Методы и средства передачи информации (Лекция №14)

Тестирование и гарантии – единственная возможность избежать проблем работы приложений компьютерной сети.

Вопреки распространенному мнению о полном соответствии стандартов СКС требованиям сетевых протоколов это заблуждение. Параметры среды пере-

дачи ниже требований приложений.

Стандарты СКС классов D (100 МГц), E (250 МГц) и F (600 МГц) предусматривают нулевое – отрицательно отношение затухания / суммарных наводок на верхней границе частотного диапазона. Для рабочих пар приложений класса D, реализуемых в компьютерных сетях, отношение сигнал / шум во всем диапазоне частот должно быть не менее 10-19 дБ, то есть на один – два порядка лучше, чем предусматривают стандарты СКС. Более того, некоторые приложения класса D работают в полосе частот более 100 МГц, определяемых категорией 5е. Диапа-

зон частот 1000BASE-T Gigabit Ethernet составляет 125 МГц, АТМ 155 – 155

МГц.

Таким образом, СКС может соответствовать стандартам, но не обеспечивать работу ряда приложений локальной сети по параметру коэффициента битовых ошибок (BER – Bit Error Rate). При этом уменьшается скорость передачи данных вплоть до "зависаний" компьютерной сети.

Качество передачи сигналов по каналам СКС обеспечивается благодаря резерву параметров. Чтобы проверить, достаточен ли резерв, проводится тестирование соответствия сетевым протоколам. Например, при использовании кабельного анализатора Fluke, подтверждается соответствие базовой линии / канала одиннадцати сетевым протоколам. Это означает возможность использования также любых приложений низших классов.

Качество СКС складывается из резерва параметров, заложенного изготовителем, а также квалификации исполнителей, выполняющих монтаж.

Надёжность и работоспособность кабельной системы во многом зависит от реализованных проектных решений. Например, длина кабелей должна быть минимальной, что напрямую влияет на работу локальной сети. Чем меньше длина канала, тем меньше затухание сигнала, лучше показатель сигнал / шум. Линии

11

предельной длины целесообразно экранировать. Проектирование выполняется на основе большого объема быстро развивающихся стандартов. Поэтому важен выбор системы, категории кабелей, типа разъемов, наличие экранирования, разумной избыточности параметров СКС. Это отражает перспективы роста сетевых потребностей, нагрузку локальной сети Заказчика.

Для монтажа СКС требуется правильно подготовить кабель каналы, аккуратно проложить кабели, подключить их к разъемам. Подключение требует расплетения пар, то есть разбалансировки, или, другими словами, снижения качественных характеристик системы. Чаще всего отрицательные результаты тестирования вызваны монтажом разъемов. Хорошая квалификации монтажников, проверенная результатами тестирования, решает проблему. Имеются другие возможности. Модульные разъемы ряда производителей сводят риск разбалансировки к минимуму благодаря особой технологии монтажа.

Качественная СКС, резерв функциональных параметров обеспечивают длительную беспроблемную эксплуатацию локальной сети, что гарантирует быстрый возврат инвестиций, повышение эффективности работы организации.

2.Особенности применения линий для передачи цифровой информации

Представления о структурированных кабельных системах (СКС), как правило, идеализированы. Поэтому для сертификации СКС необходимо тестирование совокупности линий передачи и протоколов. Фактически качество современных систем невозможно обеспечить без 100% контроля. Объективная проверка позволяет устранить как мелкие, так и серьезные недостатки.

Долгосрочные гарантии повсеместно воспринимают как залог решения проблем на физическом уровне. В действительности, требования сетевых протоколов выше ограничений стандартов CKC. Класс или категория среды передачи не имеют значения, если сеть работает нестабильно. Оценить полученные результаты можно, используя планку приложений. Возможности среды передачи хорошо известны, однако параметры протоколов и сам факт несогласованности

12

стандартов остаются в тени. Недостаток знаний и искаженные толкования результатов часто приводят к неправильным решениям.

Тестирование каналов основано на определенных нормативных документах. К ним относятся и модели каналов.

Модели канала В большинстве случаев тестирование включает только часть канала. Как

правило, это базовая линия, состоящая из фиксированного кабеля с разъемами на концах. Однако работа сети зависит от параметров канала, обеспечивающего передачу сигналов между двумя терминальными устройствами.

