СКС как фундамент сетевой инфраструктуры

В70-е годы был популярен таой анекдот, который, впрочем, сегодня более актуален. Уже тогда многим было ясно, что Система разваливается. Так вот, один совершенно невзрачного вида человечек ходил по разным инстанциям и говорил, что он знает способ, как предотвратить надвигающуюся катастрофу. Естественно, никто его не хотел слушать. Однако тот не унимался, и один партократ, которому настойчивость посетителя порядком надоела, принял его и спросил, в чем же заключается его рецепт? Тот ответил: "Везде должен быть порядок". Именно такой порядок, который противостоит разрушающему хаосу, и обеспечивают структурированные кабельные системы (СКС).

В начале 80-х, когда локальные сети служили в основном для разделения дорогостоящей периферии, кабельные системы строились под текущие задачи и наращивались постепенно, по мере увеличения количества пользователей и расширения круга выполняемых задач. Это зачастую приводило к созданию гетерогенных сетей, объединяющих различные платформы и сетевые технологии. К тому же разные системы устанавливались, как правило, разными организациями, имели собственную документацию и обслуживались соответствующими специалистами. Это усложняло реконструкцию и модификацию кабельных систем, снижало их надежность, ставило в зависимость от используемой сетевой технологии, что в конечном итоге повышало эксплуатационные расходы. К тому же современные здания обрастали всевозможными кабельными системами, обеспечивающими такие службы, как пожарная и охранная сигнализация, управление микроклиматом, мониторинг доступа и многие другие. Все это сделало насущной интеграцию всех видов слаботочных кабельных систем в единую инфраструктуру — СКС.

Именно этим системам, которые получают все большее признание и распространение в Украине, посвящена тема недели этого номера. В опубликованных материалах вы можете познакомиться с технологическими особенностями современных СКС, а также узнать подробности о ряде реализованных в Украине проектов.


В современном здании кабельная система является основой информационной инфраструктуры. Она объединяет все устройства, между которыми происходит обмен данными и сигналами. В процессе развития кабельная система здания прошла путь от хаотического нагромождения проводок, обеспечивающих функционирование всевозможных служб, до структурированных кабельных систем (СКС), построенных на базе открытой архитектуры. И особую роль в формировании рынка СКС сыграли локальные вычислительные сети.


Производитель компонентов СКС
Tyco Electronics AMP
Исполнитель
АО "Банкомсвязь"
Заказчик
ЗАО "Коммерческий банк НРБ-Украина"

СКС состоит из двух частей: "банковской" и "офисной" — каждая со своим центром коммутации на разных этажах здания. Обе части идентичны и независимы друг от друга, общее количество портов — 614. При этом любой из портов может быть подключен к телефонному, компьютерному или другому оборудованию, смонтированному в центре коммутации. СКС протестирована и сертифицирована по категории 5е. Системная гарантия производителя — 25 лет.

Блок розеток на рабочем месте

Распределительные коммутационные панели. Вид сзади

Тестирование сегментов сети

Автоматизация, как и природа, не терпит пустоты. Она проникает буквально во все сферы человеческой деятельности, а также те, которые эту деятельность обеспечивают. Современные здания так нашпигованы различными системами автоматизации, что на Западе даже появилось выражение Intelligent Buildings. И эффективная эксплуатация всех этих систем возможна только на базе стандартизованных СКС. Они обеспечивают функционирование большинства подсистем здания, в частности:

  • мониторинга и управления микроклиматом;
  • локальных вычислительных сетей (ЛВС);
  • телефонных сетей;
  • коллекторов телевизионных сигналов;
  • систем управления лифтами;
  • службы времени;
  • мониторинга доступа;
  • системы пожарной сигнализации.

По вполне понятным причинам мы остановимся только на подсистеме ЛВС. Не будет ошибочным утверждение, что именно локальные сети и их место в современном бизнесе, производстве и других областях человеческой деятельности являются основной причиной всплеска интереса к СКС. Столь сильное влияние стало возможным, в частности, потому, что в процессе эволюции сетей Ethernet их шинная топология была практически полностью вытеснена топологией типа звезда. Последняя предусматривает выделенный канал связи между каждой рабочей станцией и центральным элементом звезды — концентратором или коммутатором. А это позволяет управлять сетью на физическом уровне из одной точки. В целом хорошо документированная и правильно промаркированная кабельная система, построенная на единых стандартах с использованием однотипных компонентов, требует для своего обслуживания одного набора инструментов и конкретных (и не очень обширных) знаний и навыков.

