Кабельные системы и экранирование

Кайданов Александр

Введение

Электропроводные кабели составляют свыше 90% всех каналов большинства структурированных кабельных систем. Как правило, они обеспечивают передачу информации в пределах этажа или нескольких смежных этажей здания. Наиболее распространены кабели типа неэкранированная витая пара. Такие кабели представляют собой сборку из четырех неэкранированных витых пар проводников, имеющих разный шаг скрутки, и помещенных в общую оболочку. Практически каждый вариант исполнения кабеля (не говоря уже о продукции разных производителей) имеет свой собственный шаг скрутки пар. В процессе производства данный параметр строго контролируется. Выпускается огромное количество различных вариантов исполнения кабелей с неэкранированными витыми парами, различающихся материалом изоляции, электрическими параметрами и условиями применения.

Еще каких-то лет 6-8 назад руководителю предприятия достаточно было принять решение о создании компьютерной сети и выделить минимальное финансирование. Сотрудники же информационного подразделения (с привлечением электриков и связистов или без оного) за самый короткий срок растаскивали километры коаксиального кабеля, не заботясь о соблюдении каких-то специальных правил. Так же незаметно для большинства пользователей произошел переход на кабели с неэкранированными витыми парами. Те же сотрудники растянули по рабочим местам новые кабели, не заботясь о соблюдении технологических правил. Да и научиться технологии монтажа кабельных систем было негде. Лишь изредка администраторы в узком кругу делились проблемами своей многодневной борьбы за подключение к сетевым ресурсам очередного компьютера. Осознание сути стоящих проблем происходит лишь сейчас при повсеместном переходе с низкоскоростных протоколов обмена типа 10Base-2 и 10Base-T на более современные 100Base-T и 1000Base-T.

Данная статья призвана помочь в понимании проблем согласования параметров кабельных систем с потребностями сетевых протоколов.

Собственные шумы и внешние помехи

Собственные шумы кабельных линий мало сказываются на работе низкоскоростных приложений типа 10Base-2 и 10Base-T. Как правило, проблемы в сети возникают лишь при наличии внешних помех высокой интенсивности. Картина отказов резко изменилась с распространением высокоскоростных приложений.

Основное ограничение частотного диапазона обуславливается наличием емкостной и индуктивной связи между парами, вызывающими перекрестные наводки. Электромагнитная энергия не только наводится в соседних парах, но и отражается вследствие неоднородностей волнового сопротивления проводников. Тем не менее, шумы, обусловленные возвратными потерями, практически игнорировались до появления протоколов обмена с дуплексной передачей сигналов. Электрические сигналы ослабляются также в силу рассеяния энергии проводниками в виде тепла и излучений. В результате затухания уровень мощности сигнала в конце 90 метровой линии уменьшается приблизительно в 100 раз.

Любое внешнее возмущение электромагнитного поля в здании, например, включение лифтов, работа кондиционеров, люминесцентных ламп, кофеварок, радиотелефонов и т.п. наводит электрические токи в кабелях. Наиболее уязвимы для воздействия внешних шумов оказываются протоколы с широкой полосой частот. К ним относятся АТМ 155, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и другие. Последнее объясняется незначительной разницей мощности полезного сигнала и помех в верхней области спектра.

С другой стороны, кабельные линии также излучают электромагнитную энергию в диапазоне радио и телевещания. Излучаемые поля воздействуют на соседние кабельные линии и персонал офиса.

Категория 5 и дефицит параметров

Международные и европейские стандарты определяют рабочие параметры элементов сети, правила маркировки и администрирования и т.д. Совокупность параметров определяется категорией, важнейшей характеристикой которой является диапазон частот. Категория 5 была принята в 1995 году и устанавливала рабочий диапазон в 100 МГц.

