Выбор структуры комплекса технических средств для сервисного обслуживания высокоскоростных электрических трактов структурированной кабельной системы

УДК 621.39

Выбор структуры комплекса технических средств для сервисного обслуживания высокоскоростных электрических трактов структурированной кабельной системы

О.Ф. Умудумов, Т.С. Аббасова

Рассмотрены проблемы сервисного обслуживания структурированной кабельной проводки для передачи информационных потоков со скоростью 10 Гбит/с по кабелю из витых пар; описан порядок организации тестирования сети; предложены технические и организационные мероприятия для увеличения среднего времени безотказной работы и уменьшения времени на устранение отказа в работе сети.

The Considered problems of the servicing the outline cable wiring for issue information flow at the speed of 10 Gbit on cable from winding vapour (pair). The Described order to organizations of the testing to network; the offered and organizing actions for increase the mean time of the no-failure operation and reduction of time for removal refusal of functioning the network.

Постановка задачи: обеспечение контроля качества структурированной кабельной системы (СКС) для передачи информационных потоков со скоростью 10 Гбит/с и сертификационных работ.

Цикл создания крупной кабельной системы обычно состоит в следующем. Сначала, базируясь на одном из стандартов КОЛЕС 11801, ЕК 50173 или ЛК81/Т1Л/Е1Л-568-Б, готовят эскизный проект. Далее, используя «Строительные нормы и правила» (СНИПы), с учетом других стандартов (в США - Е1Л/Т1Л 569, 606, 607), разрабатывают более подробный проект, называемый рабочим. Затем приступают к монтажу: осуществляют прокладку кабелей, установку розеток, другого соединительного и кроссового оборудования.

В процессе монтажа проводят полевые испытания кабельной системы при помощи кабельных тестеров (анализаторов). На этой стадии смонтированную и протестированную проводку уже можно сертифицировать по всем правилам, чтобы получить гарантии производителя кабельных систем на срок 15...20 лет. Испытания компьютерной проводки следует выполнять периодически и в процессе эксплуатации, чтобы убедиться в ее соответствии стандарту. Таким образом, обеспечивается жизненный цикл кабельной системы.

Высокая плотность рабочих мест при передаче информационных потоков со скоростью 10 Гбит/с по кабелю из витых пар, обслуживаемых структурированной проводкой, приводит к тому, что в линейной части СКС всегда присутствует большое количество кабелей, проложенных по общей кабельной трассе и плотно прилегающих

друг к другу. Сигналы (межкабельные переходные влияния) в различных кабелях являются статистически независимыми и могут рассматриваться для других линейных изделий как внешний шум.

Чаще всего для тестирования проводки Категории 6 используются кабельные анализаторы DSP-2000 и DSP-4000 компании Fluke, состоящие из двух блоков - основного и дополнительного, поэтому многие тесты выполняются с обоих концов линии [1].

Типовые испытания проводятся в режиме AUTOTEST. Для тестера DSP-4000 компании Fluke выпущен дополнительный адаптер для измерений параметров проброса (Permanent Link) в соответствии с требованиями упомянутых выше стандартов. Испытания в автотесте предусматривают полностью автоматические измерения всех параметров и характеристик, с возможностью запоминания результатов и распечатки протоколов.

Система тестирования 10-гигабитного медного кабеля состоит из популярной базы Fluke Networks DTX-1800 CableAnalyzer и нового модуля DTX 10 Gig. Сегодня это единственная в мире система сертификации кабельных сетей, основанная на промышленных стандартах и поддерживающая проводники Ethernet с пропускной способностью от 10 Мбит до 10 Гбит в секунду. Позволяет измерять величину межкабельных наводок (AXT), а также проводить сертификационные тесты любых транзитных участков на частотах до 500 МГц.

Модуль DTX 10 Gig упрощает измерение межкабельной наводки. Сначала система

DTX CableAnalyzer с помощью модуля 10 Gig измеряет межкабельную наводку между всеми возможными парами кабелей в пучке. На это уходит около 30 с. Результаты попарных тестов передаются с главного модуля DTX на компьютер с программным пакетом DTX AxTalk Analyzer™. Сертификация кабельных сетей проводится методом выборочной проверки.

