисунок 7. Вносимые потери тракта Avaya GigaSPEED.

Согласно стандартам, задержка сигнала в линии нормируется. На задержку сигнала влияют длина пары, ее шаг скрутки и, в небольшой мере, регулярность. Норма на задержку в тракте составляет 555 нс, а на перекос задержки — 50 нс; эти условия легко выполняются в современных кабельных трактах. При еще больших скоростях передачи, возможно, названный параметр приобретет критический смысл. В настоящее время обычный разброс задержек в парах составляет 10—12 нс между крайними значениями.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛИЯНИЯ

Требования Категории 6 по PS NEXT и PS ELFEXT для тракта показаны в виде графиков на Рисунках 8 и 9. Там же приведены частотные характеристики этих параметров для трактов SYSTIMAX GigaSPEED компании Avaya Communication, состоящих из кабеля 1071, модульного гнезда MGS300, панели переключений PatchmaxGS и соединительных шнуров D8GS. Тракты имеют длину 100 м и содержат четыре соединителя, а по характеристикам значительно превышают требования Категории 6.

Рисунок 8. Суммарное переходное затухание на ближнем конце (PS NEXT) для трех трактов (Channels) GigaSPEED компании Avaya.

Продукция Avaya GigaSPEED, как и ряда других производителей (см. Таблицу 4), выпускается в течение нескольких лет. За это время ведущие производители уже достигли и превзошли на серийной продукции определяемый Категорией 6 уровень.

Рисунок 9. Суммарная защищенность на дальнем конце (PS ELFEXT) для трех трактов (Channels) GigaSPEED компании Avaya.

ИСПЫТАНИЯ

Цикл создания крупной кабельной системы обычно состоит в следующем. Сначала, базируясь на одном из стандартов: ISO/IEC 11801, EN 50173 или ANSI/TIA/EIA-568-B, готовят эскизный проект. Далее, используя СНИПы («Строительные нормы и правила»), с учетом других стандартов (в США — EIA/TIA 569, 606, 607) разрабатывают более подробный проект, называемый рабочим. Затем приступают к монтажу: осуществляют прокладку кабелей, установку розеток, другого соединительного и кроссового оборудования.

В процессе монтажа проводят полевые испытания кабельной системы при помощи кабельных тестеров (анализаторов). На этой стадии смонтированную и протестированную проводку уже можно сертифицировать по всем правилам, чтобы получить гарантии производителя кабельных систем на срок 15—20 лет. Испытания компьютерной проводки следует выполнять периодически и в процессе эксплуатации, чтобы убедиться в ее соответствии стандарту. Таким образом обеспечивается жизненный цикл кабельной системы.

ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА ПРОВОДКИ

Наиболее трудоемкая часть проводки — это горизонтальные пробросы (четырехпарные кабели длиной до 90 м, с двумя соединителями на концах). В новых зданиях пробросы прокладывают во время строительства, а в старых — при реконструкции и капитальном ремонте. В это время выполняется наибольший объем дорогостоящих работ — штробирование стен, монтаж коробов, пробивка отверстий в стенах и потолках и т. д. Поэтому так высока ответственность прокладки пробросов, особенно в исторически ценных зданиях: любое несоответствие стандартам, любые ошибки при трассировке ведут к большому дополнительному объему трудоемких строительно-монтажных работ, а иногда приводят к срыву графика строительства и даже сроков сдачи объекта.

Именно в этот период столь ответственные работы ведутся в самых сложных условиях: в зданиях, где во время строительства часто присутствуют грязь, пыль, не очень хорошее освещение, иногда — в обстановке аврала. Если ошибки строительных рабочих обычно видны невооруженным глазом и тут же исправляются, то погрешности при прокладке кабелей и установке розеток в стенах могут быть выявлены, как правило, когда кабели подсоединены к розеткам и пробросы становятся доступными для тестирования приборами.

По изложенным причинам маркировка, а затем и тестирование проводки приобретают большое значение. При маркировке кабели часто перепутывают; иногда соответствующая маркировка вообще отсутствует. Тестирование, случается, выявляет, что длины горизонтальных кабелей превышают допустимый по стандартам предел (90 м). Иногда ошибочно прокладывается не тот тип кабеля, монтируются розетки не той категории, или неправильно выполняется их разводка.

