ТЕСТУВАННЯ СКС. ЯК, ЩО І НАВІЩО

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру кабельних тестерів за посиланням наприкінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади для тестування кабельних та мережевих інфраструктур. Також рекомендуються статті для подальшої самоосвіти

ТЕСТУВАННЯ СКС - СЕРЕДОВИЩА ПЕРЕДАЧІ ЧИ ПРОТОКОЛОВ?

Уявлення про структуровані кабельні системи (СКС), як правило, ідеалізовані. Багато замовників вважають тестування ліній зайвою та дорогою процедурою, необхідною лише для сертифікації. Фактично якість сучасних систем неможливо забезпечити без 100% контролю. Об'єктивна перевірка дозволяє усунути як дрібні, і серйозні недоліки.

Довгострокові гарантії повсюдно сприймають як запоруку вирішення проблем фізично. Насправді, вимоги мережевих протоколів вищі за обмеження стандартів СКС. Клас або категорія середовища передачі немає значення, якщо мережа працює нестабільно. Оцінити отримані результати можна за допомогою планки додатків. Можливості середовища передачі добре відомі, проте параметри протоколів та сам факт неузгодженості стандартів залишаються у тіні. Нестача знань та спотворені тлумачення результатів часто призводять до неправильних рішень.

МОДЕЛІ КАНАЛУ

У більшості випадків тестування СКС включає лише частину каналу. Як правило, це базова лінія, що складається з фіксованого кабелю з роз'ємами на кінцях. Однак, робота мережі залежить від параметрів каналу, що забезпечує передачу сигналів між двома термінальними пристроями.

Рис.1. Интерфейсы СКС и интерфейсы тестирования

Точки підключення активного обладнання та кабелів зовнішніх служб називаються інтерфейсами СКС. Інтерфейси СКС не співпадають із інтерфейсами тестування. По-перше, точка консолідації (ТК), призначена для зручності організації робочих місць у відкритих офісах, не є інтерфейсом СКС. Стандарти не передбачають підключення обладнання до ТК. По-друге, параметри гнучких кабелів вимірюють у складі каналу, що виключає комутаційні панелі магістрального каналу з чотирма роз'ємами як порти підключення вимірювального обладнання.

В даний час стандарти визначають дві моделі каналу: підключення та комутація. Друге видання ISO/IEC 11801 передбачає чотири моделі каналу: підключення, комутація, підключення з точкою консолідації (ТК) та комутація з ТК. 

Рис.2. Модели канала горизонтальной подсистемы 2002

АК – абонентський кабель, КК – комутаційний кабель, СК – мережевий кабель, ПК – перехідний кабель,

ТР – телекомунікаційний роз'єм, ТК – точка консолідації, РП – розподільна панель, КП – комутаційна панель

На долю горизонтальної підсистеми припадає переважна більшість електропровідних кабелів. У магістралях телефонна та інформаційна підсистеми розділені, а горизонтальній підсистемі інтегровані, тому всі лінії повинні відповідати найсуворішим вимогам сучасних додатків.

Нові стандарти реалізують незвичну поки що концепцію створення СКС. Нині довжина фіксованих кабелів горизонтальної підсистеми має перевищувати 90 метрів, а гнучких - 10 метрів. З 2002 року довжина фіксованих ліній визначається за формулами, різними для кожного класу середовища передачі та кожної моделі каналу. Проектувальники будуть використовувати загальний бюджет загасання каналу та визначати довжину фіксованих кабелів, виходячи з необхідної довжини абонентських та перехідних кабелів. Наприклад, модель "підключення" класу D з абонентськими кабелями 23 метри та мережевими 2 метри обмежується величиною 71 метр, а фіксовані кабелі – 46 метрів. Вимірювання параметрів стаціонарної лінії у своїй немає практичного значення. В результаті застосування нових стандартів частка каналів, що тестуються, зростатиме.

Якщо довжина каналів значно менша за гранично допустиму, тестування ліній буде достатньо. Канали складніших моделей та лінії граничної довжини необхідно перевіряти не просто на відповідність стандартам середовища передачі, а й вимогам протоколів.