Первоначально она разрабатывалась для простых схем обмена данными. Из четырех витых пар использовались только две, одна из которых работала на передачу, а другая – на прием. Электромагнитные волны, передающие сигнал, вызывают появление нежелательных сигналов в соседних парах. Рост наводок вызывает сбои протоколов обмена и вынуждает повторно передавать ошибочные пакеты. Скорость передачи данных уменьшается, а при дальнейшем нарастании наводок происходят сбои сетевых протоколов. Особенность распространения электромагнитных волн состоит в том, что с повышением частоты мощность наведенных сигналов возрастает. При 100 МГц полезный сигнал превышает уровень внутренних помех всего в 1,5 раза. При частоте 115 МГц уровень полезного сигнала и помехи становятся равными. Стандартный канал 5 категории имеет дефицит параметра ACR (характеризующего отношение сигнал/шум) для протокола Fast Ethernet в 5,6 раза, а для АТМ – в 19 раз. Нельзя игнорировать и человеческий фактор. Отсутствие квалификации или усталость от выполнения однообразных операций при сборке модульных соединителей приводят к превышению допусков на нарушение геометрии витых пар. Небрежный монтаж еще больше сокращает резерв параметров канала.

Каналы длиной меньше максимальной (до 30-40 метров) обеспечивают лучшее соотношение сигнал/шум и, как следствие, категория 5 обеспечивает работу высокоскоростных протоколов с приемлемым уровнем ошибок.

Приходится признать, что положительный результат тестирования кабельной линии на соответствие требованиям категории 5 не гарантирует работу современных высокоскоростных протоколов. Собственных шумов линии достаточно для нарушений работы протоколов. Внешние наводки лишь ухудшают параметры линий.

Отметим также, что кабельные системы 5 категории при работе современных высокоскоростных протоколов не отвечают требованиям Европейской директивы электромагнитной совместимости, принятой в январе 1996 года. Ни одна из неэкранированных кабельных систем не смогла удовлетворительно функционировать при электромагнитных помехах с напряженностью поля в 3 В/м (это обычное офисное помещение). Директива же допускает напряженность поля в промышленной среде до 10 В/м.

Расширение категории 5

26 июня 1999 года был принят стандарт протокола 1000Base-T Gigabit Ethernet, предусматривающий передачу сигналов по электропроводным кабельным линиям. Разработчики стандарта с пониманием отнеслись к проблемам пользователей, владеющих миллионами кабельных линий категории 5. Были предприняты титанические усилия по адаптации требований нового приложения к возможностям существующих линий.

Еще в сентябре 1998 года был принят проект Телекоммуникационного бюллетеня TSB-95, дополнивший перечень параметров, необходимых для сертификации каналов с целью обеспечения дуплексной параллельной передачи сигналов одновременно по всем четырем парам. Документ не предусматривает ужесточения ранее установленных параметров для линий категории 5. Владельцам кабельных систем предлагается провести повторную сертификацию установленных кабельных линий тестовым оборудованием нового поколения, к уже эксплуатируемым анализаторам кабельных линий производители выпустили модифицированное программное обеспечение.

Расширение категории 5 имеет тот же частотный диапазон, что и категория 5, но лучшие динамические диапазоны для отношения сигнала к уровню собственных шумов. Фактически же частотный диапазон, требуемый алгоритмом кодирования Gigabit Ethernet, составляет 125 МГц. Проблема дефицита параметров не была снята, а решение следует признать временным.

Проблемы, связанные с принятием стандартов кабельных систем категории 6, вынудили продолжить работу над категорией 5Е (улучшенной категорией 5). В 2000 году ожидается принятие новой версии стандарта TIA/EIA 568A с частотным диапазоном в 150 МГц. Тем самым должна быть решена задача предоставления качественного канала доступа уже существующим приложениям.

Проблемы категории 6

Стандарт на кабельную проводку 6 категории находится в стадии разработки. Предполагается, что в качестве среды передачи будут использованы кабели с четырьмя витыми парами с индивидуальным экранированием каждой пары и без него. Предлагаются кабели как с внешним общим экраном так и без него. Предполагается также, что в качестве разъемов будут применяться привычные RJ45. Диапазон рабочих частот данной категории определен в 200 МГц (хотя первоначально предполагалось 300 МГц). На этой частоте отношение затухание/суммарные наводки двунаправленной передачи составляют 0 децибел. Последнее означает, что мощность полезного сигнала равна мощности шумов от всех соседних пар кабеля.

Проект стандарта предусматривает намного более качественные характеристики сигнала при частоте 100 МГц, чем предоставляет канал категории 5. Принятие стандарта явится значительным прогрессом в области электропроводных систем.

Однако по определению стандартов кабельные системы новых категорий должны обеспечивать работу приложений низших классов. А элементы разных производителей соответствующей категории должны быть взаимозаменяемыми. Тем самым обеспечивается совместимость категорий и совместимость элементов.

