Пятилетка стандартов СКС

Андрей Семенов, Павел Самарский

Обновление международных стандартов на структурированные кабельные системы и перспективы их развития.

В условиях современной рыночной экономики ни одно предприятие, каким бы видом деятельности оно не занималось, не способно эффективно функционировать без развитой информационной инфраструктуры. Повышение роли автоматизации сопровождается резким ужесточением требований в отношении надежности, функциональной гибкости и удобства обслуживания всего комплекса информационно-вычислительных систем и, в частности, его основы — структурированной кабельной системы (СКС). От степени проработанности решения в области СКС во многом зависит как надежность функционирования, так и общая эффективность информационной инфраструктуры.

Рынок структурированной кабельной проводки составляет заметную долю в общем объеме рынка информационных технологий. Так, только на территории Старого Света системные интеграторы ежегодно передают в эксплуатацию своим заказчикам СКС свыше 30 млн портов стоимостью в несколько сотен миллионов долларов. Кроме того, данный сегмент рынка в последние несколько лет имеет тенденцию к устойчивому росту. Именно эти факторы можно назвать экономической причиной того, что в промышленно развитых странах только производством СКС занимаются десятки различных предприятий и компаний. В частности, по данным журнала LANLine, на начало 2001 г. на рынке Германии активно работало свыше 60 различных производителей оборудования для построения СКС. Эти компании предлагают своим клиентам и партнерам оборудование с уровнем не ниже комплексного продукта, т. е. законченное решение в расчете на определенный класс задач. Узкая специализация, характерная для современного рыночного хозяйства, приводит к тому, что еще большее количество различных производителей сосредоточило свои усилия на изготовлении отдельных компонентов СКС.

В условиях жесткой конкуренции, разделения труда и повышенного внимания к качеству предлагаемого решения существенно возрастает уровень требований конечных пользователей и инсталляторов к различным аспектам данного направления. Эта тенденция в полной мере коснулась также степени проработки нормативной базы, где описываются интерфейсы, технические, монтажные и прочие параметры как отдельных компонентов, так и линий различных видов и всей системы в целом. Жесткое соблюдение стандартов — необходимое условие обеспечения высокой технико-экономической эффективности структурированной кабельной проводки и надежной защиты инвестиций владельца СКС в условиях принципиально открытой архитектуры. Не менее серьезные требования в области стандартизации предъявляют производители активного сетевого оборудования различного назначения. Выбор параметров и принципы построения интерфейсной части здесь также выполняются с учетом нормативных характеристик СКС.

В настоящее время специалисты и рабочие группы национальных и международных комитетов по стандартизации активно обсуждают различные аспекты и направления развития электрических и оптических решений в области СКС. Результатом этих дискуссий должны стать дальнейшее повышение уровня стандартизации, совершенствование характеристик структурированной кабельной проводки и увеличение ее функциональной гибкости. Некоторые из проблем отрасли, которые вызывают сейчас наибольший интерес специалистов, анализируются ниже. При этом мы не затрагиваем вопросы построения и стандартизации отдельных элементов Категории 6 и линий различных видов с характеристиками Класса Е, поскольку их рассмотрение требует отдельной работы.

Положение дел в области стандартизации

Первые общепризнанные стандарты, где в полном объеме и однозначным образом устанавливались бы нормативные параметры элементной базы и описывались отдельные аспекты построения СКС различной степени сложности, появились лишь в 1991 г. Высокие темпы развития информационных технологий и вызванный этим рост требований к пропускной способности кабельных линий приводят к тому, что соответствующую нормативную базу приходится пересматривать с периодичностью примерно один раз в пять лет. Последний раз данная процедура была осуществлена в 1995 г., когда было принято два основных нормативно-технических документа, описывающих СКС как технический объект: американский стандарт TIA/EIA-568-A и его аналог, международный стандарт ISO/IEC 11801. Достаточно широко используемый в странах ЕС европейский стандарт EN 50173 хотя и является самостоятельным документом, однако в содержательной своей части представляет собой почти точную копию международного стандарта ISO/IEC 11801 и по этой причине далее отдельно не рассматривается. Несмотря на то что оба основных документа описывают один и тот же технический объект, они имеют достаточно серьезные концептуальные отличия, рассматривая СКС с разных позиций, и, кроме того, в значительной степени взаимно дополняют друг друга. В результате налицо путаница в определениях и задании характеристик, а проектировщики и монтажники на практике пользуются обоими нормативными документами.

