Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 07-08 2010
Андрей СЕМЕНОВ  27 июля 2010

Перспективные СКС: скорости 40 Гбит/с и выше

С середины текущего десятилетия начали широко использоваться сетевые интерфейсы, обеспечивающие скорость передачи 10 Гбит/с. Однако за пять лет их возможности были практически исчерпаны. Различные усовершенствования, например технологии Port trunking, дела не меняют. на повестку дня встал вопрос о переходе к следующему поколению сетевой аппаратуры с более высокой номинальной скоростью передачи.

Андрей СЕМЕНОВ, директор по развитию «АйТи-СКС»СКС, реализованные на современной элементной базе категории 6а, имеют теоретическую пропускную способность по меньшей мере 18 Гбит/с. Поэтому они прекрасно передают 10-гигабитные потоки, однако не имеют резервов наращивания скорости. Переход на решения категории 7 качественных изменений не дает. Теоретическая пропускная способность этой техники – 55 Гбит/с, что недостаточно для обеспечения нормального функционирования даже 40-гигабитных систем.

Таким образом, наряду с новыми типами активного сетевого оборудования требуется разработать качественно новые СКС. С учетом большого срока службы кабельных систем внедрение техники следующего поколения должно осуществляться опережающими темпами. Активное сетевое оборудование и используемые им кабельные тракты образуют единый комплекс. Поэтому достижимые параметры СКС во многом определяют направления разработки сетевых устройств. В свою очередь, применяемые при создании сетевых устройств конструктивные решения оказывают сильное влияние на технику кабельных систем.

Круг потребителей СКС следующего поколения

Так же, как и для 10-гигабитных систем (см. «ИКС» № 10’2009, с. 84), для кабельной техники нового поколения фокусной областью применения являются в первую очередь центры обработки данных. Определенные перспективы имеются в магистральных подсистемах крупных СКС офисного назначения; не следует сбрасывать со счетов и крупные промышленные СКС.

Наиболее реальные кандидаты на роль оборудования следующего поколения – системы Ethernet со скоростью передачи 40 и 100 Гбит/с. Причем эти технологии отнюдь не антагонисты. Предполагается, что 40-гигабитные системы будут применяться для связи между серверами, а 100-гигабитные – для организации магистральных каналов.

Отдельного упоминания как потенциального потребителя ресурсов СКС в ЦОДе заслуживает оборудование Fibre Channel и Infiniband. Эти разновидности сетевых устройств используют другой формат кадра, однако скорости передачи линейного сигнала близки к тем, которые свойственны Ethernet, хотя традиционно несколько им уступают.

Ориентация оптической подсистемы на схемы параллельной передачи

Выбор схемы сетевого интерфейса нового поколения во многом определяется тем, что передача 40- и 100-гигабитного информационного потока в одном канале сопряжена с большими техническими сложностями, вызванными слишком высокими частотами модуляции даже при использовании наиболее экономичных по ширине спектра сигналов в формате NRZ в сочетании с многоуровневой схемой кодирования.

Статистика реализованных проектов (рис. 1) свидетельствует о том, что независимо от области применения протяженность примерно 90% линий СКС не превышает 100 м. Поэтому для обеспечения 40- и 100-гигабитной пропускной способности канала связи целесообразно организовывать передачу в нескольких параллельных субканалах. Такой подход дает возможность в разы уменьшить тактовую частоту линейного сигнала.

Параллельная передача – это один из вариантов многоканальной передачи: передатчик каждого из субканалов работает по физически отдельной цепи (пространственное мультиплексирование). В сетях связи общего пользования параллельная передача не имеет перспектив, поскольку при протяженности линии даже в единицы километров ее использование не экономично. В ЛВС, где длина тракта в подавляющем большинстве случаев не превышает нескольких десятков метров, параллельная передача намного популярнее. В частности, она уже более десяти лет массово применяется на уровне межблочного соединения и организации стека коммутаторов.

Значительно лучшие стоимостные характеристики схем параллельной передачи для линий небольшой протяженности обусловлены рядом причин:

• ее использование устраняет необходимость установки на концах линии модулей оптических мультиплексора и демультиплексора, цены на которые остаются высокими даже после радикального снижения последних лет;

• можно не применять сложные линейные коды и во многом обеспечить унификацию 10-гигабитных систем и их более скоростных наследников;

• при построении линии связи можно отказаться от дорогостоящих оптических передатчиков с контролируемой длиной волны и узкой спектральной линией излучения.