Совместимость категорий предусматривает возможность построения канала из элементов разных категорий. Последнее возможно путем подключения к каналу 6 категории соединительных шнуров категории 5. Но существующий проект стандарта не предусматривает такой совместимости, это означает, что базовая линия шестой категории с соединительными кабелями пятой категории не обеспечат параметров канала категории 5.

Еще сложнее добиться совместимости элементов. Разработчики комплектующих для систем категории 6 решают проблему компенсации разбалансировки витых пар частным образом. Проблема совместимости элементов остается важнейшим нерешенным вопросом стандартизации категории 6. Такая ситуация недопустима, поскольку вынуждает производителей активного оборудования устанавливать в сетевые устройства гнездовые разъемы с различными методами компенсации наводок.

Разработчики стандарта стоят перед выбором – ввести новый тип разъема или отказаться от принципа совместимости категорий.

Снижение внешних наводок экранированием кабельных коробов

Наиболее распространенным вариантом оборудования кабельных трасс является монтаж кабельных коробов. Выпуском данной продукции для различных условий применения занимаются десятки компаний. Различают настенные, напольные, плинтусные короба и т.д. Основным материалом при их производстве служат пластики на основе ПВХ, в небольших количествах производятся также стальные и алюминиевые короба.

Производители предлагают два варианта экранирования кабелепроводов: применение металлических вставок, устанавливаемых в пластиковый канал, или вакуумное напыление металла на его поверхность. Сравнительная оценка эффективности методов экранирования была проведена в Великобритании.

Измерения проводили в специально оборудованной помехозащищенной экранированной камере. Эффект экранирования оценивался следующим образом. Контрольные кабели подвергали воздействию электромагнитного излучения и измеряли наведенное напряжение. Затем кабель помещали в экранированную тестируемую оболочку и измеряли наведенные напряжения при том же уровне внешних помех. Разница уровня наведенных помех позволяет оценить эффективность экранирования. Были получены следующие выводы.

Эффективность алюминиевого экрана уменьшается с ростом частоты. Сборка короба из нескольких отдельных сегментов значительно ухудшает защиту. Металлическое напыление неэффективно на частотах до 200 МГц и обеспечивает относительно лучшую защиту на частоте 600 МГц и выше. Уровень внешних наводок в кабеле, помещенном в алюминиевую вставку, был в 300 раз ниже, чем при непосредственном воздействии помех. Аналогичный показатель для металлического напыления составил 10 раз.

Для эффективного экранирования защитная оболочка должна полностью окружать кабель и, для максимальной защиты, иметь потенциал, близкий к нулевому относительно земли. Следовательно, заземление оболочки наиболее важно для эффективного экранирования кабелей. В реальных условиях кабельная трасса монтируется из множества отдельных элементов и с ростом их числа нарастает острота проблемы их эффективного электрического контакта.

Металлические кабельные каналы или вставки из металла при правильном монтаже обеспечивают стекание наведенного электрического заряда на заземление. Эффективность же металлического напыления из-за высокого удельного сопротивления намного ниже. Производители такой продукции настаивают на прокладке внутри пластикового короба с напылением облуженного дренирующего проводника подходящего сечения. Последний должен надежно соединяться с заземляющим контуром.

Напрашивается закономерный вывод, что монтаж экранирующих кабельных коробов потребует больших материальных затрат, времени и более высокой квалификации производителей работ.

Экранирование кабельных линий

Не очень высокая эффективность экранирования кабельных трасс вынуждает уделить больше внимания экранированию отдельных кабельных линий. Как уже отмечалось выше, различные типы экранов эффективно работают в разных диапазонах частот, поэтому для эффективной защиты информационных сигналов широкополосного кабеля нередко применяется двухслойное экранирование. При этом витые пары окружаются металлизированной пластиковой лентой (или фольгой) которая, в свою очередь, окружается металлической оплеткой. Многообразие вариантов исполнения экранирования привело к тому, что до настоящего времени не устоялась даже терминология. Большинство специалистов считает правильной следующую классификацию: кабели с общим экраном вокруг неэкранированных витых пар называют экранированной витой парой, а кабели с индивидуальным экранированием всех пар и общим экраном называют защищенной витой парой. Понятно, что кабели с экранированием стоят дороже неэкранированной витой пары и пользуются меньшим спросом. До недавнего времени их применение ограничивалось помещениями со сложной электромагнитной обстановкой и оборудованием сетей с повышенными требованиями по безопасности.

