Проект корпоративной сети звукового обеспечения "Интеллектуального здания" на основе технологии Fast Ethernet

Рисунок 1.1 Величина задержки сигнала в сети EtherSound.

1.3.2 Cobranet

Сетевая технология CobraNet разработана американской исследовательской компанией Peak Audio. Эта технология получила довольно широкое распространение в сфере профессионального аудио оборудования и постепенно стала стандартом де-факто в области транспортировки профессиональных потоковых аудио/видео данных по компьютерным сетям. Компания Peak Audio тесно сотрудничает с одной из крупнейших в мире корпораций по производству полупроводниковых чипов высокой степени интеграции Cirrus Logic , Inc.

Это сотрудничество позволило ускорить продвижение технологии CobraNet путём разработки и производства чипа, исполняющего роль интерфейса-контролера сети CobraNet. Появление данного чипа существенно облегчило внедрение этой передовой технологии во всё большее количество производителей профессионального звукового оборудования [4].

В настоящий момент в основном используется CobraNet второй версии. Вторая версия CobraNet значительно превосходит первую версию по техническим параметрам транспортирования звукового сигнала, а по коэффициенту утилизации Ethernet сетей в десятки раз. Необходимо отметить, что система CobraNet версии 2 обратно совместима с первой версией.

В Peak Audio решили создать систему CobraNet, работающую со стандартными компьютерными сетями. Технология CobraNet позволяет передавать цифровой аудио сигнал повышенного качества, используя стандартное обеспечение Ethernet . Взаимодействуя с оборудованием MediaMatrix, CobraNet распределяет цифровой сигнал со студийным качеством между 64-мя каналами по сетевому протоколу Fast Ethernet 100 Base - TX/FX , используя недорогой кабель CAT5 или оптическое волокно. CobraNet сокращает объём и сложность кабельной инфраструктуры на объекте.
Здесь уже используется не принцип разделения каналов по времени, а адрес конечного пункта, передаваемый вместе с другой информацией, в каждом канале или группе каналов, как в Internet.

В отличие от пакетной передачи компьютерных данных, которые иногда имеют потери, аудиосигнал передается продолжительно без каких-либо выпадений. Теоретически и те, и другие данные могут быть смешаны вместе, но на практике это приведет к слышимым щелчкам, поэтому рекомендуется изолировать сеть CobraNet от общей компьютерной сети.

Два индивидуальных устройства CobraNet могут напрямую коммутироваться между собой. Для соединения большего числа приборов требуется хаб, к которому и подсоединяются все приборы. Каждый входящий сигнал он посылает на все выходы.

Версия CobraNet 2 использует переключаемые хабы, которые читают адреса поступающих данных и посылают их только на нужный выход. Переключаемые хабы также способны отделить CobraNet от других компьютерных устройств. Если какая-то часть системы приходит в негодность, то можно послать сигнал в обход поврежденного участка с минимальной задержкой.

В CobraNet контрольная информация обычно передается вместе с аудиоданными. Она содержит команды, способные автоматически выставить уровень, чувствительность и другие параметры на любом процессоре системы.

В зависимости от используемых хабов и кабелей система может функционировать в радиусе 100 км и нести информацию по ста каналам. Простейшая конфигурация имеет 64 канала и радиус 200 м. Peak Audio конструктивно ограничивает длину кабелей и количество интерфейсов и хабов в цепи. Также компания предлагает список рекомендованных к использованию хабов, конвертеров и переключателей. На рис. 1.2 показан объём занимаемый CobraNet в Ethernet трафике.

Перечислим некоторые особости технологии CobraNet:

· Точная, скоординированная по времени передача данных;

· Асинхронный принцип действия;

· Оборудование CobraNet использует отказоустойчивый, аппаратный подуровень адресации MAC;

· Совместимость с протоколом CSMA/CD;

· Асинхронная/синхронная конвертация звукового сигнала;

· Регулируемая асинхронная передача данных.

· Поскольку сигнал передается в цифровой форме, нет больше проблем с наводками и шумами, а также потерей качества при больших пробегах кабелей. Кроме того, использование оптоволоконного кабеля обеспечивает гальваническую развязку удаленного оборудования.

· Оборудование для передачи сигналов по сети CobraNet чрезвычайно компактно - все интерфейсы имеют высоту 1U. Общая экономия места в аппаратной стойке достигает 50%.

· Для построения сети CobraNet используется недорогое и широко распространенное оборудование стандартной компьютерной сети Fast Ethernet 100Base-T. На большинстве современных объектов такая сеть уже присутствует, поэтому стоимость и сложность монтажных работ сокращается в десятки раз. Кроме того, стоимость витой пары в несколько раз меньше, чем стоимость профессионального микрофонного кабеля.

Протокол CobraNet не использует IP для передачи звуковых каналов и поэтому может работать только в локальных сетях. С его помощью можно строить матричные структуры, которые обеспечивают высокую гибкость и значительно упрощают работу с системами, в которых передается большое количество звуковых каналов.

CobraNet дает возможность передавать 64 звуковых канала (24 бит/48 кГц), используя в качестве транспортного контейнера стандартный кадр Ethernet совместно с информацией об этих каналах. Протокол представляет набор средств, которые позволяют трафик реального времени передавать в сети совместно с трафиками других приложений.

Приборы CobraNet, объединенные в систему, автоматически регулируют время посыла данных между собой; один прибор действует как управляющий и передает синхросигнал по сети, синхронизируя деятельность всех остальных приборов в сети [5].

В сети CobraNet используется три вида пакетов:

· Beat Packet - широковещательный пакет, содержащий параметры для работы сети, синхронизацию и параметры передачи. Beat Packet передается от одного CobraNet-устройства и информирует приемники о начале цикла синхронизации. Так как эти пакеты распространяют информацию о синхронизации, они чувствительны к колебаниям задержки. При проектировании сети необходимо учитывать эту особенность работы протокола. Beat Packet имеют размер 100 байт;

· Isochronous Data Packet - пакеты, использующиеся для передачи звуковой информации. Они имеют размер 1000 байт;

· Reservation Packet - пакеты, необходимые для работы системы резервирования;

· Протокол CobraNet разрабатывался для работы в Ethernet-сетях и поэтому поддерживает все архитектуры, применяемые в Ethernet, и может работать совместно с другими сетевыми приложениями. Звуковые маршрутизаторы могут использоваться в сетях IEEE 802.3u Fast Ethernet и IEEE 802.3z G.Ethernet.