Существенным аргументом в пользу выбора схемы параллельной передачи служит возможность применения многомодовых волоконных световодов категории ОМ3, оптимизированных для работы с лазерными излучателями и имеющих коэффициент широкополосности не хуже 2000 МГц • км на длине волны 850 нм. Несколько лучшие характеристики линии достигаются при использовании новейших волокон категории ОМ4 (A1a3 по стандарту IEC 60793-2-10) с лазерным коэффициентом широкополосности не хуже 4700 МГц • км. В частности, предельная протяженность тракта увеличивается как минимум до 125 м.
Параллельная передача производится в четырех или десяти (для 40- и 100-гигабитной системы соответственно) отдельных субканалах со скоростью в 10 Гбит/с в каждом. Приемопередатчики этих субканалов с минимальными схемными изменениями заимствуются из хорошо отработанных в производстве сетевых интерфейсов 10G BaseSR. Для улучшения экономических параметров решения в целом допустимая ширина спектра излучения VCSEL-лазера увеличивается в полтора раза до 0,65 нм.

Создание 40- и 100-гигабитной оптической техники заметно облегчается хорошим техническим заделом. Промышленность еще в конце 90-х гг. прошлого столетия освоила серийное производство ленточных сборок волокон, механических сплайсов и сварочных аппаратов, изначально ориентированных на работу с ленточным волокном, а также групповых разъемных соединителей, позволяющих одновременно коммутировать до нескольких десятков волокон.

Функции групповых разъемных оптических соединителей вполне могут выполнять изделия типа MPO (рис. 2). В последние несколько лет они хорошо зарекомендовали себя как один из обязательных компонентов оптических модульно-кассетных решений. Количество световодов, которые дают возможность одновременно коммутировать серийные варианты этих соединителей, достигает 72. Таким образом, разъем данного типа с заметным запасом удовлетворяет потребности практики.

Необходимость новых типов оптических кабелей

Освоение нового диапазона скоростей требует создания новых разновидностей кабелей. Существующие распределительные кабели внутренней прокладки для этого мало пригодны, поскольку из-за большого разброса длин отдельных световодов нельзя добиться, чтобы разброс времени задержки (skew) не превышал 0,75 нс/100 м.

Один из путей достижения требуемой величины skew состоит в применении кабелей, конструкция которых обеспечивает жесткий контроль механической длины отдельных волокон. Таковы, например, ленточные световоды. Поскольку реализация 100-гигабитных систем с помощью передачи в 10 отдельных субканалах окончательно утвердилась, возникла необходимость освоить серийное производство 10-волоконных лент (ранее использовались 4-, 6-, 8- и 12-волоконные ленты).
Для 40-гигабитных систем можно использовать так называемые волоконные модули. От модулей кабелей внешней прокладки они отличаются тем, что не позволяют волокнам свободно перемещаться внутри трубки. Внешний диаметр модуля не превышает 0,9 мм, т.е. по параметру компактности (порядка 1 мм2 на волокно) этот элемент практически не уступает ленточному решению. А при прокладке круглый кабель модульного типа оказывается заметно удобнее, чем плоский ленточный.
Ленточные сборки и волоконные модули, изначально предназначенные для параллельной передачи, обеспечивают величину skew не хуже 0,1 нс/100 м, что открывает перспективы увеличения предельной протяженности тракта по крайней мере до 150 м.

40 Гбит/с по медножильным трактам

Возможность использования симметричных кабельных трактов протяженностью 100 м на скоростях выше 10 Гбит/с практически подтверждена осенью 2008 г. специалистами Пенсильванского университета (США). В ходе проведенного ими эксперимента была достигнута скорость в 50 Гбит/с при требуемом для коммерческого использования качестве передачи.

Ключевые достоинства медножильного варианта 40-гигабитного сетевого интерфейса следующие:

• меньшая по сравнению с оптическим аналогом стоимость решения при организации широко распространенных именно в ЦОДах (см. рис. 1, б) линий длиной до 30 м;

• удобство формирования линейного сигнала на уровне модуля доступа к физической среде из четырех отдельных 10-гигабитных потоков;

• возможность прямого заимствования многих схем из интерфейса 10 GBaseSR;

• относительная техническая простота создания «медного» варианта сетевого интерфейса, рассчитанного на работу по кабельным трактам категории 7а (класса 7а).

