Введение в локальные сети
Глава 2.1. Кабели на основе витых пар
Средой передачи информации называются те линии связи (или
каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами.
В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются
проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети.
Информация в локальных сетях чаще всего передается в последовательном
коде, то есть бит за битом. Понятно, что такая передача медленнее и сложнее,
чем при использовании параллельного кода. Однако надо учитывать то, что
при более быстрой параллельной передаче увеличивается количество соединительных
кабелей в число раз, равное количеству разрядов параллельного кода (например,
в 8 раз при 8-разрядном коде). Это совсем не мелочь, как может показаться
на первый взгляд. При значительных расстояниях между абонентами сети стоимость
кабеля может быть вполне сравнима со стоимостью компьютеров и даже превосходить
ее. К тому же проложить один кабель (реже два разнонаправленных) гораздо
проще, чем 8,16 или 32. Значительно дешевле обойдется также поиск повреждений
и ремонт кабеля.
Но это еще не все. Передача на большие расстояния при любом типе кабеля
требует сложной передающей и приемной аппаратуры: для этого надо формировать
мощный сигнал на передающем конце и детектировать слабый сигнал на приемном
конце. При последовательной передаче для этого требуется всего один передатчик
и один приемник. При параллельной же передаче количество передатчиков
и приемников возрастает пропорционально разрядности используемого параллельного
кода. Поэтому даже при разработке сети незначительной длины (порядка десятка
метров) чаще всего все равно выбирают последовательную передачу.
К тому же при параллельной передаче чрезвычайно важно, чтобы длины отдельных кабелей были точно равны друг другу, иначе в результате прохождения по кабелям разной длины между сигналами на приемном конце образуется временной сдвиг, который может привести к сбоям в работе или даже к полной неработоспособности сети. Например, при скорости передачи 100 Мбит/с и длительности бита 10 не этот временной сдвиг не должен превышать 5-10 не. Такую величину сдвига дает разница в длинах кабелей в 1-2 метра. При длине кабеля 1000 метров это составляет 0,1-0,2%.
Правда, в некоторых высокоскоростных локальных сетях все-таки используют параллельную передачу по 2-4 кабелям, что позволяет при заданной скорости передачи применять более дешевые кабели с меньшей полосой пропускания, но допустимая длина кабелей при этом не превышает сотни метров. Примером может служить сегмент 100BASE-T4 сети Fast Ethernet.
Промышленностью выпускается огромное количество типов кабелей, например, крупнейшая кабельная фирма Belden предлагает более 2000 их наименований. Все выпускаемые кабели можно разделить на три большие группы:
- кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на экранированные (shielded twisted pair, STP) и неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);
- коаксиальные кабели (coaxial cable);
- оптоволоконные кабели (fiber optic).
Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе типа кабеля надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию. В настоящее время действует стандарт на кабели EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard), принятый в 1995 году и заменивший все действовавшие ранее фирменные стандарты.
Витые пары проводов используются в самых дешевых и на сегодняшний день, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки.
Обычно в кабель входит две витые пары (рис. 2.1) или четыре витые пары.
Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также слабой защищенностью от подслушивания с целью, например, промышленного шпионажа. Перехват передаваемой информации возможен как с помощью контактного метода (посредством двух иголочек, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Для устранения этих недостатков применяется экранирование.
Рис. 2.1. Кабель с витыми парами
В случае экранированной витой пары STP каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk - перекрестные наводки). Естественно, экранированная витая пара гораздо дороже, чем неэкранированная, а при ее использовании необходимо применять и специальные экранированные разъемы, поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.
Основные достоинства неэкранированных витых пар - простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также простота ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля. Все остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей. Например, при заданной скорости передачи затухание сигнала (уменьшение его уровня по мере прохождения по кабелю) у них больше, чем у коаксиальных кабелей. Если учесть еще низкую помехозащищенность, то становится понятным, почему линии связи на основе витых пар, как правило, довольно короткие (обычно в пределах 100 метров). В настоящее время витая пара используется для передачи информации на скоростях до 100 Мбит/с и ведутся работы по повышению скорости передачи до 1000 Мбит/с.
Согласно стандарту EIA/TIA 568, существуют пять категорий кабелей на основе неэкранированной витой пары (UTP):
- Кабель категории 1 — это обычный телефонный кабель (пары проводов не витые), по которому можно передавать только речь, но не данные. Данный тип кабеля имеет большой разброс параметров (волнового сопротивления, полосы пропускания, перекрестных наводок).
- Кабель категории 2 - это кабель из витых пар для передачи данных в полосе частот до 1 МГц. Кабель не тестируется на уровень перекрестных наводок. В настоящее время он используется очень редко. Стандарт EIA/TIA 568 не различает кабели категорий 1 и 2.
