Витая пара Ethernet
Использование кабелей витой пары в стандартных сетях Ethernet стало началом новой эпохи в развитии сетей. Некоторое время разочарованные пользователи экспериментировали с переходниками тонкий-Ethernet — витая пара, чтобы приспособить имеющийся телефонный кабель к использованию в сетевых соединениях. Некоторые производители создали специальные сетевые платы и концентраторы для витой пары Ethernet. Со временем стандарт вошел в моду под номером IEEE 802.3, и так появилась новая топология сетевой пары Ethernet под названием 10BaseT.
10Base2 (также известный как тонкий ethernet) — вариант Ethernet, использующий в качестве среды передачи данных тонкий коаксиальный кабель типа RG-58.
10Base5 (также известен как толстый Ethernet) — оригинальный (первый) «полный вариант» спецификации кабельной системы Ethernet, использовал специальный коаксиальный кабель типа RG-8X. Это жёсткий кабель, диаметром примерно 9 мм, с волновым сопротивлением 50 Ом, с жёсткой центральной жилой, пористым изолирующим заполнителем, защитным плетёным экраном и защитной оболочкой.
Этот новый стандарт и его высокоскоростные преемники были хорошо восприняты и оказались весьма надежными в плане эксплуатации. Они ока зались настолько успешными, что полностью вытеснили из сетей своих предшественников 10Base5 и 10Base2. Необходимость в создании универ сальной телекоммуникационной кабельной системы, которая дала бы воз возможность стабильного функционирования 10BaseT, явилась толчком к соз данию новых стандартов кабелей и компонентов, что привело к появлению стандарта EIA/TIA-568.
В наши дни, когда уже Ethernet со скоростью 10 Мбит/с кажется слишком медленным, были созданы сети со скоростью 100 Мбит/с, затем со скоростью 1000 Мбит/с (1 Гбит/с), а затем появился кабель витой пары со скоростью 10 Гбит/с. Комиссии по выработке: стандартов зорко следили за всем проис ходящими создавали новые стандарты скоростей 100 Мбит/с, 1000 Мбит/с и 10 Гбит/с для сетевых плат, концентраторов, коммутаторов, кабелей и компо нентов кабельных систем.
Сначала мы расскажем о классической топологии сетей на основе медного кабеля витой пары 10BaseT, так как она в принципе идентична 100/1000BaseT. В самом деле, совместимые сетевые карты и коммутаторы со скоростями 10 или 100 Мбит/с (соответственно 10/100BaseT) получили широкое распространение. Затем мы опишем то, что отличает 100 и 1000BaseT от остальных видов. Сети со скоростью 10 Гбит/с на основе медных кабелей под названием 10GbaseT будут описаны в следующем разделе, по сути дела это просто более быстрые варианты 1000BaseT4. В этой же главе будут описаны и стандарты сетей 10 Гбит/с на основе медных и волоконно-оптических кабелей.
Кабели на основе витых пар
Витые пары проводов используются в дешевых и сегодня, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов.
Обычно в кабель входит две (рис. 2.1) или четыре витые пары.
Рис. 2.1. Кабель с витыми парами
Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также от подслушивания, которое может осуществляться с целью, например, промышленного шпионажа. Причем перехват передаваемой по сети информации возможен как с помощью контактного метода (например, посредством двух иголок, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Причем действие помех и величина излучения во вне увеличивается с ростом длины кабеля. Для устранения этих недостатков применяется экранирование кабелей.
В случае экранированной витой пары STP каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk – перекрестные наводки). Для того чтобы экран защищал от помех, он должен быть обязательно заземлен. Естественно, экранированная витая пара заметно дороже, чем неэкранированная. Ее использование требует специальных экранированных разъемов. Поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.
Основные достоинства неэкранированных витых пар – простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля. Все остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей. Например, при заданной скорости передачи затухание сигнала (уменьшение его уровня по мере прохождения по кабелю) у них больше, чем у коаксиальных кабелей. Если учесть еще низкую помехозащищенность, то понятно, почему линии связи на основе витых пар, как правило, довольно короткие (обычно в пределах 100 метров). В настоящее время витая пара используется для передачи информации на скоростях до 1000 Мбит/с, хотя технические проблемы, возникающие при таких скоростях, крайне сложны.
