Выбор структурированной кабельной системы
Категории СКС
На рубеже 2002 года началась очередная смена поколений кабельных систем локальных сетей. Действующие стандарты морально устарели, приняты новые категории, требующие частичной замены установленных линий, разрабатываются новые стандарты. В таких условиях выбор систем на длительный срок эксплуатации, оказывается непростой задачей. Для ее решения нужна многоплановая информация, в том числе, о тенденциях развития кабельных систем. Именно она позволяет находить оригинальные решения и создавать открытые системы с реальными гарантиями будущего.
Принятие в 1991 году стандарта категории 3 имело далеко идущие последствия. Шестнадцатикратное расширение частотного диапазона витой пары по сравнению с категорией 2 (1 МГц) явилось впечатляющим шагом вперед. В результате изменились представления о витой паре, как о среде передачи только для речевых приложений. Была опубликована первая версия стандартов СКС. Витая пара начала вытеснять коаксиальный кабель.
В 1997 года в организациях стандартизации разного уровня была начата работа по спецификации параметров категорий 6 и 7, вновь расширяющих диапазон витой пары в два и шесть раз соответственно. В июне 1999 году Ассоциация стандартов Института инженеров электроники и электротехники приняла стандарт протокола витой пары Gigabit Ethernet IEEE Std 802.3a. В конце того же года Ассоциация телекоммуникационной промышленности совместно с Ассоциацией электронной промышленности утвердили Приложение ANSI/TIA-568-A-5 "Спецификации параметров передачи 4-парных 100-омных кабельных систем категории 5е". В сентябре 2000 года вступили в действие стандарты класса D (аналогичные категории 5е), принятые международной и европейской организациями стандартизации. В 2002 году принята вторая редакция стандарта ISO/IEC 11801, включающая спецификацию параметров кабелей и разъемов категорий 1 - 7 и линий / каналов классов C, D, E и F.
Таблица 2 Хронологическая таблица принятия категорий СКС.
| Категория СКС | Диапазон частот | Приложения, под которые разрабатывались категории | Год принятия стандарта |
| Категория 3 | 16 МГц | Ethernet, 10Base-T | |
| Категория 4 | 20 МГц | Token Ring 16Мбит/с | |
| Категория 5 | 100 МГц | 100Base-TX (Fast Ethernet) АТМ 155 | |
| Категория 5E | 100 МГц | 100Base-TX (Fast Ethernet) 1000Base-T (Gigabit Ethernet) | |
| Категория 6 Категория 7 | 200 МГц 600 МГц | Gigabit Ethernet 1000Base-TX Gigabit Ethernet 2,5 Гб/с Предложений нет | 2002 |
Как видно из приведенной таблицы, выбор категории СКС под текущие приложения обеспечивает срок службы не более двух - трех лет. Исключение составляет категория 5, которая продержалась без изменений четыре года.
Следует отметить, что за десять лет меняется не менее семи поколений компьютеров и три поколения сетевых устройств. Тенденция развития информационных технологий на рубеже 2000 годов показывает, что темпы увеличения объема передаваемых данных в локальных сетях не уменьшаются, а возрастают. СКС призвана обеспечить десятилетний срок службы без замены кабелей горизонтальной подсистемы.
Ретроспектива
Практика показывает, что срок появления систем, расширяющих частотный диапазон, не превышает пяти лет. Скорости передачи данных возрастают на порядок каждые четыре года. Сегодня мы стоим на границе третьего качественно нового шага вперед в смене поколений среды передачи. Весьма поучительно было бы сравнить сегодняшние проблемы выбора с проблемами начала 90-х годов.
Итак, начало девяностых годов. Появились стандарты, которые дали возможность использовать более дешевые и практичные (по сравнению с коаксиальными) четырехпарные кабели для передачи данных. Принципы открытых систем, гарантирующие не менее чем десятилетний срок службы структурированных кабельных систем (СКС), позволяли решить дорогостоящую проблему несовместимости частных систем и необходимости замены кабелей вместе с заменой активного оборудования.
