Тестирование СКС - среда передачи или протоколы

Автор: Александр Воловодов

Статья предоставлена сайтом www.ecolan.ru.

Представления о структурированных кабельных системах (СКС), как правило, идеализированы. Многие заказчики считают тестирование линий излишней и дорогостоящей процедурой, необходимой только для сертификации. Фактически качество современных систем невозможно обеспечить без 100% контроля. Объективная проверка позволяет устранить как мелкие, так и серьезные недостатки.

Гарантии СКС повсеместно воспринимают как залог решения проблем на физическом уровне. В действительности соответствие параметров линии / канала определенному классу / категории бесполезно для пользователей, если сеть работает нестабильно. Оценить полученные результаты можно, используя планку приложений. Если параметры среды передачи хорошо известны, требования протоколов остаются в тени. Недостаток знаний и искаженные толкования результатов тестирования часто приводят к неправильным решениям.

МОДЕЛИ КАНАЛА

В большинстве случаев тестирование СКС включает только часть канала. Как правило, это базовая линия, состоящая из фиксированного кабеля с разъемами на концах. Однако работа сети зависит от параметров канала, обеспечивающего передачу сигналов между двумя терминальными устройствами. В настоящее время стандарты определяют две модели канала: подключение и коммутация. Второе издание ISO/IEC 11801 предусматривает четыре модели канала: подключение, коммутация, подключение с точкой консолидации (ТК) и коммутация с ТК.

Точки подключения активного оборудования и кабелей внешних служб называются интерфейсами СКС. Интерфейсы СКС не совпадают с интерфейсами тестирования. Во-первых, точка консолидации (ТК), предназначенная для удобства организации рабочих мест в открытых офисах, не является интерфейсом СКС. Стандарты не предусматривают подключение оборудования к ТК. Во-вторых, параметры гибких кабелей измеряют в составе канала, что исключает коммутационные панели магистрального канала с четырьмя разъемами в качестве портов подключения измерительного оборудования.

АК - абонентский кабель, КК - коммутационный кабель, СК - сетевой кабель, ПК - переходный кабель,
ТР - телекоммуникационный разъем, ТК - точка консолидации, РП - распределительная панель, КП - коммутационная панель

На долю горизонтальной подсистемы приходится подавляющее большинство электропроводных кабелей. В магистралях телефонная и информационная подсистемы разделены, а на последней стометровке интегрированы, поэтому все линии горизонтальной подсистемы должны соответствовать самым строгим требованиям современных приложений.

Новые стандарты реализуют непривычную пока концепцию создания СКС. В настоящее время длина фиксированных кабелей горизонтальной подсистемы не должна превышать 90 метров, а гибких - 10 метров. С 2002 года длина фиксированных линий будет определяться по формулам, различным для каждого класса среды передачи и каждой модели канала. Проектировщики будут использовать общий бюджет затухания канала и определять длину фиксированных кабелей, исходя из требуемой длины абонентских и переходных кабелей. Например, модель "подключение" класса D с абонентскими кабелями 23 метра и сетевыми 2 метра будет ограничена величиной 71 метр, а фиксированные кабели - 46 метров. Измерение параметров стационарной линии при этом не имеет практического значения. В результате применения новых стандартов доля тестируемых каналов будет возрастать.

Если длина каналов значительно меньше предельно допустимой, тестирования линий будет достаточно. Каналы более сложных моделей и линии предельной длины необходимо проверять не просто на соответствие стандартам среды передачи, но и требованиям протоколов.

ПАРАМЕТРЫ КАНАЛОВ

Для оценки качества передачи сигналов приходится учитывать несколько десятков помех различного типа в полосе частот, определенной стандартами СКС или пределами измерений. С этой точки зрения, интерпретация результатов симметричных электропроводных линий оказывается сложнее, чем оптоволоконных.

