Pozn.:  Pokusil jsem se stručně sepsat přehledné informace o dnes používané kabeláži. Vycházím ze své praxe a některé teoretické oblasti jsem dohledával na internetu. Doufám, že žádná informace není zavádějící, protože oblast optických kabelů je značně komplikovaná. Také jsem nedávno navštívil seminář na toto téma, ve společnosti Alef vedený Janem Snížkem, kde byl pěkný a obsáhlý přehled. Což mi pomohlo uspořádat si některé informace, takže velice děkuji.

Média pro přenos dat

Přenos dat se v počítačových sítích (a samozřejmě nejen zde) děje pomocí vlnění a používají se primárně tři přenosová média:

• metalické kabely - přenos pomocí elektrického potenciálu
• optické kabely - přenos pomocí světla
• vzduch (případně i vzduchoprázdno) - bezdrátový (wireless) přenos pomocí mikrovln, rádiových vln či infračerveného světla

V tomto článku se zaměříme na první dvě kategorie a podíváme se na aktuálně používané kabely v sítích Local Area Network (LAN) a Storage Area Network (SAN). Oblast počítačových sítí prošla delším bouřlivým vývojem (a vyvíjí se stále), takže můžeme narazit na různé historické kabely (více možností je v oblasti optiky), kterým se zde věnovat nebudeme.

Obecně je jedno, zda jde o sítě LAN (telekomunikační) či SAN (datové) a jaká technologie se používá (Ethernet či Fibre Channel, jiné síťové technologie se dnes asi nepoužívají). V obou případech se využívá stejný typ kabeláže (tomu musí odpovídat další komponenty). Ethernetové sítě mohou kombinovat metalickou i optickou kabeláž. Fibre Channel sítě využívají optickou kabeláž, pokud chceme využít metalickou kabeláž, tak musíme volit iSCSI nebo FCoE (a podkladem je pak Ethernet).

Strukturovaná kabeláž (Structured Cabling) pro počítačové sítě

Podíváme se na hlavní dvě přenosová média pro drátový (wire) přenos v počítačových sítích . Jedná se o metalické a optické kabely. Každá technologie je vhodná pro trochu jiný účel, takže si nejprve bodově uvedeme základní parametry.

Metalické kabely (Copper Cables)

• relativně levné a méně náchylné k poškození (poloměr ohybu 2-3cm)
• běžné standardy jsou pro vzdálenosti do 100m (bez aktivního prvku, počítá se 90m kabelový rozvod a na každé straně dva konektory a patch kabel 5m)
• podporuje napájení po datovém kabelu (Power over Ethernet, IEEE 802.3af PoE 15,4W, IEEE 802.3at PoE+ 30W)
• náchylné k elektromagnetickému rušení (EMI), i když se provádí různé stínění
• rychlosti dnes běžně do 10Gbps

Optické kabely (Optical Fiber Cables)

• dražší kabely (i celá technologie) a náročnější pro manipulaci (poloměr ohybu 8 cm, svařování)
• pro dlouhé vzdálenosti (záleží na typu, ale možno i 100km, s dalšími technologiemi jde i o stovky km)
• imunní vůči elektromagnetickému rušení (ElectroMagnetic Interference - EMI)
• nižší zpoždění (latence) a možné větší přenosové rychlosti (dnes 100Gbps na jednom vlákně)
• menší energetická náročnost

Metalické kabely - kroucená dvojlinka

U metalických kabelů se budeme bavit pouze o kroucené dvojlince, se staršími koaxiálními kabely se snad již dnes nesetkáme (a jiné možnosti jsou ojedinělé).

Kroucená dvojlinka (Twisted Pair), používá se zkratka TP, je tvořena čtyřmi páry vodičů (wire), které jsou po celé délce pravidelným způsobem zkroucené. Zlepšují se tím elektromagnetické vlastnosti kabelu, minimalizují se přeslechy (crosstalk) a omezuje vyzařování elektromagnetického záření (do okolí a příjem z okolí). Každý vodič má ochrannou izolaci (často z polyethylenu) a všechny vodiče jsou společně zabaleny do pláště (často z PVC).