Архитектура сети CobraNet

В случае применения протокола CobraNet необходимо учитывать те ограничения, которые накладывают на сеть IEEE 802.3u особенности его работы. Протокол обеспечивает доставку данных в реальном времени и поэтому нуждается в инфраструктуре, которая создает режим реального времени. Диаметр сети максимально составляет 2560 бит-периодов. Максимальная длина кабеля Category 5 UTP между двумя сетевыми приборами не должна превышать 100 м, включая соединительные кабели. Для больших расстояний рекомендуется использовать оптоволоконный кабель либо кабель UTP длиной 100 м, соединяющий приборы Fast Ethernet по цепочке.

Сетевая инфраструктура должна обеспечивать следующие характеристики:

· изменение задержки во время передачи пакетов укладываться в 0 - 250 мкс;

· задержки при передаче пакетов не могут превышать 400 мкс.

Для управления сетями CobraNet используется стандартный способ на основе протокола SNMP. Такой подход позволяет организовать централизованное управление CobraNet-сетью из единого центра. Станций управления может быть несколько, и они могут располагаться в любом месте сети.

1.4 Обзор аппаратно-программных комплексов СЗО (систем звукового обеспечения)

Аппаратно-программный комплекс СЗО (системы звукового обеспечения) это совокупность аппаратных и программных средств, объединенных общим технологическим решением, предназначенная для реализации в полном объеме задач звукового обеспечения в рамках единой интегрированной системы. Аппаратно-программные комплексы являются наиболее прогрессивной и эффективной формой цифровой системы звукоусиления, поскольку они позволяют выполнять все функции по обработке, коммутации, управлению и мониторингу звука в рамках одного устройства или локальной сети устройств; оптимизировать, упростить и в значительной мере автоматизировать интерфейс управления и мониторинга системой звукоусиления.

1.4.1 Media-Matrix

Система MediaMatrix была разработана американской корпорацией Peavey Electronics Corporation в 1993 году совместно с фирмами Motorola, IBM и Peak Audio. На сегодняшний день она является одним из универсальных инструментов в области создания и управления звуковыми комплексами и системами электросвязи любого масштаба.

"МедиаМатрикс" основана на современных технологиях в области цифрового звука и обеспечивает возможность комплексного решения задач, связанных с системами звукообеспечения на любых объектах. Система представляет собой сочетание аппаратного и программного обеспечения. Ее применение позволяет сократить время и финансовые затраты, необходимые для решения аналогичных задач с помощью стандартного оборудования.

Система "МедиаМатрикс" интегрируется с оборудованием систем:

· видеопоказа;

· синхронного перевода речи, голосования;

· охранного и пожарного оповещения;

· комплексов интегрированного управления и т.д.

Состав системы:

· Центральное ядро составляет системный блок на базе IBM совместимого компьютера. Формат IBM выбран в силу его повсеместной распространенности. Системный блок обеспечивает интерфейс управления, программирования и контроля для плат управления звуком - DSP (от английского Digital Sound Processor - Процессор Цифровой Обработки Звука);

· Платы являются универсальными и обеспечивают различные режимы звукоусиления в поочередном (допустим, для одного помещения) или одновременном варианте.

Для подключения источников и оконечных устройств используются специальные интерфейсы, позволяющие принимать сигналы по аналоговым, цифровым и волоконно-оптическим линиям, а также в любой комбинации из выше перечисленных. Оптимизация уровня и качества аудио сигналов осуществляется на звуковых платах DSP [5].

Cистема MediaMatrix призвана осуществлять следующие функции:

· динамическая обработка всех входных и выходных сигналов (функции гейтов, компрессоров, лимитеров, экспандеров, даккеров и т.д.);

· частотная коррекция входных и выходных сигналов (функции эквалайзеров);

· распределение сигналов между акустическими системами внутри помещения (функции матричного микшерного пульта);

· разделение сигнала на частотные полосы (функции кроссовера) в центральных залах и других помещениях;

· управление работой акустических систем во всех залах (функции процессоров акустических систем);

· согласование во времени работы акустических систем (функция линий задержки);

· сохранение различных вариантов настройки системы;

· управление стереофонической/амбифонической панорамой звука в центральных залах, а также ряд других, в случае пожеланий заказчика (например, программирование «событий», дистанционное управление подсистемами залов, управление внешними устройствами и т.п.);

· интеграция системы MediaMatrix с системами охранной и пожарной безопасности, трансляционной системой, системой оповещения, системой технологического телевидения и т.д.;

· работа в компьютерных сетях;

· передачи всей звуковой информации в волоконно-оптическую сеть или по витой паре.

32-х битное многозадачное программное обеспечение включает в себе четыре прикладные функции: язык программирования DSP высшего уровня, программа проектирования аудиосистем, программа управления и работы в сети, программа диагностики DSP. Всё это делает MWare мощным программным продуктом в области цифрового звука на сегодняшний день. Библиотека MWare содержит сотни приборов готовых к использованию. Если же в ней нет того, что Вам нужно, то у Вас всегда есть возможность создать собственный прибор, на базе элементарных алгоритмов MediaMatrix.

IBM совместимый компьютер

Топология комплекса MediaMatrix всегда строиться по принципу центральный процессор - периферийные устройства, т.е. имеет ярко выраженный центр.

Центральный процессор MediaMatrix MainFrame, по сути, является промышленным специализированным процессором со 100-процентным горячим резервом основных, жизненно важных блоков и систем. Вставляемые в него специальные платы расширения, являются основой всей системы MediaMatrix. Именно в этих платах осуществляются все вычисления и операции с цифровым звуком. Блочно-модульная конструкция центрального процессора предоставляет широчайшие возможности по конфигурированию звуковой системы, делает удобным его обслуживание и позволяет проводить модернизацию системы с минимальными затратами времени и средств.