- Кабель категории 3 — это кабель для передачи данных в полосе часто до 16 МГц, состоящий из витых пар с девятью витками проводов на метр длины. Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Это самый простой тип кабелей, рекомендованный стандартом для локальных сетей. Сейчас он имеет наибольшее распространение.
- Кабель категории 4 - это кабель, передающий данные в полосе частот до 20 МГц. Используется редко, так как не слишком заметно отличается от категории 3. Стандартом рекомендуется вместо кабеля категории 3 переходить сразу на кабель категории 5. Кабель категории 4 тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Кабель был разработан для работы в сетях по стандарту IEEE 802.5.
- Кабель категории 5 - самый совершенный кабель в настоящее время, рассчитанный на передачу данных в полосе частот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27 витков на метр длины (8 витков на фут). Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Рекомендуется применять его в современных высокоскоростных сетях типа Fast Ethernet и TPFDDI. Кабель категории 5 примерно на 30-50% дороже, чем кабель категории 3.
- Кабель категории 6 - перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 200 МГц.
- Кабель категории 7 - перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 600 МГц.
Согласно стандарту EIA/TIA 568, полное волновое сопротивление наиболее совершенных кабелей категорий 3, 4 и 5 должно составлять 100 Ом ± 15% в частотном диапазоне от частоты 1 МГц до максимальной частоты кабеля. Как видим, требования не очень жесткие: величина волнового сопротивления может находиться в диапазоне от 85 до 115 Ом. Здесь же отметим, что волновое сопротивление экранированной витой пары STP должно быть по стандарту равно 150 Ом ± 15%. Для согласования импедансов кабеля и оборудования в случае их несовпадения применяют согласующие трансформаторы (Balun). Встречается также экранированная витая пара с волновым сопротивлением 100 Ом, но довольно редко.
Второй важнейший параметр, задаваемый стандартом, - это максимальное затухание сигнала, передаваемого по кабелю, на разных частотах. В таблице 2.1 приведены предельные значения величины затухания для кабелей категорий 3, 4 и 5 для расстояния 1000 футов (305 метров) при нормальной температуре окружающей среды 20°С.
Табл. 2.1. Максимальное затухание в кабелях
| Частота, МГц | Максимальное затухание, дБ | ||
| Категория 3 | Категория 4 | Категория 5 | |
| 0,064 |
2,8 |
2,3 |
2,2 |
| 0,256 |
4,0 |
3,4 |
3,2 |
| 0,512 |
5,6 |
4,6 |
4,5 |
| 0,772 |
6,8 |
5,7 |
5,5 |
| 1,0 |
7,8 |
6,5 |
6,3 |
| 4,0 |
17 |
13 |
13 |
| 8,0 |
26 |
19 |
18 |
| 10,0 |
30 |
22 |
20 |
| 16,0 |
40 |
27 |
25 |
| 20,0 |
- |
31 |
28 |
| 25,0 |
- |
- |
32 |
| 31,25 |
- |
- |
36 |
| 62,5 |
- |
- |
52 |
| 100 |
- |
- |
67 |
Из таблицы видно, что величины затухания на частотах, близких к пре-ьным, для всех кабелей очень значительны, то есть даже на неболь-с расстояниях сигнал ослабляется в десятки и сотни раз, что предъяв-г высокие требования к приемникам сигнала.
Еще один специфический параметр, определяемый стандартом - это величина так называемой перекрестной наводки на ближнем конце (NEXT -г End Crosstalk). Он характеризует влияние разных проводов в кабе-руг на друга. В таблице 2.2 представлены значения допустимой перекрестной наводки на ближнем конце для кабелей категорий 3, 4 и 5 на тачных частотах сигнала. Естественно, более качественные кабели обеспечивают меньшую величину перекрестной наводки.
Табл. 2.2. Допустимые уровни перекрестных наводок
| Частота, МГц | Перекрестная наводка на ближнем конце, дБ | ||
| Категория 3 | Категория 4 | Категория 5 | |
| 0,150 |
-54 |
-68 |
-74 |
| 0,772 |
-43 |
-58 |
-64 |
| 1,0 |
-41 |
-56 |
-62 |
| 4,0 |
-32 |
-47 |
-53 |
| 8,0 |
-28 |
-42 |
-48 |
| 10,0 |
-26 |
-41 |
-47 |
| 16,0 |
-23 |
-38 |
-44 |
| 20,0 |
- |
-36 |
-42 |
| 25,0 |
- |
- |
-41 |
| 31,25 |
- |
- |
-40 |
| 32,5 |
- |
- |
-35 |
| 100,0 |
- |
— |
-32 |
Стандарт определяет также максимально допустимую величину рабочей емкости каждой из витых пар кабелей категории 4 и 5. Она должна составлять не более 17 нФ на 305 метров (1000 футов) при частоте сигнала 1 кГц и температуре окружающей среды 20°С.
