3.3 Физические среды передачи данных информационно вычислительных сетей (1/2)

Стандарты кабелей

Кабель- это изделие,состоящее из проводников (металлических или оптических), слоев экрана и изоляции. Для обеспечения быстрой перекоммутации кабелей и оборудования используются различные электромеханические устройства, называемыекроссовыми секциями, кроссовыми коробками или шкафами. В данном материале мы не будем рассматривать огромное количество модификаций кабелей применяемых сегодня. Остановимся на рассмотрении узкого спектра кабельной продукции, а именно — кабели, применяемые при построении вычислительных сетей.

В компьютерных сетях применяются кабели,удовлетворяющие определенным стандартам, что позволяет строить кабельную систему сети из кабелей и соединительных устройств разных производителей.Сегодня наиболее употребительными стандартами в мировой практике являются следующие:

· Американский стандарт EIA/TIA-568, который был разработан совместными усилиями нескольких организаций:ANSI,EIA/TIAи лабораторией Underwriters Labs (UL).

· Международный стандарт ISO/IEC 11801.

· Европейский стандарт EN50173.

Эти стандарты близки между собой и по многим позициям предъявляют к кабелям идентичные требования. Однако есть и различия между этими стандартами, например, в международный стандарт 11801 и европейскийEN50173 вошли некоторые типы кабелей, которые отсутствуют в стандарте EIA/TAI-568.

Базовые международные и европейские стандарты совпадают практически буквально. Однако ISO/IEC иCENELECразрабатывают собственные стандарты в смежных областях. В Европе, например,существует Директива ЭМС, определены собственные параметры экранированных и оптоволоконных кабелей. Международная организация стандартизации ведет разработку стандартов проектирования, монтажа, администрирования, измерений и внедрения приложений. Россия принимает участие в работе Международной организации стандартизации (ISO), но не входит вCENELEC.

При стандартизации кабелей принят протокольно-независимый подход. Это означает, что в стандарте отовариваются электрические, оптические и механические характеристики, которым должен удовлетворять тот или иной тип кабеля или соединительного изделия - разъема, кроссовой коробки и т. п. Однако для какого протокола предназначен данный кабель, стандарт не оговаривает.

В ранних версиях стандартов определялись только характеристики кабелей, без соединителей. В последних версиях стандартов появились требования к соединительным элементам, а также к линиям (каналам), представляющимтиповую сборку элементов кабельной системы, состоящую изпатч-корда от рабочей станции до розетки, самой розетки, основного кабеля (длиной до 90 м для витой пары), точки перехода (например, еще одной розетки или жесткого кроссового соединения) ипатч-кордадо активного оборудования, например концентратора или коммутатора.

Коммутационный шнур, коммутационный кабель или патч-корд (от англ. patching cord — соединительный шнур)—одна из составных частейструктурированной кабельной системы. Представляет собой электрический кабель для подключения одного электрического устройства к другому. Может быть любых типов и размеров, на одном или обоих концах кабеля обязательно присутствуют соответствующие соединяемым устройствам коннекторы.

Кроссовер—разновидность патч-корда витой пары, используемого в компьютерных сетях.Особенностью является перекрестное (кроссовое) соединение концов кабеля сконнекторами. Применяется для соединения однотипных сетевых устройств:ПК-ПК, свитч-свитч и т.п. Следует заметить, что многие современные устройства автоматически определяют тип патч-корда (прямой или кроссовый), и могут совместно работать на любом из типов кабеля.

Кабели на основе неэкранированной витой пары

Медный неэкранированный кабель UTP (англ. Unshielded Twisted Pair)в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на 5категорий (Category 1 - Category 5). Кабели категорий 1 и 2 были определены в стандартеEIA/TIA-568, но в стандарт 568А уже не вошли, как устаревшие.

Рисунок 55. кабель UTP 5 кат

Как видно на рисунке, конструктивно кабель состоит из 4-х скрученных между собой пар. Каждая пара состоит из 2-х металлических (как правило, медных) проводников в токонепроводящей оплётке, скрученных между собой.