Системы категории 3 обеспечивали скорость передачи данных 10 Мбит/с для существующих и до 100 Мбит/с - для разрабатываемых стандартов. Для абонентских линий, к которым были подключены компьютеры типа 8088 и 286 с тактовой частотой 8 - 16 МГц, такая производительность была вполне достаточной, а перспективы казались практически безграничными.
Заказчикам требовалось принимать решения на основе неполной информации и с множеством неизвестных. Не было стандартов категории 5, приложений класса D, даже полевых тестеров, чтобы измерить параметры на частоте выше 16 МГц. Что выбрать? Стандартную открытую систему категории 3 или систему, имеющую резерв качества передачи сигналов?
Сегодня можно сказать, что заказчики, которые решили установить СКС с резервом параметров и перспективой на будущее, приняли правильное решение. Им не пришлось менять систему, в отличие от тех, кто выбрал категорию 3. Новые протоколы оказались совместимыми. Своевременное увеличение скоростей передачи данных в сети позволило сэкономить время и деньги.
Качество передачи сигналов означает не только резерв на будущее. Это более высокая надежность повседневной работы сети. С точки зрения инвестиций, цена на элементы более качественной системы была не намного выше, чем категории три, а с учетом трудозатрат на проектирование и монтаж разница в цене оказывалась и вовсе несущественной.
Предел категории 5
В начале 2000 годов категория 5 оказалась в положении, в котором категория 3 была в 1995 году. С одной стороны был достигнут пик установок, с другой стороны - категория 5 оказалась устаревшей.
Приняты новые стандарты, требующие замены кабельной инфраструктуры. Действующий с 1999 года стандарт 1000 Base T GIGABIT ETHERNET разработан с учетом перехода на новую среду передачи – категорию 5е.
По мнению Целевой группы кабельных разъемов Ассоциации телекоммуникационной промышленности (TIA Connecting Hardware Task Group) только 30 - 40% разъемов Категории 5 имеют удовлетворительные характеристики наводок однонаправленной передачи (FEXT). Чтобы оценить пригодность имеющихся каналов категории 5 для работы гигабитных протоколов требуются измерения комплекса параметров дорогостоящими тестерами. Вполне вероятно, ресертификация потребует замены части розеток, панелей и даже кабелей. Поскольку большинство СКС блочные, то есть на одну конструктивно неразъемную панель монтируют 12, 24 и более линий, дефектовка нескольких гнезд панели может потребовать ее полной замены. Такие случае вполне вероятны при полном заполнении коммутационных шкафов.
Категория 5е сегодня оставляет заказчикам меньше резервов на будущее, чем категории 4 в начале девяностых годов. Кажется, что она решает проблему и обеспечивает работу протокола нового поколения. Да, но не дает резерва на будущее. Что касается увеличения динамического диапазона, переход с категории 5 к 5е - это даже меньший шаг вперед, чем с категории 3 на 4. Сравните: его улучшение во всей полосе частот на 12 дБ в первом случае и на 3 дБ – во втором. В абсолютных величинах – в 11 и 0,5 раз соответственно.
При этом в отличие от категории 4, расширенной до 20 МГц, стандарт категории 5е попытались уложить в те же 100 МГц. Здесь можно возразить, что в результате принятых мер достигнут десятикратный прирост производительности. Действительно GIGABIT EHTERNET обеспечивает скорость передачи данных 1000 Мбит/с. Увеличение скорости передачи объясняется тем, что в гигабитных системах используются все четыре пары, работающих одновременно в обоих направлениях, (дуплексная связь), пятиуровневое кодирование и цифровая обработка сигналов. Однако все четыре пары были задействованы также и в стомегабитном протоколе 100 Base T4, для работы которого было достаточно среды передачи категории 3.