Для присоединения витых пар используются разъемы (коннекторы) типа 5, похожие на всем известные разъемы, используемые в телефонах (R J-11), но несколько большие по размеру (поэтому они не входят в телефонную розетку). Разъемы RJ-45 имеют восемь контактов вместо четырех в случае RJ-11. Присоединяются разъемы к кабелю с помощью специальных обжимных инструментов. При этом золоченые игольчатые контакты разъема прокалывают изоляцию каждого провода, входят между его жилами и обеспечивают надежное и качественное соединение. Надо учитывать, что при установке разъемов стандартом допускается расплетение витой пары кабеля на длину не более одного сантиметра.
Чаще всего витые пары используются для передачи данных в одном направлении, то есть в топологиях типа «звезда» или «кольцо». Топология «шина» обычно ориентируется на коаксиальный кабель. Поэтому внешние терминаторы, согласующие неподключенные концы кабеля, для витых пар практически никогда не применяются.
Кабели выпускаются с двумя типами внешних оболочек:
- кабель в поливинилхлоридной (ПВХ, PVC) оболочке дешевле и предназначен для работы кабеля в сравнительно комфортных условиях эксплуатации;
- кабель в тефлоновой оболочке дороже и предназначен для более жестких условий эксплуатации.
Кабель в ПВХ-оболочке называется еще non-plenum, а кабель в тефлоновой оболочке - plenum. Термин plenum обозначает здесь не собрание руководства какой-то партии, а пространство под фальшполом и над подвесным потолком, где очень удобно размещать кабели сети. Для прокладки в этих скрытых от глаз пространствах как раз удобнее кабель в тефлоновой оболочке, который, в частности, горит гораздо хуже, чем ПВХ-кабель, и не выделяет при горении так много ядовитых газов.
Еще один важный параметр любого кабеля, который жестко не определяется стандартом, но может существенно повлиять на работоспособность сети, - это скорость распространения сигнала в кабеле, то есть задержка распространения сигнала в кабеле в расчете на единицу длины.
Производители кабелей иногда указывают величину задержки на метр длины, а иногда — скорость распространения сигнала относительно скорости света (или NVP - Nominal Velocity of Propagation, как ее часто называют в документации). Связаны эти две величины простой формулой:
t3=l/(3 • 1010 • NVP),
где t3 - величина задержки на метр длины кабеля в наносекундах. Например, если NVP=0,65 (65% от скорости света), то задержка t будет равна 5,13 нс/м. Типичная величина задержки большинства современных кабелей составляет около 5 нс/м.
Табл. 2.3. Временные характеристики некоторых кабелей
| Фирма | Марка | Категория | Оболочка | NVP | Задержка |
| AT&T |
1010 |
3 |
non-plenum |
0,67 |
4,98 |
| AT&T |
1041 |
4 |
non-plenum |
0,70 |
4,76 |
| AT&T |
1061 |
5 |
non-plenum |
0,70 |
4,76 |
| AT&T |
2010 |
3 |
plenum |
0,70 |
4,76 |
| AT&T |
2041 |
4 |
plenum |
0,75 |
4,44 |
| AT&T |
2061 |
5 |
plenum |
0,75 |
4,44 |
| Belden |
1229А |
3 |
non-plenum |
0,69 |
4,83 |
| Belden |
1455А |
4 |
non-plenum |
0,72 |
4,63 |
| Belden |
1583А |
5 |
non-plenum |
0,72 |
•4,63 |
| Belden |
1245А2 |
3 |
plenum |
0,69 |
4,83 |
| Belden | 1457А |
4 |
plenum |
0,75 |
4,44 |
| Belden | 1585А |
5 |
plenum |
0,75 |
4,44 |
це 2.3 приведены величины NVP и задержек на метр длины (в ундах) для некоторых типов кабеля двух самых известных срирм-дителей AT&T и Belden.
Стоит также отметить, что каждый из проводов, входящих в кабель на ятых пар, как правило, имеет свой цвет изоляции, что существен-цает монтаж разъемов, особенно в том случае, когда концы кабеля находятся в разных комнатах, и контроль с помощью приборов затруднен.
Примером кабеля с экранированными витыми парами может служить iTP IBM
типа 1, который включает в себя две экранированные ры AWG типа 22. Волновое
сопротивление каждой пары состав-Ом. Для этого кабеля применяются специальные
разъемы, отличаются от разъемов для неэкранированной витой пары (например,
DB9). Имеются и экранированные версии разъема RJ-45.
| Содержание | 
|