Кроме того, металлический проводник в паре, может быть многожильным ( patch ) рис.56 или одножильным ( solid )рис.57

В России аналоги кабеля U/UTP, F/UTP, принято маркировать КССПВ (UTP 4 Cat. 5), КВП-5е, КВПЭф-5е, КВПВП-5е, КВПЭфВП-5е.

Кабельсимметричный для цифровых систем передачи данных с полиэтиленовой изоляцией, в оболочке из поливинилхлоридного пластиката ТУ16.К117-002-2003,ТУ16 К99-014-2004  Отвечает Международным стандартамISO/IEC 11801,TIA/EIA568A.

Кабели категории 1,CATприменяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных.До недавнего времени это был основной тип кабеля для телефонной разводки.

Кабели категории 2,CAT2были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории - способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц.

Кабели категории 3,CAT3были стандартизованы в 1991 году, когда был разработанСтандарт телекоммуникационных кабельных систем для коммерческих зданий (EIA-568),на основе которого затем был создан действующий стандартEIA-568A. СтандартEIA-568 определил электрические характеристики кабелей категории 3 для частот в диапазоне до 16МГц, поддерживающих, таким образом, высокоскоростные сетевые приложения.Кабелькатегории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса.Шаг скрутки проводов равен примерно 3 витка на 1 фут (30,5 см). Кабели категории3 сейчас составляют основу многих кабельных систем зданий, в которых они используются для передачи и голоса, и данных.

Кабели категории 4,CAT4представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Кабели категории 4обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используются редко.

Кабели категории 5,CAT5были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство новых высокоскоростных стандартов ориентируются на использование витой пары 5категории. На этом кабеле работают протоколы со скоростью передачи данныхFastEthernet, l00VG-AnyLAN.Кабелькатегории 5 пришел на замену кабелю категории 3.

Наиболее важные электромагнитные характеристики кабеля категории 5:

· полное волновое сопротивление в диапазоне частот до 100 МГц равно 100 Ом (стандарт ISO11801 допускает также кабель с волновым сопротивлением 120 Ом);

· величина перекрестных наводок NEXTв зависимости от частоты сигнала должна принимать значения не менее 74дБна частоте 150 кГц и не менее 32дБна частоте 100 МГц;

· затухание имеет предельные значения от 0,8 дБ(на частоте 64 кГц) до 22дБ(на частоте 100 МГц);

· активное сопротивление не должно превышать 9,4Ом на 100 м;

· емкость кабеля не должна превышать 5,6 нф на 100 м.

Кабели категории 5е, CAT5e (полоса частот 125 МГц)— 4-парный кабель,усовершенствованная категория 5. Скорость передач данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4 пар.Кабелькатегории 5e является самым распространённым и используется для построения компьютерных сетей. Ограничение на длину кабеля между устройствами (компьютер-свитч,свитч-компьютер, свитч-свитч)— 100 м.

Кабели категории 6, CAT6 (полоса частот 250 МГц)— применяется в сетяхFastEthernetи GigabitEthernet, состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 1000 Мбит/с. Добавлен в стандарт в июне 2002 года. ПоданнымIEEE, 70% установленных сетей в 2004 году, использовали кабель категорииCAT6.

Кабели категории, CAT6a (полоса частот 500 МГц)— применяется в сетяхEthernet, состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 10 гигабит/с и планируется использовать его для приложений, работающих на скорости до 40 гигабит/с. Добавлен в стандарт в феврале 2008 года.

Кабели категории, CAT7 — спецификация на данный тип кабеля утверждена только международным стандартомISO11801, скорость передачи данных до 100Гбит/с, частота пропускаемого сигнала до 600—700 МГц.Кабельэтой категории имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары. Седьмая категория, строго говоря, не UTP, а S/FTP(Screened Fully Shielded Twisted Pair).

Каждая отдельно взятая витая пара, входящая в состав кабеля, предназначенного для передачи данных, должна иметь волновое сопротивление 120 Ом ±20 Oм, в противном случае форма электрического сигнала будет искажена и передача данных станет невозможной. Причиной проблем с передачей данных может быть не только некачественный кабель, но также наличие «скруток» в кабеле и использование розеток более низкой категории, чем кабель.