Поэтому столь большая ответственность лежит на испытателях кабельных систем, обычно их проводят сертифицированные монтажники или инженеры. При тестировании они пользуются приборами, специально предназначенными для испытаний кабельных систем, — кабельными тестерами или кабельными анализаторами. Далее речь пойдет в основном о стандартах для испытаний компьютерных проводок и о приборах — кабельных тестерах.

СТАНДАРТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ

До недавнего времени при полевых испытаниях высокоскоростной проводки обычно использовались американские нормативные документы TIA TSB 67, поскольку других просто не было. В многочисленных статьях, а также в книгах акцент делается на этот технический бюллетень, хотя TSB 67 даже не является стандартом США. В последние пару лет появились новые стандарты, которые целиком или частично посвящены вопросам тестирования скоростных кабельных систем.

Испытаниям кабельных систем Категорий 5е и 6 было посвящено несколько статей в «Журнале сетевых решений/LAN». В этих работах затронуты проблемы тестирования высокоскоростных компьютерных проводок, отраженные в американских стандартах. Аналогичный международный стандарт IEC 61935-1 принят в 2000 г. и называется Generic cabling systems — Specification for the testing of balanced communication cabling in accordance with ISO/IEC 11801-Part 1: Installed cabling («Общие кабельные системы. Спецификация для тестирования симметричной связной проводки в соответствии с ISO/IEC 11801. Часть 1: Инсталлированная проводка»).

Международный стандарт на испытания проводки — обширный документ: в нем 60 страниц убористого текста, множество формул, 21 рисунок и 9 таблиц. При чтении создается впечатление, что документ сильно перегружен различными аналитическими выражениями; в то же время в стандарте явно ощущается нехватка практических советов. Изучать его все же необходимо: этим стандартом придется пользоваться во время испытаний кабельных систем в Европе — он принят и в качестве европейского стандарта (комитетом европейской стандартизации в области электротехники CENELEC). Нет сомнений, что все кабельные тестеры в ближайшие годы будут приведены в соответствие с этим стандартом.

В стандарте IEC 61935-1 имеется две схемы линий для испытаний: проброс (Permanent Link) и тракт (Channel). Обратим внимание, что традиционной для прежних стандартов схемы базовой линии (Basic Link) в этом стандарте нет. Справочная (Reference) схема проброса и тракта дана на Рисунке 10.

Проброс состоит из горизонтального кабеля и двух соединителей на концах. Тракт состоит из проброса, двух шнуров к электронному оборудованию (сетевому — слева и оконечному — справа на Рисунке 10) и соединительного (кроссового) шнура в этажном распределителе (концевые соединители в тракт не входят). Горизонтальный кабель должен иметь длину до 90 м; шнуры в сумме не должны быть длиннее 10 м. Для испытаний именно таких линий и должны быть пригодны все новые кабельные тестеры. Аналогичные схемы для испытаний имеются в американском стандарте на проводку Категории 6 TIA/EIA-568-B.2-1.

КАБЕЛЬНЫЕ ТЕСТЕРЫ

Отрасль приборостроения добилась поразительного прогресса за последние пять лет, причем как в методиках измерений, так и в сервисной части. Тестовые приборы достигли такого уровня точности и удобства работы с ними, о которых раньше можно было только мечтать. По существу, один прибор представляет собой целую испытательную лабораторию, автоматически выполняющую измерительные процедуры. В финале можно подготовить, отредактировать и распечатать полный или частичный отчет об испытаниях, даже с элементами статистической обработки. Протоколы тестирования хранятся в памяти прибора, с указанием даты, места и времени испытаний. Кое-кто может подумать, что мы говорим о незначительных вещах, но многолетний опыт массовых испытаний кабельной продукции показал их первостепенную важность.