Pozn.: Ještě dříve, než v počítačových sítích, se využívala kroucená dvojlinka v telefonních rozvodech. Tam se standardně používal kabel se třemi páry vodičů, ale často se pro přenos využíval pouze jeden pár. Tyto rozvody se také na počátku využili pro budování počítačových sítí.

Nestíněné a stíněné Twisted Pair kabely

Kroucená dvojlinka může být několika základních typů. Nejčastěji se jedná o klasický nestíněný TP kabel:

• UTP - Unshielded Twisted Pair - klasický a nejvíce rozšířený kabel, kdy je použita standardní nestíněná kroucená dvojlinka

Pokud potřebujeme více omezit vyzařování, přeslechy a elektromagnetické rušení, tak se používají různé formy stínění. Snažil jsem se najít nějaký důvěryhodný popis, ale vypadá to, že na různých místech je to popsáno trochu jinak (také proto, že existuje více standardů). Výrobci si to různě označují a lidově se často používá pouze označení UTP, STP, FTP. Korektní jsou asi nejrozšířenější definice v normě ISO/IEC 11801 nebo ANSI/TIA/EIA-568-B.

Když mluvíme o stíněných kabelech (anglicky Shielded nebo Screened), tak se používají dvě písmenka v označení:

• S - Braid Screen (Shielded) - stínicí pletivo
• F - Foil Shield (Foiled) - ochranná (kovová) fólie

Ochrana se může provádět:

• stínění párů (pair shielding) - každý pár vodičů je obalen stínící fólií, může se použít pouze F (fólie)
• stínění kabelu (cable shielding) - všechny páry dohromady jsou zabaleny do opletení (S) nebo fólie (F)

Kabely se pak označují (v závorce je lidové označení) jako U/UTP (UTP), U/FTP (STP), S/UTP (STP), S/FTP, F/FTP, apod. Před lomítkem je označení stínění celého kabelu, za lomítkem je stínění jednotlivých párů.

Standardy pro Ethernet over Twisted Pair

Všechny běžné telekomunikační sítě dnes využívají přenosovou technologii Ethernet, ta definuje (ve standardech IEEE 802.3) i použitou kabeláž, přístup k síti, posílání signálů, rychlosti, atd. Podle podporované přenosové rychlosti máme různé standardy Ethernetu, které využívají kroucenou dvojlinku (další varianty jsou definovány na jiném přenosovém médiu).

Označení se skládá z čísla určujícího rychlost v Mbps (pokud se přidá G, tak v Gbps). Slovo Base je zkráceně baseband značí, že jde o nefiltrovanou linku bez modulace. Písmenko T na konci znamená Twisted (kroucená dvojlinka).

Nejrozšířenější varianty jsou:

• 100Base-Tx Ethernet - IEEE 802.3u (1995), technologie, která přenáší Ethernetové rámce rychlostí 100 Mbps, označuje se také jako FastEthernet (FE)
• 1000Base-T Ethernet - IEEE 802.3ab (1999), rychlost 1000 Mbps, označuje se také jako GigabitEthernet (GE)
• 10GBase-T Ethernet - IEEE 802.3an (2006), rychlost 10 000 Mbps, označuje se také jako 10GigabitEthernet (10GE)
• 40GBase-T Ethernet - IEEE 802.3bq (2013), rychlost 40 000 Mbps, označuje se také jako 40GigabitEthernet (40GE)

Ethernet sítě na počátku využívaly koaxiální kabely (10Base5, 10base2). Pak se začalo využívat telefonních rozvodů po kroucené dvojlince (vznikl první standard 10Base-T, ale předtím existoval třeba StarLAN) a postupně se vyvíjelo k dnešním TP kabelům, které se stále vyvíjí, aby podporovaly vyšší přenosové rychlosti.