Рисунок 14.1– Интерфейсы СКС и интерфейсы тестирования 2002

Точки подключения активного оборудования и кабелей внешних служб называются интерфейсами СКС. Интерфейсы СКС не совпадают с интерфейсами тестирования. Во-первых, точка консолидации (ТК), предназначенная для удобства организации рабочих мест в открытых офисах, не является интерфейсом СКС. Стандарты не предусматривают подключение оборудования к ТК. Вовторых, параметры гибких кабелей измеряют в составе канала, что исключает коммутационные панели магистрального канала с четырьмя разъемами в качестве портов подключения измерительного оборудования.

В настоящее время стандарты определяют две модели канала: подключение и коммутация. Второе издание ISO/IEC 11801 предусматривает четыре моде-

13

ли канала: подключение, коммутация, подключение с точкой консолидации (ТК) и коммутация с ТК.

Рисунок 14.2 – Модели канала горизонтальной подсистемы 2002.

АК – абонентский кабель, КК – коммутационный кабель, СК – сетевой кабель, ПК – переходный кабель,ТР – телекоммуникационный разъем, ТК – точка консолидации, РП – распределительная панель, КП – коммутационная панель

Новые стандарты реализуют непривычную пока концепцию создания структурированной кабельной системы. В настоящее время длина фиксированных кабелей горизонтальной подсистемы не должна превышать 90 метров, а гибких – 10 метров. С 2002 года длина фиксированных линий определяется по формулам, различным для каждого класса среды передачи и каждой модели канала. Проектировщики используют общую величину затухания канала и определяют длину фиксированных кабелей, исходя из требуемой длины абонентских и переходных кабелей. Например, модель «подключение» класса D с абонентскими кабелями 23 метра и сетевыми 2 метра будет ограничена величиной 71 метр, а фиксированные кабели – 46 метров. Измерение параметров стационарной линии при этом не имеет практического значения. В результате применения новых стандартов доля тестируемых каналов возрастает.

Если длина каналов значительно меньше предельно допустимой, тестирования линий будет достаточно. Каналы более сложных моделей и линии пре-

14

дельной длины необходимо проверять не просто на соответствие стандартам среды передачи, но и требованиям протоколов.

Параметры каналов Для оценки качества передачи сигналов приходится учитывать несколько

десятков помех различного типа в полосе частот, определенной стандартами или пределами измерений. С этой точки зрения, интерпретация результатов симметричных электропроводных линий оказывается сложнее, чем оптоволоконных.

На рисунке 14.3 показаны схемы передачи протоколов Fast Ethernet 100 Base-TX и Gigabit Ethernet 1000 Base-T. До появления протоколов, задействую-

щих все четыре пары, достаточно было учесть затухание сигнала (Attenuation) и перекрестные наводки (NEXT), изображенные красными стрелками. Если работают только две пары, возникают две наводки NEXT, влияющие на работу приемников на каждом конце линии. Протоколы используют разные пары, поэтому при тестировании проверяют все возможные комбинации – по шесть помех для обоих концов линии / канала.

Рисунок 14.3– Схема передачи протоколов Fast Ethernet и Gigabit Ethernet

Требование увеличения скорости передачи данных без расширения частотного диапазона привело к усложнению схемы передачи и числа тестируемых параметров. Тактовая частота Gigabit Ethernet составляет 250 МГц, фактическая скорость передачи данных по каждой паре – 250 Мбит в секунду. Для уменьше-

15

ния эффективной полосы частот до 125 МГц применено двухбитовое кодирование.

Для передача двух битов используется четыре уровня, а для повышения помехозащищенности – пятый уровень, что реализовано в пятиуровневой схеме PAM-5. Увеличение скорости при сохранении полосы частот потребовало расширения динамического диапазона. Пятиуровневая схема предъявляет более высокие требования к качеству сигнала, чем двух- и трехуровневая. Для работы Gigabit Ethernet предусмотрено наилучшее отношение сигнал / шум (SNR) на входе в приемник, чем у любого из действующих протоколов (таблица 14.1).