Во время изучения стандартов на кабельные системы Категорий 5е и 6 мы пользовались кабельными анализаторами DSP-2000 и DSP-4000 компании Fluke. Каждый прибор состоит из двух блоков — основного и дополнительного, поэтому многие тесты выполняются с обоих концов линии. Типовые испытания базовых линий (Basic Link) и трактов (Channel) проводятся в режиме AUTOTEST. По имеющейся информации для тестера DSP-4000 компании Fluke выпущен дополнительный адаптер для измерений параметров проброса (Permanent Link) в соответствии с требованиями упомянутых выше стандартов. Испытания в автотесте предусматривают полностью автоматические измерения всех параметров и характеристик, с возможностью запоминания результатов и распечатки протоколов.

Объем информации по результатам одного тестирования настолько большой, что описать его полностью нет никакой возможности. В памяти прибора на хранение остаются протоколы автотестирования, а также графики и характеристики последнего испытания. Если выполнять полный набор испытаний нет необходимости, то прибор можно перевести в режим одиночных тестов (Single Test), в котором можно подробно изучить один или несколько параметров. Наиболее познавательно в этом положении переключателя режимов рассматривать характеристики TDX и TDR. Первая показывает места перехода помех с пары на пару, а вторая дает импульсную рефлектограмму по длине линии. Прибор имеет также режим работы, при котором можно выполнять отладку линии, поиск неисправностей в ней. В рассматриваемом режиме измерения производятся периодически, каждые несколько секунд, так что можно успеть за это время обнаружить и устранить неисправность. Правда, данный способ работы очень энергоемкий, и пользоваться им в полевых условиях следует только в случае острой необходимости.

Интересная особенность обоих приборов — они показывают наименьший запас по каждому параметру (MARGIN) и наименьший запас по самому критическому параметру (HEADROOM). Не вдаваясь в подробности: HEADROOM — это тот минимальный «просвет», который отделяет испытываемую линию от брака, т. е. от выхода за пределы стандарта. Тестер DSP-4000 указывает, какой именно параметр находится на грани срыва, а DSP-2000, к сожалению, такой информации не дает, и испытателю приходится находить этот параметр самому.

КРАТКИЙ ПРОТОКОЛ АВТОТЕСТА

Тестирование линии организуется следующим образом. Основной блок тестера оставляем на ближнем ее конце, а дополнительный блок переносим на дальний конец. С помощью шнуров оба блока присоединяем к линии. Включаем прибор в режиме AUTOTEST и нажимаем на кнопку Test. За 20—30 с он выполняет полное автоматическое испытание линии по всем стандартным параметрам.

Во время автотеста прибор «пощелкивает» и мигает лампочками, но полученных данных не демонстрирует, а только дает ответ на вопрос: проходит или не проходит линия по всем требованиям установленного стандарта. Чтобы результаты испытаний можно было увидеть на дисплее прибора, надо нажать соответствующую кнопку, после чего они появляются либо в виде колонки цифр, либо в виде графика, со всеми необходимыми надписями.

После каждого испытания линии в режиме AUTOTEST прибор содержит очень много данных, которые можно вывести на печать. Основные же цифры, характеризующие проводку, сохраняются в энергонезависимой памяти и умещаются на одну страницу формата А4. Таких коротких протоколов в приборе может храниться около 500. Эти протоколы можно просматривать, редактировать, распечатывать подряд или по выбору, удалять из памяти тестера.

На Рисунке 11 приведена распечатка краткого протокола. В верху протокола находится «шапка», состоящая из двух колонок. В левой колонке печатается обозначение тестируемой линии, наименование компании, фамилия оператора, дополнительные данные об испытаниях. В правой колонке представлены основные сведения о результатах тестирования линии: прошла или не прошла испытания (PASS/FAIL), HEADROOM, дата, время, тип кабеля, марка тестера и стандарт, на соответствие которому проводится тестирование.

Под «шапкой» помещается таблица, разделенная на две части (верхнюю и нижнюю), правда, это разделение несколько условно. В верхней части помещаются параметры, не зависящие от частоты: длина линии (Length), задержка при распространении сигнала (Prop. Delay), перекос задержки (Delay Skew), сопротивление на постоянном токе (Resistance), волновое сопротивление (Impedance). В эту же часть таблицы попало затухание (Attenuation) — зависимый от частоты параметр, но имеющий наибольшее значение на наивысшей частоте (250 МГц).