В нашей стране отсутствует отечественный стандарт на СКС, и специалисты в своей работе пользуются иностранной нормативной базой, выбор которой зачастую осуществляется, исходя только из уровня собственных знаний и личных предпочтений. По мнению авторов данной статьи, в качестве нормативной базы в России предпочтительнее использовать документы Международной организации по стандартизации. В обоснование этого можно выдвинуть следующие положения. Во-первых, Российская Федерация является членом организаций ISO и IEC. Во-вторых, ориентировка в отечественных условиях на американский и европейский стандарты (TIA/EIA-568-A и EN 50173, соответственно) представляется малооправданной, поскольку американский стандарт — один из многих национальных стандартов, а в разработке европейского Россия не принимает участия, не будучи членом Европейского комитета по стандартизации в области электротехники и электроники (CENELEC). Немаловажным аргументом следует признать тот факт, что соответствие продукта (а именно СКС) международным стандартам более перспективно с точки зрения бизнеса. Такой подход позволяет гарантировать правовую защиту инвестиций пользователя на международном уровне, а не в каком-либо регионе, пусть и достаточно большом и представляющем собой одну из наиболее емких частей рынка СКС. Поэтому в дальнейшем мы ограничимся рассмотрением работ в области стандартизации под эгидой Международной организацией по стандартизации.

Новые документы в области международной стандартизации

На момент написания данной статьи было известно, что Международная организация по стандартизации пересматривает основной стандарт и прочую нормативно-техническую базу в области структурированной кабельной проводки. В период с октября 1999 по июль 2000 гг. было официально издано пять нормативных документов:

Эти публикации составляют существующую на середину 2001 г. международную нормативно-техническую базу стандартизации в области СКС. Документы 1, 2, 4 являются международными стандартами, а 3 и 5 — техническими сборниками (Technical Report, TR). Под этим понимается документ, формально не имеющий статуса международного стандарта, но носящий нормативный характер, поскольку в нем собраны воедино сведения из уже опубликованных международных стандартов. Взаимосвязь рассматриваемых нормативно-технических документов иллюстрирует Рисунок 1. Ниже мы дадим их краткую характеристику.

В стандарте ISO/IEC 11801: 2000-01 Ed. 1.2 (здесь и далее будем использовать краткие, но достаточные формы корректной ссылки на документы) учтены все предыдущие поправки и два дополнения, сделанные с момента публикации первой редакции в 1995 г. Основными новшествами рассматриваемого документа можно считать введение понятий и спецификаций стационарной линии (Permanent link) и канала (Channel), а также ужесточение требований к компонентам Категории 5 и линиям и каналам Класса D.

Под стационарной линией понимается путь передачи сигналов между двумя обязательно сопряженными точками подключения активного оборудования к кабельной системе. Предельно допустимые значения параметров стационарной линии определяются на основе характеристик проложенного по трассе и подготовленного к эксплуатации горизонтального кабеля длиной 90 м и двух оконцовывающих его разъемов. В состав линии принципиально не включаются элементы, которые в процессе текущей эксплуатации могут быть подключены или удалены не только пользователем, но даже и системным администратором или лицом, его замещающим. Это имеет важные практические следствия. Во-первых, при условии выполнения корректности производимых действий параметры любой стационарной линии остаются постоянными при изменении конфигурации трактов передачи сигналов структурированной кабельной проводки. Во-вторых, тестирование параметров осуществляется всегда с помощью штатных шнуров измерительных приборов, которые должны включаться в комплект стандартной поставки.

В горизонтальной подсистеме в составе стационарной линии может присутствовать точка перехода, при этом она должна создаваться таким образом, чтобы параметры линии и канала не выходили за предельно допустимые значения. Приведенное определение показывает, что разработчики отдельных компонентов обязаны закладывать в элементную базу некоторый запас, величина которого, впрочем, не оговаривается и фактически оставляется на усмотрение производителя. Одновременно данное положение накладывает определенные обязательства также на производителя СКС в части выбора правил монтажа, типов рабочего инструмента и уровня квалификационной подготовки сертифицированных монтажников.

