Gigabitowa infrastruktura sieci LAN

Przejście od rozwiązań ethernetowych 10/100 Mb/s do 1000 Gb/s nie oznacza przechodzenia z okablowania miedzianego na światłowodowe. Gdy sieć Fast Ethernet (100 Mb/s) działa na skrętce miedzianej kategorii 5, to okablowanie to zapewnia również poprawne funkcjonowanie sieci gigabitowej.

Przejście od rozwiązań ethernetowych 10/100 Mb/s do 1000 Gb/s nie oznacza przechodzenia z okablowania miedzianego na światłowodowe. Gdy sieć Fast Ethernet (100 Mb/s) działa na skrętce miedzianej kategorii 5, to okablowanie to zapewnia również poprawne funkcjonowanie sieci gigabitowej.

Systemy okablowania strukturalnego ewoluują w wyniku narastającego zapotrzebowania na multimedialne aplikacje 1GbE i 10GbE, wymagające przepływności sięgających odpowiednio 1 Gb/s lub 10 Gb/s.

Na gigabitową infrastrukturę sieci teleinformatycznej składa się kilka elementów transportowych, zawierających: fizyczne medium transmisyjne, czyli kable łączeniowe warstwy fizycznej, liniowe urządzenia komunikacyjne współpracujące z medium, routery i przełączniki sieci szkieletowej wspomagane przez odpowiednie oprogramowanie komunikacyjne oraz systemy zarządzania siecią teleinformatyczną. O ile urządzenia komunikacyjne, serwery i routery od lat już mają gigabitowe moce przetwarzania, o tyle wąskim gardłem wdrażania szybkich sieci ethernetowych do tej pory były jedynie systemy transmisyjne.

Miedź czy światłowód

Gigabit Ethernet w okablowaniu miedzianym

Gigabit Ethernet w okablowaniu miedzianym

Podstawą uzyskania gigabitowej przepływności w okablowaniu jest stosowanie odpowiedniej technologii wykonania miedzianych kabli skrętkowych, kabli współosiowych bądź jednomodowych lub wielomodowych włókien optycznych. Produkty miedzianego okablowania z wykorzystaniem nieekranowanej skrętki UTP okazały się tańsze w produkcji od rozwiązań kabli współosiowych o podobnych parametrach transmisyjnych i one dominują zarówno w istniejących, jak i w przyszłych sieciach gigabitowych. Ich alternatywę stanowią jedynie instalacje na włóknach światłowodowych, których koszt systematycznie spada i już jest porównywalny z rozwiązaniami miedzianymi.

Gdy sieć Fast Ethernet (100 Mb/s) działa na skrętce miedzianej kategorii 5, to okablowanie to zapewnia również poprawne funkcjonowanie sieci gigabitowej. Przejście od rozwiązań ethernetowych 10/100 Mb/s do 1000 Gb/s nie oznacza więc przechodzenia z okablowania miedzianego na światłowodowe. Co więcej, popularność instalacji takiego gigabitowego okablowania na miedzi wcale nie maleje.

Systemy miedziane wykonane na czteroparowej skrętce nieekranowanej nadal są podstawą tworzenia sieci o gigabitowej przepływności, nie tylko w lokalnej infrastrukturze przedsiębiorstwa, ale również w sieciach osiedlowych i kampusowych. Włókna dominują dopiero w sieciach metropolitalnych i w transporcie sygnałów na duże odległości. Fizyczna warstwa technologii Gigabit Ethernet stanowi kombinację sprawdzonych rozwiązań Ethernetu oraz ANSIX3T11 Fibre Channel Specification. W przypadku ogólnym sieć Gigabit Ethernet tworzy się z mediów zdefiniowanych w zaleceniach IEEE802.3z (światłowód i kabel koncentryczny) bądź według obowiązujących wymagań specyfikacji IEEE802.3ab (skrętka nieekranowana).