ПАРАМЕТРИ КАНАЛІВ

Для оцінки якості передачі сигналів доводиться враховувати кілька десятків перешкод різного типу смуги частот, визначеної стандартами СКС чи межами вимірів. З цієї точки зору, інтерпретація результатів симетричних електропровідних ліній виявляється складнішою, ніж оптоволоконних.

На малюнку 3 показані схеми передачі протоколів Fast Ethernet 100 Base-TX та Gigabit Ethernet 1000 Base-T. До появи протоколів, що задіяли всі чотири пари, достатньо було врахувати загасання сигналу (Attenuation) та перехресні наведення (NEXT), зображені червоними стрілками. Якщо працюють лише дві пари, виникають дві наведення NEXT, що впливають на роботу приймачів на кожному кінці лінії. Протоколи використовують різні пари, тому при тестуванні перевіряють усі можливі комбінації – по шість перешкод для обох кінців лінії/каналу. 

Рис.3. Схема передачи протоколов Fast Ethernet и Gigabit Ethernet

Вимога збільшення швидкості передачі даних без розширення частотного діапазону призвела до ускладнення схеми передачі та числа параметрів, що тестуються. Тактова частота Gigabit Ethernet становить 250 МГц, фактична швидкість передачі по кожній парі - 250 Мбіт на секунду. Для зменшення ефективної смуги частот до 125 МГц застосовано двобітове кодування.

Для передачі двох бітів використовується чотири рівні, а підвищення помехозащищенности - п'ятий рівень, що реалізовано у схемі PAM-5. Збільшення швидкості за збереження смуги частот зажадало розширення динамічного діапазону. П'ятирівнева схема пред'являє вищі вимоги до якості сигналу, ніж дво- і трирівнева. Для роботи Gigabit Ethernet передбачено найкраще відношення сигнал/шум (SNR) на вході в приймач, ніж будь-який з діючих протоколів (таблиця 1).

Ще один резерв – кількість пар. Щоб забезпечити 1000 Мбіт/с, задіяно всі чотири пари, кожна з яких працює одночасно в обох напрямках. Потік бітів розбивається на чотири і знову з'єднується в один, отже доводиться враховувати ще один параметр. Різниця в часі проходження сигналів по парах (зсув) не повинна перевищувати певного значення, щоб правильно зібрати пакети на вході до приймача.

Дуплексна передача додала до перехресних наведень (NEXT) однонаправлені наведення (FEXT). Наведення односпрямованої передачі кожної пари впливають на три суміжні пари, що дає 12 комбінацій FEXT на кожному кінці лінії. На малюнку 3 внизу односпрямовані наведення третьої пари відзначені стрілками бузкового кольору.

Крім того, для оцінки якості сигналів на вході в приймач потрібно вимірювати не тільки міжпарні, а й сумарні наведення (Power Sum NEXT та Power Sum FEXT). У чотирипарному кабелі налічується 36 комбінацій міжпарних та 16 комбінацій сумарних наведень, що підлягають контролю, - по 6 NEXT, 12 FEXT, 4 PS NEXT та по 4 PS FEXT на кожному кінці лінії.

Якість сигналів на вході до приймачів кожної з пар визначають дві величини: відношення загасання до сумарних перехресних наведень (PS ACR) і відношення загасання до сумарних однонаправлених наведень (PS ELFEXT). У сукупності PS ACR та PS ELFEXT характеризують перевищення сигналу над рівнем власних шумів та відрізняються від параметра сигнал/шум (SNR) на величину зовнішніх наведень. На малюнку 5 відношення PS ACR показано лінією червоного, а PS ELFEXT – лінією синього кольору.

Поворотні втрати враховують відображення сигналів в результаті розбалансування та змін хвильового опору середовища передачі та виникають у кожній парі на кожному кінці лінії. Даний вид перешкод впливає на протоколи з одночасною передачею та прийомом сигналів з кожної пари. Баланс вимірюється як логарифмічна різниця напруги сигналів, що подаються в протифазі на кожен їх провідників пари. Цей параметр не безпосередньо впливає на відношення сигнал / шум і не вимірюється польовими тестерами.

