Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 10 2014
Андрей СЕМЕНОВ  07 октября 2014

Перспективы сетевых интерфейсов 100G Base-SR4

Особенность телекоммуникационной части ЦОДа в независимости от его основного назначения (корпоративный он или коммерческий) – в объективной необходимости организовать много быстродействующих каналов внутренней связи.

Андрей СЕМЕНОВ, директор по развитию, RdM Distribution, докт. техн. наукПотребность в большом числе таких каналов обусловлена рядом факторов. Укажем на главные из них:

  • стремление сократить время реакции на поступающий запрос за счет ускорения передачи запрашиваемых данных или результатов обработки информации, хранимой в ЦОДе;
  • широкое использование модели облачных вычислений, что предполагает распараллеливание вычислительных процессов и сопровождается интенсивным обменом большими объемами данных между серверами с подключением в необходимых случаях оборудования массовой памяти как в пределах одного ЦОДа, так и между отдельными центрами;
  • переход к централизации типовых вычислительных процессов из соображения экономии эксплуатационных расходов на ИТ-инфраструктуру.

Анализ прогнозов и доступных аналитических данных о быстродействии каналов внутренней связи ЦОДа свидетельствует о высоких темпах замены 10-гигабитной техники на 40-гигабитную (объемы внедрения соответствующих сетевых интерфейсов должны сравняться не позднее 2016 г.). Что касается перспектив следующего по быстродействию поколения аппаратуры, которая рассчитана на 100 Гбит/с, то тут аналитики выступают единым фронтом: начало массового использования этой разновидности техники следует ожидать уже в 2018 – 20 гг.

Каналы внутренней связи ЦОДа с таким уровнем быстродействия и степенью эксплуатационной доступности, отвечающей требованиям высоких уровней Tier по стандарту ANSI/TIA-942A, могут быть организованы только на базе кабельной техники. На основании этого нормативного документа и его известных аналогов различного уровня она реализуется в виде структурированной кабельной системы.

Учитывая типовые сроки эксплуатации СКС, сложившиеся правила их внедрения и темпы наращивания быстродействия сетевой аппаратуры, волоконно-оптическая подсистема вновь инсталлируемой информационной кабельной системы должна быть готова для передачи сигналов со скоростями в 100 Гбит/с уже сейчас. В свою очередь, это означает, что увеличение быстродействия канала связи до указанного значения должно сводиться к простой замене сетевых интерфейсов. Работы любой разновидности в пределах стационарной линии при переходе к следующему уровню быстродействия минимальны, а замена линейного кабеля недопустима в принципе.

Варианты реализации оптических сетевых интерфейсов 100G Ethernet

При нынешнем развитии телекоммуникаций скорость передачи информации в 100 Гбит/с в одном канале уже давно вышла из разряда рекордных. Она реализуется многими производящими компаниями и используется в серийной аппаратуре операторского класса для построения сетей связи общего пользования.

При переходе в новую область, которой в данном случае становится ЦОД, появляется возможность воспользоваться имеющимся заделом. Это делает ненужным проведение полномасштабных НИР и предполагает широкое использование хотя бы части наработанных ранее технических решений. Основными преимуществами подобной стратегии становится уменьшение времени и снижение затрат на разработку. При необходимости выполняются НИОКР для улучшения технико-экономических характеристик решения – главным образом за счет совершенствования отдельных его параметров.

Современный уровень техники не позволяет добиться скорости передачи информации 100 Гбит/с в одном моноканале. Для достижения необходимого уровня быстродействия в основу конструкций серийных и опытных сетевых интерфейсов закладывается принцип параллельной передачи в нескольких независимых субканалах с меньшим быстродействием. Их количество минимизируется (что упрощает отработку процедур взаимодействия) с учетом, что инерционность отдельных компонентов тракта не должна стать непреодолимым препятствием для организации нормальной связи.

На длинных линиях, сопоставимых с сетями города, сетевые интерфейсы 100G Ethernet используют в качестве среды передачи одномодовую технику. По своей структуре они полностью повторяют аппаратуру операторского класса и работают на схеме спектрального мультиплексирования. Спецификациями IEEE предусматривается 100-гигабитная техника 100G Base-LR4 (дальность действия до 10 км) и 100G Base-ER4 (дальность действия до 40 км). Расстояние между центральными длинами волн оптических несущих выбрано примерно 4,5 нм, а ширина окна входного фильтра приемника составляет около 2 нм. Подобная техника мало востребована. Причина – в экономической неэффективности подхода, лежащего в ее основе, на линиях протяженностью в несколько десятков метров, которые превалируют в ЦОДе, тогда как число длинных соединительных линий объективным образом на несколько порядков ниже по сравнению с аппаратным залом.

