Витая пара - все ли так просто?!

Часто на практике возникает вопрос, какую структурированную кабельную систему выбрать - экранированную или неэкранированную. Многих заинтересуют все "за" и "против" этих решений.

В ходе эволюции кабельных сетей подходы к необходимости экранирования изменялись несколько раз при переходе на использование различных сред передачи - коаксиальный кабель, неэкранированный симметричный кабель (U/UTP), экранированный симметричный кабель (F/UTP, SF/UTP), экранированный симметричный кабель с индивидуальным экранированием пар (S/FTP, PiMF).

Во время перехода с коаксиального кабеля на симметричные кабели существовали только низкоскоростные протоколы (10Base-T, Token-Ring), имеющие малую ширину спектра (до 20 МГц). Также в тот период в офисных помещениях не было такого количества беспроводных устройств (например, мобильных телефонов) и так много источников помех. Поэтому многие специалисты, утверждающие, что с точки зрения электромагнитной совместимости (не путать с защитой информации) достаточно использовать неэкранированные симметричные кабели, были вполне правы.

Что же изменилось сегодня? Сетевые протоколы имеют заявленные скорости передачи 1000 Мбит/с и выше, ширину спектра 100 МГц, а в отдельных случаях и более (1000Base-T, ATM 1,2 Гбит/с, FC-TP-100). Иными словами, современные протоколы используют возможности структурированных кабельных систем на все 100% и практически не имеют запаса прочности к воздействию внешних помех. Работа протоколов происходит на нулевых значениях соотношения "сигнал/помеха" (измеряемого в дБ), особенно в области высоких частот. А количество и мощность источников электромагнитных излучений, в свою очередь, значительно выросли за последние два десятилетия.

Например, офис на 500 рабочих мест. За указанный период в нем появились примерно 500 компьютеров с импульсными блоками питания и мониторами на основе электронно-лучевых трубок, 500 мобильных телефонов, лазерные принтеры, копировальные аппараты, системы кондиционирования с мощными электродвигателями, возможно, базовая станция или ретранслятор на крыше этого или соседнего здания. Список можно продолжать практически до бесконечности, настолько изменилось электромагнитное окружение.

Весьма показательным является тот факт, что компания IBM (законодатель стандартов для правительственных организаций США, вооруженных сил, министерств и ведомств ряда стран мира) сделала свой выбор в пользу экранированных кабельных систем еще в далекие 80-е. Тогда компанией был предложен экранированный симметричный двухпарный кабель с волновым сопротивлением 150 Ом и фирменным коннектором, уже на то время имеющим характеристики, определенные в диапазоне частот вплоть до 300 МГц. С 1992 года IBM начала предлагать на рынке экранированную кабельную систему IBM ACS, производимую по ОЕМ-соглашению компанией Reichle & De-Massari.

Любопытно, что в Англии, которая имеет самый высокий процент построения неэкраниро-ванных кабельных систем среди европейских стран (по данным BSRIA, 2002, 83% против 4% в Германии), отмечен и самый высокий уровень промышленного шпионажа. По оценкам Британской ассоциации банков, в 1995 году ущерб от компьютерного мошенничества, в том числе и от снятия информации с физических каналов связи, составил $8 млрд., то есть $64 млн. в день.

Таким образом, требования, предъявляемые со стороны протоколов ЛВС к современным структурированным кабельным системам, значительно повысились за последние 20 лет. Как сегодня производители могут удовлетворить запросы, выдвигаемые к электромагнитной совместимости и технической защите информации? Среди новых технических решений можно выделить следующие:

• применение симметричных сбалансированных кабелей и симметричного режима передачи;
• цифровая обработка сигналов (относится к активному оборудованию);
• экранирование кабельных систем.

Применение любого из перечисленных технических решений улучшает характеристики структурированных кабельных систем по электромагнитной совместимости и защите информации. Причем эти решения ни в коем случае нельзя противопоставлять друг другу, как это пытаются делать некоторые производители. А теперь перейдем к вопросу использования экранирования в кабельных системах.

