Сети Ethernet на базе коаксиального кабеля и неэкранированной витой пары

В сетях Ethernet используется тонкий коаксиальный кабель (RG‑58) с волновым сопротивлением 50 Ом в противоположность кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом, используемому в аналоговых системах (RG‑59). Так как эти две разновидности кабеля почти одинаковы по размеру и используют сходные разъемы BNC, то необходимо соблюдать осторожность, чтобы их не перепутать. При использовании коаксиальных кабелей Ethernet концевая заделка правильными типами разъемов является настолько же важной, если не более важной, как и заделка кабеля в аналоговых видеосистемах. Если сеть конфигурирована по шинной топологии с использованием коаксиального кабеля, то оба конца такой шины должны иметь терминаторы на 50 Ом. Построение сети на основе коаксиального кабеля подразумевает несимметричную передачу, как это имеет место при передаче видеосигналов в аналоговых системах видеонаблюдения, в то время как неэкранированная витая пара (UTP) обеспечивает симметричную передачу. При построении сетей с коаксиальным кабелем обеспечивается передача на большие расстояния без использования повторителей, однако, симметричные линии обладают другими важными преимуществами в отличие от несимметричных, главным образом, за счет устранения внешних электромагнитных помех посредством применения тех же принципов, что и при передаче видеосигнала по витой паре.

Понятие «симметричный» характеризует физическую конфигурацию и диэлектрические свойства витой пары проводников. Если два изолированных провода физически идентичны друг другу по диаметру, концентричности (жила и оболочка) и диэлектрическим свойствам изолирующей оболочки, а также равномерно скручены на определенной длине, то пара является электрически симметричной (сбалансированной) по отношению к окружающей ее среде. Степень симметричности зависит от конструктивной схемы и чистоты технологических процессов при производстве. Для обеспечения симметричной передачи сигнала напряжения, прикладываемые к каждому проводу пары, должны быть равны по абсолютному значению и отличаться полярностью. Электромагнитное поле, создаваемое одним проводником, подавляет электромагнитное поле второго проводника и наоборот, что приводит к очень малому уровню излучения линии передачи на базе симметричной витой пары.

В отношении внешних помех, мы считаем, что они наводятся одинаково на обоих проводах. Поэтому разность напряжений, наведенных внешними помехами, будет равна нулю. Так как полезным является дифференциальный (разностный) сигнал, то синфазная помеха никак не повлияет на симметричную передачу. Степень симметричности оценивается соотношением напряжения дифференциального (разностного) сигнала к напряжению синфазного сигнала, выраженным в децибелах (дБ). Использование высококачественных сетевых интерфейсных устройств, кабелей, а также качественных концевых кабельных разъемов всегда облегчает подготовку кабельных систем категории 5 и 6 и обеспечивает хорошее качество построения сети. Именно поэтому большинство локальных сетей в настоящее время строится на основе категорированных кабельных систем.

Термин «категория», используемый при классификации кабелей с неэкранированной витой парой (UTP). Различия при определении категории кабелей основываются, главным образом, на полосе пропускания, типе медной проволоки, размере и электрических характеристиках. В настоящее время наиболее популярными категориями кабельных систем являются 3, 4, 5, 5е и 6, каждая из которых определена рекомендациями Ассоциации электронной промышленности (EIA) и Ассоциации телекоммуникационной промышленности (TIA) США.

Рис. 11.8. Локальная сеть Ethernet на коаксиальном кабеле

EIA/TIA определяют следующие пять категорий кабеля витой пары:

– Категория 1– традиционный телефонный кабель

– Категория 2– кабель, сертифицированный для передачи данных со скоростью до 4 Мбит/с

– Категория 3– симметричный кабель с волновым сопротивлением 100 Ом и рабочим диапазоном частот до 16 МГц. Данный кабель используется в сетях стандарта 10BaseT и 100BaseT4. Кабель категории 3 наиболее часто встречается в имеющихся схемах учрежденческой кабельной разводки и обычно является четырехпарным.

– Категория 4– симметричный кабель с волновым сопротивлением 100 Ом и рабочим диапазоном частот до 20 МГц. Данный кабель используется в сетях стандарта 10BaseT и 100BaseT4. Состоит обычно из четырех пар проводов. Эта марка неэкранированной витой пары не является распространенной.

– Категория 5– симметричный кабель с волновым сопротивлением 100 Ом и рабочим диапазоном частот до 100 МГц. Данный кабель используется в сетях стандарта 10BaseT, 100BaseT4 и 100BaseTX.