Результуючі параметри, що характеризують відношення потужності сигналу на вході до приймача до потужності власних шумів (ACR, PS ACR, ELFEXT та PS ELFEXT), обчислюють за простими формулами як логарифмічну різницю загасання та відповідних наведень. Якщо врахувати, що всі ці параметри вимірюються в діапазоні частот аж до 350 - 600 МГц з кроком 0,1 - 0,25 МГц, на виході з'являється великий обсяг даних кожної тестованої лінії / каналу.

Параметри СКС задані у діапазоні частот, визначеному стандартами кожного класу. Для класу D – це 100 МГц. Для відображення та обчислення відносних значень використовується логарифмічна шкала. Логарифми - це ступеня чисел, що вимірюються в Белах. Десята частка Бела називається децибелом. Таким чином, 10 децибел дорівнюють 10, 20 децибел - 100, 30 децибел - 1000. Відповідно -10 дБ складають десяту, -20 дБ - соту частку відносної величини, і так далі. Розподіл десяткових величин рівноцінний віднімання логарифмів.

Рис.4. Згасання та наведення каналу класу D 2002 Рис.5. Параметри каналу класу D 2002

На рисунках 4 і 5 показано параметри каналу класу D Другого видання даного ISO/IEC 11801. Для додатків із найпростішою схемою передачі, наприклад, Fast Ethernet 100 Base TX, достатньо було знати лише три параметри - згасання, наведення та їх відношення (рисунок 4) . Облік та вимірювання інших видів власних шумів, зображених на малюнку 5, знадобилося для забезпечення роботи протоколу Gigabit Ethernet 1000 Base-T.

Як видно з графіків, на частоті 100 МГц якість сигналу найгірша. Джерела проблем - збільшення загасання сигналу (Attenuation) і перехресних наведень (NEXT). В результаті корисний сигнал перевищує сумарний шум даного типу лише на 3,1 дБ або вдвічі. Цього зовсім недостатньо для нормальної роботи додатків класу D. Ця суперечність не виявилася в полі зору лише через недостатню поінформованість фахівців та замовників. Мало хто знає реальні вимоги протоколів і те, що вони перевищують можливості середовища передачі свого класу.

Інша проблема полягає в термінології та тлумаченнях параметрів, що спотворюють їх фактичне значення. Якщо вважати, що NEXT - це "перехідне згасання на ближньому кінці", важко уявити, що це наведення, що виникають з обох боків лінії/каналу. Відношення загасання до наведень різного типу, що трактуються як "захищеність на ближньому кінці" (ACR) і "рівневрівневі наведення на дальньому кінці" (ELFEXT), не сприймаються як аналогічні параметри, що визначають якість сигналів на вході приймача. У статті "Відкриті системи - приватні терміни" систематизовано основні поняття СКС та пояснюється фізичний зміст параметрів середовища передачі.

Відстань приймачів має значення тільки з точки зору локалізації отриманих параметрів. Іншими словами, якщо виявлено перевищення наведень, важливо встановити проблемну точку. Тестер фіксує всі параметри прив'язки до блоків, тому для практичного використання результатів слід дотримуватися системи підключення і враховувати розташування приладів.

Що стосується інших перешкод, поворотні втрати (Return Loss) обмежені величиною 10 дБ, а відношення сигналу до сумарних однонаправлених наведень – 14,4 дБ. Іншими словами, потужність відбитого сигналу не може перевищувати десяту частину потужності передавача, а потужність однонаправлених наведень менше потужності сигналу на вході в приймач в 27,5 разів. Як бачимо, ці перешкоди впливають значно менше ніж перехресні наведення.

ВИМОГИ ПРОТОКОЛОВ

Вимоги до середовища передачі, які визначають особливості роботи протоколів, розробляються організаціями стандартизації, зокрема Інститутом інженерів електротехніки та електроніки, та добровільними об'єднаннями виробників мережевого обладнання, наприклад, Форум АТМ, Альянс Gigabit Ethernet.

Середовище передачі локальних мереж має забезпечити роботу протоколів з коефіцієнтом помилок (BER - Bit Error Rate) трохи більше 10-10. Для цього потужність сигналу та його перевищення над потужністю шумів для робочих пар у ефективній смузі частот має бути в межах значень, визначених для кожного протоколу. Слід звернути увагу, що смуга частот найважливіших додатків перевищує частотний діапазон СКС. Для ATM-155 потрібно 155 МГц, для 1000Base-T – 125 МГц, а категорія 5/клас D забезпечують всього 100 МГц.