Экранирование и внешние помехи

В июне 2000 года компания IBM провела исследования восприимчивости реальных кабельных систем к внешним электромагнитным воздействиям. Исследованию подвергались следующие типы кабельных каналов:

• категории 5E UTP;
• категории 5E FTP;
• категории 5E SFTP;
• категории 6 UTP;
• категории 6 UTP.
• категории 6 SSTP IBM.

Измерения производились для следующих протоколов:

• Fast Ethernet 100Base-TX;
• Gigabit Ethernet 1000Base-T.

Согласно стандарту CEI 1000-4-4, применялись различные уровни импульсных воздействий (200 -2500 В), которые прикладывались к металлическим пластинам размером 1x1 м. Между пластинами проходил кабель исследуемого канала. Результаты по протоколу Fast Ethernet приведены в таблице ниже.

Для протокола Gigabit Ethernet была получена аналогичная таблица.

Компания IBM сделала следующие выводы:

• в любом случае, в том числе и в сложном электромагнитном окружении, оптимальное решение требует применения кабеля типа SFTP даже для категории 5е;
• для протокола Fast Ethernet нет существенной разницы между решением на неэкранированной витой паре категории 5е или 6. Однако эта разница весьма существенна для протокола Gigabit Ethernet;
• даже всего 1 % повреждения трафика уменьшает пропускную способность канала Fast Ethernet на 80%, оставляя только 20% для передачи полезной информации.

Эти выводы помогают сформулировать следующие рекомендации:

• для протяженных длинных магистральных каналов следует использовать экранированные решения категорий 5e или 6 SSTP;
• с учетом роста скоростей передачи данных в горизонтальной кабельной подсистеме СКС необходимо использовать кабели категории 6 типа SSTP;
• для коротких каналов с малыми скоростями передачи данных могут быть применены неэкраниро-ванные кабели типа витой пары.

Европейские стандарты

Требования европейских стандартов по электромагнитной совместимости заставляют задуматься не только европейского потребителя и производителя. Компания Reichle & De-Massari, а вслед за ней и американская компания AMP протестировали и опубликовали результаты исследования соответствия различных кабелей требованиям стандартов. Оказалось, что неэкранированные кабельные системы удовлетворяют требованиям стандартов только для низкоскоростных приложений.

На графике ниже можно увидеть, что в диапазонах частот выше 30 МГц неэкранированные симметричные кабели достаточно эффективно излучают электромагнитную энергию и не соответствуют требованиям стандарта EN55022 Class B. Мало того, уровень излучения от неэкранированных симметричных кабелей в этом диапазоне практически не зависит от шага скрутки и качества изготовления.

Экранировать или не экранировать?

Улучшение качества балансировки (симметричности) пар одинаково хорошо как для неэкранированных кабельных сетей, так и для экранированных. Дополнительное применение экранирования и заземления еще больше улучшает характеристики кабельной системы по электромагнитной совместимости и защите информации. Об этом свидетельствуют международные и европейские стандарты.

Безусловно, применение экранирования требует дополнительных прямых затрат. Но так ли они велики по сравнению с выигрышем, который дают экранированные кабельные системы?

Стоит отметить, что вышеупомянутые системы обеспечивают технические характеристики, которые принципиально недостижимы в неэкранированных кабельных системах. Использование в канале экранированных кабелей седьмой категории позволяет достичь соотношения "сигнал/перекрестная помеха" на ближнем конце (ACR) лучше, чем 42 дБ. А это и есть тот запас, который имеют кабельные системы при внешних воздействиях.

Соответственно, такие сети имеют лучший показатель BER (вероятность ошибки при передаче бита информации) и большую производительность (меньшее количество поврежденных пакетов), которой зачастую так не хватает для современных приложений (рис.).

