Кабель по требованию
Как избавиться от слабостей оптического
кабеля и головоломок медного
Никому не придет в голову включать мощный промышленный генератор в ту же розетку, что и обычный фен. Хотя вряд ли рядовая домохозяйка сталкивается в жизни с подобной альтернативой, она прекрасно иллюстрирует важный момент: если вы будете применять для создания сети с требующими все большей пропускной способности приложениями устаревший кабель, то в итоге можете оказаться на грани "электрической анархии".
Когда речь заходит о высокой производительности, то кабели упоминаются обычно далеко не в первую очередь, однако они способны оказать существенное влияние на возможности вашей сети. Кроме того, сетевое оборудование, такое как маршрутизаторы и коммутаторы, становится все более сложным, а сети должны поддерживать все более "требовательные" технологии, включая FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и ATM, поэтому кабельная инфраструктура испытывает все возрастающую нагрузку. Наконец, современная кабельная система должна строиться с учетом тенденции перехода от разделяемых сетей к коммутируемым, так как сегментация локальной сети предъявляет к ней дополнительные требования.
В данной статье мы рассмотрим некоторые возможности создания кабельной системы с более высокой пропускной способностью, а также проанализируем факторы, влияющие на ее производительность. Кроме того, мы остановимся на вопросах тестирования, ценовых составляющих и стандартах (как существующих, так и разрабатываемых), а также заглянем в будущее кабельных инфраструктур.
Комитет IEEE 802.3 Gigabit Ethernet работает над определением дополнительных параметров (выходящими за рамки TIA 568-A) с целью обеспечения передачи трафика Gigabit Ethernet по кабелю Категории 5. Сегодня производители выпускают медный кабель нескольких нестандартных Категорий и Уровней. Многие из них противоречивы из-за отсутствия официального статуса, а некоторые рассматриваются как недобросовестная реклама со стороны дистрибьюторов и отдельных отраслевых компаний. Давайте попробуем отделить факты от вымысла.
Значительным шагом в развитии сетей на медном кабеле стала усовершенствованная Категория 5 (впрочем, она формально еще не стандартизирована) с диапазоном рабочих частот до 200 МГц. Как ожидается, данная категория кабеля будет стандартизована не ранее чем через год. Более высоких характеристик носителя удалось добиться за счет совершенствования производственных процессов, уменьшающих переходное затухание в кабеле, например улучшения "коэффициента скручивания" между четырьмя парами, составляющими кабель Категории 5. К недостаткам можно отнести большую стоимость такого высокопроизводительного кабеля по сравнению со стандартным носителем Категории 5. Кроме того, поскольку усовершенствованный кабель Катего-рии 5 не экранирован, он подвержен перекрестным помехам при работе на более высоких частотах.
Категории 6 и 7, ни одна из которых формально также не стандартизирована, поддерживают диапазон рабочих частот 200 и 600 МГц соответственно. Эти Категории, вероятно, не будут стандартизованы еще в течение нескольких лет. Что касается международных усилий по стандартизации, два новых класса медного кабеля были предложены для включения в международный стандарт ISO/IEC 11801 осенью 1997 г.: Категория 6 (Класс E) рассчитана на 200 МГц, а Категория 7 (Класс F) - на 600 МГц. (Не путайте эти классы с упомянутыми выше Категориями 6 и 7.) Категория 6/Класс E будет скорее всего представлять собой кабель UTP, а Категория 7/Класс F - кабель с индивидуально экранированными витыми парами и разъем для передачи по четырем парам. Согласно прогнозам, спецификации на кабели Категории 6/Класса E и Категории 7/Класса F будут утверждены не ранее чем через два года.
Чтобы понять смысл коэффициента ACR, нужно иметь представление о других характеристиках: погонном затухании и переходном затухании на ближнем конце (Near-End Crosstalk, NEXT). Первое характеризует рассеяние сигнала при его прохождении по кабелю. ACR - это разница между погонным затуханием и NEXT для данной частоты. Чем меньше ACR, тем хуже качество сигнала. Переходное затухание вызвано тем, что проходящий по кабелю ток генерирует электромагнитное поле, негативно влияющее на смежные пары.