На рисунке 3 показаны схемы передачи протоколов Fast Ethernet 100 Base-TX и Gigabit Ethernet 1000 Base-T. До появления протоколов, задействующих все четыре пары, достаточно было учесть затухание сигнала (Attenuation) и перекрестные наводки (NEXT), изображенные красными стрелками. Если работают только две пары, возникают две наводки NEXT, влияющие на работу приемников на каждом конце линии. Протоколы используют разные пары, поэтому при тестировании проверяют все возможные комбинации - по шесть помех для обоих концов линии / канала.

Требование увеличения скорости передачи данных без расширения частотного диапазона привело к усложнению схемы передачи и числа тестируемых параметров. Тактовая частот Gigabit Ethernet составляет 250 МГц, фактическая скорость передачи данных по каждой паре - 250 Мбит в секунду. Для уменьшения эффективной полосы частот до 125 МГц применено двухбитовое кодирование.

Для передача двух битов используется четыре уровня, а для повышения помехозащищенности - пятый уровень, что реализовано в схеме PAM-5. Увеличение скорости при сохранении полосы частот потребовало расширения динамического диапазона. Пятиуровневая схема требует лучшего отношения сигнал / шум на входе в приемник, чем двух- и трехуровневая, что отражено в таблице 1. Параметр SNR Gigabit Ethernet больше, чем у любого из действующих протоколов.

Еще один резерв - число пар. Чтобы обеспечить 1000 Мбит/с, задействованы все четыре пары, каждая из которых работает одновременно в обоих направлениях. Поток битов разбивается на четыре и вновь соединяется в один, следовательно, приходится учитывать еще один параметр. Разница во времени прохождения сигналов по парам (сдвиг) не должна превышать определенного значения, чтобы правильно собрать пакеты на входе в приемник.

Дуплексная передача добавила к перекрестным наводкам (NEXT) однонаправленные наводки (FEXT). Наводки однонаправленной передачи каждой пары влияют на три смежные пары, что дает по 12 комбинаций FEXT на каждом конце линии. На рисунке 3 внизу однонаправленные наводки третьей пары отмечены стрелками сиреневого цвета.

Кроме того, для оценки качества сигналов на входе в приемник потребовалось измерять не только межпарные, но и суммарные наводки (Power Sum NEXT и Power Sum FEXT). В четырехпарном кабеле насчитывается 36 комбинаций межпарных и 16 комбинаций суммарных наводок, подлежащих контролю, - по 6 NEXT, 12 FEXT, 4 PS NEXT и по 4 PS FEXT на каждом конце линии.

Возвратные потери учитывают отражения сигналов в результате разбалансировки и изменений волнового сопротивления среды передачи и возникают в каждой паре на каждом конце линии. Данный вид помех влияет на протоколы с одновременной передачей и приемом сигналов по каждой паре. Баланс измеряется как логарифмическая разность напряжения сигналов, подаваемых в противофазе на каждый их проводников пары. Этот параметр не оказывает непосредственно влияния на отношение сигнал / шум и не измеряется полевыми тестерами.

Результирующие параметры, характеризующие отношение мощности сигнала на входе в приемник к мощности собственных шумов (ACR, PS ACR, ELFEXT и PS ELFEXT), вычисляют по простым формулам как логарифмическую разность затухания и соответствующих наводок. Если учесть, что все эти параметры измеряются в диапазоне частот вплоть до 350 - 600 МГц с шагом 0,1 - 0,25 МГц, на выходе появляется большой объем данных по каждой тестируемой линии / каналу.

Параметры СКС заданы в диапазоне частот, определенном стандартами для каждого класса. Для класса D - это 100 МГц. Для отображения и вычисления относительных значений используется логарифмическая шкала. Логарифмы - это степени чисел, измеряемые в Белах. Десятая доля Бела называется децибелом. Таким образом, 10 децибел равны 10, 20 децибел - 100, 30 децибел - 1000. Соответственно -10 дБ составляют десятую, -20 дБ - сотую долю относительной величины, и так далее. Деление десятичных величин равноценно вычитанию логарифмов.