Улучшить экономическую эффективность 100-гигабитной техники и упростить ее эксплуатацию при создании каналов связи малой дальности можно двумя способами. Первый – переход на схему пространственного мультиплексирования, второй – использование рабочей длины волны 850 нм. На сегодняшний день IEEE своим стандартом 802.3ba нормирует единственный вариант такой аппаратуры – 100G Base-SR10. Сильной стороной этой техники является возможность широко заимствовать на уровне отдельного субканала схемные решения интерфейсов 10G Base-SR, хорошо отработанных в серийном производстве.

Целесообразность перехода на 4-канальную схему

Потребность в новой разновидности 100-гигабитного волоконно-оптического сетевого интерфейса малой дальности обусловлена стремлением устранить следующие недостатки стандартизованной ранее техники:

  • сложность реализации электрических схем формирования 10-канальной группы потоков данных на передающем конце и их обратного преобразования в приемной части;
  • неудовлетворительные даже по современным меркам характеристики интерфейсов 100G Base-SR10 по потребляемой мощности и массогабаритным параметрам;
  • неэкономичное (с 20-процентными потерями) использование типовой 12-волоконной ленты оптического кабеля;
  • неудобство последовательного наращивания скорости 10 – 40 – 100 Гбит/с в процессе эксплуатации, что требует радикального изменения конструкции интерфейсной части СКС на каждом таком переходе.

Прокомментируем последнее положение более подробно. При создании 100-гигабитного канала связи на основе техники 100G Base-SR10 шнуры и кассеты, демонтируемые при наращивании темпа передачи, не могут быть использованы в дальнейшем и годны только для пополнения ЗИПа как подменные компоненты. Поэтому внедрение такой схемы построения 100-гигабитного интерфейса, которая позволяет не менять конфигурацию изначально правильно спроектированной кабельной системы не только в линейной, но и в интерфейсной части, удобно службе эксплуатации. Техника в случае выбора производителем правильной политики продвижения получает дополнительные коммерческие преимущества.

Работы по созданию спецификации новой разновидности сетевых интерфейсов выполняются под шифром IEEE 802.3bm. Исследовательская группа, целевым образом занимающаяся данной тематикой, была сформирована в июле 2011 г. Окончание работ намечено на I квартал 2015 г.

Основные особенности техники новой разновидности

100-гигабитный 4-канальный коротковолновый оптический интерфейс 100G Base-SR4 имеет ряд существенных технических особенностей. Прежде всего, для сохранения возможности дальнейшего использования экономически выгодной многомодовой техники приняты специальные меры по ограничению роста тактовой частоты. Это достигается переходом от бинарного линейного кода к многоуровневому.

В случае использования многоуровневых кодов типа РАМ-4 и аналогичным им максимальная длина тракта уменьшается не слишком сильно, так как тактовая частота возрастает примерно до 12,5 ГГц (без учета упреждающей коррекции ошибок FEC) и дисперсионный штраф увеличивается достаточно умеренно. При этом, однако, требуется обязательное применение наиболее широкополосного из стандартизованных в настоящее время волокна категории ОМ4. Максимальная гарантированная дальность связи установлена равной 100 м. Вполне возможна работа по кабельным трактам категории ОМ3, однако с протяженностью не свыше 70 м, что серьезно ограничивает проектную гибкость такого варианта без заметного финансового выигрыша. Формальная минимальная дальность действия составляет 0,5 м.

Функции интерфейсного разъема возложены на MPO, который нормирован действующими стандартами. Он может рассматриваться как характерный признак оптической техники локальных сетей, работающей на скоростях свыше 10 Гбит/с. Еще одной данью традиции стала фиксация допустимой вероятности битовой ошибки в 10-12 в сочетании с использованием блочного линейного кодирования типа 64В/66В.

В новой разновидности интерфейса отдельно предусмотрен комплекс мер по уменьшению вероятности битовой ошибки. Упомянем только две из них, дающие наибольший эффект: требование обязательного использования схем и алгоритмов упреждающей коррекции ошибок (FEC), хорошо отработанных на технике предыдущего поколения; использование полной (3R) регенерации сигнала в приемной части оптического модуля.

