Линейные кабели для 40- и 100-гигабитных СКС

Page 1
background image

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

49

Актуально

ËÈÍÅÉÍÛÅ ÊÀÁÅËÈ ÄËß ÑÊÑ

Линейные кабели для 40- 
и 100-гигабитных СКС

А.Б. Семенов, 

д.т.н., директор по развитию АйТи-СКС компании АйТи

Увеличение быстродействия и 

наращивание количества функ-

ций, реализуемых информационно-

вычислительной системой (ИВС) со-

временного предприятия, приводит 

к систематическому росту требова-

ний, выдвигаемых в отношении про-

пускной способности внутрисистем-

ных каналов связи.

В начале текущего десятилетия 

в практику построения ИВС были 

внедрены 10-гигабитные сетевые 

интерфейсы. Однако, возможности 

10-гигабитной сетевой аппаратуры 

уже во многом исчерпаны, и в насто-

ящее время на повестку дня встал 

вопрос о переходе к следующему 

поколению сетевой аппаратуры, что 

требует наращивания производи-

тельности линий связи.

Физический уровень современ-

ных ИВС в подавляющем большин-

стве случаев реализуется в форме 

структурированной кабельной си-

стемы (СКС) [1]. Параметры, обе-

спечиваемые СКС массового при-

менения, во многом определяют те 

технические решения, которые при-

меняются в процессе разработки 

сетевых устройств. В свою очередь 

конструктивные решения, применя-

емые при конструировании сетевых 

интерфейсов, оказывают сильное 

обратное влияние на технику СКС.

Области применения техники 
следующего поколения

Опыт реализации ИВС свидетель-

ствует о том, что на пользователь-

ском уровне для комфортной работы 

с основными современными про-

граммными продуктами достаточно 

коммутируемого канала Fast Ethernet, 

а возможность Gigabit Ethernet, не-

смотря на их широкую доступность, 

оказываются, невостребованными. 

Какие-либо признаки, что ситуация 

изменится в обозримой перспек-

тиве, отсутствуют. Как следствие, 

реализация каналов со скоростью 

10 Гбит/с на уровне горизонтальной 

подсистемы является функциональ-

но избыточной и нецелесообразной. 

Таким образом, техника нового по-

коления может применяться там, где 

отсутствуют ограничения, опреде-

ляемые возможностями человека. 

Этими областями на исходе первого 

десятилетия нового века становятся 

Центры обработки данных (ЦОД), 

магистральные уровни традицион-

ных СКС и, возможно, крупные СКС 

промышленного назначения.

Наиболее реальными кандидата-

ми на роль оборудования следующе-

го поколения выглядят интерфейсы 

Ethernet со скоростью передачи 40 

и 100 Гбит/с, окончательное утверж-

дение спецификаций которых долж-

но быть завершено в самое ближай-

шее время. Данные разновидности 

технологии не являются антагони-

стами и вполне могут использовать-

ся на одном уровне информацион-

ной системы. Предполагается, что 

фокусной областью применения 

40-гигабитных систем будут линии 

связи между серверами, а оборудо-

вание со скоростью передачи 100 

Гбит/с ориентировано на установку 

в магистральных каналах.

Кроме того, отдельного упоми-

нания в качестве потенциального 

потребителя ресурсов структуриро-

ванной проводки нового поколения 

в ЦОД заслуживает оборудование 

для сетей хранения на базе Fibre 

Channel. Эта технология использу-

ет другой формат кадра. Скорости 

передачи линейного сигнала Fibre 

Channel близки к тем, которые свой-

ственны для Ethernet, и, что весьма 

важно, не превышают их как в на-

стоящее время, так и в обозримой 

перспективе.

Освоение нового диапазона ско-

ростей в ИВС всегда начинается с 

внедрения линий оптической связи. 

