© "ЕПОС. Публикации"
Публикация предоставлена Электронным библиотечным фондом "Наука и Техника"
Юрий РУДАКОВ, начальник отдела сетевых технологий компании "ЕПОС"
Если нельзя, но очень хочется - то можно!
Народный ЕПОС
Со школьной скамьи нам всем хорошо знакомы некоторые законы природы, которые потому и называются законами, что их нельзя нарушать. Однако кроме законов существуют и правила, из которых, как известно, есть исключения. Чтобы облегчить себе жизнь при изготовлении технических изделий, люди придумали ещё и стандарты - правила, которые касаются только производителей. Потребителям эти правила тоже идут на пользу, поскольку обеспечивают совместимость изделий, сделанных по стандарту, и позволяют проконтролировать изделие на соответствие заявленным характеристикам.
Кабельные системы, предназначенные для автоматизации рабочих мест сотрудников офисов, за последние 20 лет прошли эволюционный путь развития от узкоспециализированных дорогих решений до универсальных кабельных систем, которые построены на принципах открытой архитектуры. Современные структурированные кабельные системы (СКС) зданий (офисов) проектируются и строятся в соответствии с набором основных технических характеристик, заданных и зафиксированных в стандартах. В настоящее время на рынке имеется широкий выбор электрических и оптических изделий, позволяющих создавать СКС ёмкостью от десятков до десятков тысяч портов стандартными средствами, с использованием типовых решений. Единая идеология построения таких кабельных систем позволяет в дальнейшем развивать и объединять разрозненные части в единое целое благодаря поддержке широкого круга сетевых приложений и сетевого оборудования. Технический уровень элементной базы, задаваемый действующими стандартами, обеспечивает работоспособность таких систем и поддержку существующих и перспективных приложений на протяжении 15...25 лет.
Никто не спорит, что стандарты - вещь нужная, но в некоторых случаях они превышают наши потребности своей чрезмерной универсальностью, а иногда следование им приводит к чрезмерному удорожанию. Но можно ли относиться к стандартам как к правилам, следуя принципу, что правила потому и называются правилами, а не законами, что из них есть исключения? "Соблюдайте стандарты, если не хотите иметь проблем" - таков обычный ответ известных производителей. С этим утверждением, конечно, трудно спорить, но всё же "если нельзя, но очень хочется...", то можно?
Попробуем дать ответ на этот вопрос применительно к стандартам, принятым для СКС локальных вычислительных сетей (ЛВС). С основными положениями таких стандартов, как ISO/IEC 11801, EN50173 и TIA/EIA-568-A, можно ознакомиться в [1], много интересного также печатается в периодических изданиях, посвящённых сетевой тематике.
Мы не будем рассматривать стандарты как таковые, а коснёмся лишь некоторых их положений, обход которых может принести некоторую экономическую выгоду, хотя иногда и в ущерб принципу универсальности и избыточности, характерному для СКС. Нестандартные, но работоспособные технические решения в области кабельных систем имеют право на жизнь и считаются частными решениями. Обычно такие решения не сертифицируются производителями СКС. Внедряя частное решение в офисе, надо всегда помнить о том, что очень скоро узкие места таких решений дают о себе знать, особенно в динамично развивающихся фирмах. Некоторые частные решения рассматриваются заказчиками как временные, и их вполне устраивает гарантия на такие системы сроком 2...3 года вместо 15...25 лет на СКС, спроектированные и произведённые по стандартам.
Стандартами для СКС на основе витых пар для сетей Ethernet 10Base-T и Fast Ethernet 100Base-TX предписано, что:
В большинстве случаев эти ограничения вполне удовлетворяют потребностям ЛВС для небольшого офиса. Однако довольно часто можно столкнуться с тем, что одну из рабочих станций ЛВС необходимо разместить на удалении, скажем, 150 м от активного оборудования. В этом случае, если придерживаться стандартов, то необходимо устанавливать на расстоянии до 90 м от основного оборудования дополнительное кроссовое и активное оборудование (концентратор или коммутатор) и протягивать от него линию к рабочей станции или изменять среду передачи сигналов, например, на оптическое волокно. Для небольшого офиса такое решение - достаточно дорогое и неудобное, поскольку не всегда возможна установка дополнительного активного оборудования в нужном месте, а изменение среды передачи сигнала влечёт за собой применение специальных устройств - преобразователей среды, что опять же сводится к значительным дополнительным затратам.
