Тридцатилетняя история Ethernet продемонстрировала теснейшую связь между развитием сетевых решений и эволюцией кабельных систем.

Впервые название Ethernet было предложено в 1973 г. Б. Меткалфом, работавшим в исследовательском центре компании Xerox. Когда в 1976 г. Xerox приступила к переделке разработанного сетевого решения в сеть производительностью 20 Мбит/с, она была переименована в Xerox Wire. В 1979 г. компании Digital, Intel и Xerox, решив создать стандартный протокол со скоростью передачи 10 Мбит/с, вернулись к названию Ethernet. Затем американский Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) предпринял стандартизацию сетевых приложений, завершившуюся в 1983 г. принятием знаменитого стандарта IEEE 802.3 на Ethernet.

ПЕРВЫЙ ЭТАП СТАНДАРТИЗАЦИИ

Базовые принципы построения сетей Ethernet определяются стандартом IEEE 802.3, а, именно спецификациями 10Base2 для поддержки Ethernet по тонкому коаксиальному кабелю и 10Base5 — по толстому коаксиальному кабелю. В 1990 г. была принята спецификация 10BaseT — для Ethernet по витым парам. Последняя появилась в связи с тем, что многие здания имели кабельную проводку с витыми парами для цифровой телефонной связи. На этом первый этап стандартизации завершился.

Капитальная (на толстом коаксиале) сеть Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с имеет топологию шины и требует применения специального, так называемого «желтого» кабеля. Она содержит трансиверы (приемопередатчики), устанавливаемые на самом кабеле с помощью «вампиров» — врезаемых в кабель съемников, к которым и крепятся трансиверы. Последние подсоединяются к рабочим станциям (компьютерам) отдельным кабелем доступа со специальными разъемами. Сегмент (участок) такой сети Ethernet имеет протяженность до 500 м и включает до 100 устройств.

Сеть Ethernet на базе тонкого коаксиального кабеля более мобильна и удобна в строительстве и эксплуатации. При той же скорости передачи в 10 Мбит/с она базируется на более легких кабелях и разъемах. Рабочие станции имеют встроенные в адаптеры (сетевые платы) трансиверы, а весь монтаж очень прост — соединения производят прямо на задней стенке компьютера. Длина сегмента может достигать 185 м, при этом можно подключить до 30 устройств. На практике нормальная работа сети возможна при длинах сегментов 300 и более метров. Последовательно можно соединить до трех сегментов, а между ними еще включить две соединительные линии. Участки сети Ethernet на тонком кабеле могут подключаться к сети на толстом кабеле для формирования сети большого размера.

В отличие от описанных выше сетей на толстом и тонком коаксиальных кабелях, сеть Ethernet на витых парах имеет топологию «звезда». Компьютеры подсоединяют к концентратору/коммутатору с помощью сегментов из витых пар, длина которых не должна превышать 100 м. Такая конфигурация упрощает подключение новых рабочих станций и делает их более независимыми друг от друга. Следует помнить, что между двумя компьютерами в сети Ethernet должно быть не более пяти кабельных сегментов, включая соединительные линии между концентраторами.

Кабели. В описанных выше сетях Ethernet применяется всего два вида кабельной продукции: коаксиальные кабели («желтого» и тонкого, типа RG-58C/U) и симметричные кабели с витыми парами (к концу первого этапа стандартизации разработана Категория 3). Это вызывает по крайней мере недоумение, так как в каталогах ведущих кабельных компаний имеется много других кабелей для локальных сетей, но они в наиболее массовых сетях практически не употребляются.

Соединители. В сетях Ethernet на коаксиальных кабелях используются коаксиальные соединители: для сетей на толстом кабеле — соединители типа N (7/3 мм), на тонком кабеле — BNC (байонетного типа). Кроме того, в них применяются T-коннекторы (тройники) и терминаторы (оконечные нагрузки), тоже коаксиального исполнения. Довольно быстро в широкую практику вошел монтаж с помощью обжимных соединителей. Кабели между собой сочленяют с помощью соединителя «гнездо—гнездо» (barrel), но применять такие переходники следует как можно реже. Лучше всего между рабочими станциями включать цельные, неразрезанные отрезки кабеля.