Теоретическая пропускная способность кабельного тракта класса F составляет примерно 55 Гбит/с. В реальных условиях с привлечением простых технических средств она может быть использована примерно на 60%, т.е. фак-тическое значение очень близко к требуемым 40 Гбит/с.

Приведенные выше оценки пропускной способности делались в предположении, что для формирования тракта применяются компоненты категории 7, которые были разработаны еще в середине 90-х гг. прошлого столетия. Переход на элементную базу категории 7a с увеличенной до 1000–1200 МГц верхней граничной частотой полосы пропускания и улучшенным параметром NEXT позволяет повысить пропускную способность в несколько раз (по крайней мере, потенциально).

Поскольку в ЦОДах нет необходимости применять линии, реализующие четырехконнекторную модель тракта передачи сигнала, обеспечение требуемого качества передачи несколько упрощается.
Значительная часть спектра субканального линейного сигнала 40-гигабитного интерфейса лежит выше 500 МГц. На столь высоких частотах при длинах линии, близких к предельным, существенно увеличивается затухание, что сопровождается усилением влияния тепловых шумов приемника на качество передачи данных. Поэтому уровень выходной мощности передатчика увеличивается с обычных 0 дБм до примерно +10 дБм. Такой прием позволяет, не меняя защищенность от переходной помехи, свести отрицательный эффект воздействия тепловых шумов до пренебрежимо малых величин.

Отдельно отметим, что техника категории 7 и выше может быть реализована только в полностью экранированном варианте (кабели S/FTP, а также разъемные соединители Теrа, GG45 и его вариант ARJ45). При наличии качественного телекоммуникационного заземления такое исполнение эффективно решает проблему межкабельных переходных помех.

Изменения в стандартах

Освоение диапазона скоростей 40 и 100 Гбит/с требует коррекции стандартов СКС в части, относящейся к оптической подсистеме. Для работы на таких скоростях были созданы и в настоящее время полностью нормированы многомодовые волоконные световоды категории ОМ4, характеристики которых позволяют заметно повысить эффективность оптических линий. В частности, максимальная протяженность 100-гигабитного многомодового тракта может быть увеличена минимум до 125 м против 100 м при его реализации на световодах категории ОМ3.

Применение техники параллельной передачи обусловливает необходимость разработки нормативной базы и методик измерения skew. Отдельную задачу представляет собой создание и налаживание серийного производства тестирующего оборудования для контроля этого параметра. Ее эффективное решение осложняется необходимостью фиксации малых различий во времени прохождения тестовых сигналов по отдельным волокнам.

Обеспечение дальности связи порядка нескольких сотен метров при использовании схемы параллельной передачи на экономически выгодной длине волны 850 нм нецелесообразно из-за неудовлетворительных дисперсионных характеристик существующих многомодовых волокон. В этой ситуации естественным выходом видится введение в СКС оптических линий нового класса OF-100, фокусной областью применения которых станут ЦОДы и офисные здания. Ранее такие линии нормировались только для кабельных систем промышленного назначения.

Подведем итоги
Серийная и особенно вновь внедряемая техника СКС вполне пригодна для полномасштабной поддержки функционирования сетевых интерфейсов со скоростями передачи 40 и 100 Гбит/с. Данное утверждение полностью справедливо для оптических систем, а с определенными оговорками – и для медножильных трактов протяженностью до 100 м. В частности, медножильный 100-гигабитный вариант сетевых интерфейсов в обозримой перспективе может быть реализован при использовании элементной базы категории 7а.

Сетевые интерфейсы следующего уровня пропускной способности создаются в настоящее время на основе схем параллельной передачи, что должно соответствующим образом отразиться в стандартах СКС.
Внедрение промежуточного 40-гигабитного варианта сетевых интерфейсов позволяет задействовать для передачи их сигналов горизонтальные кабельные тракты СКС с предельной протяженностью 100 м не ниже категории 7а (в том числе ранее проложенные при условии соответствующей ресертификации).

Отметим, что для СКС, обеспечивающих скорости передачи 40 и 100 Гбит/с, не требуется разрабатывать и внедрять принципиально новые типы линейных кабелей и разъемных соединителей.
Переход в симметричных трактах на скорости 40 Гбит/с сопровождается увеличением объема использования экранированной техники.  #999999">икс
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!