BAZA ZNANJA

Kurs: -- Računarske mreže

Modul: Hardverska infrastruktura računarskih mreža

Autor: Predrag Matorkić

Naziv jedinice: Strukturno kabliranje

Mrežni kablovi su jedan od tri najvažnija činioca u procesu umrežavanja i kao takvi su odgovorni za prenos električnog ili svetlosnog impulsa od izvora do odredišta, odnosno od predajnika do prijemnika. Da bi bilo koja mreža funkcionisala bez ometanja mrežni kablovi moraju biti određenog tipa i kvaliteta. Nije svejedno koji kabl se postavlja i gde. Računarske mreže današnjice rade sa velikim brzinama prenosa električnih impulsa i omogućavaju brzu razmenu informacija i podataka ali su istovremeno podložni različitim spoljnim uticajima kao što su vremenske prilike, elektromagnetna zračenja, fizička dejstva, itd. i koji u velikoj meri mogu uticati na kvalitet i brzinu prenosa signala kroz kablove.

Svi tipovi mrežnih kablova imaju neke zajedničke strukturne osobine, odnosno zajedničko im je da svi imaju: spoljni omotač, unutrašnji omotač, zaštitni omotač i bakarni provodnik ili provodnike. Kada su u pitanju optički kablovi oni se razlikuju po svojoj strukturi od kablova sa bakarnim provodnicima o čemu će biti reči u kasnijem delu teksta. U zavisnosti od ovih parametara i parametara specifičnih za određene tipove kablova (kao što je frekvenca uplitanja parica, kvalitet zaštitnog omotača, itd.) zavisi kvalitet kabla odnosno određuje se njegova namena u procesu prenosa mrežnog signala. Na slici su dati primeri poprečnog preseka mrežnog kabla sa jednim i sa više bakarnih provodnika.

Slika 5: Primeri poprečnih preseka mrežniih kablova

Generalno kablovi za računarske mreže dele se na tri kategorije:

1. Twisted pair cables (ili parični kablovi)
2. Coaxial cables (ili koaksijalni kablovi)
3. Fiber-optic cables (ili optički kablovi)

Twisted pair kablovi (parični kablovi) se koriste u Ethernet tehnologiji sa kojom će te se najčešće susretati u svom radu. Kabl se strukturno sastoji od četiri para upletenih bakarnih provodnika, osam provodnika ukupno, pri čemu svaki bakarni provodnik ima zaseban unutrašnji omotač. Svi provodnici zajedno su zaštićeni zajedničkim zaštitnim omotačem koji sprečava ili umanjuje spoljna elektromagnetna zračenja dok ih spoljni omotač štiti od spoljnih fizičkih uticaja, oštećenja, itd. Twisted pair kablovi se kategorizuju za različite brzine. Svaki kabl nosi oznaku kategorije po međunarodnom standardu Cat(n) - gde je (n) broj kategorije kojoj kabl pripada. Kategorije do sada: Cat1, Cat2, Cat3 (za Ethernet mreže brzine do 10 Mbit/s), Cat4 (za Token Ring mreže brzina do 16 Mbit/s), Cat5 (za Ethernet mreže do 100 Mbit/s), Cat5e (za Ethernet mreže od 100 i 1000 Mbit/s), Cat6 (za Ethernet mreže od 1 Gbit/s) i Cat7 (u razvoju). Danas u najvećoj upotrebi su kablovi kategorija Cat5e i Cat6. Twisted pair kablovi se po standardu koriste do 100 metara udaljenosti. U slučaju da je potrebna veća udaljenost na svakih 100 metara mora postojati mrežni uređaj koji će vršiti pojačanje signala (Hub, Switch). Naravno, ni to proširenje nije neograničeno i maksimalni broj pojačanja po standardu je 5. Sledeća podela je na podkategorije definisane nivoima zaštite koju poseduju i to: UTP kablovi, STP kablovi i u novije vreme FTP kablovi sa svojim podkategorijama.