Серия системных блоков MediaMatrix имеет несколько уровней сложности которые различаются количеством плат цифровой обработки. Основные модели: Miniframe-108nt, Miniframe-208nt, процессоры Mainframe серии 700nt, Mainframe серии 900nt. Все системы MediaMatrix комплектуются высокомощной платой контроллера, жестким диском, дисководом под флоппи-диски и платой цифровой обработки сигнала, оснащенной четырьмя процессорами цифровой обработки сигнала Motorola 56002, подсоединенных к пассивному разъему для большей надежности. Системные блоки управляются эксклюзивной операционной системой цифрового звука MWare, разработанной компанией Peavey, которая работает во всем знакомой среде Windows.

На каждой системе MediaMatrix устанавливается операционная система цифрового звука MWare (версия 3,0 или выше). Эта мощнейшая операционная система позволяет дизайнеру спроектировать систему на экране, используя понятный графический интерфейс. Как только дизайн готов, та же самая операционная система позволяет пользователю регулировать параметры системы с помощью легкого в использовании рабочего экрана. Внешний вид процессорного блока MediaMatrix показан на рис. 1.3

Платы цифровой обработки

Платы цифровой обработки серии MM-DSP являются сердцем аппаратно-программного комплекса MediaMatrixT. На каждой плате установлено по 4 процессора MotorolaR 56002, суммарное быстродействие которых превышает 100 миллионов операций в секунду. В платах MM-DSP реализована эксклюзивная технология кодирования V-Stac, позволяющая удваивать эффективность использования математических ресурсов процессоров. Каждая плата обеспечивает по 32 аудио входа и выхода и осуществляет 24-битную обработку звукового сигнала. С целью повышения точности передачи сигнала расчет параметров фильтров (центральная частота, форма и крутизна характеристики) осуществляется с удвоенной точностью. Внешний вид процессорного платы DSP показан на рис. 1.4

Серия MM-DSP состоит из двух моделей. Первая, MM-DSP-AES используется для обработки сигналов, поступающих на плату в стандартном цифровом аудио формате AES-EBU (до 16 AES3 стерео каналов на плату). Сигналы вводятся на MM-DSP-AES через развязывающий трансформаторный интерфейс 16XT AES/EBU. Вторая модель, MM-DSP-CN разработана для сигналов транслируемых через локальную сеть Ethernet. Ввод/вывод сигнала на MM-DSP-CN осуществляется с помощью цифровых модулей серии CAB. Эти устройства обеспечивают интерфейс между аналоговым звуком и стандартной 10/100T сетью Ethernet с помощью протокола обмена данных CobraNet.

Для плат MM-DSP частота сэмплирования устанавливается программным способом. При этом она должна соответствовать частоте сэмплирования используемой модели цифрового интерфейса. Существует три опции: 32, 44.1, 48 кГц. Для плат MM-DSP-AES также обеспечивается возможность пользовательского выбора частоты сэмплирования. В этом случае она определяется частотой сэмплирования источника цифрового сигнала AES-EBU. Платы MM-DSP-CN используют только наивысшую частоту - 48 кГц.

Спецификация

· Количество цифровых аудио каналов

· до 32 входов и 32 выходов (все модели)

· Тип и количество процессоров DSP

· Motorola 56002 по 4 шт. на плату

· Разрешение обработки

· 24 бита

Частота сэмплирования

· MM-DSP-AES: 32, 44.1, 48 кГц (программно)

· MM-DSP-CN: 48 кГц

Быстродействие

· MM-DSP-AES: 136 MIPS

· MM-DSP-CN: 168 MIPS

Пропускающая способность цифровой шины

· 256 каналов между платами

· 256 каналов между процессорами (чипами)

Технология кодирования

· V-Stoc

Коммутационные разъемы

· MM-DSP-AES: 1 штука DB-37 ("мама") на плате + 1 штука на дополнительной плате (входит в комплект)

· MM-DSP-CN: 1 штука. RJ-45

Вес

· 450 г (все модели)

Потребляемая мощность

· 25 Вт

Теплоотдача

· 24 Вт

Устройства (интерфейсы) преобразования аналоговых, цифровых сигналов в специальный формат для передачи по волоконно-оптическим линиям и витой паре и обратного преобразования

В оборудовании MediaMatrix существует два типа оборудования CobraNet , это:

· встраиваемые в центральный процессор платы расширения DSP - CN , в которых помимо всех вычислительных операций осуществляется конвертация цифрового звукового сигнала в специальный формат для передачи по сети CobraNet;

· Интерфейсы-конверторы CAB 16i , CAB 16o , CAB 8i , CAB 8o, CAB 16d и X - Bridge, выполняющие обратную конвертацию из формата CobraNet в аналоговый или цифровой (AES / EBU ) формат, в зависимости от модели.

Всё выше причисленное оборудование построено по одинаковому технологическому принципу, это принцип наглядно проиллюстрирован на

Интерфейсы-конверторы оборудования MediaMatrix T , делаться на четыре категории:

· аналого-цифровой - CAB 16i , CAB 8i;

· цифро-аналоговый - CAB 16o , CAB 8o;

· цифро-цифровой - CAB 16d;

· аналогово-цифро-аналоговый мост-интерпретатор X - Bridge (16XT AES/EBU).

Цифровые интерфейсы CAB-8i / CAB-8o

Модели CAB-8i и CAB-8o представляют собой 8- канальные интерфейсы для передачи сигналов по сети Ethernet аналоговыми звуковыми устройствами и платами MM-DSP, установленными в центральном процессоре аппаратно-программного комплекса MediaMatrix. Высокое качество передачи, отсутствие компрессии, ошибок и «выпадения» сигналов обеспечивается специальным протоколом передачи аудио сигнала CobraNet, разработанным для применения в сетях 100BaseT Ethernet.

