Тестирование сетей на медном кабеле

Что собой представляют высокоскоростные сети на медном кабеле? Давайте посмотрим, чем стандарты могут помочь в понимании высокоскоростной передачи данных по сети.

Каждые десять лет производительность сети увеличивается на несколько порядков, в результате многие люди начинают задаваться вопросом, в какой мере их сетевая инфраструктура на базе медного кабеля способна отвечать возросшим требованиям. В попытке обеспечить "резерв на будущее" многие организации при создании сетей тратят средства на дорогие структурированные кабельные системы, спроектированные с учетом новых требований, предъявляемых к методам доступа и приложениям, например они должны обеспечивать высокую пропускную способность. Между тем многие не понимают, что покупка высококачественного кабеля еще не гарантирует его адекватной работы в конкретной сетевой среде. К сожалению, скорость передачи данных зависит не только от материала кабеля и конфигурации каналов, но и от способа инсталляции.

Некоторые специалисты заявляют, что до 20% всех реализованных кабельных систем, использующих высокоскоростные компоненты, не обеспечивают ожидаемого быстродействия. Причина заключается в неверных методах инсталляции. Результаты некачественной инсталляции особенно наглядно проявляются при развертывании высокоскоростных сетей, включая Fast Ethernet, коммутируемые локальные сети, ATM и Gigabit Ethernet. Некоторые сегодняшние низкоскоростные сети, например Ethernet и Token Ring, напротив, могут адекватно функционировать даже в плохо инсталлированной кабельной среде. Таким образом, высокопроизводительные кабельные системы требуют применения правильных методов инсталляции и точного измерения характеристик. Это гарантирует их соответствие требованиям высокоскоростного доступа.

Единственный способ проверить соответствие инсталлированной высокопроизводительной системы на медном кабеле требуемым характеристикам состоит в ее тестировании. К сожалению, в вопросах тестирования, измерения и сертификации быстродействующих сетей на медном кабеле часто возникает путаница и непонимание. Прежде всего, это вызвано сложностью физических процессов высокоскоростной передачи сигналов в сети. Кроме того, многие организации-пользователи плохо разбираются в стандартах тестирования сетей на медном кабеле. Производители кабелей, компонентов и тестового оборудования еще более усугубляют эту проблему, давая вводящие в заблуждения характеристики своим продуктам.

Например, некоторые поставщики предлагают кабели "повышенной широкополосности", работающие, по их утверждению, на частоте 350 МГц. Между тем никаких стандартов для оценки широкополосности до этих частот в настоящее время не существует: имеющиеся тесты охватывают лишь частоты до 155 МГц. Более того, стандартные разъемы, обеспечивающие функционирование на частотах намного выше 100 МГц, тоже еще не выпускаются.

Учитывая всю неразбериху, окружающую вопросы тестирования кабелей, многие организации предпочитают вовсе не обременять себя тестированием. Они считают, что если поставщик дает гарантию работоспособности инсталлированной системы, скажем, на 20 лет, то не стоит затруднять себя и вникать во все сложности физических процессов и документов по стандартам. Многие полагают также, что если разъемы и кабели отвечают стандартам ANSI на характеристики передачи, то тестировать инсталлированные с их применением сети не требуется. В частности, это объясняется еще и тем, что некоторые крупные производители дают гарантию высокоскоростной передачи информации в быстродействующих сетях. Между тем, как мы увидим далее, соответствие стандартам необязательно означает получение требуемой пропускной способности: многие плохо инсталлированные кабельные системы успешно проходят проверку на соответствие стандартам, а иногда даже превосходят минимально допустимые значения. Проблема в том, что существующие стандарты тестирования высокопроизводительного медного кабеля не обладают достаточной полнотой для точной оценки его характеристик.