Стандарти СКС припускають серйозного компромісу, визначаючи занижений рівень функціональних параметрів. Слід врахувати, що стандарти задають значення лінії/каналу для максимальної довжини і для гірших пар. У більшості випадків проблем не виникає, завдяки меншій довжині, резерву ліній та окремих пар. Проте лишається невизначеність. При проведенні стандартного тестування зовсім не очевидно, як працюватимуть програми.

Якщо параметри протоколів відомі, можна переконатися у відповідності, аналізуючи результати вимірювань. Це дуже трудомісткий та неефективний шлях. Не всі результати вимірювань дозволяють це зробити. Тільки тестування за додатково заданими параметрами мережевих протоколів дозволяє достовірно підтвердити те що, що резерв параметрів достатній для безперебійної роботи додатків.

Останнім часом виробники польових тестерів включають вимоги додатків до програмного забезпечення приладів. Окремі виробники СКС надають гарантії на роботу протоколів. Наприклад, ряд компаній практикують найвибагливіший підхід, включаючи весь перелік діючих додатків. У таблиці 1 наведено 12 із 18 протоколів, параметри яких повинні враховуватися. Дані межі встановлені в ряді приладів компанії Sunrise Telecom (США). наприклад моделях STT-DWDM та SunSet E20

Таблица 1. Требования сетевых протоколов к среде передачи

Відмінність вимог можна наочно побачити на графіку, зображеному на малюнку 6. Ставлення згасання до перехресних наведень (ACR) каналів класу C, D та E порівнюються зі ставленням сигнал/шум (SNR) мережевих протоколів. Середовище передачі та програми класу С показані зеленим кольором, класу D – синім. Параметри каналу класу E, які відповідають Проекту Другого видання ISO/IEC 11801, зображені лінією червоного кольору.

Власні перешкоди СКС є серйозною проблемою. На частотах більше 50 - 60 МГц середовище передачі класу D не забезпечує достатньої якості сигналу, необхідного для таких додатків класу D як 1000BASE-T Gigabit Ethernet, 100BASE-TX Fast Ethernet, 100VG-ANY LAN та ATM 155. Це означає, що вибір СКС категорії 5e/класу D не гарантує безпроблемної роботи сучасних додатків. Ситуація із середовищем передачі та додатками класу С аналогічна. На частоті більше 8 МГц ACR каналу класу С гірше, ніж потрібно для Ethernet 10 Base-T.

Мал. 6. ACR каналів 2002 та SNR додатків Мал. 7. Параметри протоколу 1000 Base-T у приладі STT-DWDM компанії Sunrise Telecom

На малюнку 7 зліва показаний перелік мережевих протоколів приладу STT Sunrise Telecom, а праворуч - контрольовані значення для вибраного рядка. Як бачимо, для Gigabit Ethernet всі пари є передавальними та приймальними, вимірювання проводяться в діапазоні частот 1 – 128 МГЦ з кроком 1 МГц. Відношення сигнал/шум має бути не менше 19 дБ, значення загасання та наведень не повинні перевищувати меж категорії 5, а зсув - 50 нс. Інші параметри, що впливають на роботу програми, тестуються під час вибору категорії 5е або класу D 2000.

У цьому випадку вимоги Gigabit Ethernet 1000 Base-T навіть суворіші, ніж потрібно фактично. Щоб забезпечити заданий коефіцієнт помилок, відношення сигнал/шум в ефективній смузі частот має бути не меншим за певне значення. Відповідно до логіки програми відношення сигнал/шум (SNR) має знаходитися між двома лініями, що відповідають нульовому та максимальному значенню згасання.

Задані межі Gigabit Ethernet можуть давати недостовірні результати. Якщо на частоті 1 МГц відбувається перевищення межі NEXT, пристрій фіксує негативний результат для даного протоколу. Фактично ACR на цій частоті становить понад 50 дБ, що у тисячі разів і краще, ніж потрібно. Дана ситуація типова для неекранованих систем, схильних до впливу зовнішніх перешкод. Електроінструмент, що працює на сусідньому поверсі, може створювати перешкоди, що фіксуються тестером як перевищення NEXT в діапазоні від 1 до 5 МГц. Хоча дані перешкоди зовсім не впливають на роботу додатків, і результати вимірювань це підтверджуватимуть, результат для 1000 Base-T буде протилежним.