Применяемый в сетях Ethernet на витых парах соединитель типа RJ45 заделывают на кабель из витых пар, монтируют на сетевые платы, встраивают в корпуса аппаратуры и в стенные розетки. В соединителе имеется восемь контактов, к которым и присоединяют восемь проводов от четырех пар. В сети Ethernet, как правило, задействуются только две пары. К окончанию первого этапа распространились разъемы с врезными контактами.

ETHERNET И МЕДНАЯ ПРОВОДКА

Ниже мы проследим, каким образом взаимодействуют в процессе развития Ethernet и медные кабельные системы (см. Рисунок 1). В 1990 г. была выпущена спецификация Ethernet для витых пар (IEEE 802.3, 10BaseT). До этого долгие годы Ethernet работал по коаксиальным кабелям. По замыслу новый Ethernet должен был функционировать по распространенной в то время телефонной проводке из витых пар (речь идет о США). Стандартов на такие кабельные системы еще не существовало, тем не менее американской Ассоциации электронной промышленности/Ассоциации промышленности средств связи (EIA/TIA) удалось достаточно быстро разработать стандарт EIA/TIA-568 1991 г. на компьютерную проводку. Несколько позднее те же организации выпустили два технических бюллетеня (TSB-36 и TSB-40) на компоненты проводки (линейные кабели и соединительное оборудование) Категорий 3, 4 и 5, со спецификациями на рабочие полосы 16, 20 и 100 МГц соответственно. Появление этих документов стимулировало работы по кабельным системам Категории 5, завершившееся выпуском стандартов на такие проводки.

Рисунок 1. Развитие стандартов на Ethernet и кабельные системы.

Взрывоподобное распространение кабельных систем Категории 5 началось между 1992 и 1995 гг. В 1995 г. были опубликованы сразу три стандарта на компьютерную проводку: TIA/EIA-568-A, ISO/IEC 11801 и CENELEC 50173 (американский, международный и европейский соответственно). Практически одновременно IEEE выпустил спецификацию 802.3u 100BaseTX со скоростью передачи 100 Мбит/с (Fast Ethernet) в расчете на проводку Категории 5.

Выход этих стандартов и спецификаций подвел итог длительному периоду расцвета разнообразных сетей и проводок, довольно памятному всем. Но уже в то время зрели замыслы еще более скоростных сетей: образованная в 1996 г. организация Gigabit Ethernet Alliance нацелилась на создание приложения со скоростью передачи данных 1000 Мбит/с. В связи с этим были предприняты попытки модернизировать Категорию 5, в результате чего появилась спецификация TIA/EIA на «улучшенную» Категорию 5 (Категорию 5е). Gigabit Ethernet удалось втиснуть в прокрустово ложе этой категории, и в 1999 г. вышла спецификация IEEE 802.3ab 1000BaseT, которую правильнее было бы именовать 1000BaseT4, так как в данной сети передача и прием идут одновременно по всем четырем парам, в полнодуплексном режиме.

Развитие кабельных систем на этом не остановилось. Вдохновленные успехами, разработчики принялись за создание Категории 6, с рабочей полосой 250 МГц. Задача была поставлена в 1997 г., а уже в 2002 г. вышел стандарт на проводку Категории 6 TIA/EIA-568-B. При ее применении, конечно, значительно вольготнее будет себя чувствовать и существующий Gigabit Ethernet 1000BaseT, но есть надежда на скорое создание нового приложения — 10 Gigabit Ethernet. В печати такие сообщения имеются со ссылкой на разработчиков подобных технологий.

