О кабеле с неэкранированными витыми парами известно, кажется, все и всем. Однако еще одно подробное знакомство с ним будет нелишним, особенно в связи с появлением новых его разновидностей.

Проводка с неэкранированными витыми парами оказала огромное влияние на сетевую инфраструктуру. Благодаря ей пользователи получили возможность использовать один тип кабельной системы для любых локально-сетевых приложений. Однако в последнее время решения на базе UTP стали куда как разнообразнее. На данный момент производители предлагают многочисленные разновидности проводки UTP от базовой Категории 3 до нестандартной пока Категории 6. В результате конечным пользователям становится все труднее и труднее разобраться в том, чем же отличаются различные типы проводки.

На эту тему написано множество статей. В одних — бум новых классов проводки UTP считается не более чем маркетинговым трюком производителей, в других — предлагаемые усовершенствования классифицируются как запоздалая модернизация устаревшей технологии. Так кто же прав?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДКИ UTP

За последнее десятилетие проводка UTP претерпела значительные изменения. Рост потребностей сетей привел к появлению потенциального спроса на проводку UTP более высокого качества. Но прежде чем переходить к обсуждению достоинств проводки UTP, мы должны вначале разобраться в определяющих ее терминах.

Назначение любого сетевого кабеля состоит в передаче данных от одного устройства к другому. Такими устройствами могут быть терминалы, принтеры, серверы и т. д. Они могут подключаться к различным типам кабельных сред, включая оптический, коаксиальный, биаксиальный кабель, а также кабель с различными сочетаниями экранированных и неэкранированных пар. Выбор наилучшим образом подходящего для данного приложения типа проводки зависит от множества факторов, в том числе от удаленности конечных устройств, срока службы, уровня шума, требований защиты, финансовых ограничений, возможности последующего расширения и скорости передачи. Многие конечные пользователи рассматривают кабели с неэкранированными витыми парами как стандартную среду передачи, использование которой решает многие из перечисленных проблем.

Наибольшей популярностью UTP пользуется в качестве горизонтальной проводки, а именно для подключения настольных систем к телекоммуникационным шкафам (Telecommunication Closet, TC). Как следует из названия, UTP состоит из нескольких неэкранированных витых пар, окруженных общей оболочкой. Несмотря на наличие двух- и 25-парных кабелей, наибольшей популярностью пользуется четырехпарная проводка. Хотя в большинстве локально-сетевых сред, таких, как 10/100BaseTX, используется только две из четырех пар, новые рассматриваемые протоколы, в частности Gigabit Ethernet, будут задействовать все четыре пары.

ПОГОННОЕ ЗАТУХАНИЕ

Рисунок 1. Погонное затухание.
Одной из наиболее серьезных проблем для любой кабельной инфраструктуры является затухание сигнала. К сожалению, при передаче информации от устройства к устройству качество сигнала ухудшается. Так, при прохождении расстояния в 100 м по кабелю UTP сигнал 100BaseT обычно теряет значительную часть своей первоначальной мощности (см. Рисунок 1). Если эти потери окажутся чересчур велики, то принимающее устройство не сможет распознать передаваемые данные. Чтобы этого не случилось, комитеты по стандартизации налагают ограничения на допустимый размер потерь.

Потери характеризуются термином «погонное затухание» или просто «затухание». В случае UTP затухание определяет величину потерь при прохождении сигнала по проводящей среде и выражается в децибелах (дБ). Использование децибел в качестве единицы измерения имеет свои преимущества. Например, нетрудно запомнить, что при затухании сигнала на 3 дБ он теряет 50% своей мощности. В Таблице 1 показано, как децибелы соотносятся с потерянной мощностью сигнала.