Экранированные линии выгодно отличаются от неэкранированных значительным снижением величины межкабельных наводок между параллельными кабелями в общем кабельном коробе. Особенно велики наводки между парами с одинаковым шагом скрутки в параллельных кабелях.

В 1995 году независимой лабораторией была проведена серия сравнительных испытаний экранированной и неэкранированной кабельных систем. Аналогичные тесты проводились также осенью 1997 года. Контролируемый отрезок кабеля длиной 10 метров прокладывался в защищенной от внешних помех эхопоглощающей камере. Одно окончание линии подключалось к сетевому концентратору 100Base-T, а второе – к сетевому адаптеру персонального компьютера. Контрольная часть кабеля подвергалась воздействию наводок напряженностью поля 3 В/м и 10 В/м в диапазоне частот от 30 МГц до 200 МГц. Были получены два существенных результата.

Во-первых, уровень наводок в неэкранированном кабеле категории 5 оказался большим в 5-10 раз, чем в экранированном при напряженности радиочастотного поля 3 В/м. Во-вторых, при отсутствии сетевого трафика, концентратор сети, выполненной на неэкранированном кабеле, показал на некоторых частотах загрузку сети более 80%. Уровень сигналов протокола 100Base-T на частотах свыше 60 МГц очень мал, но очень важен для восстановления формы сигнала. Однако, даже при наличии помех на частоте свыше 100 МГц неэкранированная система не выдержала испытаний. При этом отмечалось снижение скорости передачи данных на два порядка.

Экранированные кабельные системы выдержали все испытания, однако для их успешного функционирования чрезвычайно важно наличие эффективного заземления.

Неразъемные соединения

Стандарты рекомендуют вести монтаж кабельных линий цельными отрезками кабеля без промежуточных соединений. В отдельных случаях при монтаже возникает потребность соединения нескольких кабелей. В качестве примера можно указать переход с 25-парного кабеля с витыми парами 5 категории на обычные 4х-парные. Такие соединения отрезков различных кабелей именуются точками перехода.

Способ подключения проводников кабеля к контактам соединителей играет важную роль в обеспечении электрических, частотных и эксплуатационных характеристик соединения. В компьютерных сетях применяется следующий метод соединения. В зазор двойного пружинящего контакта с острыми режущими кромками вводится проводник. Кромки пружин прорезают узкую щель в изоляции и создают электрический контакт. За счет надрезания медного проводника обеспечивается минимизация переходного сопротивления. Из-за малой ширины разреза кислород воздуха и загрязнители не попадают на контакт.

Существует несколько типов реализации данного метода соединения, но все они не предназначены для многократного использования соединителей. При внешней простоте монтажа или разрыва соединения каждое последующее использование соединителя, за исключением первого, ухудшает параметры кабельной линии. По этой причине точки перехода не предназначены для выполнения операций кроссировки кабельных линий.

Все соединители предполагают расплетение витых пар для выполнения соединения, что неизбежно сказывается на параметрах линии. Для уменьшения отрицательного влияния стандарты жестко нормируют допустимое число точек перехода для каждой линии.

Отдельно отметим, что точка перехода в экранированной кабельной линии также должна быть экранирована. Отдельную проблему представляет обеспечение качественного кругового контакта экранов соединяемых отрезков кабелей.

Влияние силовой проводки

Наиболее мощные внешние наводки в информационных кабельных линиях создают проложенные поблизости силовые линии питания. Даже в отсутствие мощных потребителей перепады напряжения при подключении пользователей сказываются на уровне помех в размещенных рядом информационных кабелях. К большому сожалению, нарушения требований на минимально допустимые расстояния между кабельными линиями принадлежат к наиболее распространенным. Между тем, это расстояние жестко регулируется одним из телекоммуникационных стандартов.

Таблица 1: Требования стандарта TIA/EIA 569 к расстоянию между кабельными линиями

Из таблицы ясно видно, что экранирование позволяет значительно уменьшить допустимое расстояние между кабелями.