В нижней части таблицы даны наихудшие результаты измерений частотно-зависимых параметров, с обоих концов линии — с ближнего (Main) и дальнего (Remote). Названия вынужденно даются не по концам линии, а по наименованиям блоков тестера. Отдельные данные приводятся о наихудших измеренных значениях параметра (Worst Value) и о наименьших запасах по параметру (Worst Margin). Кроме того, напечатаны предельные значения, допустимые по стандарту (Limit). В целом создается впечатление, что количество приводимых данных несколько избыточно: с трудом можно представить, кто из специалистов возьмется их все обрабатывать.

Над верхней частью таблицы, под «шапкой», помещены данные проверки схемы разводки проводов в соединителях (Wire Map) и результат определения того, как соответствуют друг другу контакты разъемов на обоих концах линии (Result RJ45 PIN).

ИСПЫТАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЛИНИИ

Для эксперимента был специально собран и испытан полномасштабный тракт. По составу он соответствовал стандарту, но горизонтальный кабель был смотан в бухту. Экспериментальная линия представляла собой модель тракта, а не эксплуатационный объект, и была собрана из компонентов Avaya SYSTIMAX.

Обратим внимание, что аналогичная модель тракта уже была испытана в 1996 г., результаты испытаний были опубликованы в апрельском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 1997 г. Тогда еще не было тестеров с поддержкой диапазона частот до 300 МГц, измерения проводились на отдельных частотах (по точкам), поэтому в апрельской статье 1997 г. опубликованы таблицы, а не графики. При измерениях погонного и переходного затуханий было снято несколько сотен точек; все испытания заняли около месяца. Теперь же подобное тестирование линии потребовало около 2 ч, при этом мы получили более подробные данные, чем в 1996 г. Результаты 2001 г. представлены в виде графиков погонного затухания и переходного затухания (NEXT) на Рисунке 12.

Как подтверждается многочисленными публикациями, тракт, собранный из однотипных компонентов одного производителя, обычно удовлетворяет требованиям стандартов на Категории 5е и 6. Сложнее обстоит дело при сборке линии из компонентов разных производителей — здесь часто бывает, что удовлетворить требованиям этих Категорий не удается, особенно в случае Категории 6.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Часто возникает вопрос: для каких приложений будет использована Категория 6? 1000 BaseT Gigabit Ethernet функционирует по проводке Категории 5e. Других, более скоростных приложений для локальных сетей пока не просматривается. Для чего же выпускать Категорию 6, с широкополосностью 250 МГц?

Попробую ответить на этот вопрос. Во-первых, проводка Категории 6 не является чем-то принципиально новым — она лишь слегка отличается конструктивно от всем привычной проводки Категории 5e, т. е. она представляет собой эволюционное развитие Категории 5 и обратно с ней совместима. Во-вторых, по Категории 6 лучше, свободнее работает нынешняя версия 1000 BaseT Gigabit Ethernet, когда передача и прием осуществляются одновременно по четырем парам проводов. Главное же то, что по Категории 6 сможет работать новый стандарт на Gigabit Ethernet: в нем также задействуются все четыре пары, но передача осуществляется по одним двум парам, а прием — по другим двум парам, в противоположных направлениях. В печати уже имеются сведения о разработке 1000 BaseTX Gigabit Ethernet, по аналогии с 100 BaseTX Fast Ethernet, самой распространенной сейчас версией.

В принципе возможно создание более скоростных систем для медной проводки: например, с темпом передачи 2,5 Гбит/с, в качестве промежуточного варианта между 1GigE и 10GigE. Скорость 2,5 Гбит/с позволяет организовывать стыки с сетями ATM, одна из иерархических ступеней которого имеет темп передачи около 2,5 Гбит/с. Таким образом, подобные потоки могут поступать по медной проводке в локальную сеть и по ней распределяться. Это обеспечит хороший стык между транспортной сетью с довольно высокой скоростью передачи и локальной сетью корпорации.

Повторюсь: Категория 6 достаточно мало отличается от Категории 5e, и она входит в практику почти незаметно. Внешне компоненты Категории 6 выглядят почти так же, как Категории 5e, они давно выпускаются серийно (см. Таблицу 4).