CAB 8i располагает 8 симметричными аналоговыми входами, чувствительность которых позволяет подавать на них сигналы как микрофонного, так и линейного уровня. Коэффициент усиления для каждого канала независимо регулируется в пределах от -9 до +60 дБ с шагом 1 дБ. На каждом канале предусмотрен независимый источник фантомного питания 48 В и постоянный аттенюатор («pad») сигнала 20 дБ. Включение этих функций, как и регулировка коэффициента усиления осуществляется программным способом. Преобразованные в цифровую форму сигналы CAB-8i отправляет в сеть Ethernet и дальше на центральный процессор MediaMatrix.

CAB-8o имеет 8 симметричных аналоговых выходов. Интерфейс принимает по сети Ethernet обработанный на платах MM-DSP сигнал, преобразует его в аналоговую форму и подает на оконечные устройства 8 независимых сигналов.

Помимо звуковых оба устройства также имеют в своем составе: 8 управляемых по напряжению входных портов, 8 логических выходных портов, 8 управляемых программным способом реле, порт RS-485 и два параллельных порта синхронизации BNC.

Цифровые интерфейсы CAB-16i / CAB-16o

Модели CAB-16i и CAB-16o представляют собой 16-канальные интерфейсы для передачи сигналов по сети Ethernet аналоговыми звуковыми устройствами и платами MM-DSP, установленными в центральном процессоре аппаратно-программного комплекса MediaMatrix. Высокое качество передачи, отсутствие компрессии, ошибок и «выпадения» сигналов обеспечивается специальным протоколом передачи аудио сигнала CobraNet, разработанным для применения в сетях 100BaseT Ethernet.

CAB 16i располагает 16 симметричными аналоговыми линейными входами, каждый из которых снабжен индивидуальным светодиодным индикатором уровня на передней панели устройства. Регулировка коэффициента усиления для каждого канала осуществляется программным способом. Преобразованные в цифровую форму сигналы CAB-16i отправляет в сеть Ethernet и дальше на центральный процессор MediaMatrix.

CAB-16o имеет 16 симметричных аналоговых выходов. Интерфейс принимает по сети Ethernet обработанный на платах MM-DSP сигнал, преобразует его в аналоговую форму и подает на оконечные устройства 16 независимых сигналов.

Помимо звуковых входов и выходов оба устройства также имеют в своем составе порт управления RS-485.

1.4.2 Audia

Целью основанной более 25 лет назад американской компании Biamp стало создание инсталляционной звуковой аппаратуры (усилителей, микшеров, процессоров), обладающей как высоким качеством звука, так и не менее высокой надежностью.

Другой особенностью продукции Biamp являются широкие возможности для дистанционного управления аппаратурой. Большинство блоков не имеют органов управления на лицевой панели, зато легко управляются с помощью настенных и переносных панелей, ПК, ИК-пультов. С одной стороны, это существенно облегчает жизнь пользователям аппаратуры, с другой - помогает предотвратить случаи несанкционированного вмешательства в работу аппаратуры. Особое место среди продукции фирмы Biamp занимает цифровая платформа Audia. Внутри матричной платформы Audia находятся шесть мощных цифровых процессоров, с помощью которых пользователь может создать собственную конфигурацию системы, включающую средства маршрутизации и обработки сигналов, присутствующих на каждом из входов

Программа компиляции дает возможность разработчику (оператору, пользователю) создать конфигурацию любой сложности с отображением ее на экране компьютера [6].

Цифровой сигнальный процессор

Семейство Audia включает матрицу с модульной структурой входов/выходов Audia Flex и матрицу с фиксированной (8 х 8, 12 х 4, 4 х 12) структурой входов/выходов Аudia Solo. Две и более платформы могут объединиться в сеть. При этом управление всеми компонентами, которые могут быть расположены в различных местах, производится по сети Ethernet с любой точки здания с ПК имеющего доступ в локальную сеть, а аудио потоки передаются по WLAN (технология CobraNet) в цифровом виде.

Audia Flex - каждый блок Audia Flex имеет 12 слотов для двухканальных входных и выходных модулей, т.е. до 24 каналов входов/выходов. Вы можете выбрать любую конфигурацию входов/выходов (12 х 12, 16 х 8, 4 х 18 и т.д.) для создания именно той системы, которая вам требуется. Две и более платформ Audia с помощью технологии CobraNet могут объединяться для расширения системы и объединения вычислительных мощностей платформ. Для загрузки файлов и управления системой используется сеть Ethernet или популярные контроллеры Crestron, AMX и т.п.

Сетевые технологии для управления и передачи цифровых потоков позволяют реализовать распределенные системы с размещением платформ Audia в различных местах и возможностью управления комплексом (или его отдельными частями) из различных точек. Эта особенность важна для сложных комплексов, таких как конгресс-центры, развлекательные, образовательные и административные центры.

Кроме входных и выходных модулей в Audia Flex могут быть установлены двухканальные модули подавления акустического эха АЕС и телефонного интерфейса TI2. Комбинация TI2 с модулем АЕС делает платформу Audia наиболее мощным, гибким и эффективным средством для телеконференций.

Audia Solo - экономичный вариант платформ c фиксированной конфигурацией и контролем/управлением по порту Ethernet, но без CobraNet. Существует три конфигурации Audia Solo отличающихся по количеству входов/выходов - 8х8, 12х4, 4х12.

Внешний вид процессора Audia Flex показан на рис 1.6

Для увеличения мощности существующей системы могут использоваться расширители количества входов/выходов: EXPI - модуль на восемь входов, EXPO - модуль на восемь выходов, подключаемые к основному блоку по каналу CobraNet.
Версии EXPI-D и EXPO-D предназначены для работы с цифровыми входными и выходными линиями AES3, SPDIF, Toslink [7].

Платформа Audia может управляться с помощью ПК или/и восьмиканальных панелей управления, врезаемых в стену или мебель (Volume 8, Select 8, Volume/Select 8).

Кроме того, блок 20 логических входов/выходов Logic box обеспечивает пользовательский интерфейс управления между платформой Audia и внешними устройствами (пользовательскими панелями управления, индикаторами состояния, реле и т.п.).

Системы Audia могут быть использованы для создания системы многопрограммной трансляции музыкально-речевых программ в независимые помещения т.к. управление выбором канала трансляции и уровнем громкости может осуществляться не только с помощью ПК, но и с панелей управления.