При сертификации элементной базы Категории 6/6а привлекаются высокоточные лабораторные измерительные приборы. За счет использования соответствующей процедуры ранжирования можно выполнить измерения и сертификацию компонентов разъемов. Сертификация гарантирует совместимость компонентов различных производителей (системы из разнородных компонентов), что является бесспорным прогрессом на фоне закрытых специфических решений некоторых производителей. Особенно важно соблюдение этого пункта при оснащении системы коммутационными шнурами [2].

Специализированная лаборатория, входящая в объединение GHMT (Gesellschaft fuer Hochfrequenz-Messtechnik) и аккредитованная этой организацией, имеет право сертифицировать медно-жильные и волоконно-оптические продукты с выдачей сертификата GHMT или сертификата по уровню PVP (GHMT- Premium- Verifikation- Programm). Аудит производства и первичная сертификация продукта осуществляются на основе двухстороннего договора, заключаемого между производителем и GHMT. Процедуры повторной сертификации выполняются с интервалами от трех до шести месяцев. GHMT имеет право в любой момент отбирать образцы для проверки - на складе, в производственном цехе или у дистрибьютора.

Межкабельное переходное затухание зависит в первую очередь от конструкции кабеля и тестируется в лаборатории в соответствии с так называемой моделью «шесть вокруг одного», изображенной на рис. 1. Основная причина выбора такой конфигурации состоит в том, что остальные кабели жгута за пределами рассматриваемой семерки практически не создают помехи на тракт передачи, расположенный в центре передачи.

В общем случае генерируемый сигнал в соседнем кабеле неизвестен. В процессе моделирования следует исходить из того, что на конкретную цепь передачи информационного сигнала оказывают влияние по меньшей мере шесть соседних кабелей, т. е. в случае четырехпарных кабелей мешающее воздействие создается 24 различными

Рис. 1. Модель влияния при анализе межкабельной переходной помехи

источниками, которые приведены на рис. 1 [3]. На рис. 1 штриховой линией выделена витая пара основного кабеля 1 (поперечное сечение двух проводников), а стрелками схематично представ-лено влияние соседних кабелей 2-7, оказывающих воздействие на рассматриваемую пару.

Определение граничных значений осуществляется по принципу суммирования всех отдельных мешающих сигналов (модель Power Sum, PS).

Межкабельные переходные влияния на ближнем и дальнем концах проявляются одновременно и снижают пропускную способность канала связи. В процессе определения максимально допустимой скорости передачи данных, т. е. пропускной способности, их обязательно следует учитывать совместно. Это обусловлено тем, что канал связи информационной системы функционирует в дуплексном режиме.

На рис. 2 изображена структура аппаратных средств для полевого измерения межкабельной переходной помехи.

В табл. 1 приведены отличия при проведении тестирования для различных конструкций кабеля.

Значительное расширение рабочего частотного диапазона стало самым существенным изменением в области полевого тестирования. Для Категории 6а и Класса EA, согласно ISO, граничное значение частотного диапазона увеличено с 250 до 500 МГц, а верхняя граничная частота для Класса FA - с 600 до 1000 МГц. Расширение рабо-

Рис. 2. Необходимые аппаратные средства для полевого измерения межкабельной переходной помехи инсталлированной проводки

чего частотного диапазона потребовало определения новых уровней точности измерительного оборудования. Приборы, использовавшиеся ранее для работы в частотном диапазоне до 250 МГц, должны были соответствовать уровню точности III. Для измерений характеристик трактов Категории 6а и Класса EA по ISO теперь необходимо выполнять требования уровня точности IIIe. В случае Класса FA по ISO придется применять тестер, отвечающий требованиям уровня точности ГУе, согласно которому, существующий уровень IV, определенный в диапазоне до 600 МГц, расширяется на новую частотную область. Следует отметить, что новые классы точности Ше и ^е являются обратно совместимыми по отношению к классам