Заметим, что одновременно выпущены стандарты на Категорию 7 (полоса 600 МГц, экранированные кабели с индивидуальными экранами на каждой из четырех пар), в случае которой Gigabit Ethernet может свободно работать по двум парам. Более того, это открывает путь к созданию приложений, намного более скоростных, чем Gigabit Ethernet, но это уже последующая история. Имеющиеся же сейчас Категория 6 (с полосой 250 МГц) и Категория 7 (с полосой 600 МГц) требуют многочисленных усилий по их освоению. В то же время специалисты по кабельным системам ведут разработку Категории 8 с рабочей полосой 1200 МГц.

ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ДОСТУПА

В начале 80-х гг. прошлого века в сетях Ethernet доступ к физической среде осуществлялся достаточно сложным образом. На коаксиальный кабель одевалось вручную специальное приспособление, содержавшее иглу для прокалывания коаксиального кабеля, — так называемый «вампир». Игла касалась центрального проводника кабеля и обеспечивала передачу сигналов в устройство внешнего доступа (AUI). Оно, в свою очередь, через многожильный кабель соединялось с рабочей станцией, куда и передавались преобразованные данные. Подключиться к коаксиальному кабелю можно было практически в любом месте. Такой способ доступа использовали, когда средой передачи служил толстый кабель, он требовал сложной ручной работы и квалифицированного персонала.

Появившийся позже в локальных сетях тонкий коаксиал не позволял реализовать такой способ доступа, в связи с чем было создано тройниковое соединение. В том месте, где необходимо подключиться к среде, тонкий коаксиальный кабель разрезали, а получившиеся концы армировали коаксиальными разъемами байонетного типа (BNC). Эти разъемы, в свою очередь, присоединяли к тройнику (Т-коннектору), который подключали к рабочей станции. Такой способ был проще и требовал значительно меньше ручной работы. Несмотря на появление нового способа доступа, сетевые адаптеры еще долгое время выпускались с двумя входами — AUI и BNC, что позволило использовать их в сетях как с толстым, так и с тонким коаксиальными кабелями.

Дальше произошло следующее. С принятием стандарта EIA/ TIA-568 остались только четыре среды для компьютерных сетей: скрученные (витые) пары с волновым сопротивлением 100 и 150 Ом, тонкий коаксиал и оптическое волокно. В этом стандарте на поддержку телефонных сетей были рассчитаны только витые пары, поэтому постепенно тонкий коаксиал был вытеснен из компьютерных сетей. В стандарте TIA/EIA-568-A тонкий коаксиал оставался только на случай ремонта действующих сетей; в новом строительстве его не применяли. Из следующей версии стандарта, TIA/EIA-568-B, витая пара с волновым сопротивлением 150 Ом также исчезла, в результате чего остались всего два типа возможных сред передачи: витая пара и оптическое волокно. Тем не менее адаптеры еще многие годы выпускали с двумя входами — BNC и RJ45 (для витых пар). И лишь в последнее время сетевые карты стали изготовлять только с одним портом — восьмиконтактным RJ45.

За этот период соединители RJ45 претерпели значительную эволюцию. Применяемые вначале простые разъемы Категории 3 предназначались еще для телефонии. Рабочая полоса частот составляла в то время не более 10—20 МГц. Неудачный, с моей точки зрения, выбор номеров контактов для Ethernet в соединителе (1-2, 3-6) привел к перехлесту проводов в разъеме. Это, в свою очередь, потребовало усложнения конструкции соединителя — применения рамок в целях компенсации этого перехлеста. В то же время старшие категории кабелей требовали утолщения изоляции проводов, из-за чего последние перестали помещаться в традиционном разъеме. Все вышесказанное привело к модификациям соединителя как для Категории 5, так и для Категории 6.