Канал представляет собой тракт, обеспечивающий передачу сигналов от одного разъема до другого между двумя любыми активными устройствами. В общем случае канал включает в себя одну или несколько стационарных линий, а также кабели для подключения оборудования, кабели рабочего места и коммутационные шнуры кроссового поля технических помещений различного уровня с соответствующими вилками. При определении параметров канала для подключения измерительных приборов должны использоваться шнуры конечного пользователя кабельной системы.

Тестируемые конфигурации стационарной линии и канала подробно описаны в стандарте CEI/IEC 61935-1:2000. Данные объекты имеют достаточно простую и логически понятную конфигураций, а их определения, в отличие от используемых ранее канонических структур, интуитивно понятны и в конкретной ситуации не вызывают каких-либо сложностей. Следует заметить, что вилки шнуров, подключаемые к базовому блоку и инжектору полевого измерительного прибора на концах канала, не входят в его состав: опорная плоскость (reference plane), являющаяся границей канала, проходит в месте выхода кабеля из вилки этого разъема. Такое несколько необычное на первый взгляд решение объясняется широко применяемой разработчиками элементной базы методикой лабораторных исследований, в соответствии с которой техник в процессе проведения измерений перед подключением отдельных проводников к специальным входным зажимам сетевого анализатора просто срезает вилку и выполняет соответствующую разделку отдельных проводов. Необходимость соблюдения этого требования ставит перед создателями приборов для полевого тестирования непростые технические задачи. Наиболее сложная из них — разработка специальных и достаточно быстрых в реализации процедур калибровки для исключения влияния на результаты измерений вилок шнуров, подключаемых к базовому блоку и инжектору переносного измерителя.

В Таблице 1 для сравнения приведены численные значения параметров стационарной линии и канала в соответствии с редакциями 1995 и 2000 гг. стандарта ISO/IEC 11801. В качестве комментария необходимо напомнить, что в редакции 1995 г. параметры канала не задавались, а понятие стационарной линии отсутствовало. Нормирование характеристик в прежней редакции осуществлялось только применительно к линии (link), в конфигурацию которой входил кабель протяженностью 90 м, коммутационный шнур длиной 5 м и три соединения, а точка перехода не включалась.

Существенное (на 13—21%, а по ACR более чем в два раза) ужесточение требований к введенным ранее параметрам линии и, соответственно, к каналу отражает необходимость адаптации СКС к современному активному сетевому оборудованию и, в первую очередь, сверхвысокоскоростным сетевым интерфейсам локальной сети. В равной степени возрастают требования к компонентам СКС, к тестирующим приборам, а также, что не менее важно, к процедуре и технологии монтажа СКС.

Стремление разработчиков сетевого оборудования «выжать» из стандартной кабельной проводки максимум в смысле использования ее потенциальной пропускной способности привело к существенному расширению перечня контролируемых параметров отдельных компонентов и смонтированных кабельных линий различных видов. Так, в частности, в число обязательных для измерения характеристик были введены такие параметры, как Return Loss, ELFEXT и некоторые другие. Без соблюдения норм на них нельзя гарантировать работоспособность сетевых интерфейсов Gigabit Ethernet.

С появлением новых нормативных документов для СКС в значительной степени произошла «синхронизация» или «гармонизация» международных и американских стандартов не только на уровне терминологии, но и определений. Так, понятие стационарной линии, скорее всего, будет использоваться в новой редакции американского стандарта TIA/EIA-568B, а вводимые международным стандартом характеристики компонентов Категории 5 и линий Класса D практически совпадают с американскими спецификациями Категории 5e. Единственным серьезным отличием остается нормировка затухания соединительных шнуров: американский стандарт предусматривает его увеличение на 20%, а международный уровень — на 50%. Реально такое расхождение объясняется тем, что в Америке применяются в основном кабели с неэкранированными витыми парами, а в популярных в Европе экранированных кабелях для изготовления шнуров используются жилы несколько меньшего диаметра.

