Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 07-08 2011
Андрей СЕМЕНОВ  Владимир РАДЧЕНКО  26 июля 2011

Ждать ли 100 Гбит/с по меди?

В современных ЦОДах, где протяженность кабельных линий невелика, оптические системы теряют свое основное преимущество – широкополосную «дальнобойность». Но сможет ли СКС на основе симметричных кабельных трактов поддерживать передачу 100-гигабитного потока данных?

Андрей СЕМЕНОВ, директор по развитию «АйТи-СКС»
Владимир РАДЧЕНКО, аспирант Санкт-Петербургского университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Современные информационные системы (ИС) предприятий на физическом уровне в подавляющем большинстве случаев реализованы на основе структурированной кабельной системы (СКС). Стремительное развитие вычислительной техники, рост числа ее потребителей и расширение областей использования предъявляют все новые требования к СКС, и одно из них – увеличение предельной пропускной способности кабельных трактов.

Согласно действующим и перспективным нормативным документам возможно построение структурированной проводки с использованием симметричных и оптических кабелей. При создании кабельной системы основной объем ресурсов направляется на реализацию ее нижнего абонентского уровня (горизонтальной подсистемы в случае офисной СКС). В этой области (в первую очередь из соображений экономического характера) доминируют решения, основанные на симметричном кабеле. Наращивать пропускную способность медножильных кабельных трактов до бесконечности невозможно, а значит, рано или поздно потребуется переходить на новую разновидность кабельных систем.

В настоящее время преемник медножильных трактов фактически известен – это оптические линии. Линии связи в ИС отличаются длительным сроком эксплуатации. В силу этого вполне оправданным выглядит предложение о переходе «на опережение», т. е. уже сейчас, не дожидаясь окончательного морального устаревания электропроводных кабелей.

Задача выбора типа среды передачи с учетом ее перспективы сложна тем, что носит многокритериальный характер. Однако именно многокритериальность позволяет упростить ее решение, по крайней мере в первом приближении. В рамках такой стратегии вполне допустимо вычленить в проблеме главные влияющие факторы и проанализировать каждый из них в отдельности, с последующим выводом уже по всей совокупности полученных результатов. Далее мы воспользуемся именно таким подходом.

Фокусная область применения

Среднестатистический пользователь ИС не в состоянии адекватно, по крайней мере в течение длительного времени, воспринимать информацию, поступающую к нему со скоростью выше нескольких десятков мегабит в секунду. Это означает, что если рассматривать ИС и основных потребителей ее ресурсов в комплексе, т. е. в форме известной системы человек – машина, то фактором, ограничивающим пропускную способность системы, будет первое звено.

С учетом имеющихся ограничений фокусной областью применения сверхвысокоскоростных трактов станут те составляющие ИС, в которых такие ограничения принципиально отсутствуют: там, где функционируют системы машина – машина. Это магистрали крупных СКС и линии связи ЦОДов. В последних высокоскоростные линии используются для связи серверов с коммутаторами различного уровня и накопителями систем массовой памяти.

Превалирующее значение в свете проблемы, вынесенной в заголовок, будут иметь именно ЦОДы. Этому в первую очередь способствует предельно ограниченное пространство, на котором развертывается ЦОД даже крупного масштаба. В результате средняя протяженность тракта значительно сокращается (с 40 м в офисных системах до менее чем 30 м), т.е. оптическая техника теряет свое главное преимущество – широкополосную «дальнобойность». Одновременно существенно снижается острота проблемы гальванической развязки приемника и передатчика на разных концах.

Разработки элементной базы

В создании техники нового поколения заметную роль играет наличие некоторого задела. В качестве прототипа основного компонента 100-гигабитных симметричных трактов могут быть использованы так называемые мультимедийные кабели, довольно широко представленные на рынке. Достаточно часто для их обозначения пользуются термином «кабель категории 8», хотя категория с таким номером не фигурирует даже в проектах известных нормативных документов.

В области разъемов хороший задел образуют соединители типа Tera и их аналоги с квадрантным расположением пар контактов. Определенную роль в этом вопросе играет их форма, удобная с точки зрения построения коммутационного оборудования, в том числе индивидуальных розеток. Немаловажное значение имеет возможность размещения каждой такой пары контактов в отдельной экранирующей камере, очень эффективной с точки зрения подавления переходных помех.

Стоимость

При прочих равных условиях по затратам на реализацию в случае небольшой протяженности электропроводные линии принципиально превосходят оптические. Тому есть две основные причины: во-первых, в электропроводных линиях отсутствует дополнительная пара преобразования электрического сигнала в оптический и обратно (соответственно на входе и выходе линии). Во-вторых, при скоростях передачи в 40 и 100 Гбит/с структура электропроводных и оптических линий оказывается предельно сходной, так как в их основе лежит схема параллельной передачи.

В 40- и 100-гигабитных оптических линиях СКС из соображений некоторого улучшения стоимостных параметров решения в целом используют дорогостоящие многомодовые световоды категорий ОМ3 и ОМ4, причем для создания каждого из субканалов всегда привлекается пара волокон (в симметричных трактах можно ограничиться всего одной парой). Стоимость одного такого волокна по крайней мере соизмерима со стоимостью витой пары категорий 7а и выше, которые могут быть использованы в составе медножильного 40- и 100-гигабитного тракта.