Кабели категории 5 для сетей 10/100 Ethernet состоят из 8 проводов, 4 из которых используются для передачи сигналов данных. Остальные провода скручены вокруг этих информационных шин в целях обеспечения электрической стабильности и сопротивления электромагнитным помехам.

Кабельный разъем известен под названием RJ‑45 и внешне напоминает большой разъем телефонной линии.

Рис. 11.9. Разъем RJ‑45

Электрические сигналы распространяются по кабелю очень быстро (обычно 65 % скорости света), однако, в отношении цифровых сигналов, как и в случае с аналоговыми, применяются те же законы электричества – по мере распространения сигналы ослабляются и находятся под влиянием внешних электромагнитных помех. Воздействие перепадов напряжения в сочетании с индуктивностью проводов и их емкостного сопротивления для высокочастотных сигналов (высокая скорость передачи битов) и внешние электромагнитные помехи накладывают физические ограничения на дистанцию, на которую определенный кабель может передавать данные, до того как они дойдут до повторителя (коммутатора или маршрутизатора). Сетевой кабель должен быть достаточно коротким для того, чтобы устройства на его противоположных концах могли четко получать сигналы друг от друга с минимальной задержкой. Это накладывает ограничение на максимальное расстояние между двумя устройствами. Называется это сетевым диаметром сети Ethernet.

Ограничения накладываются и на другую передающую среду сетей Ethernet, включая беспроводную связь и оптоволоконные линии, хотя здесь минимальные расстояния отличаются от тех, которые применимы к медной проводке.

В наиболее распространенном сетевом кабеле категории 5 используются провода стандарта AWG24 с волновым сопротивлением 100 Ом, имеющие диаметр порядка 0.2 мм. Напоминаем читателям, что AWG (Американский сортамент проводов) является системой стандартизации толщины проводов. Калибр изменяется обратно пропорционально диаметру провода, который определяет величину электрического сопротивления (чем меньше номер AWG, тем больше диаметр проводника и ниже его сопротивление).

Кабель на витой паре выпускается в двух основных модификациях: одножильной и многожильной. Одножильный кабель поддерживает более протяженные трассы и наилучшим образом работает в конфигурациях с фиксированной разводкой, как, например, в офисных зданиях. С другой стороны, многожильный кабель является более гибким и лучше подходит для более коротких расстояний с подвижной кабельной проводкой, как, например, коммутационный кабель.

Одна из разновидностей кабельных систем категории 5, категория 5‑е, представляет собой еще более производительный сетевой кабель. Данный стандарт был одобрен в 1999 году и официально называется ANSI/TIA/EIA 568A‑5, или просто Категория 5 е (буква «е» от английского слова «enhanced» – улучшенный). Кабель категории 5е также имеет волновое сопротивление 100 Ом и отличается полной обратной совместимостью с оборудованием кабельной системы предыдущий версии (категории 5). Улучшенная производительность кабеля категории 5 е гарантирует поддержку кабелем систем, требующих дополнительной ширины полосы пропускания, таких, как сети Gigabit Ethernet или аналогового видеосигнала (если используется для передачи видеосигнала по витой паре).

Кабельные системы категории 5е предоставляют возможность модернизации с постепенным наращиванием, что обеспечивает поддержку функционирования полнодуплексных сетей Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Основную разницу между категорией 5 и 5е можно найти в спецификациях, из которых видно, что требования к производительности были повышены только в незначительной степени.

В то время как компоненты кабельных систем категории 5 могут в какой‑то степени функционировать в сетях Gigabit Ethernet (на коротких расстояниях), то в сценариях с высокой скоростью передачи данных они работают плохо. Кабели категории 5е лучше работают с оборудованием, рассчитанным на гигабитные скорости обмена данными. Поэтому с коммутатором на 100 Мбит/с лучше использовать кабель категории 5е вместо кабеля категории 5.

Следующий уровень в кабельной иерархии занимает категория 6 (стандарт ANSI/IA/EIA‑568‑B.2–1), одобренная Ассоциацией электронной промышленности и Ассоциацией телекоммуника ционной промышленности США (EIA/TIA) в июне 2002 года.

Категория 6 обеспечивает более высокую производительность, чем категория 5е, и отличается более жесткой спецификацией относительно перекрестных и системных помех.

Рис. 11.10. Типовая схема штыревого контакта разъема RJ‑45 согласно стандарту EIA Т‑568 (вид со стороны контактов)

Категория 6 также имеет волновое сопротивление 100 Ом, но требует большей степени точности при изготовлении по сравнению с Категорией 5. Аналогичным образом, соединители категории 6 нуждаются в более сбалансированном схемном решении. Категория 6 обеспечивает более высокую производительность, чем категория 5е, и имеет более жесткую спецификацию в отношении перекрестных и системных помех.