Есть ли недорогое решение для описанной ситуации? Рассмотрим, откуда взялось ограничение в 90 м на горизонтальную проводку для витых пар. Стандарты не возникают на пустом месте; они опираются на возможности существующих технологий и потребности практики. Существенную роль в принятии ныне действующих стандартов сыграла технология изготовления кабелей из витых пар проводников. Напомним, как происходил переход от сетей Ethernet к сетям Fast Ethernet. Производители кабельной продукции и сетевого оборудования предлагали различные варианты для построения сетей Fast Ethernet. Вспомним так и не нашедшие широкого применения, по крайней мере у нас, технологии 100Base-T4 или 100VG-AnyLAN. В этих технологиях передача сигналов со скоростью 100 Мбайт/с осуществлялась не по двум, а по четырём парам, причем в качестве среды передачи мог использоваться кабель 3-й категории. Эти стандарты возникли в те времена, когда кабель категории 5 был достаточно дорог, количество инсталляций на кабели 3-й категории было достаточно велико, а потребности практики диктовали применение высокоскоростных сетевых приложений. Перед производителями стояла задача предложить решение, позволяющее передавать данные в 10 раз быстрее, при этом не уменьшая длину сегмента, который для сетей 10Base-T составляет 90 м. Технология производства кабелей 5-й категории и активного оборудования подстраивалась как раз под эти требования.
Сравнительно недавно, одновременно с разработкой стандартов для гигабитных технологий передачи данных, производители стали предлагать кабели с улучшенными частотными свойствами, которые стали позиционироваться как кабели категорий 5e, 6 и 7. Электрические характеристики этих кабелей значительно превосходят по величинам аналогичные характеристики кабелей категории 5.
Рис. 1. Кабель 6-й категории на частоте 100 МГц имеет больший запас по ACR, чем кабель 5-й категории
На рис. 1 представлены зависимости затухания сигнала (Attenuation) и перекрёстных помех (NEXT) от частоты для кабелей 5-й и 6-й категорий (длина сегмента 100 м). Мы видим, что кабель 6-й категории имеет значительную (до 25 дБ) величину ACR на частоте 100 МГц. Стандарты для кабельной проводки класса D нормируют эту величину на уровне около 4...10 дБ (причём разные стандарты по-разному). Значит, если мы в критическом по длине сегменте применим кабель 6-й категории вместо кабеля 5-й категории, то при длине 100 м у нас образуется запас по ACR до 15 дБ. Мы можем израсходовать этот дополнительный запас, увеличив суммарную длину сегмента до некоторых пределов. При увеличении длины сегмента свыше 100 м и фиксированной частоте (например, 100 МГц) уровень полезного сигнала будет уменьшаться, а уровень перекрёстных помех будет возрастать; в результате ACR = NEXT - A, т.е. соотношение сигнал/помеха ухудшается. Неразумное увеличение длины сегмента может привести к отрицательному значению ACR и даже полной неработоспособности сети. Насколько же можно увеличить длину сегмента, чтобы сохранить требуемую стандартами величину ACR? Это зависит в основном от реальных характеристик применяемого кабеля и от используемого активного оборудования. Мы можем поделиться собственными результатами практической проверки вышеизложенных рассуждений. Используя кабель 6-й категории PiMF (300 МГц) в сегменте сети Fast Ethernet, мы добились устойчивой работы сети при длине сегмента 150 м. Применение кабеля категории 5e в сетях Ethernet 10Base-T давало положительный результат при длине сегмента до 180 м.
Мы не ставили перед собой задачу получения абсолютных цифр по превышению ограничения на длину сегмента для конкретного типа кабеля и типа используемого оборудования. Применяя такое решение, необходимо каждый раз проводить предварительную проверку его работоспособности. Иногда требуется подбор пар, которые обладают лучшими характеристиками по ACR. Это, возможно, несколько хлопотно, но результаты приносят свои плоды в виде реальной экономии средств.