Диаграмма "глаза" для кабелей U/UTP (слева) и F/UTP (справа) при наличии помех на силовой линии в условиях их совместной прокладки

Часто утверждают, что инсталлировать неэкранированные кабельные системы проще. Это не совсем так. При использовании кабельных систем ряда производителей (например, R&M freenet) не возникает никаких дополнительных технологических операций для соединения экранов модулей RJ45 между собой и с экраном кабелей. Единственное отличие от неэкранированных кабельных сетей заключается в том, что необходимо присоединить заземляющую перемычку, которая является частью коммутационной панели, к заземляющей рейке в коммутационном шкафу. Таким образом, трудовые затраты ни коим образом не увеличиваются.

Считается, что неэкранированные кабельные системы не требуют наличия в здании системы заземления. Это в корне неверно. Не имеет значения, используется ли экранированная или неэкраниро-ванная кабельная система. Даже при отсутствии информационной кабельной системы в здании должна быть построена система заземления. Об этом также свидетельствуют и международные, и европейские, и российские нормативные документы.

Специфические и наиболее жесткие требования к сопротивлению заземляющих устройств предъявляют производители активного оборудования, которое будет установлено или уже есть в любой, неэкранированной или экранированной кабельной системе. Эти требования все равно придется выполнять при построении любой КС. Таким образом, экономить на системе заземления невозможно, как полагают многие.

Неэкранированные кабели действительно дешевле экранированных и имеют меньший внешний диаметр. Однако нужно помнить, что приобретается не только "кусок кабеля", но и информационная система в целом. Кабель - это лишь ее часть. Нельзя рассматривать его отдельно от остальных составных частей.

Для примера рассмотрим кабельные каналы (короба). При использовании экранированных кабелей структурированной кабельной системы и неэкранированных силовых кабелей европейский стандарт EN50174-2 (2000) запрещает делать разнос при параллельной прокладке менее 50 мм. Если неэкранированными будут оба типа кабелей, то разнос должен составлять не менее 200 мм. Понятно, что во втором случае должны быть применены два отдельных кабельных канала или кабельный канал "огромного" сечения с внутренними перегородками. Таким образом, использование неэкранированных кабельных систем обойдется значительно дороже, несмотря на относительную дешевизну таких кабелей. Все это возможно при условии соблюдения стандартов по монтажу структурированных кабельных систем и стандартов по электромагнитной совместимости. Если требования стандартов игнорируются, получается нестандартная СКС, или вовсе не СКС, а просто отдельные куски кабеля.

Что выбрать?

При выборе типа кабельной системы часто незаслуженно обходят вопросы молниезащиты и технической защиты информации, но это уже тема для отдельной статьи. А вообще вывод о том, какие кабельные системы обеспечивают лучший уровень защиты, достаточно очевиден - экранированные. Опять же можно сослаться на значительное количество международных, европейских и российских нормативных документов.

Следует учитывать, что правильно построенная кабельная система переживает три-четыре поколения активного оборудования. В среднем для цивилизованных стран мира (где программное обеспечение составляет 54% от стоимости информационной системы) цена кабельной системы составляет только 5%. Но даже в нашем случае стоимость рабочих станций (без учета программного обеспечения) составляет 74%, стоимость активного сетевого оборудования - 15%, а стоимость кабельной системы - 11% (без учета кабельных каналов). При создании экранированной информационной системы в целом проект будет дороже лишь на 2-3%, чем в случае с неэкранированной. Учитывая, что СКС - базовая транспортная среда информационной системы, такое удорожание вполне оправдано.

Пока что можно наблюдать процесс пересмотра и ужесточения требований к электромагнитной совместимости для пассивных компонентов кабельной системы. Но уже сейчас очевидно, что новые требования и приложения (например, 10 Гигабит Ethernet по витой паре) подтолкнут как потребителей, так и системных интеграторов к построению экранированных структурированных кабельных систем.