точности III и IV. Это означает, что любой прибор уровня IV, предназначенный для тестирования Класса F и Категории 7, без ограничений может применяться для инструментального определения параметров линии Класса EA, где используется элементная база Категории 6а. Кроме того, изменены некоторые граничные значения, в расчете на последующую поддержку приложений 10 Gigabit Ethernet. Данная проблема затрагивает в большей степени ПО тестирующего оборудования, а сами скорректированные граничные значения задаются в результате обновления указанного ПО.

Для поддержки функционирования 10GBaseT верхняя граничная частота диапазона нормирования параметров в спецификациях кабелей и разъемов должна быть увеличена с 250 до 500 МГц. Причем органы по стандартизации придерживаются различных подходов: ISO/IEC в процессе разработки своего «нового» Класса Е применила принцип линейной интерполяции, TIA терпимее относится к характеристикам элементной базы улучшенной Категории 6 в области высоких частот, тогда как IEEE еще более ослабляет требования по параметру NEXT на частотах свыше 330 МГц (рис. 3).

В табл. 2 указаны требования к моделям ка-

Таблица 1. Различия в категориях кабеля при тестировании

Характеристика Категория 5 Категория 5е Категория 6 Категория 6а Категория 7

Тестовая частота, МГц 100 100 200

Класс D D E EA F FA

Совместимость с разъемами Ш-45 Да Да Да Да Да Да

Требования к тестерам Level II Level IIE Level III Level IIIe Level VI Level Vfe

Тестовые параметры

* Начиная с тестовой частоты 300 МГц

Рис. 3. Граничные значения параметра NEXT для полного тракта передачи информации, согласно требованиям различных органов по стандартизации

бельных каналов для поддержки 10-гигабитных приложений. Понятия «новая» и «улучшенная» относятся к полной спецификации линии, а не только к кабелю. Имеющаяся проводка может быть использована и для передачи сигналов 10 Gigabit Ethernet. Если кабель и розеточные модули рассчитаны для работы на частотах вплоть до 250 МГц, то это вовсе не означает их неадекватность в частотном диапазоне до 500 МГц. Данное положение справедливо в первую очередь в отношении экранированной элементной базы.

Обычно затухание сигнала A (Attenuation) -отношение мощностей или амплитуд напряжения сигнала в начале линии и точке измерения - выражают в децибелах:

A = 10lg

где P0 и Px - мощности сигнала в начале линии и произвольной точке X соответственно.

Если, например, Px = 0,1 P0, то A = 10 дБ.

Любая двухпроводная линия связи представляет собой фильтр нижних частот. Поэтому затухание линии связи является возрастающей функцией частоты. Затухание линии увеличивается также с температурой, что следует учитывать при проектировании. Особенно чувствительны к изменению затухания цифровые системы связи: при увеличении затухания линии всего на 1 дБ коэф-

фициент ошибок цифрового сигнала может возрасти на один-два порядка.

Следует отметить, что термин Attenuation относится к так называемому собственному затуханию, которое характерно для однородной линии. Такой линией является строительная длина кабеля с одинаковыми конструктивными и электрическими параметрами на всем ее протяжении. Любая реальная линия связи (например, абонентская или соединительная) - это совокупность множества последовательно включенных строительных длин кабеля, при этом у них могут быть отличающиеся конструктивные и электрические параметры. Поэтому на практике линия связи неоднородна, а основные неоднородности сосредоточены в стыках строительных длин кабелей или вызваны дефектами кабелей из-за отклонений в процессе их производства, монтажа и эксплуатации.

В теории электрической связи затухание такой линии называют вносимым затуханием Insertion Loss (IL). В отличие от собственного затухания, вносимое затухание не связано жесткой зависимостью с ее длиной. Степень связи определяется степенью однородности конкретной линии:

I— k

A

где f - частота сигнала, МГц; k1, k2, k3 - константы, определяемые в зависимости от категории кабеля. (ki = 1,808; k2 = 0,017; k3 = 0,2 для кабеля Категории 6).