Kategorie Twisted Pair kabeláže

Kabeláž, a její kategorie, je definována ve standardech TIA/EIA-568 (používá kategorie, jak je uvedeno níže) a ISO/IEC 11801 (používá třídy - Class C, D, E, atd.). Kategorie kabeláže definuje minimální parametry, které jsou kladeny na kabely. Určuje různé úrovně výkonu, co se týče šířky pásma signálu, útlumu a přeslechů. Obecně čím vyšší kategorie, tím podporuje vyšší přenosové rychlosti. Různé standardy Ethernetu vyžadují určitou kategorii kabeláže. Hlavní kategorie kabeláže:

• kategorie 5e (Cat 5e, Class D) - pro FastEthernet (využívá dva páry) a GigabitEthernet (využívá všechny čtyři páry), používá stíněnou i nestíněnou kabeláž, šířka pásma 100 MHz, konektor RJ45 (8P8C)
• kategorie 6 (Cat 6, Class E) - podporuje 10 Gbps Ethernet, ale pouze do 55 metrů, používá stíněnou i nestíněnou kabeláž, šířka pásma 250 MHz, konektor RJ45 (8P8C)
• kategorie 6a (Cat 6a - augmented, Class EA) - podporuje 10 Gbps Ethernet na plnou vzdálenost 100 metrů, používá stíněnou i nestíněnou kabeláž, šířka pásma 500 MHz, konektor RJ45 (8P8C)
• kategorie 7 (Cat 7, Class F) - pokus, který se neujal, pro podporu 10Gbps Ethernet, vyžaduje stíněnou kabeláž (S/FTP) a speciální konektory (GG45 kompatibilní s RJ45 nebo TERA), šířka pásma 600 MHz, výrobci radši zvolili Cat 6a a RJ45 konektor
• kategorie 7a (Cat 7a, Class FA) - pokus o rozšíření Cat 7, mohlo by podporovat 40 Gbps Ethernet na vzdálenost 50 metrů, šířka pásma 1000 MHz
• kategorie 8 (Cat 8) - aktuálně ve vývoji (ISO technické doporučení z roku 2013), podporuje 40 Gbps Ethernet, šířka pásma 1600 až 2000 MHz, dvě varianty, jedna používá stíněné kabely (U/FTP, F/UTP) a konektor RJ45 (8P8C), druhá kabely (F/FTP, S/FTP) a konektor TERA/GG-45/ARJ-45

Metalické TP kabely a jejich označování

Při označení metalického kabelu používajícího kroucené dvojlinky se používá zkratka určující, zda je kabel nestíněný nebo nějakým způsobem stíněný, a dále kategorie. Například:

Kabel UTP Cat6a

Mohou se uvádět další doplňkové informace, jako že jde o 4 páry (4x2), materiál vodiče (nejčastěji měď - Cu), tloušťka vodiče (23AWG je 0,57mm nebo 24AWG je 0,52mm), materiál izolace vodiče (PE - polyethylen), materiál pláště (PVC - polyvinylchlorid).

Mohou být také dva typy vodiče, jde o drát (solid) nebo lanko/licna (stranded). Drát je vyroben jako jeden kus kovu, je tuhý a málo ohebný. Lanko se skládá ze svazku malých drátků, je ohebnější a dražší. Pro každý typ kabelu je odpovídající typ konektoru (lanko se propichuje, drát svírá).

V praxi máme kabel buď jako metráž (běžně se prodávají kluba o délce 305m nebo na metry). Takový kabel natáhneme a na konec nakrimpujeme konektor nebo přiděláme zásuvku na zdi či v Patch panelu (propojovací pole). Nebo připravené propojovací kabely (Patch kabel - Patchcord) určité délky s připevněnými konektory.

Optické kabely, optická vlákna

Optický kabel (Optical Fiber Cable) je tvořen jedním nebo více optickými vlákny (optical fiber), která přenáší světelný paprsek od zdroje k cíli s co nejmenší ztrátou. Optické vlákno obsahuje jádro (core), které má (v praxi) tloušťku 9 nebo 50 nebo 62,5 µm, tvořené oxidem křemičitým. A obložení (cladding) z jiného druhu skla, které má nižší index lomu, takže se signál odráží zpět, o tloušťce 0,125 mm. Pak následuje primární ochrana a tloušťka je 0,25 mm. Optická vlákna sdružujeme do optických kabelů a přidáváme řadu ochranných vrstev (často PVC), podle toho do jakého prostředí jsou určeny.

