Rambler's Top100
Статьи ИКС № 3 2018
Андрей СЕМЕНОВ  23 октября 2018

СКС категории 8 и 25G Ethernet

Линии связи в ЦОДах, построенные на основе СКС категории 8 в сочетании с сетевыми интерфейсами 25G Ethernet, отличаются как энергетической эффективностью, простотой монтажа и другими достоинствами электропроводных решений, так и высокими скоростными характеристиками волоконно-оптической техники.

Хотя профильные стандарты допускают создание физического уровня телекоммуникационной инфраструктуры дата-центров на основе как симметричной электропроводной, так и волоконно-оптической техники, проблема выбора типа элементной базы СКС для средних и крупных ЦОДов до последнего времени не стояла: промышленность серийно не производила электропроводную технику, изначально рассчитанную или адаптированную на передачу данных со скоростью 40 Гбит/с и выше. Положение радикально поменялось после стандартизации элементной базы категории 8.

Электропроводные решения имеют целый ряд преимуществ по сравнению с волоконно-оптическими:
  • при их использовании за счет отсутствия дополнительного преобразования сигнала не только уменьшается задержка, но и в 1,5--2 раза снижается стоимость 40-гигабитного сетевого интерфейса;
  • на дальности до примерно 35--40 м обеспечивается существенный выигрыш в потребляемой мощности (ключевой параметр для ЦОДа);
  • заметно ослабляются требования к качеству монтажа и сохраняется возможность формирования линий в полевых условиях «по месту»;
  • упрощается эксплуатационное обслуживание и уменьшаются трудозатраты на него.
Последнее связано с эффектом взаимной самоочистки контактной группы вилки и розетки модульного разъема в момент создания соединения, который обусловлен использованной схемой контактной шины. Этот эффект позволяет не контролировать дополнительно состояние взаимодействующих между собой электрически активных поверхностей.

Вместе с тем в силу сложности технологии при построении волоконно-оптических трактов для скоростей 40 Гбит/с и выше доминирующее положение занимает претерминированная техника заводского изготовления. При всех ее достоинствах всегда следует помнить о том, что ее применение существенно ужесточает требования к качеству проработки проектных решений.

  • Возможность передачи 100-гигабитного информационного потока по симметричной линии на расстояние 100 м с качеством, достаточным для коммерческого использования, была экспериментально продемонстрирована еще в конце 2000-х гг. Тем не менее этот потенциал до настоящего времени не востребован. Этому способствуют следующие факторы:
  • потеря преимуществ в энергетической эффективности на длинных (по меркам ЦОДов) линиях;
  • отсутствие технического задела в части достижения скоростей свыше 100 Гбит/с;
  • неудовлетворительные массогабаритные параметры электропроводных кабельных изделий;
  • отсутствие массовой потребности в обеспечении дистанционного питания по технологии РоЕ для маломощных терминальных устройств.
Таким образом, область применения электропроводной техники категории 8 определяется сравнительно невысокими быстродействием и дальностью и фактически ограничивается нижним уровнем структурированной проводки, включая внутрирядные связи в машинных залах ЦОДов.

Почему 25G Ethernet

В отличие от сетей связи общего пользования, в которых у каждого следующего поколения аппаратуры скорость передачи данных в четыре раза выше, чем у предыдущего, в сетевых интерфейсах Ethernet локальных сетей было принято 10-кратное наращивание скорости. Такая стратегия использовалась свыше двух десятков лет, и отказались от нее только при выходе за границы 10 Гбит/с. Побудили к отказу от удобного и эффектного с маркетинговой точки зрения традиционного подхода следующие обстоятельства:
  • невозможность простого увеличения количества субканалов при параллельной передаче, общепринятой на высоких скоростях информационного обмена, в медножильных сетевых интерфейсах из-за наличия в стандартном горизонтальном кабеле СКС четырех витых пар;
  • сложность повышения тактовой частоты из-за ограниченного быстродействия современной микроэлектронной элементной базы;
  • возможность снижения затрат и продолжительности НИОКР за счет использования наработок в сфере схемных решений для сетей связи общего пользования.
Кроме того, введение промежуточных значений скоростей оказалось выгодным для некоторых видов новых приложений. Так, стандартизация скоростей 2,5 и 5 Гбит/с позволяет заметно улучшить технико-экономические параметры сетей Wi-Fi. В сочетании с увеличенным быстродействием это должно способствовать более широкому использованию популярной беспроводной техники.

В случае 25G Ethernet новая скоростная градация была введена сразу же за созданием 40-гигабитных интерфейсов. Снижение скорости передачи в 1,5 раза означает удешевление техники, привлекательное с учетом количества линий связи в ЦОДах. А повышение скорости в 2,5 раза по сравнению с устройствами 10G Ethernet позволяет использовать новую элементную базу сначала на магистральных участках сети, а по мере роста скоростей информационных потоков постепенно переводить ее на более низкие уровни. Фактически это означает примерное удвоение периода «моральной молодости» техники.

Кроме того, скорость 25 Гбит/с лучше соответствует потребностям подсистемы массовой памяти, которая из-за особенностей реализации требует несколько меньшего быстродействия каналов связи.

Стремление к улучшению качественных показателей функционирования ЦОДов привело к расширению использования в информационной инфраструктуре машинных залов так называемых плоских структур с уменьшенным количеством ступеней иерархии и высокой связностью отдельных узлов. Сокращение времени задержки сопровождается ростом средней протяженности тракта и нарушением того распределения их длин, на которое в свое время ориентировались разработчики 40G Ethernet. В этой ситуации техника 25G Ethernet, имеющая примерно в 1,5 раза большую дальность действия, оказывается как нельзя кстати.