Подключение компьютера к сети через сетевую плату (адаптер) происходит с помощью черырехпарного шнура, оконцованного разъемами RJ45. В настоящее время самостоятельное ручное оконцевание шнуров не допускается. Данное требование связано с тем, что за последние десять лет это изделие претерпело значительные улучшения и стало прецизионным продуктом. На его качество влияют различные тонкости, соблюсти которые стало невозможно при ручной заделке. Таким образом, ручной монтаж по осуществлению доступа к сети за прошедшее время сведен к минимуму. Мы видим, что доступ к сетевой проводке значительно упростился: вместо большого объема ручной работы в сетях на толстом коаксиале (в начале развития этой технологии) теперь требуется только вставить восьмиконтактный разъем в розетку.

ETHERNET И ОПТИЧЕСКАЯ ПРОВОДКА

Первый стандарт IEEE 802.3j (1993 г.) для Ethernet по оптике (10BaseFL) получил незначительное распространение из-за дороговизны в то время оптических компонентов (см. Таблицу). Последовавший за ним IEEE 802.3u (1995 г.) Fast Ethernet (100BaseFX) постигла та же судьба. Новая попытка широко внедрить Ethernet по оптической проводке была предпринята в 1998 г. — IEEE 802.3z (1000BaseSX; 1000BaseLX), но и она в значительной мере сведена на нет выходом в 1999 г. стандарта IEEE 802.3ab — Gigabit Ethernet по четырехпарному медному кабелю (250 Мбит/с по каждой паре). Надо заметить, что к этому времени и оптические кабели, и соответствующая электроника резко подешевели, что привело к большему распространению сетей на базе оптической проводки. Последовавшее через четыре года (июнь 2002 г.) принятие стандарта IEEE 802.3ae (1000BaseSX) открыло широкую дорогу для 10 Gigabit Ethernet (10GigE) по оптической проводке.

Таблица. Стандарты на Ethernet по оптическому волокну.

В ответ на появление последовательной серии стандартов IEEE 802.3 организации по стандартизации структурированных кабельных систем выпустили череду своих стандартов, где узаконивалась оптическая проводка для локальных сетей. В исходном стандарте EIA/TIA-568 волоконно-оптической проводке уделено лишь небольшое место. Вышедшая затем серия стандартов 1995 г. содержала развернутые спецификации на оптические системы: в TIA/EIA-568-A имеется большой раздел с методами испытаний отдельных компонентов, а в ISO/IEC 11801 и EN 50173 — в значительно меньшем объеме. В США в апреле 2000 г. утверждена уже отдельная часть стандарта TIA/EIA-568-B.3: Optical Fiber Cabling Components (волоконно-оптические компоненты проводки).

В 2001 г. утвержден стандарт TIA/EIA-785 для построения сетей Fast Ethernet по оптическому волокну с излучателями на короткой волне 850 нм — 100BaseSX. Он стимулировал развитие локальных сетей с недорогой электроникой, где использовались светоизлучающие диоды. В начале 2003 г. принято дополнение к этому стандарту, направленное на дальнейшее удешевление горизонтальных систем с применением оптических проводок (см. Таблицу).

До этих событий оптика применялась, в основном, в вертикальных подсистемах и междомовых магистралях. С принятием стандартов на приложения GigE и 10GigE, работающих по оптической проводке, наблюдается значительный рост применения оптических кабелей в локальных сетях. Одновременно Ethernet стали использовать и на сетевых магистралях для передачи больших потоков на значительные расстояния.

Оптическое волокно. Все последнее десятилетие в локальных сетях Ethernet использовались только две конструкции многомодовых оптических волокон, с размерами 50/125 мкм и 62,5/125 мкм (первое число — диаметр сердцевины, второе —диаметр оболочки). По этим волокнам сигналы передаются на длинах волн 850 нм и 1300 нм. Одно время казалось, что волокно 62,5/125 вышло на первые роли, но теперь почти повсеместно в локальных сетях используется волокно 50/125. Дело в том, что у такого волокна широкополосность почти в два раза больше, чем у волокна 62,5/125. Те преимущества, которые волокно 62,5/125 демонстрировало вначале, со временем сошли на нет, между тем как широкополосность оказалась чрезвычайно важной характеристикой. Так, в стандарте США TIA/EIA-568-A (1995 г.) волокно 50/125 даже не упоминается, а уже в TIA/EIA-568-B (2000 г.) присутствуют оба варианта, причем они имеют равное значение. Все последние приложения Ethernet предусматривают работу по оптическому волокну 50/125 мкм. По существу, этот тип волокна становится основным для внутренних проводок локальных сетей. Во внешних частях кабельных сетей наибольшее применение находит одномодовое волокно.