Такой подход обусловлен:

• первостепенной 

потребно-

стью внедрения линий оптической 

связи в магистральной части ИВС, 

где в полной мере проявляются из-

вестные преимущества волоконного 

световода в первую очередь по ши-

рокополосности;

• 

существенно меньшим за-

туханием и постоянством этого па-

раметра в широком частотном диа-

пазоне, а также отсутствием сколь 

нибудь заметного взаимного влияния 

между отдельными цепями передачи 

сигналов;

• возможностью массового 

использования в новой области тех 

технических решений, которые ра-

нее были хорошо отработаны при 


Page 2
background image

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

50

Актуально

ËÈÍÅÉÍÛÅ ÊÀÁÅËÈ ÄËß ÑÊÑ

создании сетей связи общего поль-

зования;

• 

явно выраженным преиму-

ществом оптических вариантов по-

строения интерфейсов над медно-

жильными по энергопотреблению 

на линиях с протяженностью свыше 

30 м, а также массогабаритным по-

казателем линейных кабелей.

Последнее свойство имеет очень 

большое значение для центров об-

работки данных (ЦОД), для которых 

энергопотребление является одним 

из наиболее важных параметров. 

Преимущество оптических интер-

фейсов по заметно меньшей потре-

бляемой мощности начинает иметь 

значение на таких объектах в том 

случае, если при их организации ис-

пользуются, по меньшей мере, не-

сколько десятков серверов.

Схема параллельной передачи

 

Выбор общей структуры сете-

вого интерфейса нового поколе-

ния осуществляется с учетом того, 

что передача 40- и 100-гигабитного 

информационного потока в одном 

канале сопряжена с очень больши-

ми техническими сложностями. Это 

определяется слишком высокими 

частотами модуляции даже при ис-

пользовании наиболее экономич-

ных по ширине спектра сигналов в 

формате NRZ, которые сочетаются 

с применением многоуровневой схе-

мы кодирования.

Кроме того, статистика реализо-

ванных проектов (Рис. 1) наглядно 

свидетельствует о том, что примерно 

90 % оптических линий СКС по про-

тяженности не превышает 100 м.

В данной ситуации для обеспе-

чения 40- и 100-гигабитной про-

пускной способности канала связи 

при достигнутом уровне техники 

целесообразно использовать прин-

цип многоканальной передачи в не-

скольких параллельных субканалах. 

Такой подход дает возможность в 

разы уменьшить тактовую частоту 

линейного сигнала, что сопровожда-

ется заметным улучшением технико-

экономических характеристик ре-

шения в целом.

Теоретически многоканальная 

передача возможна с привлечением 

самых различных принципов. При 

практическом внедрении многока-

нальных схем на уровне аппарат-

ных средств, предназначенных для 

построения ИВС широкого приме-

нения, для этого привлекаются два 

основных варианта.

Первым из них является реали-

зация схемы оптического мульти-

плексирования по схемам CWDM 

и DWDM, применяемым на линиях 

большой протяженности (несколько 

сотен метров и более).

Схема параллельной передачи 

представляет собой второе реше-

ние задачи обеспечения многока-

нальной связи. В ее основу поло-

жена передача сигналов каждого из 

субканалов по физически отдельной 

цепи.

В области сетей связи общего 

пользования схема параллельной 

передачи бесперспективна из-за 

своих крайне неудовлетворитель-

ных экономических параметров при 

передаче на относительно большие 

(от единиц км и далее) расстояния. 

В технике ЛВС, где указанное огра-

ничение не так существенно, она 

пользуется заметно большей попу-

лярностью и в массовом масштабе 

применяется уже свыше десяти лет 

на уровне межблочного соединения 

и организации стека коммутаторов.