Особенности стандарта IEEE 802.3bq

До последнего времени официальная фиксация параметров кабельной техники выполнялись фактически несколько раз, причем процессы стандартизации были во многом независимы друг от друга. Такое положение определялось особенностями разработки стандартов, которые из-за разных требований к предельно допустимым значениям образовали иерархическую структуру (рис. 1).

Рис. 1. Уровни требований различных нормативных документов


Разработчики сетевых интерфейсов ориентируются на текущий уровень техники, минимальные требования к которой фиксируются в спецификации IEEE. Уже на первом этапе работы над интерфейсом они официально выдаются в форме технического задания кабельной промышленности. Последняя на их основе формирует свои стандарты, учитывая при этом свой задел и имея некоторое время на улучшение характеристик. Кроме того, в создаваемый стандарт дополнительно закладывается некоторый запас, чтобы компенсировать ухудшение характеристик линии в процессе прокладки, старения элементов и т.д.

Возможен также вариант пересертификации. Он был задействован, например, при переходе от техники 5 к 5е и был отражен в американском документе TSB-95. Промежуточный характер требований этого бюллетеня обусловлен тем, что большинство линий категории 5, которые потенциально могли быть адаптированы к работе на скорости 1 Гбит/с, создавались на уже отработанной в серийном производстве технике. Фактически они гарантированно отвечали требованиям более строгим, нежели те, что содержатся в спецификациях IEEE, созданных ранее для интерфейсов Fast Ethernet.

Вновь вводимые интерфейсы 25G Base-T обеспечивают промежуточное значение скорости и не требуют новой элементной базы. Описывающий их стандарт IEEE 802.3bq рассматривает линию связи как единое целое исходя уже из существующего физического уровня. Допустимы только двухконнекторные структуры линий. Последнее означает возможность подключения оборудования только по схеме интерконнекта, использование консолидационной точки не предусматривается.

Параметры линии стандарта IEEE 802.3bq оптимизируются исходя из полной вложенности четырех комплексных объектов (рис. 2). Два из них являются классической стационарной линией и полным простым трактом СКС. Так называемый 40GBase-T Link-Segment представляет собой тракт СКС, дополненный двумя вилками соединительных шнуров. Полный физический тракт 40GBase-T PHY-Channel заканчивается на обоих концах выходом печатной платы PCB линейного модуля сетевого интерфейса. Это важно с аппаратурной точки зрения, так как позволяет унифицировать по посадочным местам и раскладке контактов электропроводный и волоконно-оптический варианты сетевого интерфейса. Вложенный характер комплексных объектов и их заранее известные характеристики не только обеспечивают бесшовный переход между аппаратурой и пассивной частью канала связи, но и позволяют улучшить качество связи за счет точного согласования их параметров.


Рис. 2. Комплексные объекты IEEE 802.3bq и их взаимное соответствие


Возможности сочетанного использования техники категории 8 и 25G Base-T

Элементная база категории 8 может быть только экранированной. Она существует в двух вариантах, обозначаемых как 8.1 и 8.2. Решение 8.1, прототипом которого является F/UTP-техника категории 6а, имеет несколько худшие параметры по взаимным влияниям. Чтобы их компенсировать, в штатном цифровом сигнальном процессоре DSP-приемника сетевого интерфейса осуществляется сложная многоступенчатая обработка смеси сигнала с шумом. Выполнение большого объема вычислений сопровождается увеличением нагрузки на источник питания сетевой аппаратуры и, соответственно, повышенным тепловыделением, что для ЦОДа нежелательно. С этой точки зрения выгоднее применять технику категории 8.2 с индивидуальным экранированием витых пар, серийные образцы которой доступны в исполнении F/FTP или SF/FTP.

Полная протяженность кабельного тракта категории 8, согласно действующему стандарту, не зависит от исполнения кабельных изделий. Длина тракта зависит только от калибра токопроводящих жил витых пар и колеблется в пределах 28--32 м. Уменьшение частоты Найквиста линейного сигнала интерфейса 25GBase-T до 1,04 ГГц минимизирует влияние этого фактора и дает возможность не учитывать его при планировании сети. Кроме того, более экономное использование частотного диапазона позволяет увеличить протяженность тракта до 40 м и более, а также открывает перспективы применения оборудования 25GBase-T с кабельными трактами категории 7а. Последняя возможность не предусматривается спецификацией IEEE 802.3bq, но ее реализация не имеет серьезных ограничений, поскольку в качестве прототипа кабельной техники категории 8.2 использована элементная база категории 7а, пересертифицированная для работы в частотном диапазоне до 2 ГГц.

* * *

Внедрение 25-гигабитных медножильных сетевых интерфейсов Ethernet отвечает потребностям современного этапа развития техники локальных сетей.

Появление стандарта сетевых интерфейсов IEEE 802.3bq может способствовать расширению использования электропроводной техники в машзалах ЦОДов.

Сетевые интерфейсы IEEE 802.3bq не требуют разработки новой техники физического уровня канала связи и изначально рассчитаны на работу по кабельным трактам категории 8.

Резервы пропускной способности, которые появляются за счет более экономного использования рабочего частотного диапазона, могут быть направлены на увеличение максимальной дальности связи.

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