Все компоненты кабельных систем категории 6 обратно совместимы с предыдущими версиями категорий 5е, 5 и 3.

Качество передачи данных зависит от производительности компонентов канала. Таким образом, для передачи в соответствии со спецификациями категории 6 все соединители, коммутационные шнуры, коммутационные панели, кроссы и кабельная разводка должны удовлетворять требованиям стандартов категории 6.

Канал передачи данных по существу включает в себя все, начиная с настенной пластины и заканчивая коммутационным шкафом. Испытания для определения рабочих характеристик компонентов кабельных систем категории 6 проводятся как отдельно по каждому элементу, так и в целом. Кроме того, согласно требованиям стандарта должна обеспечиваться универсальность так, чтобы в канале связи можно было использовать компоненты категории 6 любого изготовителя. Согласно требованиям передачи данных по каналу категории 6 величина отношения затухания сигнала к уровню суммарных двунаправленных наводок (PS‑ACR) должна быть больше нуля или равной нулю при частоте 200 МГц.

Кроме этого, все компоненты кабеля категории 6 должны быть обратно совместимы с предыдущими версиями – категориями 5е, 5 и 3.

Если с компонентами категории 6 используются компоненты другой категории, то канал будет работать с производительностью передачи данных более низкой категории. Например, если кабель категории 6 используется с соединителями категории 5 е, то канал будет функционировать с производительностью категории 5е.

Кабели категории 6 состоят из четырех пар медного провода и, в отличие от категории 5, все четыре пары используются; скорость передачи данных, которую поддерживает данная категория, более чем в два раза превышает скорость категории 5е. Как и в случае со всеми другими типами кабелей на витой паре стандарта EIA/TIA, длина трассы кабеля категории 6 ограничивается максимальным рекомендованным расстоянием 100 м.

Благодаря улучшенной производительности и высокой степени устойчивости от внешних помех, системы, работающие на базе кабеля категории 6, будут производить меньшее количество ошибок по сравнению с текущими приложениями, работающими на базе категории 5е.

Это означает меньшее количество повторных передач утерянных или поврежденных пакетов данных при определенных условиях, что, в свою очередь, повышает надежность.

Самым «быстрым» медным кабелем стандарта ЕIА/TIА в настоящее время является кабель категории 7, предназначенный для сетей с гигабитными скоростями обмена данными. Данная категория пока что находится на стадии разработки.

Предполагается, что категория 7 будет полностью совместимой с предыдущими стандартами. Кабель категории 7 уже не является неэкранированным.

Требования спецификации настолько высоки, что каждая пара должна быть экранирована, кроме этого все четыре пары затем еще раз экранируются, в результате чего кабель категории 7 является самым дорогим из всех категорий. Кроме этого, с категорией 7 больше не используются разъемы RJ‑45. Многие будут утверждать, что оптоволоконный кабель является лучшим выбором, если вам необходим высокопроизводительный сетевой кабель, поэтому мы оставляем эту категорию и советуем почитать о ней в более современных справочниках и руководствах, но читателю необходимо знать о том, что ведутся разработки новых категорий кабеля.

Рис. 11.11. Кабель экранированной витой пары категории 7

Коммутационный кабель и перекрестный кабель

Применительно к сети Ethernet имеются два типа схем кабельных соединений: коммутационная и перекрестная.

Коммутационный шнур используется для соединения компьютеров при помощи концентраторов или коммутаторов (иногда его называют кабелем прямого подключения).

Перекрестный кабель (crossover) обычно используется для соединения двух ПК без применения концентратора, или же он может использоваться для каскадного включения двух концентраторов без применения порта каскадирования.

Перекрестным кабелем является сегмент кабеля, перекрещивающийся на штыревых контактах 1 и 2 и 3 и 6, являющихся соответственно контактами передатчика и приемника, позволяющих двум компьютерам обмениваться информацией. Если на кабеле никак не помечено, что это перекрестный кабель, тогда это, скорее всего, не что иное, как стандартный коммутационный кабель.

Если вы точно не знаете, какой у вас тип кабеля, вы можете положить рядом два разъема RJ‑45 с одной и той же стороны (как показано на фотографиях) и, если цвета проводков будут располагаться в одинаковом порядке слева направо, то это коммутационный кабель.