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки.

Таблица 2 .Цветовая маркировка жил в кабеле

Проводники в парах изготовлены из монолитной медной проволоки толщиной 0,4—0,6 мм. (Кроме метрической, применяется американская система AWG, в которой эти величины составляют 26AWGили 22AWGсоответственно).

В стандартных 4-х парных кабелях в основном используются проводники диаметром 0,51 мм (24AWG). Толщина изоляции проводника— около 0,2 мм, материал обычно поливинилхлорид (английское сокращениеPVC), для более качественных образцов 5 категории — полипропилен(PP), полиэтилен (PE). Особенно высококачественные кабели имеют изоляцию из вспененного (ячеистого) полиэтилена, который обеспечивает низкие диэлектрические потери, или тефлона, обеспечивающего высокий рабочий диапазон температур.

Также внутри кабеля встречается так называемая «разрывная нить» (обычно капрон),которая используется для облегчения разделки внешней оболочки— при вытягивании она делает на оболочке продольный разрез, который открывает доступ к кабельному сердечнику, гарантированно не повреждая изоляцию проводников. Также разрывная нить, ввиду своей высокой прочности на разрыв, выполняет защитную функцию.

Внешняя оболочка 4-х парных кабелей имеет толщину 5—9мм в зависимости от категории кабеля и обычно изготавливается из поливинилхлорида с добавлением мела, который повышает хрупкость. Это необходимо для точного облома по месту надреза лезвием отрезного инструмента. Кроме этого, для изготовления оболочки используются полимеры, которые не поддерживают горения и не выделяют при нагреве галогены(такие кабели маркируются как LSZH— Low Smoke Zero Halogen). Кабели, не поддерживающие горение и не выделяющие дым, разрешается прокладывать и использовать в закрытых областях, где могут проходить воздушные потоки системы кондиционирования и вентиляции.

В общем случае, цвета не обозначают особых свойств, но их применение позволяет легко отличать коммуникации c разным функциональным назначением, как при монтаже, так и обслуживании. Самый распространённый цвет оболочки кабелей—серый. У внешних кабелей внешняя оболочка чёрного цвета. Оранжевая окраска, как правило, указывает на негорючий материал оболочки.

Отдельно нужно отметить маркировку. Кроме данных о производителе и типе кабеля, она обязательно включает в себя метровые или футовые метки.

Форма внешней оболочки кабеля витая пара может быть различной. Чаще других применяется круглая форма. Для прокладки под ковровым покрытием может использоваться плоский кабель.

Кабели для наружной прокладки обязательно имеют влагостойкую оболочку из полиэтилена,которая наносится (как правило) вторым слоем поверх обычной,поливинилхлоридной. Кроме этого, возможно заполнение пустот в кабеле водоотталкивающим гелем и бронирование с помощью гофрированной ленты или стальной проволоки.

8P8C(8 Position 8 Contact), часто ошибочно называемыйRJ45 или RJ-45—унифицированный разъём, используемый в телекоммуникациях, имеет 8 контактов и защёлку.

Рисунок 58 . видразъёма 8P8C

Термин «RJ45» ошибочно употребляется для именования разъёма8P8C, используемого в компьютерных сетях.На самом деленастоящий RJ45 физически несовместим с 8P8C, так как использует схему 8P2C с ключом. Ошибочное употребление термина «RJ45» вызвано, вероятно, тем, что настоящий RJ45 не получил широкого применения, а также их внешним сходством

Рисунок 59 . Обжимной инструмент, Crimpingtool (кримпер)

Кримпер, используется для создания ЛВСпо технологиям10BASE-T,100BASE-Tи 1000BASE-TXс использованием 4-парных кабелей витой пары. Также применяется во многих других областях и для построения иных сетей.

Registered jack(RJ , читается «ар-джей») — это стандартизированный физический интерфейс, используемый для соединения телекоммуникационного оборудования(обычно — телефонов) или в компьютерных сетях. Стандартные варианты этого разъёма называются RJ11, RJ14, RJ25, RJ45 и так далее. Разъёмы RJ принадлежат к семейству модульных разъёмов, за исключением RJ21.