Опубликованный в октябре 1999 г. стандарт ISO/IEC 14763-1:1999(E) стал первым в группе нормативных документов, где описывается процесс реализации СКС системным интегратором и ее последующей эксплуатации. Он целиком посвящен администрированию СКС и существенно расширяет, дополняет и конкретизирует соответствующий краткий раздел основополагающего стандарта ISO/IEC 11801. В соответствии со стандартом, система администрирования СКС образуется совокупностью записей для документирования:

местоположении всех компонентов СКС и сопутствующих им элементов;

присвоенных этим компонентам уникальных идентификаторах.

Система администрирования, отвечающая требованиям документа ISO/IEC 14765-1, детализирует:

принципы формирования идентификаторов компонентов;

процедуры размещения маркирующих меток на компонентах;

процессы документирования добавлений, изменений и удалений компонентов СКС и инфраструктуры;

процедуры создания и сопровождения базы данных записей.

В стандарте даны определения следующих терминов:

В соответствии со стандартом в базу данных системы администрирования должны быть занесены идентификаторы и записи для кабелепроводов, пространств, кабелей, терминирующих устройств в рабочих и технических помещениях, а также устройства защитного заземления. Дополнительно в нее заносится информация о взаимосвязи с вводными устройствами и другими системами инженерного обеспечения здания.

Стандарт рекомендует реализовать изложенные в нем принципы администрирования с помощью компьюте-ризованной системы. Такой подход позволяет:

Для СКС небольшого масштаба стандарт допускает ведение документации на бумаге.

В приложениях к стандарту даны подробные разъяснения по записям, рекомендованы графические символы для чертежей СКС, показана взаимосвязь стандартов СКС с этапами ее создания от нуля до системы, введенной в эксплуатацию.

Документ ISO/IEC TR 14763-2:2000(E), выпущенный в поддержку основного стандарта 11801, регламентирует разработку и процесс создания СКС. В нем даны подробные рекомендации по планированию, составлению спецификаций, обеспечению надлежащего качества СКС, по выбору компонентов и проведению монтажных работ, по оформлению и составу документации на структурированную кабельную разводку.

Впервые в международной практике в приложении А данного стандарта сформулированы требования к волоконно-оптической централизованной кабельной системе: общая длина канала на основе многомодового кабеля не должна превышать 300 м, что гарантирует поддержку приложений с субгигабитными и гигабитными скоростями передачи информации.

Документы CEI/IEC 61935-1:2000 и ISO/IEC TR 14763-3:2000(E) вносят достаточную для практики определенность в вопросы измерений электромагнитных характеристик линий и каналов смонтированных СКС. Первый из них относится к электрическим трактам на основе симметричных кабелей, а второй — к волоконно-оптическим трактам на основе многомодовых и одномодовых кабелей. В них четко определены измеряемые параметры, приведены требования к приборам и процедурам проведения измерений, а также к способам интерпретации получаемых результатов.

Таким образом, можно констатировать, что новые редакции международных нормативно-технических документов различного уровня:

Компоненты категории 8 и линии класса G

Впервые понятие Класса G и элементов Категории 8 было официально введено в рабочие документы IEC в июне 2000 г. во время пленарного заседания этой организации в г. Тромсе (Норвегия). Необходимость нормировки таких объектов была обусловлена тем, что характеристики известных до этого момента компонентов Категории 7 и линий Класса F задавались только до частоты 600 МГц, но, как оказалось, этого недостаточно для обеспечения нормальной работы некоторых домашних приложений. Так, например, в соответствии с европейскими нормами частота верхнего по спектру канала многоканального телевизионного сигнала составляет 862 МГц.

Линии Класса G предназначены, в первую очередь, для поддержки функционирования так называемых мультимедийных приложений. Сначала длину канала предполагалось выбрать равной привычной для пользователя величине в 100 м с заданием параметров до частоты 1000 МГц, но затем верхняя частота нормировки была увеличена до 1200 МГц. При этом максимальная протяженность канала для таких линий ограничивается 50 м, что обеспечивает компенсацию повышенного затухания на столь высоких частотах. Совокупность указанных значений позволяет предположить, что применяться такие линии будут в основном в секторе SOHO и домашних сетях. О введении этих объектов в стандарты можно будет говорить по мере роста популярности новых высокоскоростных приложений, ориентированных изначально на неофисные применения, например IEEE-1394 (FireWire).