Через два года после принятия стандарта четвертой категории она была забыта. Причина? Несущественное улучшение параметров и появление стандарта категории 5, пятикратно расширившего частотный диапазон. Не случится ли то же самое с категорией 5е, как только появится стандарт категории 6? Не обнаружат ли заказчики, выбравшие гигабитные системы, что через два - три года категория 5е морально устареет? Скорее всего, ответы будут утвердительными.
Перспектива на срок службы
Замена кабелей локальных сетей в здании требует значительных инвестиций и приводит к нарушению производственного ритма предприятия. Особенно сложно проводить модификации в горизонтальной подсистеме СКС, поскольку она включает более 90% всех кабелей, которые в наибольшей степени, по сравнению с магистральной подсистемой, интегрированы в конструкцию здания. Их прокладывают в стенах, полах и потолках. Даже при наличии лотков, коробов и фальш-панелей не избежать многочисленных проходов сквозь стены и перекрытия и сложных маршрутов прокладки кабелей, требующих больших трудозатрат. Поэтому долговечность горизонтальной подсистемы является важнейшим требованием.
Горизонтальная подсистема СКС в подавляющем большинстве случаев состоит из электропроводных кабелей. Именно этим объясняется такое внимание разработке новых категорий и выбору систем с резервом на несколько поколений сетевых устройств.
Выбор зависит в первую очередь от оценки того, какие приложения появятся и потребуются в течение этого срока. По оптимистичным прогнозам Gigabit Ethernet по витой паре начнет повсеместно использоваться на абонентских каналах не ранее 2002 года. Планку таких скоростей поднимают в первую очередь возможности персональных компьютеров. В первую очередь, скорость обработки и передачи информации на внутренних шинах.
Шина используется для обмена данными оперативной памяти центрального процессора и всех периферийных устройств, включая сетевые карты и дисководы.
По текущим оценкам стоимость решений Gigabit Ethernet на абонентских каналах в 2 -3 раза превышает стоимость Fast Ethernet. Это уже неплохо, учитывая десятикратное увеличение производительности. В ближайшее время цена обоих решений и разница в цене будут уменьшаться. Наряду с ростом потребностей в скорости передачи и повышением эффективности использования протокола переход на Gigabit Ethernet в горизонтальных подсистемах СКС станет экономически целесообразным.
Следовательно, проблема выбора сводится к тому, считают ли заказчики скорость на абонентских каналах в один гигабит в секунду достаточной для обозримого будущего, и не предусматривают ли они роста потребностей сверх этого предела через пять лет и более. Однако не все производители гарантируют совместимость категорий и элементов. Эту проблему следует рассмотреть особо.
Совместимость
Важнейший принцип построения СКС – открытость. СКС любого производителя должна обеспечить работу активного оборудования любого производителя. Кроме того, от СКС требуется поддержка приложений более низких классов. Таким образом, следует обеспечить три типа совместимости:
· совместимость разъемов (механическое соответствие разъемов различных производителей);
· совместимость категорий (возможность создания канала из кабелей разных категорий / классов);
· совместимость элементов (электрическое соответствие разъемов различных производителей).
Совместимость разъемов
Вопросы механической совместимости разъемов вплоть до категории 6 не вызывают сомнений. Стандарт RJ 45, определяющий параметры штекеров и разъемов, является безальтернативным для электропроводных локальных сетей. Единый тип разъемных соединений - это одно из важных преимуществ таких систем по сравнению с оптоволоконными. Что касается категории 7, спецификация разъемов находится в стадии разработки. Выбор типа интерфейсов сведен к предложениям компаний Alcatel и Siemon. Рабочая группа 3 Международной организации стандартизации (ISO), потребовала доработать конструкцию разъема Alcatel для стандартизации. Вариант Siemon выбран в качестве резервного.