Согласно стандарту EIA/TIA 568, существуют пять основных и две дополнительные категории кабелей на основе неэкранированной витой пары (UTP):
- кабель категории 1 – это обычный телефонный кабель (пары проводов не витые), по которому можно передавать только речь. Этот тип кабеля имеет большой разброс параметров (волнового сопротивления, полосы пропускания, перекрестных наводок);
- кабель категории 2 – это кабель из витых пар для передачи данных в полосе частот до 1 МГц. Кабель не тестируется на уровень перекрестных наводок. В настоящее время он используется очень редко. Стандарт EIA/TIA 568 не различает кабели категорий 1 и 2;
- кабель категории 3 – это кабель для передачи данных в полосе частот до 16 МГц, состоящий из витых пар с девятью витками проводов на метр длины. Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Это самый простой тип кабелей, рекомендованный стандартом для локальных сетей. Еще недавно он был самым распространенным, но сейчас повсеместно вытесняется кабелем категории 5;
- кабель категории 4 – это кабель, передающий данные в полосе частот до 20 МГц. Используется редко, так как не слишком заметно отличается от категории 3. Стандартом рекомендуется вместо кабеля категории 3 переходить сразу на кабель категории 5. Кабель категории 4 тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Кабель был создан для работы в сетях по стандарту IEEE 802.5;
- кабель категории 5 – в настоящее время самый совершенный кабель, рассчитанный на передачу данных в полосе частот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27 витков на метр длины (8 витков на фут). Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Рекомендуется применять его в современных высокоскоростных сетях типа Fast Ethernet и TPFDDI. Кабель категории 5 примерно на 30—50% дороже, чем кабель категории 3;
- кабель категории 6 – перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 200 (или 250) МГц;
- КАБЕЛЬ категории 7 – перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 600 МГц.
Согласно стандарту EIA/TIA 568, полное волновое сопротивление наиболее совершенных кабелей категорий 3, 4 и 5 должно составлять 100 Ом ±15% в частотном диапазоне от 1 МГц до максимальной частоты кабеля. Требования не очень жесткие: величина волнового сопротивления может находиться в диапазоне от 85 до 115 Ом. Здесь же следует отметить, что волновое сопротивление экранированной витой пары STP по стандарту должно быть равным 150 Ом ±15%. Для согласования сопротивлений кабеля и оборудования в случае их несовпадения применяют согласующие трансформаторы (Balun). Существует также экранированная витая пара с волновым сопротивлением 100 Ом, но используется она довольно редко.
Второй важнейший параметр, задаваемый стандартом, – это максимальное затухание сигнала, передаваемого по кабелю, на разных частотах. В таблице 2.1 приведены предельные значения величины затухания в децибелах для кабелей категорий 3, 4 и 5 на расстояние 1000 футов (то есть 305 метров) при нормальной температуре окружающей среды 20°С.
Таблица 2.1. Максимальное затухание в кабелях
Максимальное затухание, дБ
Сеть Ethernet на основе витой пары
Современные технологические достижения сделали возможным создание такой сети Ethernet, где не требуется экранировать сигнальные провода внешним электромагнитным экраном, как в коаксиальном кабеле. Новую технологию назвали Ethernet на основе витой пары 1 , (twisted pair Ethernet). Она позволяла использовать в качестве эфира обычные неэкранированные медные провода, наподобие тех, что применяются в телефонии. Сеть на основе витой пары обладает двумя важными преимуществами, по сравнению с тонким Ethernet: она дешевле и защищена от случайных повреждений сети при отключении одной машины или повреждении сетевого кабеля, ведущего к компьютеру. В некоторых случаях технология витой пары позволяет создать сеть Ethernet на основе существующей в организации проводки. Кроме того, прокладка витой пары (ее называют кабелем 5-й категории) обходится дешевле и проще, чем коаксиального кабеля.
Официально технология на основе витой пары называется 10Base-T. Первые сети с витой парой работали на скорости 10 Мбит/с, как и сети с толстым или тонким Ethernet. Подключение компьютеров к сети Ethernet на основе витой пары осуществляется через специальное устройство, которое называется концентратором, или хабом (hub), как показано на рис. 2.3. При этом используется восьмижильный (четырехпарный) кабель.
Рис. 2.3. Схема сети Ethernet на основе витой пары. Каждый компьютер подключается к концентратору с помощью четырехпарного кабеля
Концентратор — это электронное устройство, которое имитирует сигналы в кабеле Ethernet. Он представляет собой небольшую коробку, которая обычно размещается в монтажном шкафу или распределительной коробке. Длина соединительного провода между компьютером и концентратором не должна превышать 100 м. Для работы концентратора требуется источник питания. Кроме того, некоторые концентраторы позволяют обслуживающему персоналу следить за их работой и состоянием прямо по сети. С точки зрения платы сетевого интерфейса, подключение к концентратору аналогично подключению к трансиверу.
Другими словами, концентратор обеспечивает такие же возможности в плане передачи данных, как и толстый или тонкий Ethernet. Просто с помощью концентратора реализуется альтернативная схема подключения компьютеров к сети.
1. Термин “витая пара” возник не случайно; он взят из телефонии, где сигнальные провода скручивали для уменьшения перекрестных помех между соседними каналами связи.