Optická vlákna používáme dvou základních typů:

Single-mode Optical Fiber (SMF)

• česky jednovidové optické vlákno
• průměr jádra optického vlákna je 9 µm (menší než 10 µm)
• používá se vlnová délka 1310 nebo 1550 nm
• díky malému průměru a vysoké vlnové délce se může šířit pouze jediný dílčí paprsek (vid), také to vede k tomu, že úhel odrazu ve vlákně je velký a tudíž dochází k minimálnímu prodloužení dráhy paprsku
• je vhodné pro dlouhé vzdálenosti, má vyšší cenu
• vysílač používá laserové diody
• objevuje se chromatická a polarizační disperze (rozptyl)
• často se pro označení těchto kabelů používá žlutá barva

Multi-mode Optical Fiber (MMF)

• česky vícevidové optické vlákno
• průměr jádra optického vlákna je 50 µm (starší vlákna 62,5 µm)
• používá se vlnová délka 850 nebo 1300 nm
• ve vlákně se šíří více vidů (light mode) s různým úhlem odrazu, má větší světelnost, ale kvůli vidovému rozptylu (modal dispersion) omezuje přenosovou vzdálenost
• umožňuje používat levnější vyzařovací LED a laserové diody, celkově je levnější než SMF
• má nižší přenosovou kapacitu a je vhodné pro kratší vzdálenosti (používá se v LAN sítích)
• podle přechodu mezi jádrem a obložením (máme různý rozptyl - dispersion) se používají dva typy
  • SI - step index profile - se skokovým indexem lomu, pro kratší vzdálenosti
  • GI - graded index profile - s plynulou změnou indexu lomu
• objevuje se vidová, chromatická a polarizační disperze
• často pro označení těchto kabelů používá oranžová barva, případně modro-zelená (OM3, OM4) nebo fialová (OM4)

Kategorie (třídy) optických vláken

Obdobně, jako u metalické kroucené dvojlinky, jsou optická vlákna definována ve standardech ISO/IEC 11801 a TIA/EIA-568(a dalších) a existují určité třídy (kategorie vlákna). Vždy je podporována určitá standardní přenosová rychlost na danou minimální vzdálenost (třeba MMF vždy podporuje FastEthernet alespoň na 2 km), ale funguje i vyšší rychlost na vzdálenost kratší.

Single-mode Optical Fiber (označení OS - Optical Single-mode)

U SMF vláken se udává maximální koeficient útlumu (attenuation) v dB na km a znamená pokles signálu na jeden kilometr. Často se pro označení těchto kabelů používá žlutá barva.

• OS1 - útlum 1 dB/km
• OS2 - útlum 0,4 dB/km

Multi-mode Optical Fiber (označení OM - Optical Multi-mode)

U MMF vláken se udává minimální modální šířka pásma (modal bandwidth), tedy jeho kapacita v MHz na vzdálenost jednoho kilometru. Často se MMF kabely označují oranžovou barvou, případně modro-zelená (OM3, OM4), fialová (OM4).

• OM1 - jádro 62,5 µm, šířka pásma 200 MHz-km při 850 nm (pro 1300 nm je vyšší), běžně se používá pro FastEthernet na vzdálenost 2 km
• OM2 - jádro 50 µm, šířka pásma 500 MHz-km při 850 nm, běžně se používá pro GigabitEthernet na vzdálenost 550 m
• OM3 - jádro 50 µm, šířka pásma 2000 MHz-km při 850 nm, běžně se používá pro 10GigabitEthernet na vzdálenost 300 m, přechází se z LED na VCSEL lasery
• OM4 - jádro 50 µm, šířka pásma 3500 MHz-km při 850 nm, nejnovější standard podporuje 40 a 100GigabitEthernet na vzdálenost 150 m, optimalizováno pro laser

Standardy pro Ethernet over Optical Fiber

Ethernet o různé rychlosti je definován (IEEE 802.3) také při použití optických vláken. Oproti kroucené dvojlince existuje více variant a více komplikací ;-). Začátek označení je shodný, skládá se z čísla určujícího rychlost v Mbps (pokud se přidá G, tak v Gbps). Slovo Base je zkráceně baseband značí, že jde o nefiltrovanou linku bez modulace. Písmenka na konci se používají ve dvojici, první může být F pro Fiber (optický kabel), S značí Short-range MMF, L značí Long-range SMF nebo MMF. Druhé písmeno X určuje kódování bloků 4B/5B pro FastEthernet nebo 8B/10B pro GigabitEthernet, R je kódování bloků 64B/66B.