UTP (Unshielded Twisted Pair) mrežni kablovi su fleksibilni (lako savitljivi) i poseduju manji nivo zaštite na elektromagnetna zračenja. Parični provodnici se sastoje od više tankih bakarnih niti međusobno isprepletanih sa ciljem dobijanja odgovarajuće fleksibilnosti celokupnog kabla. Može se desiti da pri upotrebi ovog tipa kablova dođe do problema sa tzv. preslušavanjem, tj. da se različiti signali detektuju u kablu zbog njegove slabe zaštite od elektromagnetnih zračenja (slično situacijama kada se mešaju signali na stabilnim telefonskim linijama). Za konekciju sa računarima i mrežnom opremom koriste standardni priključak tip RJ45 (eng. Register Jack). Zbog svoje fleksibilnosti su pogodni za korišćenje u radnom okruženju korisnika. Dužina ove vrste mrežnog kabla ne bi trebalo da prelazi 5 do 6 metara. Proizvode se u različitim bojama: bela, žuta, plava, crvena, itd.

STP (Shielded Twisted Pair) mrežni kablovi su manje fleksibilni od UTP kablova i poseduju veći nivo zaštite od elektromagnetnih zračenja. Parični provodnici se sastoje od jednog bakarnog provodnika ponaosob i dodatne elektromagnetne zaštite oko svakog para provodnika. Namenjeni su za postavljanje fiksne mrežne infrastrukture kao što je kabliranje kroz zidove objekta, provlačenje kroz kablovske kanalice, trajno vezivanje za patch panele i mrežne uređaje (Hub, Switch), postavljanje trasa u spoljnom okruženju (ukopavanjem u zemlju, vazduhom, itd.). Poseduju jači spoljni omotač otporniji na spoljne uslove (temperaturu, vlagu, habanje, itd.). Za konekciju sa mrežnom opremom i uređajima koristi standardni priključak tip RJ45. Zbog svoje umanjene fleksibilnosti nije pogodan za česta savijanja i prelamanja jer može doći do prekida bakarnih provodnika u kablu. Maksimalna dužina kabla je 100 metara. Proizvode se u više boja ali je najčešće u beloj boji.

FTP (Foil Screened Twisted Pair) mrežni kablovi su najsličniji UTP mrežnim kablovima s’tim što poseduju dodatni zaštitni aluminijumski omotač kao zaštitu od elektromagnetnih zračenja i visokog nivoa šuma. Najčešće se koriste u proizvodnim pogonima i postrojenjima gde bi visok nivo šuma pravio smetnje (interference). Postoji više podgrupa ovih kablova.

Slika 6: Primeri Twisted Pair kablova

Coaxial (koaksijalni) kablovi se u današnje vreme ne koriste za lokalne mreže (LAN) osim u situacijama postojanja starijih tipova lokalnih mreža. Istovremeno to ne znači da se koaksijalni kablovi ne koriste za neke druge tipove računarskih mreža. Najtipičniji predstavnik upotrebe ovog tipa kablova je kablovski internet.

Struktura koaksijalnog kabla se sastoji od spoljnog omotača, zaštitnog omotača od velikog broja isprepletanih bakarnih provodnika (tzv. širm), unutrašnjeg omotača (izolator) i bakarnog provodnika punog preseka zaduženog za prenos električnog impulsa. Spoljni omotač je namenjen zaštiti od spoljnih fizičkih uticaja kao što su temperatura, UV zračenje, vlaga, habanje, slučajna ili namerna fizička oštećenja, itd. Zaštitni omotač je namenjen zaštiti od elektromagnetnih zračenja i istovremeno ima ulogu uzemljenja čime se kabl štiti od „preslušavanja“ i električnog šuma. U primeni su i koaksijalni kablovi sa dvostrukom ili četvorostrukom zaštitom na mestima gde su elektromagnetna zračenja vrlo izražena. Unutrašnji omotač je namenjen odvajanju (izolaciji) bakarnog provodnika od zaštitnog širma i najčešće je od PVC ili teflon materijala. Na slici je dat primer koaksijalnog kabla u primeni.