Заметно лучшие стоимостные 

характеристики решения при реали-

зации линий небольшой протяжен-

ности определяются комплексом 

причин, в т.ч.:

• отпадает  необходимость 

установки на концах линии моду-

лей оптических мультиплексора и 

демультиплексора, которые даже 

после радикального снижения цен 

последних нескольких лет обладают 

неудовлетворительными стоимост-

ными параметрами;

•  в процессе построения 

линии связи без потери качества 

передаваемого сигнала можно от-

казаться от применения дорогостоя-

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

Ч

ас

то

та поя

в

ле

н

и

я

10

30

50

70

90

110

130

Длина оптической линии, м

Рис. 1


Page 3
background image

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

51

Актуально

ËÈÍÅÉÍÛÅ ÊÀÁÅËÈ ÄËß ÑÊÑ

щих оптических передатчиков с кон-

тролируемой длиной волны и узкой 

спектральной линией излучения 

(относительные стоимостные пара-

метры 10-гигабитных модулей XFP 

демонстрирует Таблица 1).

Весьма существенным аргу-

ментом в пользу выбора схемы 

параллельной передачи является 

возможность применения для ее по-

строения многомодовых волоконных 

световодов категории ОМ3, оптими-

зированных для работы с лазерными 

излучателями и имеющих коэффи-

циент широкополосности не хуже 

2000 МГц

км на длине волны 850 нм. 

Несколько лучшие характеристики 

линии достигаются при использо-

вании новейших волокон категории 

ОМ4 (A1a3 по стандарту IEC 60793-

2-10). Они обеспечивают лазерный 

коэффициент широкополосности 

не хуже 4700 МГц

км.

При реализации схемы па-

раллельной передачи органи-

зуется четыре или десять (для 

40- и 100-гигабитной системы, соот-

ветственно) отдельных субканалов 

со скоростью в 10 Гбит/с в каждом. 

Приемопередатчики этих субкана-

лов с минимальными схемными из-

менениями заимствуются из хорошо 

отработанных в производстве сете-

вых интерфейсов 10G BaseSR. Для 

значимого улучшения экономиче-

ских параметров решения в целом 

и с учетом малой протяженности 

тракта допустимая ширина спектра 

излучения VCSEL-лазера увеличи-

вается до 0,65 нм против 0,45 нм у 

прототипа.

Создание 40- и 100-гигабитной 

техники в области оптической под-

системы не требует проведения 

масштабных НИР. Это обуслов-

лено тем, что промышленностью 

еще в конце 90-х гг. прошлого 

столетия было освоено серийное 

производство:

• 

ленточных сборок волокон;

• 

групповых разъемных сое-

динителей, позволяющих одновре-

менно коммутировать до нескольких 

десятков волокон;

•  механических сплайсов и 

сварочных аппаратов, изначально 

ориентированных на работу с лен-

точным волокном;

• 

групповых разъемных сое-

динителей, позволяющих одновре-

менно коммутировать до несколь-

ких десятков волокон (оптическая 

подсистема) или свыше 4 витых пар 

(симметричные тракты)

Необходимость новых типов 
линейных кабелей оптической 
подсистемы

Несмотря на наличие большого 

технологического задела, практи-

ческое освоение нового диапазона 

скоростей требует создания новых 

разновидностей кабелей.

В области оптической подсисте-

мы существующие распределитель-

ные кабели внутренней прокладки 

мало пригодны для построения СКС 

следующего поколения скоростей. 

Из-за большого разброса длин от-

дельных световодов они не позво-

ляют добиться величины параметра 

skew не свыше 0,75 нс/100 м, зада-

ваемой действующими на начале 

текущего года проектами специфи-

каций.

Один из путей решения задачи 

достижения требуемой величины 

skew состоит в применении волокон-

ных сборок, конструкция которых 

обеспечивает жесткий контроль ме-

ханической длины отдельных воло-

кон. Этим требованиям изначально 

отвечают ленточные световоды. 