Соединители. До недавнего времени в сетях Ethernet практически повсеместно использовался оптический коннектор SC. Он вошел во все стандарты 1995 г. на структурированные кабельные системы, имеет насадку диаметром 2,5 мм и внутреннюю защелку, существует в одинарном и двойном исполнениях. Фактически SC стандартизован как основной соединитель для локальных сетей Ethernet. Многомодовый и одномодовый варианты соединителя имеют различную окраску корпуса: серый или бежевый — для первого и голубой — для второго типа волокна.

В последние несколько лет получил распространение малогабаритный соединитель типа LC. В нем применен наконечник диаметром 1,25 мм, защелка с внешним рычагом, а по габаритам он почти в два раза меньше, чем SC. Так как в локальных сетях используется двухволоконная горизонтальная проводка, в результате достигается полная взаимозаменяемость по числу портов в панелях переключений для медной и оптической проводок: на место одного гнездового модуля RJ45 можно вставить два разъема LC. Более того, некоторыми производителями выпускаются унифицированные панели, откуда можно просто вынуть модуль RJ45, и на его место вставить модуль со сдвоенным малогабаритным соединителем LC.

ETHERNET И ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРОВОДКА

Условия эксплуатации компьютерных сетей в промышленности значительно отличаются от тех, которые имеют место в офисных помещениях. Обсуждение вопросов использования Ethernet в промышленной автоматике началось относительно недавно, всего несколько лет тому назад. Новый альянс по промышленному применению информационных сетей Industrial Automation Open Networking Alliance (IAONA) получил международное признание и сотрудничает с организациями по стандартизации. Этот альянс вырабатывает требования к кабельной системе и к элементам проводки. И проектировщики, и монтажники получают от него технические требования к подобным системам, с учетом жестких условий промышленной эксплуатации. В них учтены принципы построения структурированных кабельных систем, изложенные в стандартах EN 50173-1 и IEC 11801:2002.

В документах IAONA определены два класса сред эксплуатации: Light Duty и Heavy Duty. Класс Heavy Duty рассчитан на производственные помещения с тяжелыми условиями окружающей среды: пыль, пониженные или повышенные температуры, присутствие агрессивных газов и жидкостей. Эти же технические документы устанавливают требования к кабелям и соединителям, из которых собирается кабельная система.

Кабели. В разрабатываемом стандарте EN 50173-3 (третья модификация европейского стандарта EN 50173) предполагается предусмотреть специальный раздел, касающийся промышленной проводки. К числу вопросов, рассматриваемых в этом разделе, относится и выбор оболочки кабеля как основного элемента защиты от окружающей среды, в частности — в сложных условиях.

Популярными материалами для оболочек по-прежнему остаются полиэтилен и фторопласт. Широко применяемый поливинилхлорид дешев, имеет хорошие противопожарные свойства и устойчив к воздействию масел и других химических веществ. Однако при горении поливинилхлорид выделяет токсичные газы, приводящие к удушью. Полиамид загорается быстрее, но при горении удушливые газы не выделяет. Он имеет хорошую стойкость к истиранию и высокую хладостойкость (от -600С), поэтому годится для внешних магистралей и проводок к технологическому оборудованию. Полиуретан обладает положительными свойствами полиамида и вдобавок гибок и устойчив к воздействию агрессивных веществ. Область его рабочих температур ограничена диапазоном от -400С до +850С, и он может использоваться в подвижном режиме.