Отношение затухания (Attenuation) и наводок (NEXT) выражается расстоянием между линями этих логарифмических велчин. На рисунке 4 показаны параметры канала, которые учитывались до 1999 - 2000 года. Требования к NEXT были на 3 дБ ниже, чем в Дополнении 2 ISO/IEC 11801 2000 года и Второго издания данного стандарта 2002 года. Улучшение ACR и учет других параметров, изображенных на рисунке 5, потребовалось для обеспечения работы протокола Gigabit Ethernet 1000 Base-T.

Качество сигналов на входе в приемники каждой из пар определяют две величины: отношение затухания к суммарным перекрестным наводкам (PS ACR) и отношение затухания к суммарным однонаправленным наводкам (PS ELFEXT). В совокупности PS ACR и PS ELFEXT характеризуют превышение сигнала над уровнем собственных шумов и отличаются от параметра сигнал / шум (SNR) на величину внешних наводок. На рисунке 5 отношение PS ACR показано линией красного, а PS ELFEXT - линией синего цвета.

На частоте 100 МГц качество сигнала наихудшее. Основной источник проблем - традиционные перекрестные наводки (NEXT). Полезный сигнал превышает суммарный шум данного типа всего на 3,1 дБ или в два раза. Этого совершенно недостаточно для нормальной работы приложений класса D. Данное противоречие не оказалось в поле зрения только из-за недостаточной осведомленности специалистов и заказчиков.

Другая проблема заключается в терминологии и толкованиях параметров, искажающих их фактическое значение. Если считать, NEXT - это "переходное затухание на ближнем конце", трудно представить, что это наводки, возникающие с обеих сторон линии / канала. Отношение затухания к наводкам различного типа, трактуемые как "защищенность на ближнем конце" (ACR) и "равноуровневые наводки на дальнем конце" (ELFEXT), не воспринимаются как аналогичные параметры, определяющие качество сигналов на входе в приемники. В статье "Открытые системы - частные термины" систематизированы основные понятия СКС и поясняется физический смысл параметров среды передачи.

Удаленность приемников имеет значение только с точки зрения привязки полученных параметров. Другими словами, если выявлено превышение наводок, важно установить проблемную точку. Если тестер подключен к порту панели, а вспомогательный блок - к ТР (телекоммуникационному разъему) абонентской розетки, проблемы NEXT не обязательно относятся к панели. Тестер фиксирует все параметры с привязкой к блокам, поэтому для практического использования результатов следует придерживаться системы подключения и точно учитывать расположение приборов.

Что касается других помех, то возвратные потери (Return Loss) ограничены величиной 10 дБ, а отношение сигнала к суммарным однонаправленным наводкам - 14,4 дБ. Другими словами, мощность отраженного сигнала не может превышать десятой части мощности передатчика, а мощность однонаправленных наводок меньше мощности сигнала на входе в приемник в 27,5 раз. Как видим, эти помехи влияют значительно меньше, чем перекрестные наводки.

ТРЕБОВАНИЯ ПРОТОКОЛОВ

Требования к среде передачи, определяемые особенностями работы протоколов, разрабатываются организациями стандартизации, в частности Институтом инженеров электротехники и электроники, и добровольными объединениями производителей сетевого оборудования, например, Форум АТМ, Альянс Gigabit Ethernet.

Среда передачи локальных сетей должна обеспечить работу протоколов с коэффициентом ошибок (BER - Bit Error Rate) не более 10^-10. Для этого мощность сигнала и его превышение над мощностью шумов для рабочих пар в эффективной полосе частот должно быть в пределах значений, определенных для каждого протокола. Следует обратить внимание на то, что полоса частот важнейших приложений превышает частотный диапазон СКС. Для ATM-155 требуется 155 МГц, для 1000Base-T - 125 МГц, а категория 5 / класс D обеспечивают всего 100 МГц.