Хотя споры вокруг жизнеспособности данных стандартов в масштабах отрасли продолжаются, Фрэнк Колетто, вице-президент компании Anixter по маркетингу, ассортименту и структурированным кабельным системам, приводит ряд доводов в пользу новой программы: "Мы поставляем значительные объемы продукции за рубеж, где применяется множество стандартов кабелей, и вынуждены создать собственные внутренние спецификации данной продукции. Это позволяет нам классифицировать ее при продажах за рубежом".
Некоторые отраслевые компании не спешат с принятием идеи альтернативных схем категоризации. Патрик Баррон, конструктор систем коммуникаций из компании Telstar Com-munications, занимающейся консалтингом и инсталляцией кабельных систем, согласен с ними. Он сказал, что не стал бы спешить с приобретением новых марок кабеля, пока Telecom-
munications Systems Bulletin не даст на это "добро". Лишь время покажет, насколько быстро отрасль примет новую программу классификации. К моменту написания данной статьи компания Anixter готовилась анонсировать еще один аспект своей программы, предусматривающий различные уровни каналов. Производители выпускают продукцию, ориентированную на рынок с высокими требованиями к диапазону рабочих частот. Например, кабель MediaTwist фирмы Belden имеет рабочую частоту 350 МГц.
| Таблица 1 - РОСТ РЫНКА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ (тыс. км) | |||||
| 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | 2002 | |
| В США | |||||
| Одномодовый | 11 339 | 11 742 | 12 340 | 12 900 | 13 581 |
| Многомодовый | 1300 | 1580 | 1860 | 2190 | 2490 |
| В мире | |||||
| Одномодовый | 39 148 | 45 007 | 52 564 | 61 393 | 70 046 |
| Многомодовый | 3026 | 3726 | 4523 | 5517 | 6376 |
| Источник: корпорация KMI | |||||
Оптический кабель конструируется на основе двух типов волокон: пластиковых и стеклянных. Стеклянный кабель доказал свою способность поддерживать передачу данных со скоростью более 2,5 Гбит/с (что превосходит возможности пластикового волоконно-оптического кабеля) и устойчивость к возникновению таких проблем, как несоответствие волнового сопротивления. Волоконно-оптический кабель преобладает в магистральных сетях. Одна из причин заключается в том, что сегменты кабеля могут иметь протяженность 300 м, значительно превосходя ограничение на расстояние, характерное для медного кабеля. Между тем, несмотря на предпринимаемые усилия по расширению использования волоконно-оптического кабеля вплоть до уровня настольных систем, в подавляющем большинстве случаев настольные системы связаны с сетью медным кабелем.
Одним из препятствий к применению волоконно-оптического кабеля на настольных системах является его высокая стоимость, а также отсутствие необходимости в столь скоростном обмене данными между базовой магистралью и рабочей станцией. "Подавляющее большинство локальных сетей все еще функционирует на базе Ethernet, которая может работать хоть на колючей проволоке", - говорит Фрэнк Колетто из компании Anixter. Проблемы возникают, когда требования настольной системы возрастают. Хотя Патрик Баррон из Telstar считает волоконно-оптический кабель более надежным выбором для магистральных сетей, он согласен с тем, что его применение на уровне настольных систем обычно обходится слишком дорого. "NASA - пока единственное место, где волоконно-оптический кабель соединяет настольные компьютеры с сетью", - отметил он. В большинстве случаев высокие цены препятствуют его использованию.
Еще одним потенциальным препятствием служит то, что многие волоконно-оптические разъемы занимают больше места, чем разъемы RJ-45 для медных кабелей, а это требует увеличения пространства в отсеке связи. Больше пространства - больше денег.
Тони Бим, директор по маркетингу систем из компании AMP и председатель рабочей группы TIA Fiberoptic Task Group, отмечает недавние усовершенствования в соединительном оборудовании, таком как гнездовые разъемы, панели и шнуры переключений, а также другие принадлежности. Бим считает наиболее важным усовершенствование интерфейса гнезда/разъема, значительно уменьшающее переходное затухание. "Характеристики этих элементов должны точно соответствовать друг другу. Только в этом случае мы получим высокопроизводительный интерфейс", - сказал он. Потребность в более совершенном соединительном оборудовании не осталась незаме-
ченной производителями. Структурированная соединительная четырехпарная кабельная система UTP SYSTIMAX GigaSPEED компании Lucent Technologies передает частоты до 200 МГц. Система Quantum, выпускаемая AMP, включает в себя четырехпарный кабель UTP, шнуры переключений и связующее оборудование с передачей частот до 300 МГц.