Кабельная система небольших офисов, как правило, имеет только горизонтальную подсистему СКС, поскольку сам офис обычно размещается на одном этаже. Стандарты предусматривают для горизонтальной подсистемы СКС наличие этажного кросса. От этажного кросса горизонтальные кабели расходятся к розеткам рабочих мест. В последнее время практически во всех вновь установленных офисных сетях используется технология Fast Ethernet 100Base TX, которая предъявляет повышенные требования к параметрам кабельной системы. Подключение активного сетевого оборудования к кроссу и розеткам рабочих мест должно осуществляться при помощи коммутационных шнуров. Горизонтальные линии и коммутационные шнуры изготавливаются из разного кабеля. Витые пары горизонтальных кабелей выполняются как одножильные, из монолитных медных проводников, а витые пары коммутационных шнуров выполняются многожильным проводом - для придания кабелю большей гибкости и устойчивости к механическим воздействиям. Собственно этажный кросс представляет собой одну или несколько коммутационных панелей, монтируемых в 19-дюймовые стойки или шкафы. Производители выпускают коммутационные панели с различным числом установленных гнёзд модульных разъёмов RJ-45 (портов); обычно их число колеблется от 12 до 48, а по высоте они занимают одно-два стандартных посадочных места - юнита (1 юнит = 13/4"). Небольшой навесной 19-дюймовый шкаф, коммутационная панель и коммутационные шнуры составляют довольно значительную часть стоимости ЛВС небольшого офиса (рис. 2). Чтобы уменьшить эти затраты, производители предлагают специальное 10-дюймовое исполнение кросса для сетей на 8...12 рабочих мест, которое в 2...3 раза дешевле 19-дюймового. Уже лучше, но всё ещё дороговато. А можно ли обойтись совсем без кросса? На практике обычно так и поступают.
Рис. 2. "Ненужное" оборудование
На концы кабелей, которые должны заделываться в модульные розетки коммутационной панели, устанавливают восьмиконтактные вилки RJ-45 и напрямую подключают их к розеткам активного оборудования. Другие концы горизонтальных кабелей подключают к розеткам на рабочих местах. Казалось бы, вполне рабочее решение для небольшой сети. Какая-то логика в этом есть: действительно, зачем нужен кросс в небольшой сети, если немногочисленные сотрудники сидят на своих местах и не перемещаются с места на место, а кабельная телефонная подсистема уже существует и не увязывается с кабельной системой ЛВС?
Однако в таком решении есть определённая степень риска. Дело в том, что вилки модульных разъёмов типа RJ-45 сконструированы специально для установки на кабели, предназначенные для коммутационных шнуров, в которых используются многожильные проводники. Ножевые контактные лепестки при обжиме вилки без труда входят в тело проводника и обеспечивают надёжный контакт. Другое дело, когда вилка устанавливается на горизонтальный кабель, использующий монолитные одножильные проводники. Лепестки могут сломаться при обжиме, упираясь в твёрдое тело проводника, или пройти по касательной к нему. В результате контакт в вилке получается ненадёжный. Для того чтобы надёжно монтировать вилку на горизонтальный кабель, необходимо применять вилку со специальной формой контактных лепестков, которые имеют округлую форму с двумя зубцами на концах или вилку с универсальной конструкцией контактных лепестков.
Некоторые инсталляторы в своём новаторском порыве идут ещё дальше - отказываются от применения на рабочих местах розеток и оконечных коммутационных шнуров и подключают сетевую плату системного блока способом, описанным выше, т.е. напрямую. Этого не стоит делать, по крайней мере когда идет речь о горизонтальном кабеле. Дело в том, что в рабочей зоне пользователя отрезок кабеля, идущий к сетевой карте системного блока, подвергается повышенным механическим воздействиям: ударам, растяжениям и скруткам. К тому же возможен ненадёжный контакт в вилке. Всё это ухудшает электрические характеристики кабеля в зоне системного блока и может являться причиной неустойчивой работы сети. Если уж применять такую схему подключения, то для этих целей лучше использовать многожильный кроссовый кабель. При этом необходимо помнить, что этот кабель имеет худшие электрические характеристики, чем горизонтальный, поэтому длину такой линии не рекомендуется делать более 20 м. Кабель для шнуров примерно в 2 раза дороже горизонтального кабеля. Однако, учитывая, что при такой организации кабельной системы экономятся средства на кроссовом оборудовании и розетках, такое решение экономически целесообразно, особенно для объединения 5...8 рабочих станций, расположенных в одном или смежных помещениях.