TSB-67: РУКОВОДСТВО ПО ТЕСТИРОВАНИЮ МЕДНОГО КАБЕЛЯ

Тестирование высокоскоростного медного кабеля представляет собой более сложную задачу, чем тестирование волоконно-оптического кабеля. Медные кабели подвержены действию помех, вызываемых передаваемыми по ним сигналами. Волоконно-оптический кабель не подвержен влиянию электромагнитных помех и чувствителен только к ослаблению сигнала в разъемах и с расстоянием. Проблемы тестирования медного кабеля усугубляет еще и тот факт, что многие люди не разбираются ни в процедурах тестирования, ни в интерпретации их результатов. Хотя стандарт Ассоциации электронной промышленности/Ассоциации промышленности средств связи (EIA/TIA) 568 содержит электрические характеристики и процедуры тестирования высокопроизводительного медного кабеля и соединителей, действующие с 1992 года, спецификации для тестирования инсталлированных кабельных систем UTP под названием Telecommunications Systems Bulletin-67 (TSB-67) появились лишь около двух лет назад. Это означает, что практический опыт их использования и применения пока еще достаточно ограничен. "Бюллетень по телекоммуникационным системам" TSB-67 - это документ, определяющий, как нужно проводить эксплуатационные испытания UTP-проводки. Он не только предусматривает спецификации для всех рекомендуемых тестов, но и описывает доверительные интервалы, а также базовые электрические характеристики тестового оборудования.

Все функциональные характеристики тестового оборудования должны отвечать минимальным требованиям TSB-67. Для оборудования, отвечающего спецификациям, существует два уровня производительности - I и II. Для каждого из них определяются случайные помехи и шумы, остаточные перекрестные наводки, баланс выходного сигнала, отклонения от стандартного режима, динамическая точность, точность определения длины и возвратные потери.

В целях тестирования группа стандартов TSB-67 определяет две кабельные конфигурации - Basic Link и Channel - и ряд измеряемых параметров. Прежде чем обсуждать применение данных спецификаций для тестирования инсталлированного медного кабеля, давайте остановимся на конфигурациях и параметрах кабельной системы.

Basic Link - это линия передачи сигнала между стенной розеткой и первым оконечным разъемом в монтажном шкафу. Эти точки соединяются кабелем UTP протяженностью до 90 м. Тестирование линии осуществляется посредством подключения тестового оборудования к обоим ее концам с помощью измерительных шнуров длиной 2 м. Один из шнуров вставляется в стенную розетку, а другой подсоединяется к оконечному оборудованию в монтажном шкафу.

Конфигурация Basic Link была разработана для того, чтобы подрядчики, занимающиеся инсталляцией кабеля, могли оценить ту часть маршрута передачи информации, за которую они обычно отвечают. В общем случае от подрядчика требуется проложить кабель только от рабочей зоны до оконечного оборудования в монтажном шкафу. Сетевое аппаратное обеспечение и соединяющие кабели инсталлирует, как правило, организация-пользователь. Данная конфигурация устанавливает стандарт на характеристики передачи, которого подрядчики должны придерживаться согласно их контрактным обязательствам.

Channel - это маршрут передачи сигнала от устройства в рабочей зоне (такого как ПК или принтер) до сетевого оборудования в монтажном шкафу. Организация-пользователь должна обратить на тестирование Channel особое внимание, так как именно данный маршрут определяет эффективность работы сети. Данная конфигурация включает в себя коммутационный шнур от пользовательского устройства до стенной розетки, кабель UTP (длиной до 90 м) от стенной розетки до оконечного оборудования (или соединительного блока) в монтажном шкафу и кроссовый кабель (коммутационный шнур) от соединительного блока до сетевого оборудования. В сумме протяженность пользовательского коммутационного шнура в рабочей области и кроссового кабеля не должна превышать 10 м.

ИЗМЕРЯЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Теперь, разобравшись с кабельными конфигурациями, мы перейдем к определяемым TSB-67 параметрам. Этот документ требует измерения характеристик схемы испытаний Channel и Basic Link для составления плана соединений, определения длины, погонного затухания и переходного затухания на ближнем конце (Near-End Crosstalk, NEXT).

При тестировании схемы соединения проверяются правильность соответствия контактов и пар на разъемах на каждом конце линии и такие ошибки инсталляции, как короткие замыкания, разделение пары и другие типы неправильного соединения.