Таблица 14.1 – Требования сетевых протоколов к среде передачи

Протокол	Полоса частот,	Контакты:	Сигнал / шум, Перекр. нав., Затухание,			Сдвиг,
	МГц	перед.-прием	SNR, дБ	NEXT, дБ	Att, дБ	Scew, нс
1000Base-T	1-128	4,5-1, 2-3, 6-7,8	19	Кат 5	Кат 5	50
100Base-TX	1-80	3,6-1,2	17	-29	-20
100VG-AnyLAN 1-100		3,6-4,5	17	-29	-13
ATM-155	1-155	1,2-7,8	16	-27,5	-24
ATM-51	1-16	1,2-7,8	16	-19,5	-14,5
ATM-25	1-16	3,6-4,5	10	-19,5	-14,5
100Base-T4	1-16	4,5-1, 2-3, 6-7,8	13,5	-26	-12,5	50
10Base-T	1-16	3,6-1,2	14,5	-26	-11,5
TR-16, Active	1-20	3,6-4,5	14	-30	-16
TR-16, Passive	1-20	3,6-4,5	15,5	-34,5	-10
TR-4, Active	1-10	3,6-4,5	17,5	-36,5	-10
TR-4, Passive	1-10	3,6-4,5	17,5	-36,5	-19

Еще один резерв – число пар. Чтобы обеспечить 1000 Мбит/с, задействованы все четыре пары, каждая из которых работает одновременно в обоих направлениях. Поток битов разбивается на четыре и вновь соединяется в один, следовательно, приходится учитывать еще один параметр. Разница во времени прохождения сигналов по парам (сдвиг) не должна превышать определенного значения, чтобы правильно собрать пакеты на входе в приемник.

Дуплексная передача добавила к перекрестным наводкам (NEXT) однонаправленные наводки (FEXT). Наводки однонаправленной передачи каждой пары влияют на три смежные пары, что дает по 12 комбинаций FEXT на каждом конце

16

линии. На рисунке 14.3 внизу однонаправленные наводки третьей пары отмечены стрелками сиреневого цвета.

Кроме того, для оценки качества сигналов на входе в приемник потребовалось измерять не только межпарные, но и суммарные наводки (Power Sum NEXT

иPower Sum FEXT). В четырехпарном кабеле насчитывается 36 комбинаций межпарных и 16 комбинаций суммарных наводок, подлежащих контролю, – по 6 NEXT, 12 FEXT, 4 PS NEXT и по 4 PS FEXT на каждом конце линии.

Качество сигналов на входе в приемники каждой из пар определяют две величины: отношение затухания к суммарным перекрестным наводкам (PS ACR)

иотношение затухания к суммарным однонаправленным наводкам (PS ELFEXT). В совокупности PS ACR и PS ELFEXT характеризуют превышение сигнала над уровнем собственных шумов и отличаются от параметра сигнал / шум (SNR) на величину внешних наводок. На рисунке 14.5 отношение PS ACR показано линией красного, а PS ELFEXT – линией синего цвета.

Возвратные потери учитывают отражения сигналов в результате разбалансировки и изменений волнового сопротивления среды передачи и возникают в каждой паре на каждом конце линии. Данный вид помех влияет на протоколы с одновременной передачей и приемом сигналов по каждой паре. Баланс измеряется как логарифмическая разность напряжения сигналов, подаваемых в противофазе на каждый их проводников пары. Этот параметр не оказывает непосредственно влияния на отношение сигнал / шум и не измеряется полевыми тестерами. Результирующие параметры, характеризующие отношение мощности сигнала на входе в приемник к мощности собственных шумов (ACR, PS ACR, ELFEXT и PS ELFEXT), вычисляют по простым формулам как логарифмическую разность затухания и соответствующих наводок. Если учесть, что все эти параметры измеряются в диапазоне частот вплоть до 350–600 МГц с шагом 0,1–00,225 МГц, на выходе появляется больш й объем данных по каждой тестируемой линии / каналу.

Параметры СКС заданы в диапазоне частот, определенном стандартами для каждого класса. Для класса D – это 100 МГц. Для отображения и вычисления относительных значений используется логарифмическая шкала. Логарифмы

17

–это степени чисел, измеряемые в Белах. Десятая доля Бела называется децибелом. Таким образом, для отношений мощностей 10 децибел равны 10, 20 децибел

–100, 30 децибел – 1000. Соответственно –10 дБ составляют десятую, –20 дБ – сотую долю относительной величины, и так далее. Деление десятичных величин равноценно вычитанию логарифмов.

