Выбор топологии сети в реальных условиях

Павел Нагибин, «Экспресс-Электроника», #6/2003

Основной бич домашних сетей — трудности прокладки кабелей. Спроектировать и построить инфраструктуру крупного предприятия или межстанционные соединения АТС можно не считаясь с затратами, подгоняя «под проект» местные условия. При необходимости — выкопать новый туннель, возвести эстакаду, проложить подводный кабель и т. п.

Ситуация недорогих сетей принципиально иная, и в этом их коренное отличие. Домашним сетям неизбежно приходится приспосабливаться к застройке города. В некоторых местах прокладка невозможна, где-то нежелательна или имеет высокую стоимость. Множество на первый взгляд незначительных помех часто превращает подобные работы в «шаманство», требуя от проектировщика глубоких знаний местных условий. Основным вариантом является линейный (рис. 1).

В таком виде сеть представляет собой «гирлянду» в ее самом примитивном и ненадежном виде. Отказ любого промежуточного узла вызывает прекращение услуги абонентам, подключенным далее по линии.

Вдобавок приходится констатировать, что это один из самых распространенных на сегодня типов небольших сетей. Такой форме способствуют особенности линейной городской застройки, экономия магистрального кабеля, стремление с минимальными затратами «дотянуться» до «перспективного» дома и т. п.

Что же можно сделать для увеличения надежности линейной структуры? Наиболее очевидным вариантом будет превращение «гирлянды» в «звезду» (рис. 2). Пусть кабели лежат рядом или даже в одной оболочке, такой подход позволит избежать зависимости всей сети от локального сбоя электропитания либо неисправностей активного оборудования. Иначе говоря, все узлы могут работать с центральным независимо друг от друга.

Отметим, что здесь нет ничего нового — именно так обычно строится внутридомовая проводка телефонии или СКС. Подобно этому использование одного физического кабеля может с успехом применяться для магистрали, особенно в сетях среднего и небольшого размера.

Но, как правило, это технически осуществимо (и рентабельно) только в случае использования оптоволокна. Большое количество волокон в одном кабеле стоит не слишком дорого. В то же время для медных многопарных кабелей при таком подходе нет места — 100–200 метров, вот предел их работы. А это очень мало для междомовых магистралей.

Очевидно, что для любой среды передачи кабель будет самым уязвимым звеном. Его повреждение вызовет отказ всех расположенных далее узлов без исключения. Это основной и неустранимый недостаток «линейной звезды».

В случае применения отдельного кабеля главным недостатком становится его большой расход. Кроме этого, использовать специальные решения типа П-296 сложно — пучок толстых кабелей (около 14 мм диаметром каждый) хорошо виден и может легко привлечь нежелательное внимание. К тому же выглядит это весьма некрасиво даже на большой высоте. Хотя кабели и разделены, но идут по одной трассе. Поэтому вероятность их одномоментного отказа вполне вероятна. Описанных выше проблем можно избежать, если применить «линейное кольцо». Действительно, совсем не обязательно замыкать магистраль при помощи своих кабелей. Это вполне можно сделать и «через Интернет» (либо иную сеть передачи данных) (рис. 3).

Понадобится более тонкая настройка программной части сети. В пользовательском компьютере может быть установлен только один «шлюз по умолчанию» (маршрутизатор, которому отправляются дейтаграммы IP, адресованные во внешние сети).

Соответственно, в случае повреждения линии в какой-либо точке желательна автоматическая подмена основного канала резервным. Это сравнительно просто сделать, используя фиктивные адреса пользователей, и несколько более сложно для реальных. Но в целом не представляется неразрешимой задачей.

Как и в «классическом» кольце, общий отказ возможен только при одновременной неисправности двух активных устройств или повреждении кабелей в двух точках. Понятно, что вероятность такого события невелика и можно получить вполне надежную сеть при «линейной» топологии, оплатив запасной канал подключения к Интернету.

Нужно отметить, что резервные коммуникации могут быть значительно менее скоростными, чем основные. А следовательно, относительно недорогими, вполне по карману Ethernet-провайдеру средней величины.

Еще одним вариантом «линейного кольца» считается «гирлянда», в которой предусмотрена «обратная петля». То есть одна пара волокон в кабеле проходит через все активные устройства по очереди, а вторая — идет цельной и соединяет первый и последний узел сети (рис. 4).