Перевищення сигналу над рівнем власних шумів (ACR) можна порівнювати зі ставленням сигнал/шум (SNR) лише за відсутності зовнішніх перешкод. Екрановані системи забезпечують достатній захист від зовнішніх перешкод, тому порівняння даних параметрів є коректним. Неекрановане середовище передачі піддається впливу зовнішніх наведень, тому якість передачі сигналів буде завжди гіршою. Вплив перешкод залежить від балансування системи. Іншими словами, чим більше порушена симетрія кручених пар, тим більший негативний вплив зовнішніх джерел випромінювань.

Як показали результати випробувань систем на відповідність Директиві ЕМС, проведені компанією ITT NS&S, неекрановані системи працюють нестабільно навіть при рівні зовнішніх перешкод 3 В/м, характерних для офісного середовища. Крім того, на роботу гігабітних додатків впливають міжкабельні наведення, що виникають у джгуті кабелів між парами з однаковим кроком скручування. Виходячи з цього, слід пам'ятати, що вибір неекранованих систем залишає поза контролем додатковий фактор у вигляді зовнішніх перешкод, що погіршують резерв параметрів та якість роботи мережі.

ВИМІРЮВАННЯ ТА РЕЗУЛЬТАТИ

Існує кілька типів польових тестерів різних виробників. Це SunSet E20, SunSet 10G та SunSet MTT компанії Sunrise Telecom, GN-6025 компанії NetTest та інші.

Розглянемо деякі результати вимірювань на прикладі приладу SunSet 10G з мережевими протоколами ITT NS&S, Великобританія. Компанія ITT NS&S фактично стала ініціатором тестування СКС на відповідність параметрам додатків. Спільно з виробниками вимірювальних приладів вона розробляє версії програмного забезпечення, що включають повний перелік мережевих протоколів, що діють. Крім того, ITT NS&S вимагає, щоб тестування проводилося за межами, що перевищують вимоги стандартів.

У наведеному нижче прикладі діапазон частот тестування систем класу D ITT NS&S становить 160 МГц, при цьому кожен з параметрів покращений на кілька децибел. Це дозволяє збільшувати довжину каналів та кількість роз'ємних з'єднань. Результат, показаний малюнку 8, цікавий тим, що тест не пройдено з обмеження наведень, але лінія забезпечує якісну роботу всіх протоколів. Результат збережено у графічному вигляді, що полегшує аналіз.

PASS означає позитивний результат, FAIL – негативний, а всі нюанси відображені у цифрах та графіках. Вікно узагальнених результатів вимірів (Summary) показує перевищення межі NEXT на 1,1 дБ. Інші параметри знаходяться у встановлених рамках. Тест пройдено за мережевими протоколами (NETS) загасання (ATTN), довжиною (LNTH), картою з'єднань (WMAP), відношенню згасання та перехресних наведень (ACR) та відношенню згасання та односпрямованих наведень (EL FEXT). Виміряно значення опору постійному струму (RES), хвильового опору (IMPED), поворотних втрат (RLOSS), резерву параметрів (MARG) та наведено конфігурацію тесту (CONFIG). P показує наявність графіка.

Детальна інформація про найважливіші параметри наведена на малюнку 8. Кнопки, що розкривають вікна, дозволяють перейти до блоків даних за наявності програмного забезпечення в комп'ютері. Для ілюстрації на малюнку 8 показано шість із дванадцяти вікон. Картинки можна відкрити в новому вікні подвійним натисканням лівої кнопки при наведенні стрілки на об'єкт, що цікавить.

Малюнок 8. Параметри тестування приладом SunSet 10G у діапазоні 160 МГц

Проблемна точка зафіксована на частоті 155 МГЦ, де наведення з першої пари до третьої склали 28,1 дБ. Цей результат цікавий тим, що виходу за обмеження сумарних наведень немає. Сумарні наведення тієї ж пари становлять 27,9 дБ на частоті 155,75, що потрапляє у межі ITT NS&S (Worst Case Summary). Слід звернути увагу на те, що сумарні наведення вимірюються, а не розраховуються, що дало б негативний результат також і щодо PS NEXT.

