Линейные кабели для 40- и 100-гигабитных СКС

Page 1

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

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

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

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-

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

ас

то

та поя

ле

110

130

Длина оптической линии, м

Рис. 1

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

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,

= 850 нм

Общего применения,

= 850 нм

Общего применения,

= 1300 нм

Для систем CWDM,

= 1300 нм

Для систем DWDM,

= 1550 нм

Относительная

стоимость

0,15

0,2

1,2

2,5

Рис. 2

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

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

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

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

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

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.

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.

Оригинал статьи: Линейные кабели для 40- и 100-гигабитных СКС

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.