1.5 Обзор коммутационного оборудования

1.5.1 Телекоммуникационный шкаф

Телекоммуникационные шкафы в общем случае рассматриваются как устройства, предназначенные для обслуживания горизонтальной распределительной системы. Кроме этой основной функции, они могут выполнять и дополнительные - в них допускается размещение промежуточных и главных кроссов. Ниже перечислены некоторые спецификации, относящиеся к каблированию телекоммуникационных шкафов.

Не разрешается использовать перетерминирование горизонтальных кабелей для внесения штатных изменений в кабельную систему. Для этих целей следует использовать кроссировочные перемычки и пэтч-корды.

Устройства, предназначенные для поддержки специфических приложений (например, разного рода адаптеры), не могут быть частью горизонтальной кабельной системы и должны устанавливаться вне по отношению к горизонтальному кроссу.

Для избежания деформирования кабелей вследствие тугого скручивания в пучки, слишком крутых изгибов и растягивающих усилий, следует использовать оборудование, специально предназначенное для укладки и маршрутизации кабельных потоков.

Кабели и шнуры, используемые для подключения активного оборудования, не рассматриваются стандартом в качестве элементов кабельной системы. Максимально допустимая суммарная длина всех пэтч-кордов и аппаратных шнуров на обоих концах линии - 10м. Внешний и внутренний вид шкафов показан на рис. 1.8

Разрешается использовать только оборудование, соответствующее требованиям стандартов. Телекоммуникационные шкафы должны быть спроектированы и оборудованы в соответствии с требованиями стандарта ANSI/EIA/TIA-569.

Подключение активного оборудования в телекоммуникационном шкафу разрешается осуществлять с помощью двух типов соединений - "межсоединения" и "кросс-соединения".

Кросс-соединение - применяется для коммутации кабельных подсистем между собой и для подключения активного оборудования с многопортовыми коннекторами. Многопортовыми коннекторами называются конструкции, узлы, с помощью которых реализуется одновременное подключение более одного (нескольких) адресного телекоммуникационного порта. Типичным образцом многопортового коннектора является так называемый Telco-коннектор (коннектор "телефонной компании", Telephone Company connector) - 25-парный коннектор, нашедший массовое применение в телефонии для подключения офисных АТС или РВХ, а также иногда используемый для подключения активного сетевого оборудования. Метод кросс-соединения в отличие от описанного ниже метода межсоединения позволяет гибко переконфигурировать кабельную систему во всех случаях, но в то же время и требует наличия в кроссе, как минимум, двух единиц коммутационного оборудования, что повышает стоимость системы. Если понятие "кросс" (cross-connect) используется для определения средства, позволяющего осуществлять терминирование кабелей и их межсоединение или кросс-соединение (или оба) с помощью пэтч-кордов, кроссиро-вочных перемычек или кабелей активного оборудования, то понятие "кросс-соединение" (cross-connection) относится к конкретной конфигурации, в которой кабели и пэтч-корды или перемычки используются для коммутации отдельных распределительных полей, обслуживающих горизонтальную и магистральную кабельные системы и оборудование телекоммуникационных помещений.

Межсоединение - разрешается использовать только для подключения активного оборудования с однопортовыми коннекторами. В противоположность многопортовым коннекторам однопортовые позволяют осуществлять коммутацию между собой только двух адресных портов. Метод межсоединения полезен в тех случаях, когда производиться подключение к кабельной системе активного оборудования с однопортовыми (модульными) коннекторами, которое само по себе как бы является единицей коммутационного кроссового оборудования, такого, например, как пэтч-панель. В этом случае появляется возможность неограниченного переключения адресных портов и, за счет исключения второй единицы коммутационного оборудования из конфигурации кросса, снижение затрат на подключение.

1.5.2 Пэтч-корды

Пэтч-корд представляет собой короткий отрезок гибкого кабеля, терминированный с обоих концов 8-позиционными модульными вилками. Пэтч-корд аналогичен пользовательским шнурам на рабочем месте и в телекоммуникационном шкафу. В общем, все эти кабельные шнуры упоминаются под разными названиями, отражающими в большей степени их назначение, а не конструкцию.

Например, шнур, коммутирующий две точки подключения (patch) называется пэтч-кордом или шнуром переключения, а идентичный ему шнур, коммутирующий точку подключения и хаб носит название аппаратный шнур или шнур активного оборудования. Шнур, соединяющий рабочую станцию с коннектором телекоммуникационной розетки также называется аппаратным шнуром. Аппаратные шнуры иногда носят название пользовательских шнуров, поскольку они в основном подключаются конечным пользователем, а не монтажником. И, наконец, все эти шнуры иногда называют кабелями. Единственной условной чертой, отличающей пэтч-корд от пользовательского шнура, является его меньшая длина.

Основной характеристикой пэтч-корда является его гибкость. Это означает, что он должен быть изготовлен из многожильных проводников и иметь гибкую пластиковую внешнюю оболочку. Как правило, пэтч-корды состоят из четырех медных многожильных пар 100 0м с размером проводника 24 AWG в пластиковой изоляции и в общей пластиковой оболочке. Разрешается использовать проводники размером 22 AWG, но применяются они редко. Пластиковая изоляция - это обычно PVC (ПВХ) или компаунд со сходными характеристиками. Поскольку пэтч-корды используются на рабочих местах и в телекоммуникационных шкафах, не являющихся пространствами категории plenum, они не требуют применения специальных материалов оболочки.

Цветовая кодировка проводников пэтч-кордов может быть самой разнообразной, но, в основном, применяется стандартный 4-парный код. Стандарт TIA 568-А, кроме основного, предлагает альтернативный цветовой код, в который входят восемь уникальных сплошных цветов.