Совместимость категорий
Для Международной организации стандартизации, разрабатывающей стандарты категорий 6 и 7, данная проблема является в настоящее время ключевой. Проблема совместимости категорий сводятся к конструкции разъема, который специфицирован стандартами только до 3 МГц. Фактически это конструкция, предназначенная для телефонных приложений, которую совершенствуют для расширения диапазона частот. Одно- или двухрядная гребенка восьмиконтактного коннектора, на которую врезают проводники, не позволяет избежать существенной разбалансировки витых пар. Для монтажа разъема на кабель требуется снять около 2,5 см оболочки и расплести витые пары примерно на половину этой длины. В результате, параметры кабеля ухудшаются примерно на порядок.
Компенсация одних параметров приводит к ухудшению других. Детальное изучение комитетом 48В существа вопроса заставляет усомниться даже в возможности принятия единого типа разъема, обеспечивающего механическую совместимость. Это сигнал о том, что эволюционное совершенствование традиционных коннекторов, разработанных для речевых приложений, достигло своего предела.
Разработчики стандарта стоят перед выбором - новый тип разъемов или отказ от принципа совместимости категорий. Радикальный вариант, означающий переход на новый тип коннекторов, потребует подготовки спецификаций гнездовых и штекерных разъемов и их включения в новую редакцию стандарта.
В определенном смысле участники встречи решили сделать шаг назад, чтобы найти приемлемое решение. Однако данная проблема не нова. Производители СКС давно пытаются улучшить параметры традиционных коннекторов.
Несколько ведущих компаний отрасли проводит разработку либо имеет серийную продукцию, основанную на принципиально новых конструкциях и методах монтажа коннекторов. Пионером в этой области является компания ITT NS&S, Великобритания, которая создала новый тип разъемов еще в 1991. Это обеспечило резерв параметров, который не исчерпан до настоящего времени и превосходит возможности категории 6. Более того, резерв параметров обеспечивает увеличение длины каналов и числа разъемных соединений. При этом обеспечены все виды совместимости.
Существенным признаком резерва параметров, который уменьшает риск ошибки выбора, является отличная от традиционной конструкция разъема, которая позволяет уменьшить снятие оболочки и расплетение витых пар в несколько раз. Кроме того, такие разъемы отличает отсутствие печатной платы и модульная конструкция.
Совместимость категорий предусматривает возможность построения канала из элементов разных категорий. Такая ситуация будет типичной для пользователей, которые установят СКС категории 6, рассчитывая на длительный срок эксплуатации системы.
В настоящее время гигабитные приложения используют в магистральных каналах и для подключения серверов. Через несколько лет эти приложения станут абонентскими. Следовательно, гигабитная среда передачи будет использована для приложений класса D - Fast Ethernet, ATM 155 и др. Для снижения расходов эксплуатации системы заказчики выберут дешевые соединительные кабели категории 5 / 5e. Они вправе ожидать, что такие каналы будут иметь параметры, приемлемые для работы сети.
Однако проект стандарта в редакции предложений, принятых Международной организацией стандартизации, не обеспечивает совместимости категорий. Более того, не все производители гарантируют совместимость категорий собственных систем. Это значит, что базовая линия шестой категории плюс соединительные кабели пятой категории не обеспечат функциональных параметров канала категории 5.
Данная проблема имеет частные решения. Это значит, что отдельные компании предлагают системы категории 6, которые обеспечивают совместимость категорий, составленных их элементов одного производителя.
Критерии выбора
Важнейший фактор выбора - это текущие и перспективные потребности заказчика. Прогноз степени загрузки сетей - это задача, которую администраторы сетей и проектировщики телекоммуникационной инфраструктуры офисных зданий должны решать для каждого конкретного случая. Выбор зависит от учета внешних и внутренних факторов. В каждой ситуации требуется анализ предшествующего развития и оценка перспектив. Самое безопасное решение для типовых проектов систем, создаваемых арендаторами отдельных помещений или части зданий, - открытые системы и апробированные стандарты. Категория системы будет определяться периодом аренды, возможностями расширения сети и требованиями приложений. Ряд руководителей считают скорость сети в 10 Мбит/с вполне достаточной как для настоящего, так и для обозримого будущего.