Стандарты СКС допускают серьезный компромисс, определяя заниженный уровень функциональных параметров. Следует учесть, что стандарты задают значения линии / канала для максимальной длины и для худших пар. В большинстве случаев проблем не возникает, благодаря меньшей длине, резерву линий и отдельных пар. Однако остается неопределенность. При проведении стандартного тестирования совершенно не очевидно, как будут работать приложения.

Если параметры протоколов известны, убедиться в соответствии можно, анализируя результаты измерений. Это очень трудоемкий и неэффективный путь. Не всякие результаты измерений позволяют это сделать. Только тестирование по дополнительно заданным параметрам сетевых протоколов позволяет достоверно подтвердить тот факт, что резерв параметров достаточен для бесперебойной работы приложений.

В последнее время производители полевых тестеров включают требования приложений в программное обеспечение приборов. Отдельные изготовители СКС дают гарантии на работу протоколов. Компания ITT NS&S, Великобритания, практикует наиболее требовательный подход, включая весь перечень действующих приложений. В таблице 1 приведены 12 из 18 протоколов, параметры которых учитывает ITT NS&S. Данные пределы установлены в приборе WireScope 155.

Различие требований можно наглядно увидеть на графике, изображенном на рисунке 6. Отношение затухания к перекрестным наводкам (ACR) каналов класса C, D и E сравниваются с отношением сигнал / шум (SNR) сетевых протоколов. Среда передачи и приложения класса С показаны зеленым цветом, класса D - синим. Параметры канала класса E, соответствующие Проекту Второго издания ISO/IEC 11801, изображены линией красного цвета. Приложений класса E пока нет.

Собственные помехи СКС представляют серьезную проблему. На частотах более 50 - 60 МГц среда передачи класса D не обеспечивает достаточного качество сигнала, требуемого для приложений класса D. Даже канал класса E имеет дефицит ACR для Gigabit Ethernet и ATM 155. Это значит, что выбор СКС категории 6 / класса Е не гарантирует беспроблемной работы современных приложений. Ситуация со средой передачи и приложениями класса С аналогична. На частоте более 8 МГц ACR канала хуже, чем требуется для протокола Ethernet 10 Base-T.

На рисунке 7 слева показан перечень сетевых протоколов прибора WireScope 155, а справа - контролируемые значения для выбранной строки. Как видим, для Gigabit Ethernet все пары являются передающими и приемными, измерения проводятся в диапазоне частот 1 - 128 МГЦ с шагом 1 МГц. Отношение сигнал / шум должно быть не менее 19 дБ, значения затухания и наводок не должны превышать пределов категории 5, а сдвиг - 50 нс. Другие параметры, влияющие на работу приложения, тестируются при выборе категории 5е или класса D 2000.

В данном случае требования Gigabit Ethernet 1000 Base-T даже более строгие, чем требуется фактически. Чтобы обеспечить заданный коэффициент ошибок, отношение сигнал / шум в эффективной полосе частот должно быть не менее определенного значения. Согласно логике программы отношение сигнал / шум (SNR) должно находиться между двумя линиями, соответствующими нулевому и максимальному значению затухания.

Заданные пределы для Gigabit Ethernet могут давать недостоверные результаты. Если на частоте 1 МГц происходит превышение предела NEXT, прибор фиксирует отрицательный результат для данного протокола. Фактически ACR на данной частоте составляет более 50 дБ, что в тысячи раз и лучше, чем требуется. Данная ситуация типична для неэкранированных систем, подверженных влиянию внешних помех. Электроинструмент, работающий на соседнем этаже, может создавать помехи, фиксируемые тестером как превышение NEXT в диапазоне 1 - 5 МГц. Хотя данные помехи совершенно не влияют на работу приложений, и результаты измерений будут это подтверждать, итог для 1000 Base-T будет прямо противоположным.