Соединители. Разъемы для промышленных сетей Ethernet должны иметь электрические характеристики Категории 5е, высокую степень защиты от окружающих воздействий (на уровне IP67) и достаточную прочность.

В проекте стандарта IEC 61076-3-106 предложено несколько вариантов конструкции разъема на базе RJ45 — отличие их только в исполнении корпусов. Еще один тип соединителя, М12, предлагается в стандарте IEC 61076-2-101. Традиционно он применялся для подключения датчиков и исполнительных механизмов в автоматике, т. е. от него не требовались высокочастотные характеристики при передаче информационных сигналов. К сожалению, до настоящего времени не удалось создать восьмиконтактный разъем на базе М12 с характеристиками Категории 5е. Поэтому рабочая группа выбрала четырехконтактный вариант, достаточный для функционирования Fast Ethernet (100BaseTX).

В области волоконно-оптических систем исследования еще так далеко не продвинулись. Пока рекомендуется ориентироваться на описанные в предыдущем разделе соединители типа SC и LC с применением герметизации и вести их дальнейшую доработку для промышленных систем. Стандартизация подобных оптических соединителей намечена и развивается.

10GIGABIT ETHERNET ПО ВИТЫМ ПАРАМ

В процессе работы над Категорией 5е выяснилось, что параметры компонентов проводки могут быть значительно, даже кардинально улучшены. В результате появилась Категория 6, возможность создания которой до 1996 г. почти не рассматривалась. Более того, в то время была предложена совершенно другая «Категория 6», в которой использовали дважды экранированные кабели: индивидуальный экран на каждой паре плюс экран всего сердечника (PiMF). Эта «Категория 6» продвигалась в Германии — для нее уже были разработаны соответствующие кабели (Siemens) и соединители (AMP Netconnect). Собранная из них проводка имела рабочую полосу до 600 МГц, но ее функционирование было возможно только через крайние контакты экранированного соединителя.

В стандартизованной позднее проводке, получившей наименование Категории 6, индивидуально экранированные пары не применялись и, кроме того, использовался модернизированный соединитель RJ45, хотя в начале разработки возможность его применения в новой категории вызывала сомнение. Таким образом, эволюционным путем, без радикальных изменений кабелей и соединителей, удалось создать кабельную систему с полосой пропускания в два с половиной раза большей, чем у Категории 5е. Напомню, что улучшение алгоритмов кодирования и параметров проводки позволили увеличить производительность сетей Ethernet по проводке Категории 5е в десять раз за период в четыре-пять лет.

С формированием в 2002 г. группы по изучению возможностей создания сети 10Gigabit Ethernet по медной проводке (IEEE 802.3 10GBaseT Study Group) комитет IEEE 802.3 фактически приступил к разработке соответствующего стандарта. На одном из заседаний Study Group одобрила серию предложений по тракту для 10Gigabit Ethernet, основанному на проводке Категории 6. В частности, длина такого тракта будет находиться в пределах 55—100 м, а его широкополосность должна составлять 625 МГц. Study Group обязалась поддерживать связь с организациями по стандартизации кабельных систем TIA/EIA и ISO/IEC для разработки соответствующих спецификаций.

На ноябрьской встрече 2003 г. комитет IEEE 802.3 дал зеленый свет разработке проекта стандарта 10GBaseT, в котором впервые будут востребованы характеристики проводок, превосходящие Категорию 6. Целью проекта является завершение разработки стандарта 10GBaseT в 2006 г. Комитет IEEE 802.3 единогласно поддержал формирование рабочей группы 802.3an для разработки стандарта 10GBaseT в сжатые сроки. Большинство участников комитета IEEE 802.3 уверены, что одновременное создание необходимых микросхем и кабельной системы с гарантированным запасом по характеристикам, превосходящим Категорию 6, сделает реальной передачу 10 Гбит/с через эффективную по стоимости проводку с витыми парами.

Давид Гальперович — старший научный сотрудник ОКБ кабельной промышленности, к.т.н. С ним можно связаться по тел. 583-5472.