Тестирование длины состоит в измерении физической длины кабеля. Длина вычисляется по отраженному сигналу в соответствии с тем, сколько времени занимает прохождение сигнала по кабелю. При известной скорости распространения сигнала для конкретного типа кабеля его длину можно вычислить по формуле "расстояние = скорость*время". Приведенная скорость распространения сигнала (Normal Velocity of Propagation, NVP) - это отношение скорости света в вакууме к скорости электрического сигнала в кабеле конкретного типа. NVP выражается в процентах. Для кабелей Категории 5 этот процент обычно находится в районе 70. Общая длина кабеля не должна превышать 100 м, а длина конфигурации Basic Link - 94 м.

Погонное затухание измеряется на единицу длины (например, на 100 м) с достаточно большой точностью. Между тем нужно иметь в виду, что на измеряемое значение могут повлиять температура и близость кабеля к проводящим поверхностям.

Переходное затухание на ближнем конце (NEXT) - это наведенный сигнал в одной паре кабеля в результате передачи сигнала по другой паре. Возможно, из всех измеряемых значений NEXT является одним из наиболее важных параметров передачи, поскольку подобные помехи влияют на способность сети передавать сигналы с коэффициентом побитовых ошибок, не превышающим допустимую величину. К сожалению, хотя NEXT влияет на производительность сети, точное измерение этой характеристики провести довольно трудно при отсутствии достаточного опыта и квалификации оператора. Как будет показано ниже, точность ее измерения в конфигурациях Basic Link и Channel зависит от оконечных разъемов тестового комплекта. Требуемые значения затухания и NEXT для кабеля Категории 5 в соответствии со спецификациями TSB-67 показаны в Таблице 1.

ТАБЛИЦА 1 - ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛЯ КАБЕЛЯ КАТЕГОРИИ 5

НЕКОТОРЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ

Теперь, когда мы определили используемые параметры и конфигурации кабельной системы, давайте рассмотрим Рисунок 1 и Рисунок 2, иллюстрирующие конфигурации, Basic Link и Channel соответственно. На основе этих диаграмм можно сделать несколько полезных наблюдений. В конфигурации Channel 100-метровый маршрут передачи включает в себя подключенные с обоих концов пользовательские коммутационные шнуры. В конфигурации Basic Link в 90-метровый маршрут входят измерительные шнуры тестового комплекта. Достигаемый уровень точности выше для Basic Link. Это связано с тем, что оконечный соединитель, вставляемый в тестовое устройство, негативно влияет на точность измерений на Уровне II. Чаще всего данный соединитель представляет собой восьмиконтактное модульное гнездо. Соответствующий соединитель имеет, как правило, показатель NEXT, не превышающий -45 дБ. В измерении Basic Link подключаемые к тестовому комплекту соединители на кабеле имеют лучшую характеристику в -65 дБ. Уровень точности Level II требует, чтобы тестовый комплект вносил переходные помехи не более -55 дБ.

Важно отметить, что пользовательские шнуры в конфигурации Channel, характеристики которых превышают минимальные значения погонного затухания и NEXT, могут применяться только в этой конкретной конфигурации. Шнуры специфичны для каждого канала! Никаких стандартов на них не существует. Они составляются из отрезка кабеля соответствующей категории и двух модульных разъемов. Характеристики непарных разъемов измерять бессмысленно.

Шнуры, используемые в измерениях Basic Link, являются частью тестового оборудования, и обращаться с ними нужно аккуратно. После подключения шнура к тестовому оборудованию его не следует отсоединять до завершения тестов даже на время, так как это может повлиять на результаты измерений.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗМЕРЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ

Имея тесты TSB-67 и зная, какие параметры следует измерять и каковы их приемлемые значения, вы можете спать спокойно, если результаты теста соответствуют ожиданиям? Успокаиваться рано. TSB-67 исходят из фиксированной конфигурации Basic Link и Chan-nel. Предполагается, что длина Basic Link неизменна и равна 94 м, а длина Channel составляет 100 м. Число соединителей и расстояния между ними также должны быть фиксированы, а компоненты цепи (т. е. кабели и соединители) лишь соответствовать минимальным требованиям к функциональным характеристикам стандарта 568A, но не превышать приведенных в нем значений.