Технической основой массового внедрения и, соответственно, стандартизации линий Класса G являются достаточно многочисленные серийные образцы кабелей и разъемов, в первую очередь, европейских производителей, характеристики которых нормируются до частот 1200—1400 МГц.

Требования к оптическим компонентам

В редакции 2000 г. требования к параметрам оптических линий и каналов стандарта ISO/IEC 11801 остались пока без изменений. Характерно, что приводимые в стандарте для оптической части СКС значения параметров не отличаются для линии и канала, что объясняется существенно более низкими величинами затуханий сигналов в оптических кабелях соединительных и коммутационных шнуров.

В ближайшей перспективе, в связи с началом массового использования в локальных сетях интерфейсов Giga-bit Ethernet и активизацией работ в области создания оборудования 10G Ethernet, предполагается ввести для многомодовых оптических трактов три оптических класса, условно обозначаемых как OF-300, OF-500 и OF-2000. При этом цифры в обозначениях соответствуют максимальной протяженностью канала данного конкретного класса. Первоначально речь шла о пяти классах с максимальной протяженности канала 200, 300, 500, 1500 и 2000 м, но затем их количество было уменьшено до трех. Как несложно догадаться, приложения для каждого из перечисленных выше классов предназначены для использования, соответственно, в централизованной оптической архитектуре, на магистрали здания и на внешней магистрали. Основные параметры линий различных классов по затуханию при их реализации на многомодовой и одномодовой элементной базе приведены в Таблице 3. Для построения таких линий должны использоваться волокна категорий OM1, OM2 и OM3 с различным коэффициентом широкополосности и, возможно, разным уровнем гарантированного погонного затухания. Для одномодовых волокон пока предусматривается только одна категория OS1.

Решение о введении градаций пропускной способности для оптических приложений кажется многим специалистам настолько естественным, что, не дожидаясь утверждения нормативных документов, некоторые европейские компании, например Brand-Rex и Ackermann, уже выпускают свою продукцию в соответствии с предполагаемым делением.

В настоящее время главы 6 «Performance» и 7 «Implementation» стандарта ISO/IEC 11801 содержат информацию о параметрах электрических и оптических трактов передачи. Некоторые специалисты не исключают вероятности того, что после официального введения нескольких классов возникнет необходимость в изменении структуры стандарта и выносе информации об оптических линиях в одну или несколько отдельных глав.

Дополнительные потери ILD

Причиной возникновения дополнительных потерь ввода (insertion loss deviation, ILD) является известный эффект достаточно сильных вариаций волнового сопротивления отдельных компонентов, последовательное соединение которых образует кабельный тракт на основе витой пары. Амплитуда этих вариаций имеет тенденцию к возрастанию по мере увеличения частоты. Направление и величина отклонений волнового сопротивления от номинального значения различных элементов, входящих в тракт передачи электрического сигнала, носят совершенно случайный характер. Это сопровождается нарушением условия согласованния нагрузки и проявляется в возрастании затухания.

Проведенные датской испытательной лаборатории 3Р измерения показывают, что в каналах Класса D с современной элементной базой величина ILD пренебрежимо мала во всем рабочем частотном диапазоне. В случае использования приложений Класса E на частоте 250 МГц для канала с четырьмя стандартными штекерными разъемами этот параметр достигает 1 дБ. Такое затухание уже не может игнорироваться на практике, так как оно эквивалентно затуханию в горизонтальном кабеле длиной 3 м. Для канала класса F на частоте 600 МГц величина ILD составляет 2 дБ, что соответствует кабелю длиной 4 м.

Приведенные выше экспериментальные данные позволяют констатировать, что дополнительные потери для электрических кабельных трактов Классов E и F оказываются относительно небольшими. Это позволит, скорее всего, не уменьшать значения максимально допустимого затухания для канала и стационарной линии в целом по сравнению с установленными действующими на середину 2001 г. проектами стандартов соответствующих классов. Для компенсации возможного превышения затухания над нормами не исключается, что максимальная длина канала будет выбираться с учетом числа соединителей в тракте и, соответственно, несколько уменьшаться по мере роста их количества. Таким образом, величина ACR доводится до нормы снижением максимального допустимого затухания в кабелях. Напомним, что данный прием уже применялся: согласно стандарту ISO/IEC 11801:2000(E), для компенсации повышенного уровня переходных помех максимальная длина шнуров горизонтальной подсистемы при построении коммутационного поля с кроссировкой (cross-connect) установлена равной 9 м, тогда как при коммутации с межсоединениями (interconnect) она может достигать 10 м.