Рисунок 14.4– Затухание и наводки канала класса D 2002

Рисунок 14.5 – Параметры канала класса D 2002

На рисунках 14.4 и 14.5 показаны параметры канала класса D Второго издания данного ISO/IEC 11801. Для приложений с простейшей схемой передачи,

18

например, Fast Ethernet 100 Base TX, достаточно было знать всего три параметра

– затухание, наводки и их отношение (рисунок 14.4). Учет и измерения других видов собственных шумов, изображенных на рисунке 14.5, потребовалось для обеспечения работы протокола Gigabit Ethernet 1000 Base-T.

Как видно из графиков, на частоте 100 МГц качество сигнала наихудшее. Источники проблем – увеличениe затухания сигнала (Attenuation) и перекрестных наводок (NEXT). В результате полезный сигнал превышает суммарный шум данного типа всего на 3,1 дБ или в два раза. Этого совершенно недостаточно для нормальной работы приложений класса D. Данное противоречие не оказалось в поле зрения только из-за недостаточной осведомленности специалистов и заказчиков. Мало кто знает реальные требования протоколов и тот факт, что они превышают возможности среды передачи своего класса.

Другая проблема заключается в терминологии и толкованиях параметров, искажающих их фактическое значение. Если считать, что NEXT – это «переходное затухание на ближнем конце», трудно представить, что это наводки, возникающие с обеих сторон линии / канала. Отношение затухания к наводкам различного типа, трактуемые как «защищенность на ближнем конце» (ACR) и «равноуровневые наводки на дальнем конце» (ELFEXT), не воспринимаются как аналогичные параметры, определяющие качество сигналов на входе в приемник.

Удаленность приемников имеет значение только с точки зрения локализации полученных параметров. Другими словами, если выявлено превышение наводок, важно установить проблемную точку. Тестер фиксирует все параметры с привязкой к блокам, поэтому для практического использования результатов следует придерживаться системы подключения и учитывать расположение приборов.

Что касается других помех, возвратные потери (Return Loss) ограничены величиной 10 дБ, а отношение сигнала к суммарным однонаправленным наводкам – 14,4 дБ. Другими словами, мощность отраженного сигнала не может превышать десятой части мощности передатчика, а мощность однонаправленных наводок меньше мощности сигнала на входе в приемник в 27,5 раз. Как видим, эти помехи влияют значительно меньше, чем перекрестные наводки.

19

Требования протоколов

Требования к среде передачи, определяемые особенностями работы протоколов, разрабатываются организациями стандартизации, в частности Институтом инженеров электротехники и электроники, и добровольными объединениями производителей сетевого оборудования, например, Форум АТМ, Альянс Gigabit Ethernet.

Среда передачи локальных сетей должна обеспечить работу протоколов с коэффициентом ошибок (BER – Bit Error Rate) не более 10–10. Для этого мощность сигнала и его превышение над мощностью шумов для рабочих пар в эффективной полосе частот должно быть в пределах значений, определенных для каждого протокола. Следует обратить внимание на то, что полоса частот важнейших приложений превышает частотный диапазон СКС. Для ATM-155 требуется 155 МГц, для 1000Base-T – 125МГц, а категория 5 / класс D обеспечивают всего 100 МГц. Стандарты допускают серьезный компромисс, определяя заниженный уровень функциональных параметров. Следует учесть, что стандарты задают значения линии / канала для максимальной длины и для худших пар. В большинстве случаев проблем не возникает, благодаря меньшей длине, резерву линий и отдельных пар. Однако остается неопределенность. При проведении стандартного тестирования совершенно не очевидно, как будут работать приложения.

Если параметры протоколов известны, убедиться в соответствии можно, анализируя результаты измерений. Это очень трудоемкий и неэффективный путь. Не всякие результаты измерений позволяют это сделать. Только тестирование по дополнительно заданным параметрам сетевых протоколов позволяет достоверно подтвердить тот факт, что резерв параметров достаточен для бесперебойной работы приложений.

В последнее время производители полевых тестеров включают требования приложений в программное обеспечение приборов. Отдельные изготовители компонентов кабельных систем дают гарантии на работу протоколов. Компания ITT NS&S, Великобритания, практикует наиболее требовательный подход, включая весь перечень действующих приложений. В таблице 14.1 приведены 12

20