Этот вариант позволяет надежно и недорого защититься от отказов активного оборудования, но уязвим при повреждении кабеля. Тем не менее, это, пожалуй, лучший способ для небольшой сети линейной топологии, в которой построение обычного кольца слишком сложно или дорого.

Но что делать, если финансовое положение «начинающей» сети не позволяет применить оптоволокно в «линейной звезде», «обратной петле», а также схемы, которые используют резервирование «через Интернет»? В этом случае ситуацию может облегчить (но не исправить полностью) следующая топология (рис. 5).

То есть никогда не следует стремиться построить длинную «гирлянду» из последовательных активных устройств. Целесообразнее выделить магистраль, использующую минимальное количество оборудования. Пусть иногда понадобится «возвращаться» — расход кабеля при этом не так и велик. Зато общая надежность значительно возрастет. Например, для недорогого П-296 (П-270) вполне достижимо 400–500 метров без повторителей. Значит, на сеть радиусом 1,5 км (а это достаточно много) понадобится всего 4–5 устройств. В то время как при построении «гирлянды» количество повторителей составит 15–20 штук.

Правда, по всей вероятности, придется отказаться от 100baseT в пользу 10baseT. Пусть медленнее, но надежнее. Не нужно хорошо разбираться в теории вероятностей, чтобы сделать вывод о времени простоя сети при разных топологиях построения. Очевидно, что «гирлянда» будет дольше ремонтироваться, чем работать.

В заключение, для иллюстрации общих принципов, хотелось бы привести схему вполне реальной сети. Карту расположения домов пришлось убрать из соображений безопасности прокладок (рис. 6).

Можно видеть два связанных кольца, в которых часть узлов является центром небольших «звезд». Таким образом, полностью вывести сеть из строя довольно сложно. Обрыв любого кабеля на кольце не остановит работу. А оконечные разветвления позволяют охватить значительную территорию (практически весь жилой район).

По сути, это компромисс «звезды» и «кольца», адаптированный под имеющиеся дома, с учетом минимальных затрат кабеля и оборудования. И при условии сохранения достаточной потенциальной надежности.

Стоит порекомендовать относиться к проектированию сети творчески, порой самые эффективные решения не заметны на первый взгляд. А небольшое усложнение/удорожание может привести к существенному росту надежности всей системы в целом.

Абонентская система здания

Основное назначение абонентской системы здания (иначе говоря, внутридомовой разводки) — подключение конечных пользователей к активному (редко пассивному) оборудованию Ethernet-провайдера внутри одного дома. В функциональном плане эта цель почти совпадает (в терминах СКС) с горизонтальной кабельной системой, но прокладка сети в жилом доме имеет ряд отличительных признаков.

Во-первых, оптимально в качестве базового протокола использовать 10baseT, требования которого к качеству коммуникаций невысоки (достаточно 3-й категории). Основным материалом бесспорно можно считать витую пару 5-й категории. Единственное, на что следует обратить внимание, — число пар в кабеле. Спецификации Ethernet 10/100baseT явно определяют необходимый минимум — 2 пары, их максимальное количество не ограничено и может быть выбрано по потребности (например, достаточно широко используются 25- и 50-парные кабели).

Во-вторых, по вполне понятным экономическим соображениям Ehternet-провайдерам приходится подстраиваться под архитектурные особенности зданий. Нельзя прокладывать коммуникации невзирая на расходы, как это принято при инсталляции СКС (тем более совмещать их со строительством или капитальным ремонтом). Поэтому желательно еще на стадии проекта (или эскиза) учесть пропускную способность шахт слаботочной проводки, вводов, возможность крепления кабелей, предусмотреть защиту активного оборудования от злоумышленников и многое другое.

В-третьих, не известно заранее ни количество, ни расположение абонентов. Подводить кабели ко всем без исключения квартирам имеет смысл только в элитных домах. По статистике, в большинстве зданий в первый год подключается примерно 10% жильцов, и такие затраты просто не обоснованы. В результате абонентская система растет постоянно, по мере увеличения количества абонентов.

Учитывая вышесказанное, рассмотрим наиболее важный аспект в строительстве абонентской системы здания — топологию сети, которая определяется в основном местоположением активного оборудования.

Хаотичное расположение оборудования

Подобная топология достаточно типична для начинающих сетей. Само название говорит о том, что упорядоченной структуры нет, оборудование ставилось, что называется, где удобно. Например, нужно подключить соседа — ставится коммутатор в подъездном щитке. Или расстояние до соседнего дома оказалось слишком велико, в результате на чердаке (техэтаже) поставлено активное устройство. А то и проще — в момент прокладки не удалось получить доступ на один из этажей, нет никого из жильцов, — и поставлен дополнительный разветвитель (рис. 7).