Для пэтч-кордов существует отдельная система требований к рабочим характеристикам, которые несколько отличаются от характеристик горизонтального кабеля. Большинство требований к передающим свойствам такие же, за исключением допущения увеличения затухания на 20% (TIA 568-А) по сравнению с одножильными проводниками и некоторых требований к конструкции. Это требование более жесткое по сравнению с требованием ISO 11801, в котором допустимое отклонение значений затухания определено в 50%. Пределы затухания различны для трех категорий рабочих характеристик и определены для длины 100 м. При приобретении готовых пэтч-кордов необходимо удостовериться, что они сертифицированы производителем на соответствие требованиям стандарта TIA 568-А к определенной категории рабочих характеристик. Сертификационное тестирование независимой организацией, такой как, например, UL, является показателем качества и гарантий. Тестирование пэтч-кордов представляет собой довольно сложную задачу для конечного пользователя и для производителя. Стандарты содержат детальные спецификации требований к рабочим характеристикам кабельных компонентов и коммутационного оборудования, но на настоящий момент не существует спецификаций для пэтч-кордов в сборе. Кроме этого, некоторые тесты, такие как тест NEXT, дают не достоверные результаты для линий короче 15 м вследствие явления, называемого резонансом. Многие тестеры не способны измерять характеристики кабеля короче 6 м. Производители телекоммуникационных компонентов для тестирования пэтч-кордов используют сетевые анализаторы - лабораторные анализаторы частотных характеристик с высокими уровнями точности измерений. Вследствие этого, при изготовлении пэтч-кордов в непроизводственных условиях единственной гарантией качества рабочих характеристик пэтч-корда является использование высококачественных компонентов, и тщательное соблюдение технологических правил. Качество работы имеет первостепенное значение, поскольку необходимо произвести развитие пары перед присоединением модульной вилки. Если развитие пары не удалось минимизировать, вилка терминированная подобным образом, внесет свой вклад в деградацию рабочих характеристик линии в гораздо большей степени, чем недостатки ее конструкции. Именно по этой причине, вследствие неотвратимого развития пар при терминировании, конструкция модульной вилки до сих пор не имеет спецификаций высокочастотных рабочих характеристик. В Приложении B к стандарту TIA 568-А показаны и описаны детальные процедуры сборки и терминирования пэтч-кордов.

1.5.3 Коннекторы

Кабельные коннекторы.

В данном разделе рассмотрены три основных типа "медных" кабельных коннекторов - модульные коннекторы, коаксиальные коннекторы и коннекторы IBM Data, - и волоконно-оптические коннекторы. Модульный коннектор является наиболее распространенным в современных телекоммуникационных системах вследствие растущего использования кабелей витая пара. Коаксиал в течение продолжительного времени использовался в традиционных системах Ethernet и Arcnet, но постепенно он исключается из большинства инсталляций. Коннектор IBM Data Connector является одним из основных компонентов в системах на основе ЭВП и специфицирован для применения стандартом TIA 568-А.

Модульные коннекторы.

Основой информационной розетки является модульный разъем. Проводники, покрытые пленкой золота, обеспечивают стабильный, надежный электрический контакт с ламелями модульной вилки. Качество контакта также улучшается за счет механизма притирки проводников разъема и ламелей вилки во время ее вставления в разъем. Корпус розетки снабжен интегрированным замком, который после вставления вилки позволяет выдерживать значительные усилия растяжения на стыке розетка-вилка.

Модульный разъем в информационной розетке может быть двух видов - 6- или. 8-позиционным. Контакты во всех разъемах нумеруются слева направо по отношению к передней стороне разъема при ориентированном вниз ключе замка.

Модульные коннекторы, используемые в телекоммуникационных системах, аналогичны коннекторам, применяемым в кабельных системах телефонии. Коннектор существует в нескольких вариантах размеров и конфигураций контактов, начиная с четырех и заканчивая восемью позициями и от двух до восьми контактов. Самым популярным типом разъема является так называемый USOC (Universal Service Order Code), имеющий номенклатурные префиксы "RJ", за которыми следует номер серии. Часто этими названиями пользуются для обозначения приложений, не имеющих к коду никакого отношения. Так, например, обычную 6-контактную телефонную вилку часто называют RJ-11, а 8-контактную модульную вилку - RJ-45. 8-контактная модульная вилка используется в соответствии с TIA 568-А как для телефонии, так и для приложений передачи данных, 8-контактный модульный разъем также служит интерфейсом для таких приложений как 10BaseT, 100BaseT, 100VG-AnyLAN, Token-Ring/UTP.

8-позиционный модульный разъем очень часто неверно называют именем специализированного коннектора RJ-45. Кабельные коннекторы RJ-45 показаны на рис. 1.9

Схема разводки интерфейса RJ-45 (включающая в себя интерфейсный программный резистор) настолько радикально отличается от схем Т568А и Т568В, что нет абсолютно никаких оснований для смешивания этих двух названий. Правильное название для разъема - "8-позиционный модульный". В действительности все модульные коннекторы с одинаковым количеством позиций конструкционно одинаковы до момента терминирования. После терминирования возможно называть их по имени схемы разводки. Например, при реализации интерфейса и схемы разводки 10BaseT можно подключить только четыре пары 8-позиционного модульного разъема. В этом случае, он не может называться ни Т568А, ни В, так как обе эти схемы требуют подключения всех восьми контактов. Также он не будет соответствовать схеме RJ-45, так как схема разводки будет неверной, а программный резистор отсутствовать.

8-позиционный модульный разъем, используемый в стандартных кабельных и стемах, описан в стандарте IEC 603-7. Этот же разъем определен в стандарте TIA 568-А и сопутствующих документах, а также в ISO/IEC IS-11801.

Модульные коннекторы, в основном, предназначены для терминирования кабелей с многожильными проводниками. Первоначально коннектор был создан для терминирования плоского кабеля, состоящего из 2-8 многожильных проводников. Его назначение было ограничено аудиочастотами телефонных линий, хотя официально его рабочие частотные характеристики определены до 3 МГц. К сожалению, промышленность не только вынуждена использовать эти коннекторы на частотах намного превышающие специфицированные стандартом, но и использовать их для терминирования витых пар круглых кабелей. Для того, чтобы разрешить использование модульных коннекторов на рабочих частотах кабельных систем от 10 до 100 МГц, TIA просто определяет критерии рабочих характеристик (в основном, затухание и NEXT), которым должен соответствовать коннектор. При условии соответствия конкретного коннектора этим спецификациям, он может быть использован для работы с приложениями до категории 5.