Параметры передачи, математически вычисленные на основе этих предположений, дают пороговые значения для оценки маршрута передачи и заключения о результатах теста (прошел маршрут тестирование, или нет).

Сравните теперь свою инсталляцию с только что описанными фиксированными конфигурациями. Точно ли соответствует протяженность отрезков вашего маршрута передачи значениям, описанным в конфигурациях TSB-67? Равна ли температура во всех его точках 20 градусам по Цельсию? Все ли кабели изолированы от проводящего материала? Сколько у вас разъемов? Больше или меньше, чем в предполагаемой конфигурации? Соответствуют ли разъемы и кабели вашей кабельной системы минимальным требованиям производительности для соответствующих категорий? Математически вычисленные значения исходят из наихудшего случая. Удовлетворят ли вас такие стандарты пропускной способности?

Давайте рассмотрим несколько реальных конфигураций и сравним полученные для них значения NEXT с пороговыми значениями TSB-67.

Цепи на Рисунке 3 представляют несколько возможных конфигураций в типичной рабочей среде. Кабель и перекрестные соединения в цепи 2 дают значение NEXT -38 дБ, модульные разъемы - -44 дБ, а соединительный блок - -50 дБ. Поставщики обычно указывают данные значения в техпаспорте на компоненты. В Таблице 2, соответствующей Рисунку 3, показано, что вычисленные значения NEXT в каналах равной длины существенно зависят от конфигурации компонентов. Все эти цепи значительно превосходят пороговые значения TSB-67. Между тем значение NEXT, равное -27 дБ, является приемлемым с точки зрения TSB-67, но для любой из этих цепей оно означает неудовлетворительное качество инсталляции.

ТАБЛИЦА 2 - ХАРАКТЕРИСТИКИ КАНАЛОВ РАВНОЙ ДЛИНЫ

Два других примера кабельной конфигурации также иллюстрируют опасность слепого следования спецификациям TSB-67 при оценке характеристик сети. Две конфигурации, представленные на Рисунке 4, отвечают сертификационным требованиям TSB-67, но длина их существенно отличается. Исходя из TSB-67, обе конфигурации должны были бы иметь пороговое значение NEXT, равное -27,1 дБ. Воспользовавшись значениями характеристик из Таблицы 3, соответствующими Рисунку 4, мы вычислим NEXT для обеих конфигураций. Для первой и второй конфигурации мы подсчитаем производительность исходя из предположения применения минимально приемлемых компонентов Категории 5, а затем заменим эти компоненты более высокопроизводительными кабелями и соединителями.

ТАБЛИЦА 3 - ХАРАКТЕРИСТИКИ КАНАЛОВ РАЗЛИЧНОЙ ДЛИНЫ

Для короткого канала значение NEXT получается равным -32,0 дБ при минимальных параметрах передачи и -51,9 дБ для высокопроизводительных кабелей и соединителей. Для длинного канала оно равно -28,7 дБ при минимальных параметрах передачи и -39,3 дБ для высокопроизводительных кабелей и разъемов. Каковы последствия подхода к разным конфигурациям с одной меркой? В зависимости от длины кабеля, его технических характеристик и соединителей приемлемые значения NEXT находятся в диапазоне от -1,7 дБ до -24,8 дБ. С учетом использования минимально приемлемых кабелей и соединителей остается очень маленький допуск на ошибку (-1,7 дБ) при инсталляции канала длиной 90 м. Между тем тот же подрядчик, инсталлирующий кабель эквивалентной длины и использующий наилучшие типы кабелей и соединителей, получит резерв в -12,2 дБ.

Такой запас позволит построить высокопроизводительную сеть даже при некоторых промахах в инсталляции.

Для коротких каналов с наилучшими кабелями и соединителями запас NEXT достигает -24,8 дБ.