Для 40-гигабитных оптических 

систем возможно использование 

нового типа изделий, которые назы-

ваются волоконными модулями (fiber 

unit). От хорошо известных оптиче-

ских модулей (loose tube) кабелей 

внешней прокладки они отличаются 

тем, что их трубка плотно охватыва-

Таблица 1

Назначение модуля

Для систем парал-

лельной передачи, 

λ

 = 850 нм

Общего применения, 

λ

 = 850 нм

Общего применения,

 

λ

 = 1300 нм

Для систем CWDM, 

λ

 = 1300 нм

Для систем DWDM, 

λ

 = 1550 нм

Относительная 

стоимость

0,15

0,2

1

1,2

2,5

Рис. 2


Page 4
background image

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

52

Актуально

ËÈÍÅÉÍÛÅ ÊÀÁÅËÈ ÄËß ÑÊÑ

ют волокна и, за счет этого, не дает 

им свободно перемещаться внутри 

своего внутреннего объема и вырав-

нивает их длину. Такой прием вполне 

корректен из-за заметно меньших 

механических нагрузок и допусти-

мых изменений окружающей тем-

пературы, определяемых областью 

эксплуатации. Внешний диаметр 

модуля не превышает 0,9 мм, т.е. с 

точки зрения компактности (порядка 

0,15 — 0,25 мм

2

 на волокно) ленточ-

ное и модульное решения близки 

друг к другу.

Лучшие образцы оптических ка-

белей для параллельной передачи 

обеспечивают величину параметра 

skew не хуже 0,1 нс/100 м, что от-

крывает перспективы увеличения 

предельной протяженности тракта 

по крайней мере до 150 м. При этом 

круглый кабель модульного типа 

оказывается заметно более удоб-

ным при прокладке.

Основной недостаток модуль-

ного решения состоит в некоторой 

сложности получения механически 

стабильной 10- или 20-волоконной 

структуры, что является обязатель-

ным условием построения 100-

гигабитного оптического тракта.

Симметричные кабели следующе-
го поколения

Симметричные кабели по своим 

характеристикам вполне могут при-

влекаться для построения трактов 

передачи, изначально рассчитан-

ных на скорость передачи свыше 

10 Гбит/с. При этом они должны 

иметь конструктивное исполнение 

на уровне не ниже S/FTP (индивиду-

альное экранирование каждой пары 

в сочетании с общим экраном).

Достаточно популярные в ка-

бельных трактах класса Еа т.н. по-

луэкранированные конструкции 

(кабели с незаземленным экраном) 

в случае строго соответствия их па-

раметров требованиям стандартов 

изначально имеют теоретическую 

шенноновскую пропускную способ-

ность порядка 18 Гбит/с. Для под-

держки 40-гигабитного Ethernet тре-

буется ее увеличение примерно в 

четыре раза. На сегодняшний день 

выполнение этой работы представ-

ляется мало перспективным. Наибо-

лее существенным преимуществом 

полуэкранированных конструкций 

является возможность отказа от по-

строения качественной системы те-

лекоммуникационного заземления. 

ЦОД как фокусная область приме-

нения этой техники обычно отлича-

ется очень умеренными габаритами. 

Поэтому эффективно «разыграть 

карту» упрощения выполнения ар-

хитектурной фазы реализации СКС 

не получается.

В качестве прототипа изделий 

для поддержки функционирования 

40-гигабитных сетевых интерфейсов 

могут быть использованы кабели ка-

тегории 7, имеющие теоретическую 

пропускную способность в 55 Гбит/с. 

При выборе конкретных технических 

решений целесообразно привлекать 

задел, накопленный отраслью за по-

следние полтора десятка лет при 

создании т.н. мультимедиа-кабелей 

и кабелей новейшей категории 

7а. Лучшие образцы мультимедиа-

кабелей (изделия нестандартизо-

ванной категории 8) имеют верхнюю 

граничную частоту свыше 2 ГГц. Ка-

бели категории 7а в соответствии с 

требованиями стандарта нормиру-

ются в полосе частот до  1 ГГц.