Таблица 1

Затухание и ослабление

мощности сигнала
дБПроцент

потерь
350
675
1090
1597
2099

Величина потерь зависит от конструкции кабеля, в том числе от размера проводника, состава, изоляции и/или материала оболочки, диапазона рабочих частот, скорости передачи и протяженности кабеля. Влияние первого фактора, размера проводника, наиболее очевидно. Обычно чем больше проводник, тем меньше потери. По этой причине во многих кабелях UTP старшего класса используются проводники 23 AWG вместо 24 AWG.

Материал проводника (состав) также имеет важное значение. Например, медь имеет меньшие потери, чем сталь. Некоторые материалы, в частности серебро, имеют еще лучшие характеристики, нежели медь, однако многие из них слишком дороги для массового применения. Материал изоляции также может иметь влияние на затухание сигнала. В высококачественных кабелях UTP для изоляции проводника обычно используются материалы с низкими потерями, такие, как фторированный этиленпропилен или полиэтилен. Эти материалы обычно имеют меньшие потери, чем другие соединения, такие, как PVC. Материал оболочки также отражается на величине затухания. Именно поэтому многие производители отделяют оболочку от изолированных пар с помощью конструкции нежесткой трубы. Кроме того, как известно, затухание в медной проводке UTP увеличивается с ростом частоты. Например, при 100 МГц затухание больше, чем при 1 МГц (при условии, что кабели имеют одинаковую длину). И, наконец, потеря сигнала зависит от протяженности кабеля. При прочих равных условиях — чем длиннее кабель, тем больше потери. По этой причине затухание выражается в децибелах на единицу длины.

Резюме по затуханию:

  • при прохождении по кабелю сигнал теряет свою силу;
  • затухание определяет величину потерь;
  • величина затухания выражается в децибелах (дБ);
  • затухание в кабеле зависит от таких факторов, как размер и состав проводника, рабочая частота (диапазон частот), скорость и расстояние.

ПЕРЕХОДНОЕ ЗАТУХАНИЕ

Рисунок 2. Переходное затухание.
Витая пара называется активной, если по ней передается сигнал. Активная пара, естественно, создает электромагнитное поле. Это поле может оказывать влияние на другие находящиеся поблизости активные пары (см. Рисунок 2).

Один из наиболее сложных для понимания моментов в отношении переходного затухания связан с единицами измерения, а именно с децибелами. В случае погонного затухания чем больше величина в децибелах, тем выше потери сигнала. В случае переходного затухания все наоборот — чем больше величина в децибелах, тем меньше помехи. Таблица 2 позволит лучше разобраться в ситуации.

Таблица 2.

Переходное

затухание

в дБ
Напряжение

на активной

паре
Результирующее

или "наведенное"

напряжение

в соседней

паре
310,7
610,5
1010,3
2010,1

Очевидно, появление шумов в соседних парах нежелательно. Как видно из диаграммы, чем больше величина переходного затухания в децибелах, тем меньше наведенное напряжение (т. е. шумы) в соседних парах.

Погонное затухание характеризует потерю сигнала. Следовательно, чем больше величина в децибелах, тем выше потеря сигнала. Однако переходное затухание характеризует потерю шума. В этом случае чем больше величина в децибелах, тем больше потери шума. И конечно, чем активнее затухает шум, тем лучше.

ВИДЫ ПЕРЕХОДНОГО ЗАТУХАНИЯ

Рисунок 3. Переходное затухание на ближнем конце.
Переходное затухание на ближнем конце. Такие системы, как 10BaseT Ethernet, используют две пары для обмена данными: одну — для передачи, вторую — для приема (см. Рисунок 3). Сигнал имеет наибольшую мощность сразу же после момента передачи данных. И обратно, сигнал обладает наименьшей мощностью непосредственно перед моментом приема данных.

Наиболее часто термин «переходное затухание» используется вместе со словосочетанием «на ближнем конце». Причина этого в том, что на ближнем конце, где сигнал имеет наибольшую мощность, он порождает мощное электромагнитное излучение (электромагнитные помехи). Рядом же с передатчиком по соседней паре идет ослабленный сигнал на приемник. Такая комбинация может иметь самые серьезные последствия для принимаемого сигнала, так как он оказывается под воздействием сильного соседнего поля. Это явление имеет место на ближнем конце, поэтому оно и выделяется.