Gigabit Ethernet na kablu kategorii 5

Budynkowa struktura

Budynkowa struktura

Opracowana przez IEEE specyfikacja 1000Base-T przeznaczona do uzyskiwania gigabitowej przepływności definiuje kable kategorii 5 (pasmo nie mniejsze niż 100 MHz) lub kategorii 5e (enhanced) - o większym marginesie bezpieczeństwa transportu informacji (pasmo przenoszenia powyżej 155 MHz, teoretycznie nawet do 350 MHz). W celu przejścia z dotychczasowej szybkości 100 Mb/s na 1 Gb/s przede wszystkim trzeba jednak zmienić system sygnalizacji, który umożliwi jednoczesne wykorzystanie czterech par skrętek, zwykle już zainstalowanych w lokalnym okablowaniu przedsiębiorstwa. Jest to istotny wyróżnik gigabitowej sieci miedzianej, bo kabel kategorii 5 tworzą cztery pary skrętek UTP, podczas gdy w technologii Fast Ethernet (100Base-T) lub Ethernet (10Base-T) używa się jedynie dwóch par w kablu. Gigabitowy Ethernet 1GbE zawsze wykorzystuje wszystkie pary kabla czteroparowego, a każda z nich działa z szybkością 250 Mb/s.

W transmisjach pełnodupleksowych gigabitowy Ethernet wysyła i odbiera informacje jednocześnie przez 4 pary skrętek, przy czym specyfikacja ta uwzględnia też automatyczną negocjację charakterystyk łącza - w tym samoczynną korekcję przesłuchów. Automatyczna negocjacja daje pewność działania połączeń kablowych między kartami sieciowymi, hubami i przełącznikami lub innymi urządzeniami pracującymi w standardzie 1000Base-T, które po zainicjowaniu portów mogą działać w trybie półdupleksowym. Rozbudowana inteligencja interfejsów 1000Base-T pozwala dodatkowo negocjować szybkość kanału - jeśli tylko do takiego interfejsu zostanie przypadkowo włączony port o niższej szybkości maksymalnej (np. 100 Mb/s).

Ulepszone kable kategorii 5 oraz 6 (250 MHz) pozwalają na polepszenie jakości gigabitowego sygnału. Jednakże przekraczanie granicy 1 Gb/s na takim okablowaniu - choć możliwe - jest ryzykowne, gdyż wiąże się ze spadkiem wskaźnika ACR, mającego decydujący wpływ na jakość sygnału po stronie odbiorczej. Popularność ethernetowych aplikacji wymusiła jednak kolejną modernizację miedzianych rozwiązań przez organy normalizacyjne IEEE, które zajęły się okablowaniem o wyższej przepływności nominalnej 10 Gb/s (10GbE). Docelową przepływność 10 Gb/s w miedzianej infrastrukturze sieci ethernetowej już można uzyskać za pomocą jednego z dwóch standardów okablowania: korzystając z kabli współosiowych (Twinax) wg zatwierdzonego standardu IEEE 802.3ak bądź za pomocą nieekranowanych kabli skrętkowych UTP wg nadal opracowywanego standardu 10 Gb/s IEEE 802.3an (zatwierdzenie ma nastąpić w czerwcu 2006 r.)

Infrastruktura 1 Gb/s na osiedlu

Osiedlowe sieci teleinformatyczne (100-1000 Mb/s) funkcjonują bądź jako samodzielne sieci dostępowe, bądź stanowią fragment infrastruktury sieci Metro Ethernetu. Instalowane na obszarach skupisk ludzkich i w aglomeracjach miejskich, obejmują pojedyncze bloki mieszkalne i osiedla - zamieszkane przez użytkowników potrzebujących transmisji danych (telepraca, telenauczanie, Internet, informacja). Stosowane rozwiązania przypominają instalacje sieci kampusowych LAN, jednak ze względu na terytorialne rozproszenie użytkowników infrastruktura sieci jest dzielona na mniejsze grupy, które współdzielą łączące je medium transmisyjne, zwykle światłowodowe.