Разъемные соединители

Функции разъемных многоволо-

конных (групповых) соединителей 

оптической подсистемы, которые 

идеально вписываются в схему па-

раллельной передачи, вполне могут 

выполнять изделия типа MPO. Они 

хорошо зарекомендовали себя на 

практике в последние несколько лет 

в процессе эксплуатации реальных 

кабельных систем как один из обя-

зательных компонентов оптических 

модульно-кассетных решений [2].

Наибольшее количество свето-

водов, которые дают возможность 

одновременно коммутировать из-

вестные варианты изделия типа 

MPO, доведенного до уровня серий-

ного продукта еще в конце 90-х гг., 

достигает 72 штук. Таким образом, 

разъем данного типа с заметным за-

пасом удовлетворяет потребностям 

практики.

Разъемные соединители, приме-

няемые для формирования симме-

тричных кабельных трактов следую-

щего поколения, будут обязательно 

экранированными. Характеристики 

изделий типов Tera и ARJ-45, серти-

фицированные в диапазоне свыше 

1 ГГц, делают выполнение новых 

разработок нецелесообразным. Фо-

кусная область применения (ЦОД) 

ставит перед практикой еще одну за-

дачу: создание группового варианта 

этих разъемов для формирования 

разветвителя типа гидра. В качестве 

прототипа могут быть использованы 

Tera и ARJ-45, что потенциально от-

крывает перспективы подключения 

к розеточной части вилок одиноч-

ных шнуров при возникновении по-

добной необходимости.

Возможные изменения в стандар-
тизации СКС

Внедрение техники следующе-

го поколения в массовую практику 

реализации проектов требует соот-

ветствующей коррекции стандартов 

СКС. Обычно техника структуриро-


Page 5
background image

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

53

Актуально

ËÈÍÅÉÍÛÅ ÊÀÁÅËÈ ÄËß ÑÊÑ

ванного каблирования несколько 

опережает в этой области технику 

ЛВС. В полном соответствии с дан-

ной тенденцией в широкую инже-

нерную практику вводятся много-

модовые волоконные световоды 

категории ОМ4, характеристики 

которых позволяют с заметно боль-

шей эффективностью создавать ли-

нии с пропускной способностью 40 

и 100 Гбит/с.

Использование техники парал-

лельной передачи немедленно 

влечет за собой необходимость 

разработки нормативной базы и ме-

тодик измерения параметра skew 

для основных комплексных объек-

тов (стационарных линий и трактов 

различных видов) оптической под-

системы СКС. Отдельную самостоя-

тельную задачу представляет собой 

создание и налаживание серийного 

производства тестирующего обо-

рудования для контроля этого па-

раметра. Ее эффективное решение 

сопряжено с существенными слож-

ностями, обусловленными в первую 

очередь необходимостью фиксации 

малых различий времен прохожде-

ния тестовых каналов по отдельным 

волокнам.

Для медножильной подсистемы 

подобная задача представляется 

несколько менее сложной. В дан-

ном случае свою роль играет то, 

что увеличение скорости передачи 

до 40 Гбит/с за счет использования 

многоуровневых линейных кодов 

не требует наращивания верхней 

граничной частоты свыше 1 ГГц. 

Тестирование ряда характеристик 

кабельных трактов СКС в этом ча-

стотном диапазоне достаточно уве-

ренно освоено производителями 

кабельных сканеров еще в середи-

не первого десятилетия нового сто-

летия. Кроме того, известные ме-

тодики определения фактического 

значения величины межкабельного 

переходного затухания, несмотря 

на свой статистический характер, 

по обеспечиваемой точности впол-

не соответствуют требованиям 

практики.