Суммарное переходное затухание. Как отмечалось ранее, некоторые системы задействуют все четыре пары. При рассмотрении переходного затухания на ближнем конце мы исходили из того, что используются только две пары. Однако, если активны все четыре пары, как в стандарте на Gigabit Ethernet, они порождают значительно большие шумы.

Рисунок 4. Суммарное переходное затухание.
Здесь-то нам и понадобится такая характеристика, как суммарное переходное затухание. Оно учитывает влияние всех активных пар (см. Рисунок 4). Для примера мы взяли кабель с четырьмя парами. В случае 25-парной магистральной проводки эта величина имеет еще более важное значение, так как потенциально активными могут быть в шесть раз больше пар.

Переходное затухание на дальнем конце. Обычно данные передаются в одном направлении, а именно от передающего устройства к принимающему. Однако в некоторых системах данные передаются в двух направлениях. Такие системы называются полнодуплексными. В этом случае данные вводятся в кабель как на ближнем конце, так и на дальнем одновременно. Поэтому в случае полнодуплексной передачи шумы возникают как на ближнем, так и на дальнем конце. Ввиду этого переходное затухание на дальнем конце введено во многие новые спецификации.

Шум на дальнем конце измерить не так-то просто, потому что значительная доля шумов теряется или затухает по пути к тестовому устройству. Поэтому стандартной практикой является вычитание погонного затухания и учет только одних шумов. Величина «шумы минус затухание» получила название приведенного переходного затухания на дальнем конце.

Рисунок 5. Стороннее переходное затухание.
Стороннее переходное затухание. Этот термин используется для описания перекрестных помех между кабелями. Данный эффект наиболее заметен, когда активны несколько пар в кабеле. В этом случае излучаемая отдельным кабелем энергия может быть достаточно существенна. В примере на Рисунке 5 шесть кабелей с четырьмя активными парами каждый окружают еще один четырехпарный кабель. Общее число активных пар равно 24. Все вместе они могут создать серьезные помехи для сигнала в центральном кабеле. В этом случае знание о стороннем затухании будет иметь важное значение для эффективного функционирования сети.

Резюме по переходному затуханию:

  • переходное затухание на ближнем конце имеет такое важное значение потому, что на ближнем конце передаваемый сигнал имеет наибольшую мощность, а принимаемый сигнал — наименьшую. В результате принимающая пара оказывается особенно восприимчива к помехам со стороны передающей пары. Суммарное переходное затухание учитывает влияние нескольких активных пар;
  • переходное затухание на дальнем конце характеризует последствия полнодуплексных операций, когда сигналы генерируются одновременно на ближнем и дальнем концах. Стороннее переходное затухание определяет воздействие перекрестных помех со стороны других кабелей. Этот эффект проявляется наиболее сильно, когда активны несколько пар в кабеле.

ИМПЕДАНС И ОБРАТНЫЕ ПОТЕРИ

Рисунок 6. Импеданс как функция частоты.
Импеданс характеризует путь прохождения данных. Например, если сигнал передается с импедансом 100 Ом, то и структурированная проводка должна соответствовать импедансу 100 Ом. Любое отклонение от этой величины приведет к тому, что часть сигнала отразится назад к источнику данных. Изменение импеданса может быть вызвано множеством причин. Одна из них — несоблюдение технологии в процессе изготовления: любое отклонение от предусмотренного расстояния между проводниками или нарушение свойств изолирующего материала способно привести к изменению импеданса (см. Рисунок 6).

Рисунок 7. Импеданс.
Другая распространенная причина — несоответствие компонентов. Например, несоответствие имеет место, когда шнур переключений с одним импедансом присоединяется к горизонтальной проводке с другим импедансом (см. Рисунок 7а).