Dla tak przyjętej struktury wyróżnia się co najmniej dwie warstwy logiczne: warstwę budynkową (obejmującą swym zasięgiem mieszkańców jednego dużego budynku) oraz osiedlową warstwę sieci optycznej 1 Gb/s, pośredniczącą w łączeniu infrastruktury wielu pojedynczych budynków mieszkalnych w całość. Okablowanie warstwy budynkowej sprowadza się do wykonania sieci ze skrętkowych kabli miedzianych kategorii 5 lub 5e, ich rozprowadzenia do poszczególnych pomieszczeń mieszkalnych (wtyki RJ45) oraz instalacji wieloportowych przełączników LAN Ethernet w budynkach mieszkalnych. W niskiej zabudowie przełączniki zbiorcze są instalowane co kilka klatek wejściowych - zawsze mając na uwadze, że łączna długość miedzianego kabla (Fast Ethernet) nie powinna przekraczać 100 m.

Testowanie sieci gigabitowych

Relacje między tłumiennością, przesłuchem i ACR

Relacje między tłumiennością, przesłuchem i ACR

Sprawdzanie gigabitowych sieci LAN dokonuje się za pomocą uniwersalnych testerów cyfrowych wyposażonych w analogową lub cyfrową prezentację informacji - określanych jako analizatory kablowe. Do najbardziej istotnych pomiarów w okablowaniu miedzianym należy ocena parametru ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio) w funkcji częstotliwości, definiowanego jako różnica liczbowa (w dB) między przesłuchem zbliżnym NEXT (Near-End Crosstalk) a tłumieniem przesyłanego sygnału. Ten charakterystyczny parametr toru kablowego (zmienny w funkcji częstotliwości) określa odstęp sygnału użytecznego od szumów w kablu i winien mieć zawsze wartość dodatnią w rozpatrywanym pasmie - typowo nie mniej niż +10 dB w całym zakresie pasma przenoszenia. Im większa jego dodatnia wartość, tym jakość okablowania miedzianego jest bardziej przydatna do transmisji sygnałów o wysokiej przepływności, a wewnętrzne interferencje w kablu są mniejsze.

Systemy transmisyjne o gigabitowej przepływności tworzone najpierw wg kat. 5, a obecnie kat. 6, 6a i 7 muszą spełniać wiele szczegółowych parametrów ujmujących: długość połączenia, rezystancję każdej pary, pojemność pary, impedancję pary, straty odbiciowe (Return Loss), opóźnienie (czas propagacji sygnału), prawidłowość połączeń (Wire Map), tłumienność w pasmie 1-100 MHz - określaną dla każdej pary oddzielnie, przesłuch zbliżny w pasmie 1-100 MHz oznaczany jako NEXT i PS NEXT (Power Sum NEXT) dla transmisji wieloparowych, przesłuch zdalny EL FEXT (Equal Level Far-End Crosstalk) i PS FEXT (Power Sum Equal FEXT) oraz jeden z najważniejszych współczynników ACR - świadczący o jakości sygnału po stronie odbiorczej. Dla wyższych kategorii okablowania odpowiednio rozszerza się górną granicę częstotliwości testowanych parametrów: w zakresie 1-250 MHz dla kat. 6 (1-500 MHz w kat. 6a), w zakresie 1-600 MHz dla kat. 7 oraz w pasmie 1-1400 (1-1200) MHz w przewidywanej kat. 8.

Uzyskanie wysokiej kategorii gigabitowego okablowania (6 lub 7) wymaga, aby wszystkie elementy toru kablowego miały tę samą lub wyższą kategorię. W praktyce zdarza się, że mimo deklarowanych przez producenta danych o odpowiedniej kategorii, parametr ACR zbliża się do zera lub nawet uzyskuje wartość ujemną w rozpatrywanym przedziale częstotliwości, przez co transmitowany sygnał przestaje być użyteczny, a gigabitowe okablowanie nie spełnia przypisanej mu klasy. Egzekwowanie parametru ACR w pełnym zakresie częstotliwości deklarowanego pasma staje się więc podstawowym elementem kontroli wymaganej klasy okablowania gigabitowego.

Uzyskanie wiarygodnych wyników pomiarów wymaga stosowania certyfikowanych analizatorów i technik pomiarowych, których złożoność rośnie w miarę podnoszenia się kategorii okablowania. Na przykład czwarty poziom dokładności pomiaru (Level IV) analizatora sprawia, że spełnia on wszystkie wymagania odnośnie do testowania i certyfikacji gigabitowego okablowania kategorii 7 (klasa F), a dodatni wynik testu potwierdza parametry wymagane dla tej kategorii.