Výběr některých používaných standardů:

• 100Base-FX Ethernet - IEEE 802.3u (1995), rychlost 100 Mbps (FastEthernet - FE), využívá vlnovou délku 1300 nm a MMF optická vlákna, jedno pro příjem (receive - RX) a druhé pro vysílání (transmit - TX), pro full-duplex podporuje vzdálenost 2 km
• 1000Base-SX Ethernet - IEEE 802.3z (1998), rychlost 1000 Mbps (GigabitEthernet - GE), využívá vlnovou délku 850 nm a MMF optická vlákna, vzdálenost 275 m pro OM1 a 550 m pro OM2
• 1000Base-LX Ethernet - IEEE 802.3z (1998), rychlost 1000 Mbps (GigabitEthernet - GE), využívá vlnovou délku 1310 nm a SMF optická vlákna na vzdálenost 5 km nebo vlnovou délku 1300 nm a MMF optická vlákna na vzdálenost 550 m
• 10GBase-SR Ethernet - IEEE 802.3ae (2002), rychlost 10 000 Mbps (10GigabitEthernet - 10GE), využívá vlnovou délku 850 nm a MMF optická vlákna, vzdálenost 300 m pro OM3 a 400 m pro OM4
• 10GBase-LR Ethernet - IEEE 802.3ae (2002), rychlost 10 000 Mbps (10GigabitEthernet - 10GE), využívá vlnovou délku 1310 nm a SMF optická vlákna, vzdálenost 10 km
• 40GBase-SR4 Ethernet - IEEE 802.3ba (2010), rychlost 40 000 Mbps (40GigabitEthernet - 40GE), využívá vlnovou délku 850 nm a MMF optická vlákna, vzdálenost 100 m pro OM3 a 150 m pro OM4, číslice 4 znamená, že jsou použity 4 paralelní pruhy pro data každý o rychlosti 10.3125 Gbps
• 100GBase-SR10 Ethernet - IEEE 802.3ba (2010), rychlost 100 000 Mbps (100GigabitEthernet - 100GE), využívá vlnovou délku 850 nm a MMF optická vlákna, vzdálenost 100 m pro OM3 a 150 m pro OM4, číslice 10 znamená, že je použito 10 paralelních pruhů pro data každý o rychlosti 10.3125 Gbps

Standardy pro Fibre Channel

Popisovali jsme použití optických kabelů pro Ethernet (a tedy primárně pro telekomunikační sítě), tak musíme také zmínit Fibre Channel, tedy standardní síťovou technologii pro SAN sítě. Pro Fibre Channel sítě využijeme stejná optická vlákna, jak bylo popisováno výše. Používají se jak Multi-mode Optical Fiber, tak Single-mode Optical Fiber, klasicky zmiňované třídy OM (používá označení M6 pro OM1, M5 pro OM2, M5E pro OM3, M5F pro OM4) a OS (používá označení SM pro OS1 a OS2).

Fibre Channel je standardizovaný ANSI výborem INCITS (InterNational Committee for Information Technology Standards). Fyzická vrstva (FC-0), která definuje kabely, konektory, apod., je popsána v Fibre Channel Physical Interfaces (FC-PI-5 a FC-PI-6). Podobně jako u Ethernetu existují různé verze Fibre Channel, které podporují různou rychlost. Označují se svojí rychlostí v Gbps a zkratkou FE pro Fibre Channel, také se hovoří o určité generaci Fibre Channel. Hlavní verze jsou (není zde uvedena třeba specifická verze 10GFC):