Введение потерь ILD стало продолжением объективного процесса сближения подходов к линиям связи общего пользования и кабельной разводки СКС с точки зрения учитываемых параметров создаваемого кабельного тракта. По классической терминологии линий связи потери ILD численно равны разности между рабочим и собственным затуханием.

Дистанционное питание сетевых приборов на рабочих местах пользователей

Непосредственным поводом к разработке Международной организацией по стандартизации нормативов в области стандартизации дистанционного питания оконечных устройств по кабельным трактам СКС стала рабо-та исследовательской группы IEEE 802.3af. Пока на суд общественности представлена лишь первая редакция соответствующего предложения, согласно которой указанная задача может быть решена двумя способами: обеспечение питания по двум отдельным парам или по всем четырем парам. В последнем случае используются так называемые фантомные цепи. Напряжение питания устанавливается на уровне 48 В, при этом максимальный потребляемый ток не должен превышать 350 мА. С учетом падения напряжения на проводах это обеспечивает работоспособность оконечного устройства мощностью до 14 Вт. Данной мощности вполне хватает для поддержки функционирования таких устройств, как Internet-телефон, Web-камера и другие аналогичные аппараты для офисного и домашнего применения.

Для выполнения требований IEEЕ максимально допустимое сопротивление по постоянному току для каналов Классов D, E и F предполагается, в частности, уменьшить с 40 до 25 Ом, а для стационарной линии — с 34 до 21 Ом. Это обеспечивает возможность передачи тока до 175 мА по одной жиле или до 350 мА по паре при температурах до 60°С.

Подключение питания на передающей стороне осуществляется в автоматическом режиме без вмешательства администратора. Сигнал для этого может вырабатываться резистивным датчиком (предложение Lucent Technologies) или датчиком конденсаторного типа (решение компании Nortel).

Внедрение этой схемы сделает более удобной эксплуатацию локальной вычислительной сети и существенно увеличит ее «живучесть», так как множество индивидуальных ИБП можно будет заменить на один централизованный.

Заключение

Одобренная на международном уровне нормативно-техническая база достаточно подробно описывает как отдельные компоненты и полные тракты, так и правила построения структурированной кабельной проводки на всех уровнях СКС для объектов различной степени сложности и разных областей деятельности.

Задаваемый стандартами уровень требований к параметрам отдельных компонентов и правила построения кабельных трактов различных видов позволяет считать, что задача обеспечения передачи с требуемым качеством цифровых информационных потоков с гигабитными скоростями решена. В частности, передача потоков Gigabit Ethernet может осуществляться вплоть до рабочего места отдельного пользователя без изменения основных принципов построения структурированной кабельной проводки.

Имеющийся задел в области перспективных разработок позволяет расширить функциональные возможности СКС с точки зрения увеличения пропускной способности и открывает перспективы выхода на неосвоенные сегменты рынка, в частности в сектор SOHO.

Новые редакции адекватно отображают достигнутый технический уровень элементной базы, используемой для построения структурированной кабельной проводки, и определяют перспективы на следующее пятилетие.

В связи с быстрым ростом объемов передаваемых данных уже нельзя считать, что оптические кабельные тракты не накладывают ограничений на скорость информационного обмена. Сложившаяся ситуация отражена введением градаций многомодовых оптических кабелей и соответствующей корректировкой методик проектирования магистральных подсистем СКС.

В результате принятия новых редакций стандартов и технических сборников сделан качественный прорыв в части сближения международного и американского стандартов.

Значительное расширение рабочего частотного диапазона (в три—пять раз) и необходимость контроля существенно большего количества параметров электрических трактов различных видов ужесточают требования в отношении скорости работы и динамического диапазона приборов для полевого тестирования, что поднимает вопрос о создании следующего поколения кабельных сканеров.