Существуют модульные коннекторы, предназначенные для терминирования одножильных проводников, несмотря на то, что терминирование одножильных проводников даже с помощью специальных коннекторов настоятельно не рекомендуется. Модульный контакт представляет собой плоский контакт с заостренным концом, который при терминировании прорезает изоляцию проводника и создает электрический контакт с медным многожильным проводником. Контакт может создаваться в одной или нескольких точках [9].

Если применять эту технологию к одножильному проводнику, при терминировании он может сдвинуться в сторону от концов контакта и может образоваться неполноценный контакт или вообще отсутствие контакта. По этой причине контакты для терминирования одножильных проводников имеют три заостренных выступа на нижней стороне. При терминировании проводник центрируется между тремя выступами и удерживается ими с созданием надежного контакта.

Экранированные модульные вилки были разработаны для терминирования экранированных кабелей различных типов. Как правило, вилка состоит из стандартного модульного коннектора с металлическим рукавом, проходящим по внешней поверхности коннектора и повторяющего его форму. При использовании таких вилок необходимо применять розетки, совместимые с этими вилками для обеспечения правильного функционирования экрана. Иногда заземляющий проводник экрана кабеля может терминироваться на одном из контактов вилки 8-позиционного модульного разъема, но при этом утрачивается возможность стандартного соединения четырех сбалансированных пар. Единственным экранированным коннектором, рекомендованным стандартом TIA, является так называемый IBM Data Connector (STP-A, 2 пары, 150 0м).

1.5.4 Терминирование модульных коннекторов.

Процедура терминирования кабеля модульной вилкой заключается в следующем. Оболочка кабеля удаляется на расстояние как минимум 20 мм от конца проводников. Пары раскладываются в том порядке цветов, который соответствует выбранной схеме разводки (например, 1-2, 3-6, 4-5 и 7-8).

Цвет первых двух пар зависит от выбранной схемы - Т568А или Т568В. Концу оболочки кабеля придается плоская форма для обеспечения возможности расположения пар в один ряд. Пары развиваются вплоть до края оболочки кабеля. Проводники раскладываются таким образом, чтобы формировался плоский слой из параллельно расположенных проводников. Проводник 6 должен пересекать проводники 4 и 5 так, чтобы кроссовер находился на расстоянии не более 4 мм от края оболочки кабеля.

Проводники подрезаются на расстояние около 14 мм от края оболочки кабеля. Вилка помещается на проводники так, что они проходят до терминационных каналов в вилке, а оболочка кабеля заходит в вилку, по крайней мере, на расстояние 6 мм. Вилка обжимается с помощью специального обжимного инструмента. После терминирования обоих концов кабеля, он проверяется на непрерывность и схему разводки.

1.6. Обзор активного оборудования

Трансивер (Transiever) - это двухпортовое устройство, имеющее с одной стороны, MII интерфейс, с другой - один из средозависимых физических интерфейсов (100Base-FX, 100Base-TX или 100Base-T4). Трансиверы используются сравнительно редко, как и редко используются сетевые карты, повторители и коммутаторы с интерфейсом MII.

Сетевая карта (Netcard). Наиболее широкое распространение получили сетевые карты с интерфейсом 100Base-TX на шину PCI. Необязательными, но крайне желательными, функциями порта RJ-45 являются автоконфигурирование 100/10 Мбит/с и поддержка дуплексного режима. Большинство современных выпускаемых карт поддерживают эти функции. В настоящее время набирает обороты выпуск сетевых карт с поддержкой 1000 Мбит/сек. Выпускаются также сетевые карты с оптическим интерфейсом 100Base-FX - с основным оптическим разъемом SC на многомодовое волокно.

Конвертер (Convertor) - это двухпортовое устройство, оба порта которого представляют средозависимые интерфейсы. Конвертеры, в отличие от повторителей, могут работать в дуплексном режиме. Распространены конвертеры 100Base-TX/100Base-FX.

Повторитель (Repeater) - многопортовое устройство, которое позволяет объединить несколько сегментов. Принимая кадр или сигнал коллизии по одному из своих портов, повторитель перенаправляет его во все остальные порты. Распространены устройства с несколькими портами на витую пару (12, 16 или 24 порта RJ-45), одним портом BNC и одним портом AUI. Повторители работают на физическом уровне модели OSI. По параметру максимальных временных задержек при ретрансляции кадров, повторители Fast Ethernet подразделяются на два класса:

Класс I. Задержка на двойном пробеге RTD не должна превышать 130 BT. В силу менее жестких требований, повторители этого класса могут иметь порты T4 и TX/FX, а также объединяться в стек.

Класс II. К повторителям этого класса предъявляются более жесткие требования по задержке на двойном пробеге: RTD < 92 BT, если порты типа TX/FX, и RTD < 67 BT, если все порты типа Т4. (В силу значительных отличий в организации физических уровней возникает большая задержка кадра при ретрансляции между портами интерфейсов Т4 и TX/FX. Поэтому повторители, совмещающие в пределах одного устройства порты Т4 с TX/FX отнесены к классу I.).

Коммутатор (Switch) - одно из наиболее важных устройств при построении корпоративных сетей. Коммутатор работает на втором канальном уровне модели OSI. Главное назначение коммутатора - разгрузка сети посредством локализации трафика в пределах отдельных сегментов.