В области оптической подсисте-

мы обеспечение дальности связи 

порядка даже 200 — 300 метров 

при использовании схемы парал-

лельной передачи на экономически 

выгодной длине волны 850 нм неце-

лесообразно из-за неудовлетвори-

тельных дисперсионных характери-

стик существующих многомодовых 

волокон и сложностей гарантиро-

ванного выполнения требований по 

параметру skew. В этой ситуации 

естественным выходом видится вве-

дение в СКС нового класса OF-100 

оптических линий. Фокусной об-

ластью применения подобных ком-

плексных объектов видятся ЦОД и 

офисные здания. Ранее линии дан-

ного класса нормировались только 

для кабельных систем промышлен-

ного назначения [3].

При этом введение нового клас-

са OF-100 приводит к некоторым 

коллизиям его численного индекса 

и гарантированной протяженности 

тракта на волокнах категории ОМ4 

(125 м). По аналогии со своими ме-

нее скоростными предшественни-

ками линии с длиной свыше 100 м в 

данной ситуации могут строиться с 

опорой исключительно на фирмен-

ные нормы.

Выводы

1. 

Серийная и особенно вновь 

внедряемая техника СКС имеет 

очень серьезные резервы по про-

пускной способности и вполне при-

годна для полномасштабной под-

держки функционирования сетевых 

интерфейсов со скоростями пере-

дачи в 40 и 100 Гбит/с (в последнем 

случае в области оптической подси-

стемы).

2. Разработка  специальных 

конструкций линейных кабелей 

внешней прокладки для поддерж-

ки функционирования оптических 

сетевых интерфейсов 40G и 100G 

Ethernet  не требуется. 

3. Целесообразна 

разработка 

и наладка серийного выпуска спе-

циальных конструкций внутренней 

прокладки на основе оптических мо-

дулей и ленточных сборок.

4. 

Для реализации оптических 

линий подсистемы внутренних маги-

стралей, изначально рассчитанных 

на работу с 40- и 100-гигабитными 

информационными потоками, целе-

сообразно применять специализи-

рованные многомодовые кабели с 

волокнами категорий ОМ3 и ОМ4, а 

также групповых соединителей типа 

MPO.

5. Конструкция  симметрич-

ных кабелей для поддержки функ-

ционирования 40-гигабитных систем 

должна целенаправленно оптимизи-

роваться для обеспечения простоты 

сопряжения с групповыми и много-

канальными соединителями.

Литература

1. Семенов А.Б., Стрижаков С.К., 

Сунчелей И.Р. Структурированные 

кабельные системы // М.: ДМК-Пресс, 

2002. — 640 с.

2. Семенов А.Б. Модульно-

кассетные решения для оптики // LAN /

Журнал сетевых решений 2004. — 

 

№ 11. — С. 64—78.

3. Семенов А.Б. Международный 

стандарт на СКС промышленного 

назначения // LAN / Журнал сете-

вых решений. — 2007. —  № 10. — 

 

С. 70—84.


Читать онлайн

Увеличение быстродействия и наращивание количества функций, реализуемых информационно-вычислительной системой (ИВС) современного предприятия, приводит к систематическому росту требований, выдвигаемых в отношении пропускной способности внутрисистемных каналов связи.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 4(73), июль-август 2022

Технологический суверенитет в российской энергетике: энергоэффективные трансформаторы с сердечниками из аморфной стали

Энергоснабжение / Энергоэффективность Оборудование Экология
ООО «НПК «АВТОПРИБОР»
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 4(73), июль-август 2022

Разработка методики точной оценки фактической загрузки трансформаторов 6(10)–0,4 кВ с помощью данных от интеллектуальных систем учета электрической энергии

Энергоснабжение / Энергоэффективность Оборудование
Мусаев Т.А. Хабибуллин М.Н. Шагеев С.Р. Федоров О.В.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 4(73), июль-август 2022

О ремонтах оборудования распределительных устройств 220‑500 кВ узловых подстанций и их схемах

Управление производственными активами / Техническое обслуживание и ремонты / Подготовка к ОЗП Оборудование
Гринев Н.В.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»