Бим не сомневается в появлении новых разработок в области соединительных систем: "В 1998 г. многие производители приступят к выпуску систем с полным набором компонентов". Что касается волоконно-оптических разъемов, стандарт на компактный соединитель находится на рассмотрении TIA (если предложенный вариант будет одобрен, то он должен быть включен в TIA 568-A). По словам Бима, MT-RJ будет содержать два волокна при тех же размерах, что и у разъемов для медного кабеля. Между тем, похоже, производителям удастся добиться успеха даже в отсутствии стандартов. Например, компания 3M заявляет, что с ее дуплексным разъемом столь же легко работать, как и со стандартным разъемом RJ-45.
Медные кабели обладают рядом потенциальных недостатков, таких как переходное затухание, радиопомехи и электромагнитные шумы (Radio Frequency Interference/Electromagnetic Interference, RFI/EMI), погонное затухание, расфазировка сигнала, длительная задержка распространения, возвратные потери, несовпадение полного сопротивления (импеданса) и NEXT.
Расфазировка сигнала - общая проблема в гигабитных соединениях. Она возникает при наличии несоответствия или различия между двумя проводниками в паре, однако данное явление можно смягчить за счет надлежащей синхронизации сигнала.
Задержкой распространения называется время прохождения сигнала по кабелю от одного конца до другого. Возвратные потери - результат отражения сигнала обратно в точку передачи, а несовпадением полного сопротивления называют разницу в сопротивлении отдельных пар кабеля. Как уже отмечалось выше, переходное затухание на ближнем конце (NEXT) является следствием наводок в смежных парах кабеля, вызываемых электромагнитными полями. Они могут серьезно ухудшать характеристики кабеля.
Кроме того, некоторые характеристики относятся, в большей степени, к волоконно-оптическому кабелю. Важным фактором является ограничение на расстояние, более жесткое для многомодового волоконно-оптического кабеля, чем для одномодового носителя. Одна из причин такого ограничения - рассеяние (дисперсия) сигнала. В многомодовом волоконно-оптическом кабеле свет проходит по многим маршрутам (модам), каждый из которых дает разную задержку распространения. В результате возникает межмодовая дисперсия ("размазывание" импульса). По словам профессора Айры Джайкобса, в одномодовом волоконно-оптическом кабеле свет распространяется только по одному маршруту, следовательно, межмодовая дисперсия отсутствует. Между тем, поскольку оптические источники немонохромны, свет с разной длиной волны имеет разную задержку распространения, и внутримодовая дисперсия проявляется даже в одномодовом кабеле. Таким образом, если межмодовая дисперсия - свойство исключительно многомодового волоконно-оптического кабеля, внутримодовая дисперсия свойственна обоим типам волоконно-оптических кабелей и зависит от ширины спектра источника света, используемого для передачи сигналов по оптическому волокну.
Стеклянные и пластиковые кабели значительно различаются по своим характеристикам. Пластиковому волоконно-оптическому кабелю свойственно более высокое погонное затухание, хотя, согласно Джайкобсу, на коротких кабельных участках этот фактор не является критическим. Ранее для пластикового волоконно-оптического кабеля была характерна также бо,льшая межмодовая дисперсия, чем для стеклянного, что ограничивало скорость передачи данных в таком носителе. Между тем недавние усовершенствования привели к уменьшению различий между этими видами кабеля, и интерес к применению пластикового кабеля для высокоскоростной передачи данных на короткие расстояния резко возрос.
Д-р Йозеф Линде, президент и главный исполнительный директор компании Lanart, говорит об ограничениях на расстояние для многомодового волоконно-оптического кабеля следующее: "Многомодовый кабель способен поддерживать Gigabit Ethernet или более высокоскоростные технологии на участках протяженностью до 100 м. В случае необходимости в более широком диапазоне рабочих частот и большем расстоянии одномодовый волоконно-оптический кабель предпочтительнее". (Подробнее о проблемах, характерных для высокоскоростных кабелей, и их решениях рассказывается во врезке "Требования к кабелю".)
(1x1)
Рисунок 1.