Превышение сигнала над уровнем собственных шумов (ACR) можно сравнивать с отношением сигнал / шум (SNR) только при отсутствии внешних помех. Экранированные системы обеспечивают достаточную защиту от внешних помех, поэтому сравнение данных параметров корректно. Неэкранированная среда передачи подвержена влиянию внешних наводок, поэтому качество передачи сигналов будет всегда хуже. Влияние помех зависит от балансировки системы. Другими словами, чем больше нарушена симметрия витых пар, тем больше негативное воздействие внешних источников излучений.

Как показали результаты испытаний систем на соответствие Директиве ЭМС, проведенные компанией ITT NS&S, неэкранированные системы работают нестабильно даже при уровне внешних помех 3 В/м, характерных для офисной среды. Кроме того, на работу гигабитных приложений влияют межкабельные наводки, возникающие в жгуте кабелей между парами с одинаковым шагом скрутки. Исходя из этого, следует помнить, что выбор неэкранированных систем, оставляет вне контроля дополнительный фактор в виде внешних помех, ухудшающих резерв параметров и качество работы сети.

ИЗМЕРЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Существует несколько типов полевых тестеров различных производителей. Это WireScope 155 и 350 компании Agilent Technologies (ранее Scope Communications), OmniScanner 2 и PentaScanner 350 производства Microtest, LAN CableMeter 620, DSP-2000, DSP-4000, DSP-4100 компании Fluke и другие.

Рассмотрим некоторые результаты измерений на примере прибора WireScope 155 с ПО сетевых протоколов ITT NS&S, Великобритания. Компания ITT NS&S фактически стала инициатором тестирования СКС на соответствие параметрам приложений. Совместно с изготовителями измерительных приборов она разрабатывает версии программного обеспечения, включающие полный перечень действующих сетевых протоколов. Кроме того, ITT NS&S требует, чтобы тестирование проводилось по частным пределам, превышающим требования стандартов.

В приведенном ниже примере диапазон частот тестирования систем класса D ITT NS&S составляет 160 МГц, при этом, каждый из параметров улучшен на несколько децибел. Это позволяет увеличивать длину каналов и число разъемных соединений. Результат, показанный на рисунке 8, интересен тем, что тест не пройден по ограничению наводок, но линия обеспечивает качественную работу всех протоколов. Результат сохранен в графическом виде, что облегчает анализ.

PASS означает положительный результат, FAIL - отрицательный, а все нюансы отражены в цифрах и графиках. Окно обобщенных результатов измерений (Summary) показывает превышение предела NEXT на 1,1 дБ. Остальные параметры находятся в установленных рамках. Тест пройден по сетевым протоколам (NETS) затуханию (ATTN), длине (LNTH), карте соединений (WMAP), отношению затухания и перекрестных наводок (ACR) и отношению затухания и однонаправленных наводок (EL-FEXT). Измерены значения сопротивления постоянному току (RES), волнового сопротивления (IMPED), возвратных потерь (RLOSS), резерва параметров (MARG) и приведена конфигурация теста (CONFIG). Значок P показывает наличие графика.

Детальная информация по важнейшим параметрам приведена на рисунке 8. Кнопки, раскрывающие окна, позволяют перейти к блокам данных при наличии программного обеспечения в компьютере. Здесь показаны шесть из двенадцати окон.

Проблемная точка зафиксирована на частоте 155 МГЦ, где наводки из первой пары в третью составили 28,1 дБ. Данный результат интересен тем, что выхода за ограничения по суммарным наводкам нет. Суммарные наводки той же пары составляют 27,9 дБ на частоте 155,75, что попадает в пределы ITT NS&S (Worst Case Summary). Следует обратить внимание на то, что суммарные наводки измеряются, а не рассчитываются, что дало бы отрицательный результат также и по PS NEXT.