В качестве горизонтального кабеля в современных СКС используется в основном четырёхпарный симметричный кабель. Известно, что для передачи сигналов в сетях Ethernet и Fast Ethernet используются только две пары из четырёх. Остальные пары являются фактически незадействованными. Технические характеристики современных кабелей по параметру NEXT очень высоки (см. рис. 1), что позволяет использовать свободные пары для передачи аналоговых и цифровых сигналов без заметного влияния на работу основного приложения. Американский стандарт TIA/EIA-568-A не предусматривает использования свободных пар в горизонтальном кабеле, зато международный ISO/IEC 11801 и европейский EN50173 допускают подобные технические решения, которые получили название cable sharing. Для реализации принципа совместного использования кабеля промышленно выпускаются такие устройства, как Y-адаптеры, двойные адаптерные вставки, разветвительные шнуры и т.п. Однако все эти устройства предназначены для передачи сигналов в сетях Ethernet 10Base-T. В полной мере принцип cable sharing реализован в системе "AMP Communications Outlet" (AMP CO), производимой компанией "Tyco Electronics AMP".
Система AMP CO (рис. 3) состоит из специальных розеток с унифицированным разъёмом (Edge Connector), в который заделывается кабель (все 4 пары), и большого количества сменных адаптерных вставок (включая даже вставки для подключения коаксиального кабеля) в эти розетки.
Рис. 3. Система АМР СО
С течением времени, переходя к различным интерфейсам и сетевым стандартам, необходимо менять только вставки (в розетках и коммутационных панелях), не затрагивая кабельную систему. Имеется возможность увеличить общее число портов, поменяв вставки на двухпортовые. При этом используется технология cable sharing - для большинства существующих сетевых стандартов (включая Fast Ethernet 100Base-TX) можно подсоединять к одному четырёхпарному кабелю два порта (два компьютера или два телефона, или компьютер и телефон), каждый из которых использует две пары. Возможный в дальнейшем переход к протоколу, использующему для обмена данными все четыре пары (например, 1000Base-T), осуществляется опять же простой сменой вставок. На контрактной или лицензионной основе система AMP CO поставляется таким известным производителям, как "Siemens" (система ICCS), "Legrand" (система Mosaic Aco). Следует отметить, что компоненты системы АМР СО примерно в 2 раза дороже традиционных решений и по этой причине в небольших сетях у нас в стране используются крайне редко.
Для реализации принципа совместного использования кабеля можно применять компоненты и от других производителей. Однако необходимо тщательно выполнять требования по разделке витых пар (раскрутка витой пары при заделке не более 12 мм). Это требование легко выполняется при разделке одного конца кабеля в соседние гнёзда коммутационной панели, а другого конца - в сдвоенную настенную розетку.
У некоторых специалистов вызывает сомнение возможность совместного использования кабеля для передачи сигналов локальной и телефонной сетей. Основной аргумент против такого решения - большая (до 90 В) амплитуда вызывного сигнала телефонной линии, которая может явиться помехой для сигналов ЛВС.
В ответ на это можно возразить следующее:
Анализ пакетов, передаваемых по сети с разделяемыми парами, показывает, что повторной передачи пакетов практически не происходит, а если такое и случается, то моменты повторной передачи не коррелируют с вызывными звонками.
Мы можем сослаться на собственный опыт. В локальной сети компании "ЕПОС" уже более 4-х лет используется кабельная система на 80 портов, в которой реализован принцип cable sharing для передачи телефонных сигналов от УАТС "Samsung" и сигналов ЛВС. Для этих целей мы использовали модульные наборные коммутационные панели и сдвоенные розетки от СКС "Panduit". Гнёзда розеток рабочей зоны и соответствующие им смежные гнезда на наборной коммутационной панели укомплектовывались модульными разъёмами RJ-45 и RJ-11. В процессе эксплуатации этого решения мы постепенно переходили от сетевого приложения 10Base-T к 100Base-TX, не переделывая кабельную систему. При этом проблем у нас не возникало ни с одним приложением. Что дало нам такое решение? Мы уложили на несколько километров кабеля меньше, чем ушло бы на стандартное решение, и получили дополнительную экономию на стоимости коробов. Дело в том, что, уменьшая количество кабелей, идущих к рабочим местам, мы получили возможность использовать для их прокладки короб меньшего сечения, который, как известно, стоит дешевле.