Незважаючи на перевищення обмеження щодо наведень, лінія відповідає параметрам, що пред'являються протоколами (NETS). Переконатися в цьому можна, глянувши на графіки ACR та EL FEXT. Відношення згасання до сумарних перехресних наведень у всьому діапазоні частот не гірше 25 дБ, а до сумарних однонаправлених наведень - більше 20 дБ. Поворотні втрати – менше 20 дБ. Таким чином, відношення сигнал/шум складає 100 - 316 разів, що забезпечує коефіцієнт помилок набагато нижче 10-10.

Формальний підхід до оцінки результатів тестування вимагатиме зробити висновок про те, що дана лінія дефектна. З точки зору ITT NS&S, лінія не підлягає сертифікації, оскільки не забезпечить гарантованого збільшення довжини каналу. Рекомендації "спеціалістів", які не вникають у деталі, будуть зводитись до заміни роз'ємів та повторного прокладання кабелів. Однак заміни не потрібні, і замовник може бути впевнений у безпроблемній роботі мережі, середовище передачі якої має значний резерв параметрів.

З погляду узагальненого результату та практичного використання СКС ситуація може бути протилежною. Параметри можуть відповідати категорії 5е, але недостатні для стабільної роботи протоколів. Для користувачів гарантії категорії 5е не мають значення, якщо мережа працює повільно, нестабільно та із зависаннями. Проте замовник неспроможна пред'явити претензії виробнику елементів і виконавцю, якщо договорі не передбачалися гарантії роботи додатків. Невідповідність очікувань і результатів виникає внаслідок непоінформованості осіб, які приймають рішення.

Сучасні тестери забезпечують тестування в діапазоні 350 – 600 МГц та мають наочний інтерфейс. SunSet 10G забезпечує також моніторинг трафіку 10 BASE-T та 100 BASE-TX.

Малюнок 9. Польові тестери та результати вимірювань SunSet 10G

Компанія ITT NS&S сертифікує СКС категорії 6 лише за умови вимірювання тестером Fluke DSP 4000 із спільно розробленим програмним забезпеченням мережевих протоколів. Результати вимірювання ретельно контролюються за допомогою спеціальної програми. Лінії/канали тестуються до частоти 350 МГц і оцінюються на відповідність категорії 6/класу E до частоти 250 МГц.

Слід зазначити, що будь-який пристрій допускає вибір меж вимірювань. Наприклад, категорія 5/5е, клас D, категорія 6 ​​або клас Е. При цьому сертифікація програм може бути відсутня. Існують і інші відмінності: межа категорії 5е/класу D становить 100 МГц, а додатків класу D – 128 – 155 МГц. Логіка тестування визначається установками. При виборі межі додатків (NETS) прилад проведе вимірювання параметрів, показаних на малюнку 5, до частоти 100 МГц з кроком, визначеним стандартом TSB 95. будуть оцінюватися лише дві пари, підключені до контактів 1,2 - 7,8, на межі SNR та значень загасання та перехресних наведень, показаних у таблиці 1.

Отримані результати не однозначні. Обсяг та межі вимірів можна варіювати в широких межах. Не кожен позитивний результат забезпечить безпроблемну роботу мережі, і не кожен негативний результат спричинений дефектом конструктивних елементів або проблемами монтажу СКС. Гарантії марні для користувачів, якщо система не відповідає вищому рівню вимог додатків.

Достовірною ознакою якості СКС є інструментально підтверджені гарантії додатків. Якщо залишається резерв параметрів, гарантії включають можливість збільшення довжини каналів.

Проте технічні параметри елементів і систем, отримані з допомогою конструктивних і виробничих інновацій, не можна реалізувати без підтримки безпосередніх виконавців. Кваліфікація спеціалістів, які створюють системи будь-якого рівня, базується на мережевих послугах ITT NS&S, у тому числі навчанні. Якість продукції, мережевих послуг та професіоналізм партнерів дозволяють надавати та забезпечувати реальні гарантії терміном 25 років і більше.