Еще одно распространенное нарушение – прокладка информационного кабеля в непосредственной близости от светильников дневного света, дроссели которых создают достаточно мощные импульсные помехи. Минимально допустимое расстояние между кабельными линиями информационной проводки и дросселями составляет 300 мм.

Безопасность на физическом уровне

Вычислительные сети за несколько лет проникли в управление государством и денежное обращение, помогают продавать билеты, участвуют в управлении движением транспорта и т.д. По мере их роста и расширения применения все больший ущерб терпят владельцы и потребители от незаконного доступа к конфиденциальным данным. Поэтому уже на стадии проектирования должны учитываться возможные попытки деструктивного воздействия или незаконного получения информации. Рассмотрим эти угрозы.

Еще несколько лет назад в качестве едва ли не единственного средства противодействия незаконному доступу через перехват электромагнитного излучения рассматривались волоконно-оптические линии связи. В отдельных случаях даже строились компьютерные сети на чисто оптических решениях. Однако техническая мысль не стоит на месте. В настоящее время разработаны компактные и недорогие технические средства отвода части светового пучка из ВОЛС. Небезупречным оказалось и активное сетеобразующее оборудование оптических сетей, которое допускает перехват данных по электромагнитному излучению.

В неэкранированных кабельных системах для снижения излучения стали применяться схемы псевдоэкранирования, когда незадействованные протоколом передачи витые пары заземляются активным оборудованием. Все более широкое распространение получают коммутаторы взамен сетевых концентраторов, обеспечивающие асинхронность излучения из разных кабельных линий. Некоторые специалисты уповают на полностью коммутируемые сети как средство предотвращения незаконного доступа. Однако уже появились первые публикации по специальной обработке сигналов радиоприемной аппаратурой для распознавания различных сетевых устройств в многосегментных сетях.

Отдельную угрозу несут новые высокоскоростные протоколы. Причина кроется в необходимости с увеличением несущей частоты повышать мощность сигналов, необходимых для компенсации более высоких уровней затухания. Более высокие уровни мощности передачи ведут к повышению уровня излучения.

Ряд публикаций указывает на экранированные и защищенные кабельные системы как недорогую альтернативу волоконной оптике. Приводятся даже данные, свидетельствующие о примерно одинаковом уровне электромагнитных излучений. Не вступая в дискуссию, постараемся рассеять весьма распространенное заблуждение, проникшее даже в специализированную литературу по кабельным системам.

Оно заключается в предложении экранировать линию от экранированной коммуникационной розетки на рабочем месте пользователя до экранированной коммутационной панели в аппаратном помещении. Иногда добавляется условие использования экранированных коммутационных шнуров при подключении сетевого оборудования. Условие подключения компьютера пользователя к коммуникационной розетке экранированным соединительным кабелем стыдливо опускается. Нехитрый расчет эффективной длины передающей антенны для частоты 125 МГц (протокол Gigabit Ethernet) приводит к выводу, что неэкранированный кабель длиной в несколько сантиметров представляет весьма эффективную передающую антенну. Проблемы могут возникнуть даже в результате монтажа заземляющего проводника чересчур большой длины.

Нельзя забывать и об угрозе электромагнитного терроризма. Современные технические средства силового деструктивного воздействия являются электромагнитным оружием, способным дистанционно и без лишнего шума поражать компьютерные и охранно-сигнальные системы. Такие системы деструктивного воздействия по проводным линиям реализуются с помощью относительно простых технических средств, обеспечивающих высокую вероятность вывода объекта атаки из строя. Размеры подобного оборудования не превышают средний кейс или даже видеокассету, а стоимость находится в пределах 6 000 – 8 000 долларов США. Наиболее скрытным и эффективным является силовое деструктивное воздействие по эфиру с использованием мощного короткого электромагнитного импульса. В этом случае достаточно компактные технические средства размещаются за пределами объекта атаки и для маскировки на достаточном удалении от коммуникаций. Наиболее удобными для применения необходимо признать высокочастотные средства силового деструктивного воздействия.