До сих пор мы рассматривали решения, которые позволяют экономить средства при организации ЛВС небольшого офиса за счёт некоторых компромиссов со стандартами. Есть ещё один способ организации кабельной системы офиса, не рассчитанный на экономию средств рассмотренными выше способами, а наоборот, предполагающий некоторую их избыточность на начальном этапе, но дающий экономию впоследствии.
Такой способ построения применяется для динамично растущих фирм и находит всё большее одобрение среди руководителей, способных смотреть хотя бы на шаг вперёд и умеющих считать деньги. При таком построении мы не нарушаем никаких канонов для СКС, не избавляемся от "ненужного" оборудования и не экономим на кабеле. Наоборот, все эти элементы в нашей системе присутствуют в избытке. Идея очень простая: на каждом рабочем месте по всем правилам монтажа устанавливаются две информационные розетки RJ-45 (или сдвоенная розетка), к которым подключаются стандартные горизонтальные кабели 5-й категории, оканчивающиеся на коммутационной панели в шкафу. Имея такую избыточность, мы можем по своему усмотрению, исходя из текущих потребностей, подключить к этим розеткам: две рабочие станции, рабочую станцию и телефон от УАТС или два телефона. Все переключения происходят в одном месте на коммутационной панели шкафа. Входные городские линии целесообразно тоже вывести на коммутационную панель. Это пригодится при техническом отказе УАТС. В этом случае при помощи стандартных телефонных шнуров входные телефонные линии напрямую выдаются на наиболее критичные рабочие места. Это сможет сделать любой инженер, не прибегая к помощи телефонных служб. На переключение уйдет до 5 минут. А когда приедут телефонисты? Офис без связи - деньги на ветер. Здесь нет никакого секрета. Стандартная (TIA 568 A(B)) раскладка проводов в восьмиконтактном гнезде RJ-45 совместима с требованиями телефонии, а обычная шестиконтактная телефонная вилка совместима с восьмиконтактным гнездом модульного разъёма. При добавлении новых сотрудников тоже не возникает особых проблем, и не надо вызывать монтажников для прокладки новых линий.
Для этих целей в большинстве случаев можно использовать второе гнездо рабочего места ближайшего сотрудника, у которого нет телефона. При условии, что в проекте мы заложили некоторую избыточность розеток, то такое техническое решение кабельной системы нам представляется наиболее правильным и не противоречащим стандартам (рис. 4).
Рис. 4. Правильное решение
Разговор о нестандартных решениях мы затеяли не из нигилистских побуждений, а для того, чтобы показать некоторые резервы, заложенные в высокотехнологичных изделиях, каковыми являются СКС. Разумное использование этих резервов может принести выгоду, а игнорирование - разочарование. Мы отнюдь не призываем везде и по любому поводу нарушать стандарты, а наоборот, рекомендуем им строго следовать. Использовать нестандартные технологические приёмы позволительно лишь очень опытным инсталляторам, которые знают и строго соблюдают правила разделки кабеля и его прокладки, а также имеют средства для измерения параметров своих нестандартных решений. Некоторые "пионерские" способы прокладки кабеля, получившие название "гвоздиком по плинтусу", могут свести на нет не только нестандартные решения, но и те, которые как будто бы стандартны, но почему-то работают плохо. Как тут не вспомнить Жванецкого - "тщательней надо, ребята...". Конечная цель любого серьёзного инсталлятора кабельных систем должна быть одной: обеспечить надежность и долговечность функционирования СКС, подтверждённую устойчиво работающими сетевыми приложениями.
Семёнов А.Б., Стрижаков С.К., Сунчелей И.Р. Структурированные кабельные системы. М.: Компьютер пресс, 1999.
12 апреля 2001 года.