В качестве излучателя выбран VCSEL-лазер мощностью класса 1, принципиально не опасной для органов зрения обслуживающего персонала. С учетом относительно слабого влияния хроматической составляющей дисперсии на частотные свойства тракта максимально допустимая ширина линии оптического сигнала установлена равной 0,6 нм. Это дает возможность заметно улучшить стоимостные параметры оптоэлектронного модуля.

В интерфейсе предусмотрена штатная частотная коррекция линейных искажений (эквалайзинг). Она позволяет в широких пределах демпфировать отрицательные последствия недостаточно высокого быстродействия VCSEL-лазеров и обойти ограничения по полосе пропускания стандартизованных многомодовых световодов.

Сильной стороной новой техники становится увеличение энергетической эффективности, столь ценимое в современном ЦОДе. Уменьшение числа каналов позволяет ощутимо снизить потребляемую мощность устройства в целом, несмотря на практически двухкратное ее увеличение в отдельном канале из-за наличия цепей регенерации.

Интерфейс 100G Base-UR4

С учетом статистики реальных объектов вполне допустима реализация еще более простых и энергоэффективных оптических модулей ультрамалого радиуса действия. Основным средством улучшения потребительских качеств изделия становится отказ от регенерации. Предельная дальность действия техники этой разновидности установлена равной 20 м. Выбор такой границы определяется тем, что согласно имеющейся статистике около 85 % линий в фокусной области применения 100-гигабитной многомодовой техники указанного значения не превысят.

Интерфейсу сверхмалой дальности действия уже сейчас присвоен отдельный индекс 100G Base-UR4 (от англ. Ultra short), среди специалистов также известный как 100G Base SR4 lite. Соответственно, «стандартные» интерфейсы 100G Base SR4 в этой терминологии будут называться 100G Base SR4 heavy. Модуль удешевляется не только устранением цепей регенерации, но и выбором ширины линии излучения в 0,65 нм, что традиционно для техники параллельной передачи.

Интерфейс 100G Base-UR4 имеет заметные коммерческие перспективы за счет того, что очень удачно закрывает нишу между техникой 100G Base SR4 и 100-гигабитными кабельными сборками. Длина последних в принципе может быть установлена любой, но из соображений удобства прокладки и последующей эксплуатации наращивать ее свыше 5-7 м нецелесообразно.

Техника 100G Base-SR4 и СКС

Переход на интерфейсы 100G Base-SR4 означает появление ряда преимуществ и для кабельной системы. Прежде всего, в процессе освоения нового скоростного диапазона вся тяжесть разработок смещается в аппаратуру, а СКС не требует внедрения новой элементной базы. Таким образом, техника 100G Base-SR4 позволяет более экономично формировать физический уровень информационной инфраструктуры. Кроме того, построение СКС можно производить сразу с расчетом на длительную эксплуатацию без необходимости выполнения серьезных переделок.

Тем не менее эти взаимодействующие между собой элементы телекоммуникационной инфраструктуры не являются полностью независимыми. Ощутимым обратным влиянием техники 100G Base-SR4 на СКС становится необходимость применять в линейной части тракта 24-волоконные транковые кабели. Сильными сторонами обращения к ним становится возможность

  • при выполнении перехода 10 – 40 – 100 Гбит/с менять интерфейсную кассету всего один раз (см. рисунок);
  • уменьшить в 1,5 раза количество кассет в крупных СКС за счет полного использования волокон транковых кабелей (схема МРО24 – 3 × МРО8).

  

Таким образом, можно утверждать, что сетевые интерфейсы 100G Base-SR4 малого радиуса действия, сохраняя быстродействие своего функционального аналога 100G Base-SR10, радикально превосходят его по ряду ключевых параметров в первую очередь эксплуатационного плана. Внедрение техники новой разновидности не требует специальных ручных настроек активного сетевого оборудования и изменения конфигурации интерфейсной части СКС. Имеющиеся недостатки (некоторое уменьшение предельной дальности связи) в минимальной степени затрагивают проектную гибкость новой техники и имеют второстепенное значение.

Задел, сформированный к настоящему времени, и темпы развития потребностей ИТ-отрасли в 100-гигабитных каналах связи для организации магистральных линий ЦОДа дают основание надеяться, что начало серийного производства нового вида техники и массовое внедрение 100-гигабитных оптических линий на магистральных уровнях ЦОДа совпадут по времени, т.е. придутся на конец текущего десятилетия. 

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