Наибольшая неопределенность связана не с параметром NEXT, а с обеспечением требований стандарта по параметру Alien-NEXT. Таким образом, уровень переходной помехи определяется преимущественно топологическими особенностями системы, в том числе геометрическими характеристиками коммутационных панелей и информационных розеток, а также укладкой отдельных горизонтальных кабелей в каналах. Новыми количественными характеристиками этого эффекта являются Alien-NEXT и Alien-FEXT (ANEXT и AFEXT), а также их значения по модели суммарной мощности. Данные параметры описывают переходные влияния соседних кабельных линий и при определенных обстоятельствах приобретают существенное значение в процессе передачи сигналов сетевых интерфейсов 10GBaseT по неэкра-нированным кабельным трактам.

Для разработки процедур тестирования необходимо предварительно установить, на каком протяжении горизонтальные кабели пролегают парал-

Таблица 2. Требования к моделям кабельных каналов для поддержки ЮОВа^сТ__

Модель IEEE 10GBaseT Вносимые потери в канале ANEXT на 100 МГц

1 Вносимые потери для 100 м, Класс Б 60 дБ

2 Вносимые потери для 55 м, Класс Е 47 дБ

3 Вносимые потери для 100 м, Класс Е 62 дБ

лельно и насколько плотно они прилегают друг к другу, так как показатели параметра Alien NEXT заметно ухудшаются при укладке кабелей в регулярные жгуты и улучшаются при их расположении в кабель-канале «внавал».

Результаты инструментального тестирования СКС различных производителей (табл. 3) - всего лишь один из критериев выбора конкретного решения. Из них следует, что все испытанные кабельные системы по своим характеристикам соответствуют требованиям класса Е стандарта EN 50173 и могут быть рекомендованы для практического использования.

Повышенной готовности СКС вместе со всеми задействованными в ней аппаратными и программными компонентами можно добиться двумя способами:

во-первых, объединенная система реализуется избыточным образом - при отключении (вследствие ошибки или отказа в обслуживании) какой-либо ее составляющей остальные берут на себя поддержку необходимых процессов;

во-вторых, каждый компонент, взятый в отдельности, может сам по себе отличаться высоким качеством, благодаря чему его отказ становится маловероятным; при этом следует использовать

только компоненты, которые успешно прошли проверку на длительность работы или производятся компаниями, получившими широкое признание на рынке.

Обычно для достижения высокой готовности объединенной системы применяется концепция, предусматривающая оба варианта: избыточность и максимально возможную надежность отдельных компонентов. Готовность системы (коэффициент готовности Кг) вычисляется как процентное соотношение времени работы и времени простоя за год:

Кг=Тр/

где Тр - время работы; время Тп - время простоя.

В то время как для одних готовность системы в 99% - 3,6 суток простоя в год - уже является высокой, другие специалисты в области информационных технологий устанавливают для нее максимальное значение в 99,99%, т. е. 52 мин простоя. При этом учитывается не только средний период времени между профилактическими работами (Mean Time Between Maintenance, MTBM), т. е. запланированные простои, необходимые, к примеру, для проведения работ по техническому обслуживанию, но и большое значение придается среднему

Таблица 3. Тестируемые СКС

Изготовитель Коммутационное оборудование Горизонтальный кабель Сокращенное наименование