Такое несовпадение неизбежно вызовет отражение энергии в точке разрыва (см. Рисунок 7б). Если импеданс обусловливает возможность несоответствия, то обратные потери характеризуют его последствия. Обратные потери (измеряемые в дБ) позволяют выяснить, какая доля сигнала теряется вследствие отражения.

Резюме по импедансу и обратным потерям:

  • импеданс характеризует путь прохождения данных. Любое отклонение в величине импеданса приводит к отражению сигнала;
  • отражение означает, что вместо того, чтобы продолжать свой путь дальше вперед, в действительности энергия отражается назад к передатчику;
  • в конечном итоге это приводит к ослаблению распространяющегося в прямом направлении сигнала.

ПЕРЕКОС ЗАДЕРЖКИ

Рисунок 8. Перекос задержки.
Другой привлекающий к себе значительное внимание параметр — перекос задержки. Перекос задержки характеризует синхронизацию путей передачи сигнала по разным парам в кабеле (см. Рисунок 8).

Когда все четыре пары активны, сигналы должны прибывать согласованно. Измеряемый в наносекундах перекос задержки характеризует разницу во времени поступления сигналов по разным парам кабеля. Если эта разница окажется чересчур велика, то принимающее устройство будет не в состоянии восстановить сигнал. В конечном итоге это приведет к ошибкам и потере данных.

ЗАЧЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАТЬ ПРОВОДКУ?

Первые усовершенствованные версии проводки Категории 5 появились около пяти лет назад. Многие из обсуждавшихся выше параметров удалось улучшить за счет применения уникальных конструкций кабеля, в частности более тугой скрутки и внутрикабельных заполнителей. Цель этих усовершенствований состояла в подготовке пользователей к грядущим изменениям в технологиях локальных сетей.

Когда Категория 5 только появилась, лишь немногим системам был действительно необходим предоставляемый ею диапазон рабочих частот. Так, Ethernet на 10 Мбит/с и Token Ring на 4 Мбит/с разрабатывались в расчете на проводку Категории 3. Однако с появлением новых систем, таких, как 100BaseT и ATM на 155 Мбит/с, потребность в Категории 5 стала очевидной. В последнее время уже новые протоколы, в частности ATM на 622 Мбит/с и 1000BaseT, заставляют многих задуматься о достаточности Категории 5 для их реализации. Отсюда и тенденция к усовершенствованию UTP.

Что же такого особенного в этих сетях, что их появление привело к подобной тенденции?

Возросшие скорости передачи данных. Широкое распространение в современных сетях получили такие системы, как 100BaseT и ATM на 155 Мбит/с. Ввиду их сложности по сравнению с 10BaseT и его аналогами проводка для этих систем должна обеспечивать меньшее затухание сигнала, обладать лучшей устойчивостью к помехам и вообще быть более целостной.

Сложные схемы кодирования. В целях оптимального распределения энергии по диапазону частот системами типа 100BaseT используются многоуровневые схемы кодирования. Они имеют множество достоинств, в частности низкий уровень шумов. К сожалению, чем сложнее схема кодирования, тем чувствительнее система. Поэтому кабель не должен иметь разрывов импеданса, обладая при этом хорошей изоляцией.

Функционирование в полнодуплексном режиме. В системах наподобие 10BaseT в каждый конкретный момент времени активна только одна пара. По одной паре данные передаются, по другой — принимаются. Такой режим работы называется полудуплексным. Благодаря достижениям в технологическом процессе и электротехнике, новые системы могут работать в полнодуплексном режиме, т. е. сигналы могут передаваться и приниматься одновременно. Это позволяет увеличить пропускную способность кабеля UTP фактически вдвое. Однако для этого кабель должен иметь стабильные характеристики импеданса с минимальным отражением и хорошую изоляцию от перекрестных помех между парами на ближнем/дальнем конце.