Таким образом, причин и мотиваций много — от вполне резонных до сиюминутных. Результат обычно получается вполне работоспособным, но до определенных пределов, за которыми может последовать частичная или полная неработоспособность сети (нередко с труднообъяснимыми симптомами).

Можно согласиться, что современное активное оборудование очень дешево, надежно и позволяет легко создавать разветвленные запутанные сети. Плюс к этому используется минимальное количество кабеля, и проводятся самые простые монтажные работы.

Но для промышленного применения такой вариант не годится по следующим причинам:
• Отдельное электропитание каждого устройства вызывает необходимость подключения к силовой сети во множестве точек. Пока это делается пиратским способом, особых трудностей не видно (кроме заметного снижения надежности и повышения сложности работ). Но как только потребуется официальная сдача сети, пусть даже первичной инстанции (ЖЭК, ДЭУ), быстро выяснится вся сложность ситуации. Как минимум, потребуется электрический счетчик, щиток под него, предохранители. В общем, можно без преувеличения сказать, что проблемы с пожарной инспекцией, энергосбытом, ГСН и другими инстанциями будут фактически неразрешимы.
• Для оказания качественной услуги, надежной авторизации и защиты абонентов необходим удаленный контроль каждого пользователя на порту активного оборудования (а не на шлюзе доступа к Интернету). Однако до выпуска недорогих малопортовых управляемых коммутаторов еще довольно далеко, их отличие в стоимости от простейших коммутаторов (являющихся в настоящее время фундаментом хаотичных сетей) пока достигает сотен долларов. Таким образом, рассматриваемая сеть с точки зрения администраторов является «черным ящиком», процессы внутри которого не поддаются контролю, и тем более, управлению.
• Обслуживание активного оборудования едва ли не самая большая статья расходов Ethernet-провайдеров. Очевидно, что гораздо проще следить за состоянием одного мощного коммутатора, чем десятка небольших, рассеянных по дому (да еще с не всегда очевидным местоположением, доступом и правом собственности). То же самое в полной мере относится и к защите от злоумышленников — чем меньше устройств, тем их проще защитить.

Полагаю, что даже одного из перечисленных пунктов достаточно для создания мотивации к переходу на другие схемы построения абонентских систем здания (конечно, при наличии финансовых возможностей).

Структурирование по подъездам

В этом варианте пользователи подключаются к «своему», обслуживающему каждый отдельный подъезд устройству (коммутатору). Оборудование всех подъездов подключено к одному коммутатору, который, в свою очередь, каким-либо образом включен в магистраль.

Этот вариант является фактическим отражением офисных локальных сетей. Только роль «вертикальной» межэтажной магистрали играют «межподъездые» связи, а разводка внутри подъезда — аналог горизонтальной кабельной системы этажа в терминах СКС (рис. 8).

Такая схема может применяться, если в подъезде имеется достаточное количество абонентов (не менее 10–15), которые оправдывают размещение отдельного коммутатора.

Наиболее правильное место размещения с точки зрения топологии сети — один из средних этажей. Однако, как правило, архитектурой отечественных зданий это не предусмотрено, и приходится искать место на техэтаже, в подвале, лифтовой или других подобных местах. К тому же может проявиться главный недостаток централизованных схем — узость шахт слаботочной проводки. К сожалению, с этим приходится считаться, и ниже будет приведено несколько способов уменьшения остроты проблемы.

Второй существенный недостаток. Хоть устройство и всего одно на подъезд, сдача «инстанциям» может оказаться слишком дорогой, особенно в старых домах, где есть сложности с удобным местом размещения и правильным подводом питания. Хотя нельзя не признать, что если есть потребность в установке коммутатора в каждом подъезде (много абонентов), должно хватить и средств на легализацию.

Один дом — один распределительный пункт

Предельная централизация абонентской системы здания — установка оборудования в одной точке дома, в которую сходятся кабельные линии от всех абонентов.

Протокол 10baseT позволяет на современных кабелях 5-й категории нормально работать на расстояниях до 200 метров и более. Учитывая, что высота 10-этажного дома около 30 метров, длина на подъезд примерно 25–30 метров, вполне достаточно одного активного устройства на 7–8 подъездов. В случае, если здание очень большое, целесообразно рассматривать его логически как несколько домов, соединенных магистралями (в том числе оптоволоконными) (рис. 9).