Тест Basic Link - один из двух подходов, определенных
в бюллетене TSB 67. Данный тест предназначен для анализа только постоянных
кабельных соединений между стенной розеткой и телекоммуникационным шкафом.
Подрядчик отвечает, как правило, именно за эту часть проводки.
TSB 67 предусматривает четыре процедуры тестирования для погонного затухания, NEXT, длины и распайки кабеля. Тестирование затухания часто позволяет выявить повреждения кабеля или несоответствие его качества конкретному трафику. Тестирование NEXT предполагает измерение влияния одной передающей пары на смежную пару, а тест на определение длины служит для проверки протяженности кабельного сегмента на предмет выполнения ограничений, заданных в TSB 67.
Цель проверки распайки кабеля состоит в определении соответствия выводов соединителей на обоих концах. Такая проверка необходима, поскольку провода витой пары должны соединяться с заданными контактами разъемов.
Возвратные потери определены в стандарте ISO 11801. Если тест показывает,
что значительная часть сигнала возвращается к передающему источнику, это
может указывать на неправильную заделку или некорректное соединение на
другом конце линии.
(1x1)
Рисунок 2.
Конфигурация Channel, определенная в TSB 67 (Telecommunications
Systems Bulletin), включает кабели, коммутационные шнуры и промежуточные
соединения. За эту конфигурацию обычно отвечает администратор сети.
Правильная оценка переходного затухания на дальнем конце (Equal-Level, Far-End Crosstalk, ELFEXT) имеет важное значение для обеспечения параллельной передачи в процессе тестирования. При проверке ELFEXT измеряется влияние трех передающих пар на четвертую пару на предмет наличия потенциальных перекрестных наводок. Данный тест особенно важен для сетей Gigabit Ethernet и ATM на 622 Мбит/с, где используются все четыре пары кабелей. Измерение ELFEXT описывается в приложении к спецификации Категории 5.
| Ресурсы INTERNET | |
| Telecommunications Industry Association | www.tiaonline.org |
| International Society for Optical Engineering (SPIE) | www.spie.org |
| Ontario Laser and Lightwave Research Centre | www.ollrc.on.ca |
При тестировании суммарного переходного затухания на ближнем конце (Power-sum NEXT) измеряется влияние трех передающих пар на четвертую. Это особенно важно для таких технологий, как Gigabit Ethernet, поскольку в них задействованы все четыре пары кабеля. Для волоконно-оптического кабеля тестируются совсем другие параметры.
При выборе тестируемых параметров важно понимать, что каждый кабельный участок тестируется в соответствии с наивысшим применимым стандартом, а не с предполагаемой скоростью передачи данных. Профессор Джайкобс из Политехнического института рекомендует также снять характеристики волоконно-оптического кабеля (например, затухание и дисперсию) для всех возможных длин волн, на которых передача может осуществляться в будущем.
Устройство DSP 2000 фирмы Fluke предназначено для тестирования медного кабеля, но имеет и зонд для подключения к волоконно-оптическому кабелю; оно поддерживает максимальную тестируемую частоту в 155 МГц. Данная система основана на методе цифровой обработки сигналов. Компания-разработчик заявляет, что этот метод позволяет подавить перекрестные помехи, возникающие при подключении тестовой системы с помощью разъемов RG-45 к обоим концам кабеля. Прибор Pentascanner 350 компании Microtest поддерживает максимальную тестируемую частоту 100 МГц в соответствии со спецификациями 568-A.
Осенью прошлого года компания Scope выпустила зонд Fiber SmartProbe for WireScope, позволяющий преобразовать один из ее серийных анализаторов кабелей в тестер многомодового волоконно-оптического кабеля. Фирма Fotec предлагает измеритель для пластикового волоконно-оптического кабеля под названием Fotest и специализированные системы тестирования, позволяющие производить калибровку потерь в кабелях с учетом конкретных тестов (например, для тестирования локальных сетей или протяженных сетей сервис-провайдеров).
Оборудование для тестирования кабеля включает автоматизированные измерители мощности, идентификаторы кабеля и оптические измерители отраженного сигнала (Optical Time-Domain Reflectometer, OTDR). OTDR используются для измерения характеристик длинных кабельных участков.