Ackemann WAEG6C 01460JE ACK

Brand-Rex CAT6 Plus C6STP-HF1 BRA

BTR Blumberger E-DATmodul Uninet 7002 BTR

Cobinet Toplink Kat 6 Uninet 7002 COB

Corning Cable Systems Future Com E S-STP 600/23 COR

Datwyler Unilan Compact Solution Uninet 3004 DAEC3

Datwyler Unilan Compact Solution Uninet 7002 DAEC7

Dtaka Multimedia Cable BTR E-DATmodul Silverline Premium DRAS

Dtaka Multimedia Cable BTR E-DATmodul UC600 SS23/1 DRAU

ELKO Telesafe 6618-162 Telesafe 6618-162 Uninet 7002 ELK

Krone PremisNET - KMB PremisNET Kat7 KRO

Leoni Kabel BTR E-DATmodul Q-Line 4P23 SC 600 LEO

Lexer Electric LEXCOM Office LEXCOM Kat7 LEX

Reichle & de-Massari Star Cat. 6 System R35257 RDM

Setec Sesix Uninet 7002 SET

SKM Specialkabel München SKM Profilink modul Profilink 900 SKM

Superrior Cables BTR E-DATmodul Superrior 611396 SUP

Telegartner AMJ 45 Cat.6+ Uninet 7002 TEL

Tyco AMP AMP CO Plus System Kat.6 Tyco 600 MHz PiMF TYCA

Tyco AMP Netconnect DIN Kat.6 System Tyco 600 MHz PiMF TYCN

Tyco AMP UTP CAT.6 Tyco 600 MHz UTP TYCU

времени безотказной работы (Mean Time Between Failure, MTBF) и среднему времени восстановления работоспособности (Mean Time To Repair, MTTR). Под MTBF понимают среднее время между двумя последовательными отказами. Параметр MTTR обозначает среднее время, необходимое для восстановления работоспособности системы после отказа.

Для повышения MTBF при реализации универсальной системы передачи и обработки сообщений, обладающей повышенной готовностью, необходима комплексная точка зрения на все используемые компоненты - как на аппаратные средства, так и на программное обеспечение. Общая готовность системы складывается из готовности отдельных компонентов, поэтому каждый из них должен отвечать требованиям, предъявляемым к его готовности. И если отдельные аппаратные компоненты, в частности вентиляторы, жесткие диски или сетевые карты, могут быть реализованы в отдельном сервере избыточным образом, то для ПО, состоящего из операционных систем и служб, на каком-либо персональном компьютере такого добиться невозможно.

Для достижения необходимой избыточности и обеспечения тем самым высоких значений MTBF применяются компьютерные кластеры. Решение Unified Messaging устанавливается на несколько компьютерах, объединенных между собой в сеть, с сохранением его конструктивной идентичности, т. е. с одинаковой производительностью каналов и услуг. Извне объединенные в сеть компьютеры выглядят как одна система. При отказе сервера Unified Messaging другие серверы смогут взять на себя задачи обработки сообщений.

В зависимости от архитектуры различают решения с резервными и параллельно работающими компонентами. В системе с резервированием, когда применяется активно-пассивная кластеризация, в процессе нормальной работы лишь один сервер берет на себя обработку всего трафика сообщений, тогда как другой остается пассивным и предназначается для подмены основного при отказе. Службы Unified Messaging остаются недоступными лишь на время переключения.

В системах с параллельно работающими компонентами время переключения может быть исключено полностью. Кроме того, имеющиеся ресурсы оптимально используются и в процессе нормальной работы: при такой активно-активной кластеризации все инсталлированные системы Unified Messaging обрабатывают трафик сообще-

ний параллельно. Распределение задач происходит по принципу балансировки нагрузки. При отказе одной из систем остальные берут на себя обработку «оставшихся без присмотра» текущих заданий.

В рамках концепции повышенной готовности важную роль в системах Unified Messaging играют как хранение сообщений, так и их передача. Решения Unified Messaging, в которых используются собственные системы хранения сообщений, должны быть защищены отдельно и не зависеть от средств безопасности сервера обмена сообщениями. Напротив, в случае решения с действительно единой системой хранения, когда сообщения Unified Messaging хранятся, к примеру, на сервере Microsoft Exchange, механизмы обеспечения повышенной готовности для электронной почты автоматически применяются и к сообщениям Unified Messaging.