Преимущества перед предыдущей схемой очевидны — установка, подвод питания, обслуживание, защита от злоумышленников — все в одном месте. Но недостатки тоже имеются, главным образом, это кабельные линии большей протяженности и большой толщины.

Что лучше выбрать? Решение придется принимать в основном из архитектурных соображений. Если протащить толстые пучки кабелей через шахты слаботочной проводки реально, то вариант с одним распределительным пунктом более предпочтителен. То же самое можно сказать, если в подъезде приходится прокладывать новые кабельные каналы (это нередкий случай в старых домах, где слаботочная проводка не предусмотрена вообще).

Когда коммуникационные трубы слишком узкие, строение многоэтажное (более 10–12 этажей) и абонентов много (или большие перспективы их появления), целесообразно использовать структурную схему, ориентированную на установку активного оборудования в каждом подъезде.

Централизованная схема удобнее в относительно невысоком здании (менее 10–12 этажей) и числом абонентов в подъезде не более 10–15. Практически под это определение попадает около 90% отечественных домов, поэтому стоит считать данный вариант основным.

Можно подчеркнуть дополнительное преимущество схемы с одним распределительным пунктом в доме. При развертывании сети часто бывает, что пользователей мало (всего 1–2 на дом). Понятно, что ставить в этой ситуации несколько активных устройств сразу не выгодно. А когда сеть разрастется, не придется менять ее топологию — достаточно вместо 6-портового коммутатора поставить мощный 25-портовый или даже что-то более серьезное. Кабельная система здания может остаться прежней.

Минимизация толщин кабельного пучка

Так или иначе, но чем тоньше кабель, тем проще его использовать на реальных объектах. При этом стандартный для офисных локальных сетей 4-парный кабель является, пожалуй, наименее подходящим решением из-за наличия двух неиспользуемых пар. Поэтому в стесненных условиях целесообразно подключать один кабель сразу к двум портам (разделяя пары через розетку или плинт).

Еще больший выигрыш дает 25- или 50-парный кабель. Экономия толщины в этом случае происходит за счет одной на все пары внешней оболочки и более плотной упаковки пар. Но возникает проблема этажной разводки — делать ее полностью, на каждом этаже, не реально (дорого, да и качество электрического тракта заметно снизится). Решить задачу можно следующими способами.

Выводить из-под общей оболочки несколько пар на каждом этаже (2, 4, 6 или более), а остальные пускать дальше не разрезая. Но мне, к сожалению, не известен «красивый» способ сделать это. Можно аккуратно вскрыть оболочку вдоль многопарного кабеля на длину около 10 см, обрезать нужные пары с одной стороны и вывести их наружу. Далее, закрыть надрез (скорее всего изолентой), и подсоединить выведенные пары к тонкому кабелю (2- или 4-парному), которым выполнена проводка до пользователя.

С точки зрения стандартов, правильнее разделать весь многопарный кабель на одном из средних этажей на специальном плинте («Крона» или «110»), затем развести по абонентам подъезда обычной витой парой. Недостатки: больший расход кабеля, относительно дорогостоящий плинт (примерно $20), необходимость запаса сечения кабельных каналов на «обратную» прокладку.

Однако, несмотря на внешние сложности, использовать многопарный кабель при массовых прокладках очень удобно. 25-парный кабель позволяет подключить 12 абонентов (эквивалентен шести обычным 4-парным витым парам, но значительно тоньше и удобнее в работе).

Последнее время некоторые Ethernet-провайдеры стараются проложить по стояку слаботочной проводки подъезда 25-парный кабель сразу, «на вырост». Подключение пользователей к нему делается позже, по мере необходимости. Со стороны оборудования весь кабель заводится на 50–100-парный плинт, а далее (иногда через грозозащиту) в коммутатор.

Такой подход позволяет подключать до 12 абонентов в каждом подъезде напрямую к коммутатору. При большем количестве пользователей придется прокладывать дополнительный кабель (не обязательно многопарный).

Дополнительно остается дешевый выход — подключить нескольких соседей на один коммутатор и передать его последним на полное «самообслуживание». Иногда это удобно как для провайдера (его ответственность заканчивается на «входящем» порту коммутатора), так и для абонентов — они сэкономят на подключении.