Немного истории

Для того чтобы понять, почему СКС стали стандартом де-факто при построении коммуникационной структуры зданий (или группы зданий), окинем взглядом историю их развития. А она является примером того, как события в одном сегменте коммуникационной индустрии могут оказать влияние на, казалось бы, совсем не связанную с этим сегментом отрасль.

В течение 80-х годов прошлого столетия телефонная индустрия Соединенных Штатов была преобразована под влиянием мощной волны децентрализации. Монополия национального телефонного оператора Bell System была нарушена. Одним из элементов новой регуляторной политики было то, что потребителям разрешалось иметь свое телефонное оборудование, по крайней мере, на их собственных предприятиях (до этого вся аппаратура, вплоть до телефонов, принадлежала и контролировалась Bell). Это послужило стимулом для создания рынка частных телефонных сетей (Private Branch Exchange — PBX). Волна децентрализации докатилась и до большинства стран Западной Европы.

Конец 80-х на Западе ознаменовался переходом телефонии на цифровые технологии. Аналоговый сигнал сменился цифровыми кодами. Новые технологии позволили ввести ряд служб и функций, которые широко использовались в PBX, что обострило конкуренцию с традиционной телефонией. Крупные и средние организации стали внедрять у себя цифровую телефонию. Большинство из унаследованных кабельных систем были фирменными, разработанными определенными производителями. По мере развития индустрии все острее ощущалась необходимость стандартов, позволяющих разворачивать кабельную систему без оглядки на оборудование, которое затем выбиралось и устанавливалось. Такие стандарты были в конце концов созданы, правда, под давлением развивающихся сетевых технологий. Но все же первопричиной послужило развитие цифровой телефонии, которая требовала более высококачественной проводки, чем аналоговая. Последняя была более толерантна по отношению к различным типам кабеля и топологии. Она могла работать на плоском нескрученном кабеле и "не замечала" несогласованности импедансов и низкого качества соединений.

Другое дело — цифровая передача голоса. Она нуждается в определенной дисциплине при прокладке кабеля, особенно на большие расстояния, и требует, чтобы кабель имел необходимые электрические характеристики. В дальнейшем такой кабель был стандартизирован как неэкранированная витая пара категории 3 (Unshielded Twisted Pair 3 — UTP 3). Переход на UTP 3 стимулировал распространение скоростных (для того времени) ЛВС, которые использовали в качестве среды передачи телефонную проводку. Таким образом, при разворачивании ЛВС отпала необходимость использовать отдельную проводку, тем самым был сделан первый шаг к созданию универсальных кабельных систем.


Основные физические компоненты СКС

Производитель компонентов СКС
Reichle & De-Massari
Исполнитель
"S&T Софт-Троник"
Заказчик
ДК "Укргазвидобування" НАК"Нафтогаз Украiни"

СКС выполнена с учетом особенностей 10-этажного здания и поэтажного размещения подразделений компании. Всего в системе восемь центров коммутации, около 1100 портов. Каждый центр коммутации этажа подключен к центру коммутации здания с помощью оптоволоконного кабеля и двух резервных кабелей "витая пара". В СКС здания интегрирована телефонная сеть. Международная гарантия на систему — 20 лет.

Кросс-панели в этажном центре коммутации
Телефонный кросс со стороны АТС

Современные СКС являются весьма сложным комплексом, в состав которого входит всевозможное активное и пассивное оборудование. Учитывая характер данной публикации, мы остановимся лишь на определяющих компонентах.


Кабель

В СКС могут использоваться кабели нескольких типов:

  • коаксиальный;
  • витая пара (экранированная и неэкранированная);
  • оптоволоконный (Fiber Optic Cable — FOC).

Коаксиальный кабель здесь упомянут лишь из соображений полноты, поскольку он почти совсем вытеснен из локальных сетей витой парой. Тем не менее он может использоваться для приема телесигналов или, скажем, для доступа к Internet.