Не все заказчики требуют системы, которые будут эксплуатироваться одно - два десятилетия. При выборе СКС для арендованных помещениях владельцам зданий и их заказчикам чаще всего не удается договориться об условиях финансирования проектов. В результате кабельная проводка, которая относится к инфраструктуре здания, создается на средства арендаторов и с краткосрочной перспективой. Если при этом в жертву приносят также и качество, проекты выполняют, как правило, без всякой перспективы под текущие потребности из сборных элементов тайваньского производства и с грубейшими нарушениями стандартов. В результате – низкая надежность, высокие эксплуатационные издержки, потери рабочего времени, вызывающие перебои с информацией, проблемы с клиентами, в конечном итоге, негативно влияющие на результаты бизнеса. Не говоря уже о безнадежно испорченном интерьере помещений, также имеющем свои последствия.
Структурированные или, другими словами, хорошо организованные системы, востребованы руководителями компаний, уже сумевшими или желающими создать эффективно действующую и конкурентную структуру. Инвестиции планируются с учетом начальных и последующих расходов и долговечности систем.
Для крупных организаций, испытывающих дефицит производительности каналов, выбирают СКС с максимальным резервом параметров. Если руководство осознает, что цена потерь времени из-за недостаточного быстродействия рабочих станций и сети недопустимо высока, оно также предпочтет более прогрессивные кабельные системы. Например, в строящихся современных офисных зданиях с большой степенью интеграции кабельных систем целесообразно установить категорию не ниже 5е.
В условиях, когда существующие стандарты категорий кабельных систем устаревают, не просуществовав и пяти лет, а новые стандарты находятся в процессе разработки и непрерывных изменений, заказчики должны хорошо представлять тенденции развития структурированных кабельных систем. Одна из них - незначительное улучшение параметров систем и увеличения скоростей передачи данных за счет использования всех резервов витых пар, кодирования и цифровой обработки сигналов. Другая - расширение частотногодиапазона под протоколы, которые будут разрабатываться в будущем.
Для выбора кабельной системы с перспективой многолетней эксплуатации следует оценивать резерв взаимосвязанных параметров, для чего необходимы профессиональные знания.
Оценить расходы на создание небольших СКС достаточно просто. Для числа пользователей порядка единиц – нескольких десятков оптимальным будет вариант одноранговой СКС, то есть системы с единственным центром коммутации и топологией типа “звезда”. Сетевые окончания размещаются на панелях, фиксируемых в шкафу. От панелей проложены кабели к розеткам. Гнезда розеток и панелей являются интерфейсами СКС. Их также называют портами. На одного пользователя приходится два порта. Цены указываются в расчете на один порт.
Итак, создание СКС может потребовать инвестиций от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч и более долларов. В условиях роста технологий предпочтительной на данный момент является категория СКС 5е.
2.3. Выбор топологии
Выбор используемой топологии зависит от условий, задач и возможностей, или же определяется стандартом используемой сети. Основными факторами, влияющими на выбор топологии для построения сети, являются:
· среда передачи информации (тип кабеля);
· метод доступа к среде;
· максимальная протяженность сети;
· пропускная способность сети;
· метод передачи и др.
Рассмотрим вариант построения сети: на основе технологии Fast Ethernet.
Данный стандарт предусматривает скорость передачи данных 100 Мбит/сек и поддерживает два вида передающей среды – неэкранированная витая пара и волоконно-оптический кабель. Для описания типа передающей среды используются следующие аббревиатуры, табл.
Таблица 3 Стандарт Fast Ethernet.
| Название | Тип передающей среды |
| 100Base-T | Основное название для стандарта Fast Ethernet (включает все типы передающих сред) |
| 100Base-TX | Экранированная или неэкранированная витая пара категории 5 и выше. |
| 100Base-FX | Многомодовый двухволоконный оптический кабель |
| 100Base-T4 | Витая пара. 4 пары категории 3, 4 или 5. |
Правила проектирования топологии стандарта 100Base-T.