Если у штыревых контактов 1 и 2 цвета проводков расположены в обратном порядке, то тогда это перекрестный кабель. Было бы хорошим правилом, если бы цвет перекрестного кабеля всегда отличался от цвета большинства используемых коммутационных кабелей – например, желтый перекрестный кабель среди синих коммутационных проводов.

В противоположность одножильному, многожильный кабель состоит из нескольких проводов небольшого калибра в каждой отдельной изолированной кабельной муфте. Многожильный кабель является более гибким, что делает его более пригодным для коммутационных шнуров. Рекомендуемая максимальная

длина при использовании коммутационных кабелей равна 10 м. Данная конструкция наилучшим образом подходит для участков, где необходимо изгибание, а также при частых заменах на стенных выводах или коммутационных панелях. Многожильные провода не способны передавать сигналы данных на такие же большие расстояния, что и одножильный кабель.

Рис. 11.12. Разъемы коммутационного и перекрестного кабелей

Рис. 11.13. Коммутационный кабель

Рис. 11.14. Перекрестный кабель

Стандарт EIA/TIA 568A ограничивает общую длину многожильных кабелей до 10 метров. Это не значит, что вы не можете использовать многожильный кабель для более протяженных участков трассы; просто это не рекомендуется. В некоторых инсталляциях многожильный кабель прокладывается на расстояние более 30 метров и работает без проблем, но следует соблюдать осторожность при использовании многожильного кабеля в более масштабных коммуникациях. Одножильный кабель имеет в каждой муфте один провод более крупного калибра.

Одножильный кабель обладает лучшими электрическими характеристиками по сравнению с многожильным кабелем, традиционно используется внутри стен и прокладывается через потолок или на любых протяженных участках. Все эти распределенные по категориям сетевые кабели (использующие одножильный провод) рассчитаны на прокладку на максимальную длину до 100 м, прежде чем необходима будет установка повторителя.

Это не значит, что более дальние расстояния являются невозможными, но это в большой степени зависит от качества кабеля и предполагаемой пропускной способности сети. Например, если кабель категории 6 используется в сети со скоростью передачи до 100 Мбит/с, то возможны и расстояния свыше 100 м, так как категория 6 имеет очень повышенные требования к спецификации и рассчитана на сети с гигабитными скоростями. Узнать, на какое максимальное расстояние можно использовать кабель без повторителя (маршрутизатора/коммутатора), можно только посредством тестирования.

Существует большой выбор как дорогих, так и дешевых инструментов для проверки качества коммутационного и перекрестного кабеля, поэтому каждому специалисту по прокладке сетевого кабеля рекомендуется обзавестись, по крайней мере, самыми простейшими средствами.

Рис. 11.15. Существует множество обжимных инструментов для разъемов RJ‑45

Электромагнитные помехи представляют собой один из главных источников проблем для любой медной проводки, включая категорированные типы кабелей. Электромагнитные помехи являются потенциально вредными для вашей системы связи, так как могут вызвать затухание сигнала и ухудшить общую производительность высокоскоростного категорированного кабеля.

Электромагнитные помехи при передаче или получении сигнала вызываются действием электрических или магнитных полей, существующих вблизи любого кабеля электропитания, крупногабаритного электрооборудования или источников освещения люминесцентными лампами. К сожалению, это является основным свойством электрического тока, проходящего по медному проводу, это также является основой электромагнитной взаимосвязи.

Мы говорим «к сожалению» в данном случае, когда обсуждаем нежелательные помехи для передачи сигналов по кабелю, но фактически тот же принцип используется при выработке электроэнергии и приведении в действие электродвигателей, и в таких случаях электромагнитные помехи (здесь их следует называть электромагнитной индуктивностью) являются весьма желательным результатом.

Устранить электромагнитные помехи можно очень просто. Для этого нужно прокладывать сетевой кабель на расстоянии не менее 30 см (1 фута) от кабеля электропитания, или, если необходимо, перейдя с неэкранированной витой пары на более дорогой экранированный кабель. Это основные правила, которые необходимо всегда соблюдать.

Единственный случай, когда отсутствует проблема электромагнитных помех – это использование оптоволоконного кабеля. Объясняется это тем, что оптоволокно не проводит электричество, а в качестве передающей среды использует свет. Возможности дальней связи и более широкой полосы пропускания обычно достигаются за счет использования оптоволоконного кабеля, так как он обеспечивает не только передачу на более дальние расстояния (несколько километров), но и более высокую пропускную способность. И, что еще более важно, оптоволоконные линии не подвержены влиянию электромагнитных помех.

Рис. 11.16. Тестеры кабеля локальной сети