Использование нескольких пар. В обычных сетях активны только две из четырех пар. Между тем пропускную способность можно значительно увеличить за счет использования всех четырех пар кабеля Категории 5. С помощью хитроумной электроники данные могут передаваться одновременно по нескольким парам и восстанавливаться в точке приема. Чтобы это стало возможным, кабель должен обеспечивать при прохождении сигнала как можно меньшие помехи между парами, когда активны все четыре пары. Это послужило толчком к сертификации кабелей Категории 5 на соответствие параметрам суммарного затухания.

КРАТКОЕ ОБОБЩЕНИЕ

Весь спор о необходимости усовершенствованной проводки можно свести к двум очень простым вопросам.

  1. Чем будет полезна усовершенствованная проводка UTP для моей существующей сети?
  2. Чем будет полезна усовершенствованная проводка UTP при модернизации моей сети?

Если кто-то пытается продать вам решение на базе усовершенствованной проводки, то попросите его ответить на эти два простые вопроса. Если он окажется не в состоянии это сделать, то его заявления — не больше, чем маркетинговый ход. В конце концов, сами по себе усовершенствования не имеют смысла. Ваш выбор должен напрямую зависеть от того, какую реальную пользу принесет модернизация вашей сети. И ключевым словом здесь является «ваша». Далеко не все усовершенствования нужны именно в вашей сети. Важно также, чтобы обещанные преимущества стали реализованными преимуществами.

Рисунок 9. Показания тестового устройства NEWSLine компании LeCroy.
Поэтому просто установка усовершенствованной проводки UTP не дает гарантии повышения производительности системы. Пользователю необходимо продемонстрировать, что эти усовершенствования расширят возможности сети и/или улучшат ее характеристики. На Рисунке 9 показаны результаты измерений сигнала с помощью тестового устройства для сети 100BaseT компании LeCroy под названием NEWSLine. Используемый кабель соответствовал Категории 5. Нижний график соответствует исходному сигналу, а верхний показывает, каким сигнал становится после прохождения 100 м.

Тем не менее остается вопрос, каковы общие следствия для сети? В том, что UTP способен обеспечить соединение, сомнений не возникает. Однако гораздо более важное значение имеет способность UTP передавать данные согласованным образом и без ошибок.

Таблица 3 показывает влияние ошибок на пропускную способность сети 100BaseT Ethernet. Как было установлено, увеличение числа ошибок при передаче данных до одного процента приводит к снижению пропускной способности на 80%. Поэтому если усовершенствование проводки UTP способно предотвратить появление ошибок, то переход к проводке более высокого класса вполне оправдан. Улучшение таких параметров, как суммарное переходное затухание, стороннее переходное затухание и мощность сигнала, позволяет сократить вероятность ошибок в существующих и будущих сетях. Однако эти характеристики должны быть продемонстрированы и объяснены конечным пользователям.

Таблица 3.

Процент

повторных

передач
Потенциальная

пропускная

способность (Мбит)
0100
120
24
30,8
40,16
50,32

Значение надежно функционирующей проводки UTP возрастает с увеличением скорости передачи данных. Такие системы, как 1000BaseT, потенциально в четыре раза более чувствительны, чем 100BaseT. Предотвращение ошибок является в обоих случаях обязательным для успешного функционирования сети. Используя такие устройства, как вышеупомянутый тестер компании LeCroy, конечные пользователи могут увидеть, как UTP влияет на характеристики сети. И в некоторых случаях переход на усовершенствованную проводку позволяет увеличить пропускную способность за счет предотвращения ошибок в передаче данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на наличие у усовершенствованной проводки UTP потенциала для расширения возможностей как существующих, так и будущих сетей, вопросы по-прежнему остаются: «Насколько нужны эти усовершенствования для вашей системы и чем они могут помочь для вывода ее на новый уровень?» Только ответив на эти два вопроса, вы сможете отличить реальные потребности от мнимых.

Боб Кенни — директор по информационным кабельным технологиям в Prestolite Wire Cop. С ним можно связаться через http://www.prestolitewire.com.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями