Кабели на основе витых пар

Средой передачи информации в компьютерных сетях выступают линии связи или каналы связи. Наибольшее распространение получили проводные каналы, хотя существуют и беспроводные.

В локальных сетях информация часто передается в последовательном коде, что, хоть и медленнее параллельного, значительно экономичнее с точки зрения инфраструктуры. Последовательная передача требует меньше кабелей, что экономит затраты на их прокладку и ремонт.

Кроме того, последовательная передача обеспечивает более надежное соединение. При параллельной передаче необходимо, чтобы длины всех кабелей были идентичными. Иначе возникают временные сдвиги между сигналами, что может вызвать сбои в работе сети.

При выборе метода передачи следует также учитывать сложность оборудования. Последовательная передача требует только одного передатчика и приемника, в то время как параллельная передача увеличивает их количество в зависимости от разрядности кода.

Особенно важно это при длинных кабелях. Например, при скорости 100 Мбит/с и длительности бита 10 нс, разница в длинах кабелей всего в 1-2 метра может вызвать значительные проблемы в передаче данных.

Правда, в некоторых высокоскоростных локальных сетях все-таки используют параллельную передачу по 2-4 кабелям, что позволяет при заданной скорости передачи применять более дешевые кабели с меньшей полосой пропускания, но допустимая длина кабелей при этом не превышает сотни метров. Примером может служить сегмент 100BASE-T4 сети Fast Ethernet.

Промышленностью выпускается огромное количество типов кабелей, например, крупнейшая кабельная компания Belden предлагает более 2000 их наименований. Все выпускаемые кабели можно разделить на три большие группы:

• кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на экранированные (shielded twisted pair, STP) и неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);
• коаксиальные кабели (coaxial cable);
• оптоволоконные кабели (fiber optic).

Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки. При выборе кабеля следует учитывать не только особенности решаемой задачи, но и специфику конкретной сети, включая используемую топологию. Сейчас действует стандарт EIA/TIA 568 для кабелей (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard), который был принят в 1995 году и заменил ранее действующие фирменные стандарты.

Витые пары проводов используются в наиболее доступных и, возможно, самых популярных на сегодняшний день кабелях. Кабель на основе витых пар состоит из нескольких пар скрученных изолированных медных проводов, объединенных в единую диэлектрическую (обычно пластиковую) оболочку. Он довольно гибкий, что делает его удобным для укладки.

Типичный кабель может содержать две или четыре витые пары.

Неэкранированные витые пары имеют невысокую устойчивость к внешним электромагнитным помехам и слабую защиту от несанкционированного доступа или подслушивания, например, в целях промышленного шпионажа. Перехват данных может осуществляться как контактными методами (например, с помощью игл, вставленных в кабель), так и бесконтактными, когда перехватывается излучение кабеля. Для повышения уровня защиты используется экранирование.

Рис. 2.1. Кабель с витыми парами

В экранированной витой паре STP каждая пара проводов обернута металлическим экраном. Это помогает уменьшить излучение кабеля, усилить защиту от внешних электромагнитных помех и минимизировать взаимное воздействие между проводами (перекрестные наводки). Конечно, такие кабели стоят дороже по сравнению с неэкранированными, и требуют специализированных экранированных разъемов. В результате они используются менее часто, чем обычные витые пары.

Главные преимущества неэкранированных витых пар - это удобство при установке разъемов и легкость ремонта в случае повреждений. Однако их характеристики, в целом, уступают другим типам кабелей. Например, при определенной скорости передачи уровень затухания сигнала в них выше, чем в коаксиальных кабелях. Учитывая также их низкую устойчивость к помехам, понятно, почему длина линий на основе витых пар обычно не превышает 100 метров. Сейчас витые пары часто используются для передачи данных на скоростях до 100 Мбит/с, хотя идут исследования по увеличению этой скорости до 1000 Мбит/с.

Согласно стандарту EIA/TIA 568, существует несколько категорий кабелей на основе неэкранированной витой пары (UTP):

• Кабель категории 1 — обычный телефонный кабель без витых пар, предназначенный для передачи речи, но не данных. Его параметры, такие как волновое сопротивление, полоса пропускания и перекрестные наводки, могут сильно варьироваться.
• Кабель категории 2 — кабель из витых пар, предназначенный для передачи данных на частотах до 1 МГц. Не подвергается тестированию на перекрестные наводки и редко используется. EIA/TIA 568 не делает различий между категориями 1 и 2.
• Кабель категории 3 — для передачи данных на частотах до 16 МГц, содержит витые пары с девятью витками на метр. Тестируется по всем параметрам и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Является основным типом кабеля для локальных сетей и широко распространен.
• Кабель категории 4 — для передачи данных на частотах до 20 МГц. Не сильно отличается от категории 3, редко используется. Рекомендован для работы в сетях стандарта IEEE 802.5 и имеет волновое сопротивление 100 Ом.
• Кабель категории 5 — продвинутый кабель для передачи данных на частотах до 100 МГц. Содержит пары, имеющие не менее 27 витков на метр. Тестируется по всем параметрам, имеет волновое сопротивление 100 Ом. Рекомендуется для современных сетей, таких как Fast Ethernet и TPFDDI. Стоимость примерно на 30-50% выше, чем у кабеля категории 3.
• Кабель категории 6 — новый тип кабеля для передачи данных на частотах до 200 МГц.
• Кабель категории 7 — перспективный кабель для передачи данных на частотах до 600 МГц.

Согласно стандарту EIA/TIA 568, волновое сопротивление для высококачественных кабелей категорий 3, 4 и 5 должно составлять 100 Ом ± 15%, в частотном диапазоне от 1 МГц до максимальной частоты кабеля. Это дает диапазон значений от 85 до 115 Ом. Стоит отметить, что экранированная витая пара STP имеет стандартное волновое сопротивление 150 Ом ± 15%. Если импедансы кабеля и оборудования не совпадают, для их согласования используют трансформаторы Balun. Также есть экранированные витые пары с волновым сопротивлением 100 Ом, но они менее распространены.

Другой ключевой параметр, определенный стандартом, - это максимальное затухание сигнала на различных частотах при передаче по кабелю. В таблице 2.1 указаны максимальные значения затухания для кабелей категорий 3, 4 и 5 на дистанции 1000 футов (примерно 305 метров) при стандартной температуре в 20°С.

Табл. 2.1. Максимальное затухание в кабелях

Из таблицы видно, что величины затухания на частотах, близких к предельным, для всех кабелей очень значительны, то есть даже на небольших расстояниях сигнал ослабляется в десятки и сотни раз, что предъявляет высокие требования к приемникам сигнала.

Еще один специфический параметр, определяемый стандартом - это величина так называемой перекрестной наводки на ближнем конце (NEXT - Near End Crosstalk). Он характеризует влияние разных проводов в кабеле друг на друга. В таблице 2.2 представлены значения допустимой перекрестной наводки на ближнем конце для кабелей категорий 3, 4 и 5 на таких частотах сигнала. Естественно, более качественные кабели обеспечивают меньшую величину перекрестной наводки.

Табл. 2.2. Допустимые уровни перекрестных наводок

Стандарт определяет также максимально допустимую величину рабочей емкости каждой из витых пар кабелей категории 4 и 5. Она должна составлять не более 17 нФ на 305 метров (1000 футов) при частоте сигнала 1 кГц и температуре окружающей среды 20°С.

Для присоединения витых пар используются разъемы (коннекторы) типа RJ-45, похожие на всем известные разъемы, используемые в телефонах (RJ-11), но несколько большие по размеру (поэтому они не входят в телефонную розетку). Разъемы RJ-45 имеют восемь контактов вместо четырех в случае RJ-11. Присоединяются разъемы к кабелю с помощью специальных обжимных инструментов. При этом золоченые игольчатые контакты разъема прокалывают изоляцию каждого провода, входят между его жилами и обеспечивают надежное и качественное соединение. Надо учитывать, что при установке разъемов стандартом допускается расплетение витой пары кабеля на длину не более одного сантиметра.

Чаще всего витые пары используются для передачи данных в одном направлении, то есть в топологиях типа «звезда» или «кольцо». Топология «шина» обычно ориентируется на коаксиальный кабель. Поэтому внешние терминаторы, согласующие неподключенные концы кабеля, для витых пар практически никогда не применяются.

Кабели выпускаются с двумя типами внешних оболочек:

• кабель в поливинилхлоридной (ПВХ, PVC) оболочке дешевле и предназначен для работы кабеля в сравнительно комфортных условиях эксплуатации;
• кабель в тефлоновой оболочке дороже и предназначен для более жестких условий эксплуатации.

Кабель в ПВХ-оболочке называется еще non-plenum, а кабель в тефлоновой оболочке - plenum. Термин plenum обозначает здесь не собрание руководства какой-то партии, а пространство под фальшполом и над подвесным потолком, где очень удобно размещать кабели сети. Для прокладки в этих скрытых от глаз пространствах как раз удобнее кабель в тефлоновой оболочке, который, в частности, горит гораздо хуже, чем ПВХ-кабель, и не выделяет при горении так много ядовитых газов.

Еще один важный параметр любого кабеля, который жестко не определяется стандартом, но может существенно повлиять на работоспособность сети, - это скорость распространения сигнала в кабеле, то есть задержка распространения сигнала в кабеле в расчете на единицу длины.

Производители кабелей иногда указывают величину задержки на метр длины, а иногда — скорость распространения сигнала относительно скорости света (или NVP - Nominal Velocity of Propagation, как ее часто называют в документации). Связаны эти две величины простой формулой:

t3=l/(3 • 10^10 • NVP),

где t3 - величина задержки на метр длины кабеля в наносекундах. Например, если NVP=0,65 (65% от скорости света), то задержка t будет равна 5,13 нс/м. Типичная величина задержки большинства современных кабелей составляет около 5 нс/м.

Табл. 2.3. Временные характеристики некоторых кабелей

В таблице 2.3 приведены величины NVP и задержек на метр длины (в наносекундах) для некоторых типов кабеля двух самых известных фирм-производителей AT&T и Belden.

Стоит также отметить, что каждый из проводов, входящих в кабель на основе витых пар, как правило, имеет свой цвет изоляции, что существенно облегчает монтаж разъемов, особенно в том случае, когда концы кабеля находятся в разных комнатах, и контроль с помощью приборов затруднен.

Примером кабеля с экранированными витыми парами может служить UTP IBM типа 1, который включает в себя две экранированные пары AWG типа 22. Волновое сопротивление каждой пары составляет 150 Ом. Для этого кабеля применяются специальные разъемы, которые отличаются от разъемов для неэкранированной витой пары (например, DB9). Имеются и экранированные версии разъема RJ-45.