О витой паре и особенностях передачи по ней сигналов можно написать трактат, но мы этого делать не будем. Однако несколькими словами здесь не обойтись, да и не следует, поскольку витая пара сегодня является основной средой передачи в локальных сетях.

Итак, кабель на витой паре представляет собой изолированные медные проводники, свитые попарно с определенным количеством витков на единицу длины для уменьшения перекрестных наводок. Обычно в кабеле содержится четыре пары. В кабеле на экранированной витой паре (Shielded Twisted Pair — STP) сам кабель и каждая пара помещены в защитный экран. Кабель STP 1, используемый в сетях IBM Token Ring, характеризуется полосой пропускания 300 MHz, вполне достаточной для поддержки современных приложений. Основными его недостатками являются высокая стоимость, сложность прокладки, заземления и соединения с кроссовым оборудованием. Сегодня, правда, существует "облегченный вариант" STP — витая пара с защитной оболочкой из фольги (Screened Twisted Pair — ScTP, или Foil Twisted Pair — FTP). Она более помехоустойчива и обеспечивает полосу пропускания 300 MHz.

Что касается неэкранированной витой пары, то вплоть до сентября 1997 г. существовало только пять категорий кабеля типа UTP. Напомним, что категория кабеля определяется максимальной частотой сигнала, при которой сохраняются приемлемые значения характеристик передачи. Кабель категории 1 и 2 вообще не пригоден для цифровых технологий передачи данных. Категории 3 и 4 поддерживают очень низкую для современных приложений частоту, а по стоимости практически не отличаются от UTP 5, полоса пропускания которого составляет 100 MHz.

Кабель UTP 5 оказался весьма удачным продуктом и позволил без проблем перейти на технологию Fast Ethernet. Ввиду симплексного характера обмена данными (одна пара — для приема и одна — для передачи) для него сертифицировались только два параметра. Это погонное затухание (Attenuation) и перекрестные помехи на ближнем (относительно передатчика) конце линии (Near-End CrossTalk — NEXT), вызываемые высоким уровнем выходного сигнала по отношению к входному (рис. 1). Ситуация радикально изменилась с появлением стандарта 802.3ab (1000Base-T), или Gigabit Ethernet по медному кабелю. В гигабитовой технологии существенным оказывается влияние передатчика на приемник на дальнем от передатчика конце линии — Far-End CrossTalk (FEXT). Это является следствием многопарной двунаправленной передачи (рис. 2). Схема формирования суммарных перекрестных помех представлена на рис. 3. Еще один эффект, проявляющийся при одновременной передаче по нескольким парам, обусловлен неодинаковым временем распространения сигнала от передатчика к приемнику по разным парам. Он называется перекосом задержки (delay skew) и может оказать существенное влияние на правильность сборки данных. Точности ради отметим, что описанные выше величины приведены с целью иллюстрации и далеко не исчерпывают всего набора.

Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3

Итак, особенности рассматриваемой технологии предполагают, что четырехпарная проводка UTP 5, кроме стандартных для этого типа кабеля характеристик, должна удовлетворять требованиям к ряду других электрических параметров, влияние которых становится существенным при двунаправленной многопарной передаче. Это влечет за собой необходимость испытания имеющейся проводки перед осуществлением перехода на стандарт 1000Base-T. При разворачивании гигабитовой сети на вновь устанавливаемой проводке Gigabit Ethernet Alliance рекомендует использовать UTP 5e (Class D) (enhanced), которая производится в соответствии с требованиями стандарта 1000Base-T.

Поправки к спецификации TIA/EIA-568A, которые описывают требования к кабелю UTP 5e (TIA/EIA-568A-5), были утверждены в конце 1999 г. Однако еще в сентябре 1997 г. подкомитет JTC 1/SC25 ISO/IEC принял решение о введении двух новых классов кабельного оборудования. К категории 6 (UTP 6/Class E) относится неэкранированная или с общим экраном из фольги витая пара с граничной частотой 200 MHz, а категория 7 (UTP 7/Class F) — кабель с экранировкой как отдельных пар, так и общим экраном, способный поддерживать частоту 600 MHz.