Несмотря на превышение ограничения по наводкам, линия соответствуют параметрам, предъявляемым протоколами (NETS). Убедиться в этом можно, взглянув на графики ACR и EL FEXT. Отношение затухания к суммарным перекрестным наводкам во всем диапазоне частот не хуже 25 дБ, а к суммарным однонаправленным наводкам - более 20 дБ. Возвратные потери - менее 20 дБ. Таким образом, отношение сигнал / шум составляет 100 - 316 раз, что обеспечивает коэффициент ошибок гораздо ниже 10^-10.

Формальный подход к оценке результатов тестирования потребует сделать вывод о том, что данная линия дефектна. С точки зрения ITT NS&S линия не подлежит сертификации, поскольку не обеспечит гарантированного увеличения длины канала. Рекомендации "специалистов", не вникающих в детали, будут сводиться к замене разъемов и повторной прокладке кабелей. Однако замены не требуется, и заказчик может быть уверен в беспроблемной работе сети, среда передачи которой имеет значительный резерв параметров.

С точки зрения обобщенного результата и практического использования СКС ситуация может быть противоположной. Параметры могут соответствовать категории 5е, но быть недостаточными для стабильной работы протоколов. Для пользователей гарантии категории 5е не имеют значения, если сеть работает медленно, нестабильно и с зависаниями. Однако заказчик не может предъявить претензии изготовителю элементов и исполнителю, если в договоре не предусматривались гарантии работы приложений. Несоответствие ожиданий и результатов возникает в результате неосведомленности лиц, принимающих решения.

Современные тестеры обеспечивают тестирование в диапазоне 350 - 600 МГц и имеют наглядный интерфейс. DSP 4000 обеспечивает также мониторинг трафика 10 BASE-T и 100 BASE-TX.

Компания ITT NS&S сертифицирует СКС категории 6 только при условии измерения тестером Fluke DSP 4000 с совместно разработанным ПО сетевых протоколов. Результаты измерений тщательно контролируются с помощью специальной программы. Линии / каналы тестируются до частоты 350 МГц и оцениваются на соответствие категории 6 / классу E до частоты 250 МГц.

Следует отметить, что любой прибор допускает выбор пределов тестирования. Например, категория 5 / 5е, класс D, категория 6 или класс Е. При этом сертификация приложений может отсутствовать. Существуют и другие различия: предел категории 5е / класса D составляет 100 МГц, а приложений класса D - 128 - 155 МГц. Логика тестирования определяется установками. При выборе предела приложений (NETS) прибор проведет измерения параметров, показанных на рисунке 5, до частоты 100 МГц с шагом, определенным стандартом TSB 95. До 128 МГц все пары будут проверяться на соответствие SNR и сдвиг с шагом 1 Мгц и до 155 МГц - будут оцениваться только две пары, подключенные к контактам 1,2 - 7,8, на пределы SNR и значений затухания и перекрестных наводок, показанных в таблице 1.

Результаты тестирования не однозначны. Объем и пределы измерений можно варьировать в широких пределах. Не каждый положительный результат тестирования обеспечит беспроблемную работу сети, и не каждый отрицательный означает дефект элементов или монтажа СКС. Гарантии категории или классу среды передачи бесполезны для пользователей, если система не соответствует более высокому уровню требований приложений. Достоверным свидетельством качества СКС являются инструментально подтвержденные гарантии работы приложений. Если при этом остается резерв параметров, гарантии включают возможность увеличения длины каналов.

Объективная оценка СКС на уровне, превышающем требования стандартов, свидетельствует о качестве систем. Однако технические параметры элементов и систем, полученные за счет конструктивных и производственных инноваций, нельзя реализовать без всесторонней поддержки непосредственных исполнителей. Квалификация специалистов, создающих системы любого уровня, базируется на сетевых услугах ITT NS&S, в том числе, обучении. Качество продукции, сетевых услуг и профессионализм партнеров позволяют предоставлять и обеспечивать реальные гарантии сроком 25 лет и более.