Реалии белорусского рынка кабельных систем

В нашей стране из соображений экономии практически все монтируемые кабельные системы строятся на основе неэкранированной витой пары 5 категории. Полностью экранированные варианты исполнения можно пересчитать по пальцам одной руки. Да и те имеют общий изъян – соединительные кабели производства белорусских инсталляторов кабельных систем. Между тем, технология сборки экранированного соединительного кабеля значительно сложнее, чем не экранированного. Помимо обычной электрической проверки он должен проходить тест на эффективность экрана, что совершенно нереально в кустарных условиях. Отметим, что изготовленные в заводских условиях и прошедшие технологический контроль соединительные кабели лишь в 1,5 раза дороже изготовленных кустарно. Сопоставим это различие с обычным числом пользователей большинства сетей и получим логичный вывод – при создании экранированных систем нельзя экономить на соединительных кабелях.

Серьезную проблему при внедрении высокоскоростных приложений представляет неэффективное или вовсе отсутствующее заземление. Данную проблему должны решать энергетические службы, однако редко удается обнаружить специалиста такого подразделения, знакомого с особенностями монтажа технологического заземления. Проблема также актуальна для оборудования силовых розеток на рабочих местах пользователей и в аппаратных помещениях защитным заземлением.

Недорогие кабельные системы на основе неэкранированной витой пары монтируются, как правило, недостаточно квалифицированным персоналом. Не соблюдаются требования к минимальным радиусам изгиба, растягивающему усилию и скорости протаскивания. Монтаж модульных соединителей ведется с нарушением последовательности подключения проводников и допустимого по длине расплетения витых пар. Тестирование параметров создаваемых кабельных систем зачастую не проводится и администратор не имеет представления об электрических параметрах эксплуатируемых кабельных линий.

Плотность каблирования зданий повышается с каждым годом и к настоящему времени вплотную приблизилась к пределам, допускаемым санитарным нормам. Нельзя забывать, что для одного работающего с компьютером необходимо не менее 6 м². Кроме того, с увеличением плотности каблирования резко возрастает количество прокладываемых кабелей. Во избежание серьезных негативных последствий при возникновении пожаров для персонала необходимо тщательно следить за соблюдением технических условий. Наиболее грубые ошибки – вертикальная прокладка высокогорючего кабеля и монтаж в полостях помещений кабеля, выделяющего при горении токсичный дым.

Выводы

Материал данной статьи лишь очерчивает многообразие проблем и путей их преодоления.

Крайняя скудость финансовых средств, выделяемых на развитие информационной инфраструктуры, является главной причиной бед на всех этапах от проектирования компьютерных сетей до промышленной эксплуатации.

Монтаж даже простейших неэкранированных кабельных систем для получения стабильных положительных результатов должен вестись высококвалифицированным персоналом. Нельзя пренебрегать заключительным тестированием созданной кабельной системы и составлением рабочей документации.

Повсеместный переход на высокоскоростные приложения и снижение цен на комплектующие делают неэффективным строительство сетей категории 5. Не отказывая уже существующим сетям в праве на дальнейшее развитие можно сделать вывод о предпочтительности монтажа сетей категории 5Е.

Во втором полугодии 2000 года усилилась тенденция к снижению стоимости комплектующих для создания экранированных кабельных систем. Более того, стоимость пассивного оборудования категории 6 (еще не принятой) вплотную приблизилась или даже сравнялась со своими аналогами категории 5. С учетом того факта, что стоимость проектирования и монтажа сети в 2-3 раза выше стоимости необходимого пассивного оборудования, имеет смысл принять во внимание более высокую надежность экранированных решений при минимальных дополнительных затратах.

В нашей стране пора массового прозрения потребителей сетевой инфраструктуры и осознания сложности проблем обеспечения высокоскоростного доступа еще впереди. Нет доверия, и небезосновательно, потребителей к отечественным инсталляторам кабельных систем.

Литература

Крис Ригглсуорт, Александр Воловодов. Экранирование кабельных коробов (статья).

Александр Воловодов. Европейская директива электромагнитной совместимости (статья).

В.С.Барсуков. Комплексная защита от электромагнитного терроризма (статья). Журнал “Системы безопасности связи и телекоммуникаций”, № 32 март-апрель 2000 г.

А.Б.Семенов, С.Н.Стрижаков, И.Р.Сунчелей. Структурированные кабельные системы. Издательство “Компьютер пресс”, Москва, 1999 г.

Ю.А.Рунов. Электроснабжение промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Издательство “Ураджай

”, Минск, 1998 г.