Наиболее очевидной статьей расходов является приобретение самого кабеля. Она зависит от того, сколько за кабель платят дистрибьюторы, системные интеграторы и инсталлирующие организации. "В настоящее время стандартная бобина кабеля Категории 5 обходится мне более чем в 160 долларов, в то время как бобина кабеля Belden DataTwist 350 стоит 260 долларов, - говорит Патрик Баррон из компании Telstar. - Цена бобины кабеля 2061D производства AT&T доходит до 300 долларов". Очевидно, что эти затраты влияют на конечную стоимость проекта.
Кроме стоимости кабелей в расходы следует включить стоимость таких компонентов, как шнуры и панели переключений, соединители и стенные розетки. Основной составляющей стоимости являются трудозатраты, включая не только работы, связанные непосредственно с инсталляцией, но и последующую возможную модернизацию. Споры о том, что в конечном счете обходится дороже - медный или волоконно-оптический кабель, - продолжаются до сих пор. Волоконно-оптическая проводка стоит не дороже медного кабеля. Однако стоимость соответствующего оборудования, такого как концентраторы и сетевые платы, заметно превышает стоимость устройств для сетей на медном кабеле.
Между тем в долгосрочной оценке необходимо учитывать общую стоимость конфигурации. Поскольку инфраструктура на медном кабеле требует больше оборудования определенных типов (из-за присущих такому кабелю ограничений на расстояния), в централизованных инфраструктурах на волоконно-оптическом кабеле будет, скорее всего, использоваться меньше аппаратных компонентов. Такие конфигурации обычно состоят из волоконно-оптической магистрали в том же помещении, что и оборудование локальной сети и оборудование для соединения кабелей. Нужно принимать во внимание и то, что, хотя медный кабель дешевле волоконно-оптического, его приходится чаще модернизировать. Этот фактор может сместить чашу весов в пользу волоконно-оптического носителя.
Еще один метод предложен консорциумом Multiwavelength Optical Networking, поддерживаемым Управлением перспективных исследований и разработок Министерства обороны США (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA). Этот консорциум был образован для создания методов передачи информации в волоконно-оптических сетях с помощью света с разными длинами волн. Данная программа включает в себя план соединения сети в Нью-Джерси, реализованной на базе WDM, с городской сетью (Metropoliten-Area Network, MAN), связывающей ряд предприятий в Вашингтоне с помощью кольца WDM.
Данные проекты наряду с будущими разработками позволят еще более увеличить пропускную способность кабельных инфраструктур. Кто знает, возможно, в результате следующей модернизации вы получите выделенный канал для своего фена?
Отражение и рассеяние - это резкие изменения в направлении распространения световой волны. Они происходят на стыке двух различных сред или из-за неоднородностей в одной среде. По словам Джайкобса, в волоконно-оптическом кабеле незначительные случайные флуктуации в коэффициенте отражения стекла вызывают непрерывное рассеяние (так называемое Рэлеевское рассеяние), являющееся основной причиной потери (затухания) сигнала. Часть рассеянного сигнала распространяется по кабелю в обратном направлении. Рэлеевское рассеяние может накладывать ограничение на производительность некоторых систем. Поскольку обратное рассеяние является свойством волоконно-оптического кабеля, устранить его, как говорит Джайкобс, практически невозможно.
Еще один фактор, влияющий на пропускную способность, - расстояние, на которое сигнал может быть передан без регенерации. Поскольку волоконно-оптический кабель поддерживает значительно более высокую скорость передачи на существенно большие расстояния, чем медный кабель, он будет наиболее подходящим выбором для многих приложений, где требуется очень высокая производительность. Кроме того, при использовании медного кабеля с повышением частоты нередко возникают проблемы излучения и шумовых перекрестных помех.
Споры вокруг пригодности медного кабеля для высокоскоростных технологий передачи данных, таких как ATM, не утихают (частично из-за перечисленных выше факторов). По мнению Джайкобса, основной вопрос - не в свойствах самого носителя, а в комбинации среды передачи данных и расстояния, на которое сигнал передается. Способы, посредством которых удается добиться высокой скорости передачи данных по медному кабелю на средние расстояния, предусматривают сложные методы модуляции для управления спектром сигнала. Дальнейшие разработки в данной области могут открыть путь к созданию кабельных систем на медном носителе, способных поддерживать очень высокую скорость передачи данных при вполне разумной цене.