Однако вне зависимости от места хранения в случае отказа сообщения должны стать снова доступными как можно быстрее, причем как входящие, так и исходящие. В проблемной ситуации нестандартные решения, скажем, транспорт сообщений при помощи интерфейса прикладного программирования для электронной почты (Messaging Application Programming Interface, MAPI), предлагают лишь ограниченные возможности доступа, и зачастую не все стоящие в очередях сообщения подвергаются обработке. При транспорте сообщений в соответствии с простым протоколом пересылки электронной почты (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP), т. е. с применением распространенной технологии Internet, можно реализовать уже проявившие себя методы, например циклическое обслуживание (Round-Robin) при помощи созданных в службе имен доменов (Domain Name Service, DNS) записей обмена почтой (Mail eXchange, MX) с одинаковым приоритетом. При отказе системы Unified Messaging сервер обмена сообщениями автоматически передает текущие задания продолжающим работать серверам (рис. 4). Другими популярными и подтвердившими свою пригодность методами являются предоставление нескольких адресных записей (Address Records, А-Records) в DNS или использование систем балансировки нагрузки.

Именно в связи с решениями Unified Messaging важно, чтобы всегда, за счет избыточности, был доступен не только исходящий, но и входящий трафик. На помощь приходят так называемые «пучки» - группы каналов, составляемые, к примеру, при помощи нескольких подключений

-

Сервер Unified Messaging 1

Динамическое распределение сообщении

-

Сервер Unified Messaging 2

SMTP +

-

Сервер Unified Messaging 3

В

Сервер обмена сообщениями

Циклическое распределение нагрузки

-

Сервер DNS

Рис. 4. Повышение среднего времени между двумя последовательными отказами

ISDN S2M или ISDN S0. В зависимости от реализации распределение входящего трафика по разным каналам пучка может происходить линейно или циклически.

Наряду с увеличением MTBF значение параметра MTTR должно быть как можно меньшим. И здесь необходимо помнить о различиях между аппаратными и программными компонентами системы Unified Messaging. Так, в аппаратной области используются особые компоненты, в частности системы RAID, жесткие диски которых могут подключаться и отключаться в режиме «горячей» замены. Небольшое значение MTTR для программных компонентов достигается путем применения систем мониторинга. Мониторинг может производиться локально на каждом компьютере или удаленно с центрального пункта.

Спецификации высокоскоростных систем передачи предъявляют при сервисном обслуживании и диагностике более жесткие требования к параметрам кабельных линий. Наибольшую проблему при построении и кабельных трактов для передачи 10-гигабитных приложений вызывают межкабель-

ные переходные помехи АХТ, возникающие между параллельно проложенными соседними кабелями.

Уровень межкабельной переходной помехи определяется преимущественно топологическими особенностями

системы, в том числе геометрическими характеристиками коммутационных панелей и информационных розеток, а также укладкой отдельных горизонтальных кабелей в каналах. Новыми количественными характеристиками этого эффекта являются Alien-NEXT и Alien-FEXT (ANEXT на ближнем и AFEXT на дальнем конце), а также их значения по модели суммарной мощности.

Для тестирования 10-гигабитных систем подходят измерительные приборы с граничной частотой 500 МГц и выше, для которых выполняются требования по точности уровня IIIe, IV.

ЛИТЕРАТУРА

1. Артюшенко В.М., Аббасова Т.С. Структурированные

кабельные системы. Учеб. пособие. - М.: МГУС,

2005.

2. Спецификация для тестирования симметричной

связной проводки в соответствии с ISO/IES 11801. Часть 1: Инсталлированная проводка» («Generic cabling systems. Spécification for the testing of balanced communication cabling in accordance with ISO/IES 11801. Part 1: Installed cabling»).

3. Альбрехт М. Олер, Дитер В. Шикетанц. Межкабель-

ная переходная помеха: теория и измерение. - LAN,

2006, №1.

4. Семенов А.Б., Стрижаков С.К., Сунчелей И.Р.

Структурированные кабельные системы. - 5 издание, перераб. и доп. - М.: ДМК Пресс, 2004.

Поступила 28.11.2007г.