Рисунок 60 . разъём 6Р6С (RJ12 )

Рисунок 61 . Разъём 4P4C (RJ11)

Телефонный унифицированный разъём RJ-11 меньше по размеру и может вставляться в гнёзда8P8C(для обратной совместимости).

Рисунок 62 . розетка для разъёма 8P8C(RJ45)

Особое место занимают кабели категорий 6 и 7. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 - до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом.Кабелькатегории 6 может быть как экранированным, так и не экранированным. Основное назначение этих кабелей -поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5. Некоторые специалисты сомневаются в необходимости применения кабелей категории 7, так как стоимость кабельной системы при их использовании получается соизмеримой по стоимости сети с использованием волоконно-оптических кабелей, а характеристики кабелей на основе оптических волокон выше.

Кабели на основе экранированной витой пары

Экранированная витая пара STP (англ. Shielded Twisted Pair) хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний вовне, что защищает, в свою очередь, пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку, так как требует выполнения качественного заземления.

Рисунок 63 . кабель типа STP

Впервые, стандартом определяющим параметры экранированной витой пары, являлся фирменный стандарт IBM. В этом стандарте кабели делятся не на категории, а на типы: Type I, Type 2,..., Type 9.

Основным типом экранированного кабеля является кабель Type 1 стандарта IBM. Он состоит из 2-х пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которая заземляется.Электрические параметры кабеля Type 1 примерно соответствуют параметрам кабеля UTP категории 5. Однако волновое сопротивление кабеля Type 1 равно 150 Ом (UTP категории 5 имеет волновое сопротивление 100 Ом), поэтому простое «улучшение» кабельной проводки сети путем замены неэкранированной пары UTP на STP Type 1 невозможно. Трансиверы, рассчитанные на работу с кабелем, имеющим волновое сопротивление 100 Ом, будут плохо работать на волновое сопротивление 150 Ом. Поэтому при использовании STP Type 1 необходимы соответствующие трансиверы. Такие трансиверы имеются в сетевых адаптерах Token Ring, так как эти сети разрабатывались для работы на экранированной витой паре. Некоторые другие стандарты также поддерживают кабель STP Type I - например, l00VG-AnyLAN, атакже FastEthernet(хотя основным типом кабеля для FastEthernetявляется UTP категории 5). В случае если технология может использовать UTP и STP, нужно убедиться, на какой тип кабеля рассчитаны приобретаемые трансиверы.

Сегодня кабель STP Type 1 включен в стандарты EIA/TIA-568A,ISO11801 и EN50173, то есть приобрел международный статус. Разные авторы и производители кабеля по разному называют этот тип кабеля. Но общим во всех случаях является наличие экрана (вокруг каждой пары и/или вокруг всех пар), изготовленного из фольги, металлической оплётки и т.п.

Кроме того кабели UTP и STP могут быть конструктивно выполнены для внешней прокладки, и иметь отличную внешнюю оплётку, различную форму сечении (круглую или плоскую) различные варианты исполнения экрана и/или дополнительные усиливающие элементы.

В зависимости от наличия защиты—электрически заземлённой медной оплетки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар, определяют разновидности данной технологии:

незащищенная витая пара (UTP— Unshieldedtwisted pair)— отсутствует защитный экран вокруг отдельной пары;

фольгированная витая пара (FTP— Foiledtwisted pair)— также известна как F/UTP, присутствует один общий внешний экран в виде фольги;

защищенная витая пара (STP— Shielded twisted pair)—присутствует защита в виде экрана для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки;

Рисунок 64 . КабельSTP для внешней прокладки, с несущей стальной жилой

фольгированная экранированная витая пара (S/FTP— ScreenedFoiled twisted pair)— внешний экран из медной оплетки и каждая пара в фольгированной оплетке;

незащищенная экранированная витая пара (SF/UTP— ScreenedFoiled Unshielded twisted pair)— двойной внешний экран из медной оплетки и фольги, каждая витая пара без защиты.