Как показывают данные результаты, кабельная система может пройти тест на производительность, но дает ли это право на небрежную инсталляцию? Из-за несбалансированности сигнала или других ухудшений параметров передачи, являющихся прямым результатом плохой инсталляции, будущие приложения могут работать некорректно. Ассоциация электронной промышленности/Ассоциация промышленности средств связи (EIA/TIA) не в состоянии опубликовать стандарты производительности для всех возможных вариантов кабельной проводки, поэтому вам придется или удовлетвориться минимально приемлемыми стандартами, или разработать собственный набор стандартов в соответствии с техническими характеристиками связующего оборудования, числом кабельных сегментов и протяженностью каждого сегмента.

О ЧЕМ УМАЛЧИВАЮТ СТАНДАРТЫ

Как видно из предыдущего примера, бездумное следование стандартам TSB может ввести в заблуждение. Эти спецификации представляют собой вовсе не готовые рецепты, а, скорее, документы, отражающие существующие на сегодня в отрасли представления. Не стоит думать, что они отличаются полнотой и учитывают все спецификации, влияющие на эффективность передачи информации. Например, в стандартах ничего не говорится о таких параметрах, как задержка распространения, асимметрия пар, возвратные потери, переходное затухание на дальнем конце (Far-End Crosstalk, FEXT), баланс сигнала и суммарное переходное затухание PowerSum NEXT. Эти параметры также следует измерить для получения наиболее точной оценки характеристик цепи.

Задержкой распространения называется время передачи бита данных по горизонтальному отрезку кабеля. Обычно это участок кабеля от концентратора в монтажном шкафу до сетевой платы (NIC) в рабочей зоне. Чтобы свести к минимуму конфликты при передаче информации, некоторые новейшие высокоскоростные сети, такие как 100BaseT4, требуют применения кабелей с задержкой распространения меньшей, чем это определяется современными кабельными стандартами.

Асимметрия пары описывает разницу в задержке распространения между наиболее "быстрой" и наиболее "медленной" парой четырехпарного кабеля.

Задержка распространения и асимметрия пары являются чрезвычайно важными измеряемыми параметрами для высокоскоростных кабельных сетей, таких как 100VG-AnyLAN, 100BaseTX и 100BaseT4, поскольку эти сети очень чувствительны к временным характеристикам сигнала. На задержку и асимметрию влияют конструкция кабеля и применяемый диэлектрический материал.

Возвратные потери - это отношение мощности передаваемого по кабелю сигнала к мощности отраженного сигнала, измеряемого на входе. Данное значение определяет коэффициент отражения сигнала из-за несоответствий в импедансе. Перекручивание или излом кабеля где-то в середине участка может привести к крупным проблемам в высокоскоростной сети, однако это необязательно будет выявлено тестами, отвечающими спецификации TSB-67. Данная характеристика влияет на все сети, но особенно заметно проявляется при дуплексной передаче сигналов в каждой паре четырехпарного кабеля (как предполагает спецификация Gigabit Ethernet).

Переходное затухание на дальнем конце (Far-End Crosstalk, FEXT) - это измеренные на дальнем конце наведенные шумы в смежной паре в результате подачи сигнала через одну из пар. В системах полудуплексной передачи сигнала величина FEXT не имеет значения, но при дуплексной передаче данную характеристику необходимо учитывать.

Баланс сигнала - это разница между сигналами в каждом проводнике кабеля. Любое различие в уровне напряжения или фазе в каждом проводнике вызывает помехи в цепи. Так называемая "проблема короткой линии" вызвана в основном плохим балансом сигнала в отдельных модульных гнездовых разъемах. Не так давно стало очевидно, что некоторые короткие цепи (20 и менее метров) подвержены неприемлемым переходным помехам. Несмотря на все попытки решить проблему не удалось. Исследования рабочей группы поставщиков позволили выяснить, что помехи вызывались отдельными типами разъемов, которые соответствовали Категории 5, но не обеспечивали удовлетворительной работы.