Slika 7: Primer koaksijalnog kabla

Ova kategorija kablova ima nisku cenu, laki su, fleksibilni i jednostavni za upotrebu. Dele se na ThinNet (tanki) i ThickNet (debeli) koaksijalne kablove. ThinNet koaksijalni kablovi su namenjeni za rastojanja do 185 metara dok ThickNet kablovi mogu po standardu premostiti rastojanja do 500 metara. ThinNet koaksijalni kablovi za priključenje na ostale segmente mreže koriste konektor tip BNC (eng. British Navy Connector). BNC konektora ima u više varijanti: BNC produžni konektor, BNC T konektor, BNC terminator i slično. Najveći problem pri upotrebi ove tehnologije, ne samo kablova, je da kada dođe do prekida bilo gde na mreži cela mreža pada! Na krajevima koaksijalnih kablova se postavljaju BNC terminatori da bi se sprečila 100% kolizija, tj. kada električni signal dođe do kraja kabla BNC terminator ga poništi, tako da električni signal ne može da se „odbije“ od kraja kabla i vrati prouzrokujući probleme u radu mreže. ThickNet koaksijalni kablovi ne koriste BNC konektor već N-tip (eng. N-type) konektor koji je većih dimenzija od BNC konektora.

Koaksijalni kablovi su namenjeni za maksimalne brzine do 10 Mb/s što je ujedno i glavni razlog prestanka korišćenja kada su u pitanju lokalne mreže jer današnje lokalne mreže rade na mnogo većim brzinama. Najveću udaljenost koji ThickNet kabl može dostići po standardu je 1500 metara pod uslovom da koristi 2 pojačivača signala.

Fiber-optic (optički) kablovi su kablovi novijeg datuma koji se u svom radu ne oslanjaju na prenos električnih impulsa već za prenos informacija koriste svetlosni signal. Zahvaljujući tome postižu se vrlo visoke brzine prenosa na velike udaljenosti skoro bez ikakvih gubitaka u samom prenosu. Optički kablovi se naravno i strukturno razlikuju od kablova sa bakarnim provodnicima ali je i njihova finalna cena mnogo veća od predhodnika. Trenutno tehnologija optičkih kablova raspolaže sa širokim dijapazonom brzina prenosa i razvoj ove tehnologije ide ka mnogo većim brzinama od 150 Gb/s!

Kako radi optika

Najjednostavnije objašnjenje bilo bi da se električni impuls određene frekvence (broj ponavljanja u sekundi) konvertuje u svetlosni signal korišćenjem električnih izvora svetlosti (laser, specifične LED diode, itd.). Svetlosni impulsi se stvaraju paljenjem tih svetlosnih izvora istom frekvencom koju ima i električni impuls. Svetlosni signal zatim prolazi kroz provodnik. Sam provodnik je od materijala (staklo, polietilen, silikon, itd.) velike reflektujuće moći pa se zbog toga ponaša kao ogledalo unutar samog provodnika. Samim tim svetlosni signal se reflektuje od te površine što mu omogućava krivolinijsku putanju i dostizanje mnogo većih udaljenosti bez većeg gubitka inteziteta svetla! Na drugom kraju provodnika se nalazi konvertor sa foto-ćelijama koji primljene svetlosne signale ponovo konvertuje u električne impulse iste frekvence koje dalje prenose informacije do nekog računara ili mrežnog uređaja. Na slici je dat pricip rada optičkih kablova odnosno optičke tehnologije.

Slika 8: Princip rada optičke tehnologije

Najveće prednosti optičkih kablova su brzina, male dimenzije, prenos velike količine podataka, ne osetljivost na električne smetnje. Najveći nedostatak je cena.

Optički kablovi se koriste u vrlo širokom dijapazonu brzina i udaljenosti koju mogu ostvariti. Udaljenosti mogu biti od nekoliko stotina metara do nekoliko stotina kilometara bez pojačanja signala što najviše zavisi od izvora svetla koje se koristi i od strukture optičkog vlakna. Strukturno, optičko vlakno se sastoji od dva koncentrična sloja materijala (staklo, silikon, itd.), unutrašnjeg koje se naziva jezgro i spoljašnjeg koje se naziva omotač. Unutrašnji sloj ima veći indeks prelamanja od spoljašnjeg sloja zbog čega i dolazi do refleksije svetlosnog signala, odnosno svetlosni signal se odbija ka centru jezgra. Putanje pod kojim svetlosni signali ulaze u optički provodnik se nazivaju modovi pa se i optički kablovi generalno dele na dve klase: Single-mode (SMF) optički kabl i Multi-mode (MMF) optički kabl. Ti modovi su podeljeni na nivoe pa u skladu sa tim mod najnižeg nivoa ima najkraću putanju dok mod najvišeg nivoa ima najdužu putanju. Na slici su dati primeri poprečnog preseka optičkog vlakna i putanje prostiranja svetlosnog signala.