Следующие топологические правила и рекомендации для 100Base-TX и 100Base-FX сетей основаны на стандарте IEEE 802.3u
100Base-TX.
Правило 1: Сетевая топология должна быть физической топологией типа «звезда» без ответвлений или зацикливаний.
Правило 2: Должен использоваться кабель категории 5 или 5е.
Правило 3: Класс используемых повторителей определяет количество концентраторов, которые можно каскадировать.
· Класс 1. Можно каскадировать (стэковать) до 5 включительно концентраторов, используя специальный каскадирующий кабель.
· Класс 2. Можно каскадировать (стэковать) только 2 концентратора, используя витую пару для соединения средозависимых портов MDI обоих концентраторов.
Правило 4: Длина сегмента ограничена 100 метрами.
Правило 5: Диаметр сети не должен превышать 205 метров.
Правило 6: Метод доступаCSMA/CD.
100Base-FX.
Правило 1: Максимальное расстояние между двумя устройствами – 2 километра при полнодуплексной связи и 412 метров при полудуплексной для коммутируемых соединений.
Правило 2: Расстояние между концентратором и конечным устройством не должно превышать 208 метров.
Существует несколько факторов, которые необходимо учитывать при выборе наиболее подходящей к данной ситуации топологии.
Таблица 4 Преимущества и недостатки топологий.
| Топология | Преимущества | Недостатки |
| Шина | Экономный расход кабеля. Сравнительно недорогая и несложная в использовании среда передачи. Простота, надежность. Легко расширяется | При значительных объемах трафика уменьшается пропускная способность сети. Трудно локализовать проблемы. Выход из строя кабеля останавливает работу многих пользователей |
| Кольцо | Все компьютеры имеют равный доступ. Количество пользователей не оказывает сколько-нибудь значительного влияния на производительность | Выход из строя одного компьютера может вывести из строя всю сеть. Трудно локализовать проблемы. Изменение конфигурации сети требует остановки работы всей сети |
| Звезда | Легко модифицировать сеть, добавляя новые компьютеры. Централизованный контроль и управление. Выход из строя одного компьютера не влияет на работоспособность сети | Выход из строя центрального узла выводит из строя всю сеть |
Исходя из всего вышеперечисленного, оптимальным видом топологии для проекта является звездная топология стандарта 100Base-TX с методом доступа CSMA/CD, так как она имеет широкое применение в наши дни, её легко модифицировать и у нее имеется высокая отказоустойчивость.
2.4. Выбор способа управления сетью
Каждая организация формулирует собственные требования к конфигурации сети, определяемые характером решаемых задач. В первую очередь необходимо определить, сколько человек будут работать в сети. От этого решения будут зависеть многие этапы создания сети.
Количество рабочих станций напрямую зависит от предполагаемого числа сотрудников. В нашем случае это 200 сотрудников, и соответственно 200 рабочих станций. Другим фактором является иерархия компании. Для фирмы с горизонтальной структурой, где все сотрудники должны иметь доступ к данным друг друга, оптимальным решением является простая одноранговая сеть. Фирме, построенной по принципу вертикальной структуры, в которой точно известно, какой сотрудник и к какой информации должен иметь доступ, следует ориентироваться на более дорогой вариант сети – с выделенным сервером. Только в такой сети существует возможность администрирования прав доступа.
 | |||
|
В нашем проекте на предприятии имеется 200 рабочих станции, которые требуется объединить в корпоративную сеть. Следуя из схемы выбора типа сети, решаем, что в нашем случае требуется установка сервера, так как во-первых мы должны обеспечить вертикальную структуру (то есть разграниченный доступ к информации) и во-вторых количество рабочих станций предполагает управление сетью с выделенным сервером.
2.5. Выбор комплектующих