Приведем краткие сведения об оптоволоконном кабеле. Он состоит из волокна (сердцевины), находящегося внутри отражающей оболочки, которая, в свою очередь, покрыта защитным слоем. Показатель преломления сердцевины несколько выше, чем оболочки, поэтому распространяющийся луч испытывает почти полное отражение на границе двух сред. Сердцевина может изготовляться из стекла или из пластика. Информация переносится модулированным световым потоком, генерируемым лазерами или светодиодами. Производится два основных типа оптоволоконного кабеля: одномодовый и многомодовый. Наиболее часто встречающийся диаметр сердцевины одномодового волокна составляет 8,5 мкм, отражающей оболочки — 125 мкм. По такому кабелю может распространяться без существенного затухания световая волна очень узкого диапазона частот (одна мода). При использовании лазерных передатчиков расстояние между узлами достигает 50 км. Диаметр сердцевины многомодового волокна — 50 или 62,5 мкм. По такому кабелю могут передаваться световые волны нескольких частот (мод). Максимальное расстояние между узлами достигает 2 км. Информационная емкость оптоволоконных каналов очень высока, однако их широкому распространению препятствует трудоемкость монтажа, а также высокая стоимость самого кабеля и сетевых устройств.


Кроссовое оборудование

Производитель компонентов СКС
Molex Premise Networks
Исполнители
ProNet, "Демекс Компьютер"
Заказчик
Украинская Академия банковского дела (Сумы)

Создана распределенная сеть, объе диняющая четыре здания академии
с помощью оптоволоконного кабеля (скорость передачи данных — до 1 Gbps). Общее количество распределительных пунктов — 6, портов RJ-45 — около 1100, рабочих мест — 500. В системе реализовано полное разделение административной и учебной подсетей, резервирование и дублирование каналов связи между подсетями. Проект предусматривал создание двух виртуальных сетей: для учебного процесса и для автоматизации деятельности (Академия подключена к банковской системе НБУ). СКС сертифицирована по категории 5e и обеспечивается 20-летней международной гарантией Molex PN.

Оптическая коммутационная панель, в которой соединяются сегменты сети нескольких зданий

Шкаф с активным оборудованием — "сердце" информационной системы объекта

Тыльная сторона центрального коммутационного узла главного корпуса академии. Внизу — оптический модем, связывающий академию с АТС

Кроссовое оборудование является центральным компонентом СКС с точки зрения топологии, именно к нему сходятся все каналы. Оно обеспечивает коммутацию проводки с портами активного сетевого оборудования (концентраторов, коммутаторов и т. п.). Хорошо спроектированная кроссовая система позволяет подключить практически любой узел к нужному сегменту или подсети без его физического переноса или выполнения дополнительных работ по прокладке кабеля и, наоборот, установить рабочую станцию в любом месте, оставляя ее в том же физическом сегменте.

Коммутация портов может выполняться механически (вручную) или электронным способом. В случае механической коммутации следует различать коммутационные панели (patch panels) и кроссовые панели (cross-connect panels). К первым постоянно подсоединены только кабели, идущие к рабочим местам, а активное оборудование подключается с помощью соединительных шнуров (patch cord). Ко вторым постоянно подключены также порты активного оборудования, а переключение выполняется с помощью кроссировки, т. е. переноса кроссировочного шнура.

Электронный кроссовый коммутатор называется коммутационной матрицей (switch matrix). С одной стороны матрицы подключаются порты активных сетевых устройств, а с другой — проводка от рабочих мест пользователей. Не следует путать кроссовый коммутатор с коммутатором для локальной сети. В функции первого входит лишь обеспечение физического соединения порта на одной стороне матрицы с портом на другой ее стороне.


Структурные компоненты и архитектура СКС

Структурированность кабельной системы означает, что в ней можно выделить относительно самостоятельные подсистемы, элементы которых объединяются по какому-либо признаку, например по функциональному назначению. Стандарт TIA/EIA-568A предусматривает в телекоммуникационной кабельной системе наличие шести подсистем. Мы приводим их описание, начиная с нижнего уровня иерархии.