Ключевым звеном коммутатора является архитектура без блокирования (non-blocking), которая позволяет установить множественные связи Ethernet между разными парами портов одновременно, причем кадры не теряются в процессе коммутации. Сам трафик между взаимодействующими сетевыми устройствами остается локализованными. Локализация осуществляется с помощью адресных таблиц, устанавливающих связь каждого порта с адресами сетевых устройств, относящихся к сегменту этого порта. Таблица заполняется в процессе анализа коммутатором адресов станций отправителей в передаваемых ими кадрах. Кадр передается через коммутатор локально в соответствующий порт только тогда, когда адрес станции назначения, указанный в поле кадра, уже содержится в адресной таблице этого порта. В случае отсутствия в таблице адреса станции назначения, кадр рассылается во все остальные сегменты. Если коммутатор обнаруживает, что MAC-адрес станции назначения приходящего кадра находится в таблице MAC-адресов, приписанной за портом, то этот кадр сбрасывается - его непосредственно получит станция назначения, находящаяся в данном сегменте. И, наконец, если приходящий кадр является широковещательным (broadcast), т.е. если все биты поля MAC-адреса получателя в кадре задаются равными 1, то такой кадр будет размножен коммутатором (подобно концентратору), т.е. направляются во все остальные порты.

Концентратор (Hub) - это многопортовый повторитель сети с автосегментацией. Все порты концентратора равноправны. Получив сигнал от одной из подключенных к нему станций, концентратор транслирует его на все свои активные порты. При этом, если на каком-либо из портов обнаружена неисправность, то этот порт автоматически отключается (сегментируется), а после ее устранения снова делается активным. Автосегментация необходима для повышения надежности сети. Обработка коллизий и текущий контроль состояния каналов связи обычно осуществляется самим концентратором. Концентраторы можно использовать как автономные устройства или соединять друг с другом, увеличивая тем самым размер сети и создавая более сложные топологии.

Маршрутизатор (Router) - Основной функцией маршрутизаторов является обеспечение соединений (маршрутов передачи данных) между узлами различных сетей, которые могут быть разделены значительным географическим расстоянием и несколькими промежуточными сетями. Маршрутизатор создает канал передачи данных, находя подходящий маршрут и инициируя первоначальное соединения по этому маршруту.
На практике маршрутизация реализуется аппаратно-программным обеспечением, работающим на сетевом уровне эталонной модели OSI. Аппаратные средства маршрутизации могут быть как внутренними, так и внешними. Внутренние маршрутизаторы представляют собой специальные платы, устанавливаемые в разъем расширенного компьютера и питающиеся от общего блока питания. Внешние маршрутизаторы - это отдельные устройства со своим собственным блоком питания.
Задача маршрутизатора состоит в поиске маршрута для передачи пакетов данных от узлов одной сети к другой и в пересылке пакетов по этому маршруту. Маршрутизаторы работают на сетевом уровне и поэтому являются протоколо-независимыми. Это связано с тем, что в пакетах различных протоколов используются разные форматы адресных полей. Например, маршрутизатор, предназначенный для использования с протоколом IP (Internet Protocol), не сможет корректно обрабатывать пакеты с адресами в формате ISO и наоборот. Большинство маршрутизаторов поддерживают несколько протоколов канального уровня. Ранние модели маршрутизаторов работали лишь с одним сетевым протоколом, а современные поддерживают одновременно несколько протоколов.
Особенности работы маршрутизатора позволяют использовать его в качестве пакетного фильтра. Независимость от протоколов канального уровня позволяет использовать маршрутизаторы для объединения сетей с различными архитектурами -- например, соединения сетей Ethernet и Token Ring или Ethernet и FDDI.

Мост (bridge) - устройство, предназначенное для передачи пакетов данных из одной сети в другую. С функциональной течки зрения, мосты относятся к канальному уровню эталонной модели OSI. Мосты позволяют программам и протоколам, работающим на более высоких уровнях, рассматривать объединение нескольких сетей, как одно целое.
Наряду с передачей данных, мосты могут, также, выполнять их фильтрацию. Это означает, что в сеть N2 будут попадать только те пакеты, которые предназначены для узлов этой сети. А пакеты, предназначенные для узлов сети N1, из которой они поступают, будут возвращаться обратно.
Значения терминов «мост» и «маршрутизатор» во многом сходно. Основное отличие от мостов состоит в том, что маршрутизаторы работают на сетевом уровне эталонной модели OSI.

Канал (Channel) - Каналом называется физический или логический путь для передачи сигналов. В контексте компьютерных сетей чаще всего встречаются упоминания каналов двух типов: коммуникационных и дисковых. Коммуникационным каналом называется маршрут, по которому происходит передача данных, речи или видеоизображения. Современные технологии передачи данных позволяют организовывать несколько коммуникационных каналов внутри одного физического кабеля.
Дисковым каналом, в конфигурации с жестким диском, называются компоненты, посредством которых осуществляется взаимодействие операционной системы с накопителем на жестком диске.

1.7 Обзор физической среды передачи

1.7.1 Витая пара

Витая пара (twisted pair) - это кабель на медной основе, объединяющий в оболочке одну или более пар проводников. Каждая пара представляет собой два перевитых вокруг друг друга изолированных медных провода. Кабели данного типа зачастую сильно отличаются по качеству и возможностям передачи информации. Соответствия характеристик кабелей определенному классу или категории определяют общепризнанные стандарты (ISO 11801 и TIA-568). Сами характеристики напрямую зависят от структуры кабеля и применяемых в нем материалов, которые и определяют физические процессы, проходящие в кабеле при

передачи сигнала.

Кабель типа "витая пара" (TP, Twisted Pair) бывает двух видов: экранированная витая пара (STP, Shielded Twisted Pair) и неэкранированная витая пара (UTP, Unshielded Twisted Pair). Также подразделяется на одножильную и многожильную витую пару, а также витую пару для внешней прокладки. Кабели UTP и STP показаны на рис. 1.10

Рисунок 1.10 - Кабель витая пара

Неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair): разделяется на категории 1,2,3,4,5,5e,6;7. Самые распространённые в настоящее время категории - 5 и 5е, со скоростью передачи данных 10,100 и 1000 Мб/с. Кабели выпускаются в 4-парном исполнении. Все пары имеют определённый цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две - для передачи голоса. Для соединения кабеля с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45. Диаметр кабеля: 22 AWG, 24 AWG, 26 AWG. Чем больше номер, тем меньше его диаметр.

Экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair): разделяется на категории 5,5e,6,7. Основное назначение этих кабелей - поддержка высокоскоростных протоколов. Экранированная витая пара хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех и используется только для передачи данных [10].