Slika 9: Primeri poprečnog preseka optičkog vlakna
 i putanje prostiranja svetlosnog signala

Single-mode optički kablovi su dizajnirani za prenos samo jednog optičkog signala, velikim brzinama, na velike udaljenosti. Ovaj tip optičkih kablova sadrži po jedno optičko vlakno najmanjeg poprečnog preseka što omogućava vrlo niske gubitke i velike brzine prenosa podataka. Oprema za single-mode optičke kablova je mnogo skuplja od opreme za multi-mode optičke kablove jer se kao svetlosni izvori koriste laseri ali sam singl-mode kabl je obično jeftiniji od multi-mode kabla. Najčešće se koriste za međusobno povezivanje mreža na velikim rastojanjima, povezivanje mreža u okviru jednog grada, gradova, država ili kontinenata.

Multi-mode optički kablovi su dizajnirani za prenos više istovremenih optičkih signala, različito modulisanih, ali za razliku od Single-mode kablova ne mogu premostiti veće udaljenosti, maksimalno do 2 kilometra. Namenjeni su umrežavanju na nivou zgrada, naselja, itd. Generalno, sa ovom vrstom optičkih kablova se postižu manje brzine prenosa podataka ali koje su i dalje iste ili brže od tehnologija koje za prenos informacija koriste električne impulse kroz bakarne provodnike. Brzine prenosa ostvarene kroz ovaj tip kabla se kreću od 10MB/s do 10GB/s na rastojanjima do 600 metara. Klasifikacija je urađena na osnovu njihovih karakteristika po međunarodnom standardu i to: OM1 i OM2 standardi podržavaju brzine (u Ethernet tehnologiji) od 10 MB/s do 1 GB/s dok OM3 standard je namenjen brzinama do 10 GB/s. Primena ovih kablova i tehnologije je jeftinija od Single-mode tehnologije jer u svom radu kao izvor svetlosti uglavnom koriste specijalne LED diode koje su mnogostruko jeftinije od laserske tehnologije. Naime, jedan od ograničavajućih faktora brzine prenosa signala kada je u pitanju Multi-mode tehnologija je i to što se u svom radu oslanjaju na LED diode jer po svojoj prirodi rada one ne mogu postići veću brzinu paljenja i gašenja. Za dostizanje brzina od 10 Gb/s kao izvor svetlosti se mora koristiti laser. Na slici su dati primeri Single-mode i Multi-mode optičkih kablova:

Slika 10: Primer Single-mode i Multi-mode optičkih kablova

Strukturno kabliranje

Najednostavnije objašnjenje bilo bi da je to skup pravila koja definišu tip i način postavljanja mrežnih kablova. Ali da počnemo ispočetka...

Svojevremno sa pojavom lokalnih računarskih mreža (LAN-ova) nisu postojala nikakva pravila na osnovu kojih bi se vršilo postavljanje mrežnih kablova (kabliranje) u okviru neke zgrade, objekta ili između njih. Mrežni kablovi su postavljani po svojevoljnom nahođenju i proceni pojedinca obično vođenih idejom najlakše, najjednostavnije i najkraće putanje. Ovakav način kabliranja u početku je bio prihvatljiv za sve. Međutim, nasumice i bez plana postavljeni kablovi sa početkom rasta lokalnih računarskih mreža, tj. sa porastom broja računara u lokalnim mrežama, počinju da predstavljaju problem kako za administratore tih lokalnih mreža tako i za sam razvoj te mreže. Naime, u haotičnoj i neplanski urađenoj mreži vrlo je teško definisati lokaciju kvara i otkloniti ga u što je moguće kraćem vremenskom roku. Po urađenim statistikama oko 80% svih ’’padova’’ lokalne računarske mreže uzroci su neispravnosti u kablovskom sistemu. Situacija se dodatno pogoršala uvođenjem u primenu novih mrežnih tehnologija, koje funkcionišu na različite načine i sa različitim kablovima, i sa povećanjem brzina lokalnog mrežnog saobraćaja.

Rešenje je nađeno u vidu međunarodnih standarda koji definišu ovu oblast sredinom i krajem 1995. godine. Tada je nastao koncept strukturnog ili generičkog kabliranja. Suština dogovorenog koncepta je da se obuhvate i standardizuju ne samo računarske i telefonske mreže već i razni sistemi prenosa audio-video signala i alarmno-komandni sistemi. Ti koncepti danas su poznati kao koncepti inteligentnih zgrada.