1. Подсистема рабочего места (Work Area). Предназначена для подключения различных оконечных устройств (компьютеров, принтеров, цифровых и аналоговых телефонов, а также любого слаботочного оборудования) к сетевым розеткам горизонтальной кабельной подсистемы. Для вычислительной техники длина соединительного кабеля не должна превышать 3 м.

2. Горизонтальная кабельная подсистема (Horizontal Cable). Связывает подсистемы рабочих мест с другими подсистемами в соответствии с выбранной архитектурой сети. Строится по топологии типа звезда. В частности, обеспечивает подключение модулей розеток к этажному кроссовому оборудованию. Допустимая максимальная длина кабеля типа UTP горизонтальной проводки — 90 м.

3. Подсистема управления (Telecommunications Closet). Состоит из кроссового оборудования, посредством которого осуществляется связь между горизонтальной и вертикальной (магистральной) подсистемами. С помощью кроссового оборудования подсистемы управления выполняется коммутация цепей, подключается активное оборудование, организуется необходимая топология сетей.

4. Вертикальная подсистема, или магистраль (Backbone Cable). Это главные магистральные каналы в здании, которые соединяют этажи или большие площади на одном этаже. Они обеспечивают связь между этажным кроссовым оборудованием, оборудованием аппаратной и каналами из внешнего мира. Создается на базе оптоволоконного или медного кабеля по топологии типа звезда. Включает также необходимое вспомогательное оборудование.

5. Подсистема оборудования. Располагается обычно в специальных технических помещениях. Служит для соединения внешней подсистемы с вертикальной подсистемой. Именно сюда сходятся все телекоммуникационные кабели.

6. Внешняя подсистема. Связывает телекоммуникационные службы внешнего мира с СКС здания. Реализуется на оптоволоконном или медном кабеле. Включает устройства интерфейса внешних каналов связи с внутренними, а также средства электрической защиты и заземления.

Что касается архитектуры, то различают одноточечное управление и иерархическую (традиционную). Первая используется только для одного здания. Она предусматривает соединение всех рабочих мест с главным кроссом здания, благодаря чему всей системой можно управлять из одной точки.

Архитектура иерархической звезды применяется как для группы зданий, так и для одного здания. В первом случае она реализуется посредством центрального кросса системы, главных кроссов зданий и горизонтальных этажных кроссов. Центральный кросс связывается с главными кроссами с помощью внешнего кабеля. Этажные кроссы соединены с главным кроссом кабелями вертикальной подсистемы. Для одного здания эта архитектура реализуется с помощью главного кросса и этажных кроссов, объединенных между собой вертикальной подсистемой.

Иерархия структурных компонентов и локализация их в здании приведены на рис. 4 и 5 соответственно.

Каковы же основные достоинства СКС?

Рис. 4
Рис. 5

Пожалуй, наиболее ценным считается простота реконфигурации системы. В большинстве организаций постоянно возникает необходимость в добавлении и перемещении рабочих мест. При шинной топологии любое изменение вызывает массу проблем. При развертывании СКС предусматривается определенная избыточность рабочих мест, что в итоге выливается в существенную экономию.

Далее, поскольку все компоненты СКС удовлетворяют стандартам, система в целом становится независимой от используемой сетевой технологии. Та же инфраструктура может поддерживать сети Ethernet с различной скоростью передачи данных, Token Ring, FDDI/CDDI, ATM и т. д. Неоспоримым преимуществом СКС является возможность локализовать неисправность, поскольку каждое устройство подключено к сети с помощью выделенной линии, а это, в свою очередь, препятствует простою других пользователей. Намного облегчается и управление сетью. Поскольку все соединения и сетевые устройства, скажем, в пределах этажа, сосредоточены в одном месте, то тестирование, диагностика и восстановление работоспособности сети значительно упрощаются. Концентрация критического для работы сети оборудования — коммутационных панелей, концентраторов, коммутаторов и маршрутизаторов — в специальных помещениях позволяет легко решать вопросы безопасности, предотвращая несанкционированный доступ к аппаратной части.

Таким образом, хотя развертывание СКС требует намного больших затрат, чем установка кабельных систем раздельно для каждой из служб, однако так называемая стоимость владения значительно уменьшается, и, как показывает практика, чем масштабней информационная инфрастуктура предприятия, тем быстрее окупаются средства, вложенные в СКС.