Технические возможности реализации

Сама возможность передачи информационных потоков по медножильным трактам со скоростями 100 Гбит/с определяется их теоретической пропускной способностью. Для симметричных трактов расчет этого параметра упрощается из-за того, что в условиях преобладающего влияния переходной помехи отношение сигнал/шум не зависит от уровня сигнала, а сам шум носит аддитивный характер. Кроме того, некоррелированный характер сигналов, передаваемых по отдельным витым парам и предварительно подвергнутых процедурам скремблирования на передающем конце, позволяет считать шум близким к белому. Таким образом, для оценки пропускной способности можно воспользоваться теорией Шеннона.

Результаты конкретных расчетов показывают, что по крайней мере в первом приближении многочисленные источники шумов, снижающие качество информационного сигнала на входе приемника в симметричном тракте, можно заменить единственным эквивалентным источником. Тогда анализ шумовой составляющей сводится к определению шумов на ближнем конце, а остальные источники учитываются соответствующим поправочным коэффициентом.

Обработка фирменных спецификаций кабелей категории 8 показала, что описание частотной зависимости PS-NEXT в форме, используемой в действующих и известных перспективных редакциях стандартов, дает очень большую ошибку расчета в сторону занижения пропускной способности W. Для ее уменьшения до приемлемого уровня целесообразно применить кусочно-линейную аппроксимацию следующего вида:

 

PS-NEXT(f) = PS-NEXT0                                  f меньше или равно f0

PS-NEXT(f) = PS-NEXT0 – k lg(ff0 + 1)     f больше f0

 

где f – частота; f0, МГц – некоторая критическая частота, при превышении которой начинается «завал» частотной характеристики переходного затухания на ближнем конце; k – крутизна падения частотной характеристики PS-NEXT на частотах выше f0.

Особенностью аппроксимации является то, что при k = 15 и f0 = 1 МГц она переходит в ту, которая используется в действующих нормативных документах, т.е. обеспечена необходимая общность.

 
 
Фактические значения параметров для некоторых кабелей, которые после определенного усовершенствования и/или даже обычной пересертификации могут быть задействованы для построения 100-гигабитных симметричных линий, приведены в таблице .

Частотную характеристику затухания как второго компонента, используемого при определении отношения сигнал/шум, вполне можно описать обычным образом.

Результаты расчетов пропускной способности с учетом наших предположений (см. рисунок) свидетельствуют о том, что современная техника СКС вполне обеспечивает решение задачи передачи 100-гигабитных информационных потоков на расстояние вплоть до 100 м с соответствующим эксплуатационным «запасом».

Еще одна важная особенность 100-гигабитных симметричных трактов состоит в том, что их необходимо рассматривать в комплексе с активным сетевым оборудованием. Дело в том, что переходное затухание даже у самых лучших образцов существующих кабелей недостаточно для получения требуемых параметров тракта. Как следствие, для улучшения отношения сигнал/шум на D дБ в обязательном порядке следует применять в приемниках сетевых интерфейсов подавители переходной помехи. Подобные блоки были впервые использованы в интерфейсах 1G Base-T, и за прошедшие почти полтора десятка лет их конструкция хорошо отработана в серийном производстве.

Для получения окончательного ответа на вопрос о возможности передачи 100-гигабитного потока по симметричным кабельным трактам необходимо определить верхнюю граничную частоту fв линейного сигнала. Первичная оценка этого параметра выполняется исходя из следующих соображений. Для симметричных интерфейсов гигабитного диапазона скоростей с целью снижения верхней граничной частоты линейного сигнала используется многоуровневое кодирование вида PAMn, где n = 5 (4), 8, 16, 32 и т.д. Изменение схемы формирования линейного сигнала в интерфейсах новых типов нецелесообразно из-за сложностей обеспечения обратной совместимости с устройствами, функционирующими на более низких скоростях.

Симметричный тракт передачи строится по четырехканальной схеме, верхняя граничная частота входных цепей приемника может быть в два раза ниже значения fв. С учетом этих соображений находим fв, решая уравнение 4 fв × m = 0,5 × 160 Гбит/с, откуда fв = 20/m, где m = log2n.

При умеренных значениях m получаем, что верхнюю граничную частоту fв спектра линейного сигнала не нужно поднимать намного выше значения 2 ГГц, которое в настоящее время уже достигнуто в ряде серийных образцов мультимедийных симметричных кабелей. Работы в этом направлении проводились в процессе адаптации СКС домашних сетей для поддержки систем спутникового телевидения; в частности, с 2007 г. такие кабели серийно выпускает французская компания Acome.

Потеря защищенности сигнала от теплового шума, которую принципиально невозможно устранить методами цифровой обработки, компенсируется увеличением мощности передатчика.

  

Итак, наши расчеты показывают, что у симметричных кабельных трактов СКС есть вполне конкретные перспективы использования для передачи сигналов сетевых интерфейсов локальных сетей со скоростями вплоть до 100 Гбит/с. Основной областью массового применения 100-гигабитного оборудования могут стать центры обработки данных, в классических СКС его перспективы заметно слабее.

Кабельные тракты 100-гигабитных СКС следует реализовать исключительно на полностью экранированных линейных и шнуровых кабелях со структурой F/FTP или SF/FTP и соответствующем коммутационном оборудовании. Применение неэкранированных изделий на таких скоростях при современном уровне техники не представляется возможным. Эффективность схем подавления переходных помех сетевых интерфейсов должна достигать примерно 23 дБ.

Частотный диапазон нормирования параметров 100-гигабитных симметричных кабелей необходимо расширить по крайней мере до 2–2,5 ГГц.  

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!