• 1GFC - Gen1 (1997), kódování 8b/10b, rychlost linky (line rate) 1,0625 GBaud, propustnost (throughput) 200 MB/s (v obou směrech, tedy v jednom směru 100 MB/s)
• 2GFC - Gen2 (2001), kódování 8b/10b, rychlost linky 2,125 Gbps, propustnost 400 MB/s
• 4GFC - Gen3 (2006), kódování 8b/10b, rychlost linky 4,25 Gbps, propustnost 800 MB/s
• 8GFC - Gen4 (2008), kódování 8b/10b, rychlost linky 8,5 Gbps, propustnost 1600 MB/s
• 16GFC - Gen5 (2011), kódování 64b/66b (díky tomu stačí nižší rychlost linky pro požadovanou rychlost přenosu), rychlost linky 14,025 Gbps, propustnost 3200 MB/s
• 32GFC - Gen6 (2016), kódování 64b/66b, rychlost linky 28,05 Gbps, propustnost 6400 MB/s

Wavelength Division Multiplexing - WDM

Existují metody pro dosažení vyšší přenosové rychlosti na jednom optickém vlákně. Každé vlákno může přenášet mnoho nezávislých kanálů s různou vlnovou délkou. Používá se vlnový multiplex - WDM, kdy se více optických signálů se spojuje (multiplexuje) do jednoho vlákna s použitím různých vlnových délek (barev) LED nebo laserů. Technologie WDM (Wavelength Division Multiplexing) používá multiplexer ve vysílači pro složení signálů a demultiplexer v přijímači pro jejich rozdělení.

V praxi se používá dvou typů WDM:

• CWDM - Coarse WDM - levnější, používá šířku kanálu 20 nm, převážně využívá pásmo 1470 nm až 1610 nm (tedy 8 vlnových délek)
• DWDM - Dense WDM - hustý vlnový multiplex, používá šířku kanálu 0,8 nm, využívá pásmo 1530,33 nm až 1560,61 nm

Touto technologií můžeme dosáhnout toho, že jedním kabelem vedeme třeba 32 nezávislých služeb/zákazníků. Sice sdílí jedno vlákno, ale komunikace je naprosto oddělená (bezpečněji než pomocí VLAN).

Optické kabely a jejich označování

U optických kabelů je situace komplikovanější, nežli u metalických. Propojovací kabely (Patch kabel - Patchcord) jsou dvou obecných typů:

• Simplex - optický kabel složený pouze z jednoho vlákna, pro situace, kdy nám stačí pouze příjem nebo vysílání, nebo když se využívá multiplex (takže oba směry jdou po jednom vlákně)
• Duplex - optický kabel složený ze dvou optických vláken, typicky se používá pro duplexní komunikaci, kdy jedno je jedno vlákno pro příjem (receive - RX) a druhé pro vysílání (transmit - TX)

Běžně se používají duplexní propojovací kabely, kdy jsou využita dvě optická vlákna, ale ta jsou vlastně samostatná (včetně celé izolace) a pouze se používají v páru.

Když někde natahujeme optický kabel, jedno zda venku nebo uvnitř, tak se většinou vyplatí volit kabel, který obsahuje více optických vláken (třeba 4, 8, 12). Tyto optické kabely v metráži, se označují jako DROP kabely, jsou určeny pro připojení do distribuční sítě a rozvody v budovách. Páteřní rozvody ISP využívají mnohem více vláknové kabely (také se používají mikrotrubičky a zafukování optických vláken).

 U kabeláže se můžeme setkat s označením, že je určen pro FTTx. To je řada zkratek, které říkají, kam jsou z centrály vedeny optické kabely (dále pokračuje rozvod metalickými kabely). Rozšířené možnosti jsou:

• FTTH - Fiber To The Home - optické vlákno je vedeno až na hranici bytu
• FTTB - Fiber To The Building - optické vlákno je vedeno na hranici domu
• FTTC - Fiber To The Cabinet - optické vlákno je ukončeno v rozvodně, která je v určité vzdálenosti (do 300 metrů) od zákazníka
• FTTN - Fiber To The Node - optické vlákno je ukončeno v rozvodně, která je ve větší vzdálenosti od zákazníka

V označení optických kabelů se uvádí průměr jádra a obložení, dále třída vlákna, u patch kabelů zda jde o simplex nebo duplex, u DROP kabelů počet vláken, a různé další podrobnosti. Příklad:

9/125, OS2 Singlemode, duplex, 2m, LC-LC
50/125, OM3 Multimode, 8 vláken, 100m cívka