Суммарное переходное затухание NEXT - это более строгий метод тестирования, чем тот, который применяется в настоящее время для измерения NEXT. В современных сетевых системах все чаще используются все четыре пары кабеля. В настоящее время стандарты предлагают определять значение NEXT путем передачи сигнала по одной (возмущающей) паре и измерения его влияния на другую (возмущаемую) пару. Определение суммарного перекрестного затухания требует передачи сигнала по всем парам, кроме одной, и измерения его влияния на эту - возмущаемую - пару.

ЗАЧЕМ НУЖНЫ СПЕЦИФИКАЦИИ TSB-67?

Спецификации TSB-67 имеют некоторые существенные недостатки, но это не означает, что данный стандарт следует игнорировать. TSB-67 дает ценные рекомендации относительно значений наиболее важных характеристик и содержит полезные электрические спецификации тестового инструментария.

До появления TSB-67 не существовало никакого способа сравнения точности тестовых наборов. Более того, EIA/TIA планирует включить в эту спецификацию остальные параметры, необходимые для точной оценки характеристик цепи. Между тем некоторые недостатки TSB-67 можно преодолеть самостоятельно, определив детальные процедуры тестирования для проверки выполнения конкретных технических требований к сетевой среде. Это позволит добиться наилучших результатов при тестировании кабельной системы. Перечислим, какие именно процедуры нужно реализовать.

1. Разработайте стандарты на технические характеристики передачи для своей среды. В TSB-67 приводятся лишь минимально допустимые значения.

2. Определите масштабы тестирования. Например, проверка всех цепей, если их число не превышает 250.

3. Ежедневно выполняйте калибровку тестового комплекта.

4. Настаивайте на правильном и аккуратном использовании измерительных кабелей из тестового комплекта, так как они имеют ограниченный срок службы. Проверьте, что измерительные кабели не изношены.

5. Используйте только те шнуры адаптера канала (для подключения концентратора или сетевой платы), что тестировались для данной конкретной цепи. Пользовательские коммутационные шнуры не являются взаимозаменяемыми.

6. Тестируйте затухание и NEXT на обоих концах цепи.

7. Требуйте, чтобы подрядчики предоставляли вам документацию по тестированию (в электронной и печатной форме).

8. Для каждой цепи включайте в документацию по тестированию не только признак "прошла/не прошла", но и фактически измеренные значения NEXT, погонного затухания, длины, отношения затухания к перекрестным помехам (ACR) и схему соединений.

9. Протестируйте дополнительные параметры, такие как сопротивление цепи, емкость, электрические помехи, асимметрию пар и характеристический импеданс.

10. Предусмотрите в контракте, что подрядчик должен заново инсталлировать каналы с неадекватными техническими характеристиками.

СТРАТЕГИЧЕСКИЙ ПЛАН ТЕСТИРОВАНИЯ

Политические и экономические соображения могут потребовать использования минимальной пропускной способности, определяемой в спецификациях TSB-67, однако не стоит вводить себя в заблуждение, что в этом случае вы получите высокоэффективную кабельную систему. Слепое следование техническим критериям TSB-67 может заставить вас принять уровень производительности, недостаточный для вашей сетевой среды.

Если вас серьезно беспокоят вопросы эффективности передачи данных и вы хотите сделать обоснованные заключения на этот счет, то следует заранее разработать собственные стандарты, отвечающие вашей ситуации. Для этого существует несколько подходов. Один из них состоит в выполнении регрессивного анализа данных по всем цепям, что даст вам значения характеристик в зависимости от расстояния передачи. Графическое отображение такой информации покажет приемлемую и неприемлемую производительность для каждой длины цепи (в порядке возрастания).

Некоторые квалифицированные подрядчики сами предоставят вам подобные результаты.

Другой подход заключается в выполнении математического анализа инсталляции. Значения переходного и погонного затухания можно вычислить посредством логарифмического суммирования ухудшения параметров передачи для каждого отрезка кабеля и соединителя, однако подобное упражнение может оказаться весьма утомительным.

Третий подход предполагает использование недавно выпущенной Windows-программы ChCalc, вычисляющей значения погонного затухания и NEXT для различных конфигураций цепей и параметров компонентов. Во время написания данной статьи это было единственное приложение такого рода.