Realnu suštinsku prednost strukturnog kabliranja predstavlja upotreba jedinstvenog kablovskog sistema za sve instalacije kojima se prenose bilo kakve informacije u određenom frekventnom opsegu. Taj sistem obuhvata prenos audio-video signala, komandnih (upravljačkih) signala i brz prenos podataka. Koncept strukturnog kabliranja treba da omogući da se posle instalacije kablova cela mreža prekonfiguriše na drugačiji način u zavisnosti od potreba korisnika ali bez ikakve intervencije na samim kablovima duži vremenski period, oko 20 godina. Taj cilj je ostvaren korišćenjem razdelnika, odnosno namenskih aktivnih uređaja određene tehnologije (Switch-vi, telefonske centrale, itd.). Neke od glavnih prednosti strukturnog kabliranja bile bi: fleksibilnost sistema, jednostavna i efikasna administracija mreže, skalabilnost (lako proširivanje mreže u skladu sa potrebama), nezavisnost od tipa aktivnih uređaja računarske i telefonske mreže, priključenje opreme koja nema odgovarajuće konektore korišćenjem adaptera, smanjenje troškova održavanja nakon instalacije sistema (nema dodatnih ulaganja sredstava). Sistemi strukturnog kabliranja se realizuju na 3 nivoa:

•  Horizontalno kabliranje
•  Vertikalno kabliranje
•  Kabliranje kampusa

Horizontalno kabliranje ili kabliranje spratova se odnosi na deo kablovskog sistema između spratnog razdelnika i zidne utičnice. Konceptom strukturnog kabliranja je određeno da se na delu sistema između spratnog razdelnika i zidne utičnice koriste (postave/instaliraju) bakarni parični kablovi kategorije 5e ili 6 (Cat5e ili Cat6) ili optički Multi-mode kablovi pri čemu maksimalna dužina bakarnih kablova ne sme da pređe 90 metara dužine. U slučaju da se koriste optički kablovi sistem nosi naziv FTTD (Fiber To The Desk). Standardi predviđaju upotrebu dve vrste Multi-mode optičkih kablova i to kablove sa jezgrom čiji prečnik je 50 ili 62 µm. Horizontalno kabliranje obuhvata najveći broj kablova u celom kablovskom sistemu pa samim tim zahteva i najveći utrošak vremena za instalaciju.

Vertikalno kabliranje se odnosi na deo kablovskog sistema koji povezuje spratne razdelnike sa razdelnikom zgrade (objekta). Najjednostavnije ga je predstaviti kao kičmu mreže između spratova objekta koji se umrežava pa nosi i naziv kičma zgrade. Po standardima pri vertikalnom kabliranju za prenos podataka i video signala se koriste Multi-mode optički kablovi dok za prenos alarmnih, upravljačkih i govornih signala se koriste bakarni parični provodnici kategorija Cat5e i Cat6. Dužina kablova za vertikalno kabliranje ne bi trebalo da pređe 500 metara dužine po standardima.

Kabliranje kampusa se odnosi na kabliranje između razdelnika zgrada i kampusa. Ovaj način kabliranja je vrlo sličan vertikalnom kabliranju jer se za prenos podataka i video signala koriste Multi-mode optički kablovi dok za prenos alarmnih, upravljačkih i govornih signala se koriste bakarni parični provodnici kategorija Cat5e i Cat6. Dužina kablova za kabliranje kampusa ne sme preći 1500 metara.

Na slici je dat primer upotrebe strukturnog kabliranja objekata:

 Slika 11: Primer strukturnog kabliranja

Bitno je napomenuti da postoje pravila postavljanja kablova. Putanje kojom prolaze kablovi se nazivaju trase. Trase kablova se određuju na osnovu niza pravila a neki od tih pravila su da svi kablovi moraju imati zaštitu od fizičkog oštećenja (ako je objekat u izgradnji onda se kablovi polažu u zidove objekta, ako se radi naknadna instalacija svi kablovi moraju biti u kablovskim kanalicama), da se instaliraju na određenoj udaljenosti od izvora elektromagnetnih zračenja (strujni vodovi), da se kablovske trase rade pod pravim uglovima, itd.