Выбор волокна и новейшие стандарты меняют свойства сети

Все внимание сетевых админов, инсталляторов и консультантов на данный момент ориентировано на центры обработки данных (ЦОД). Этот критически принципиальный объект находится в центре взрывного спроса на ширину полосы пропускания в коммерческих и образовательных организациях, целительных и правительственных учреждениях. Предпосылки этого роста содержат в себе гигантскую популярность видео и другого широкополосного контента в сети Веб, возрастающий энтузиазм к видеоконференцсвязи, возросшие потребности в регистрации и хранении данных, также рост числа приложений, использующих супер-ЭВМ.

По прогнозам, эта тенденция будет длиться, частично благодаря муниципальному законодательству по организации хранилищ данных огромного размера и советам для мед и денежного секторов, также ввиду необходимости резервирования данных для их защиты от утрат с трагическими последствиями. В итоге ожидается, что скорости передачи данных в центрах обработки данных и в сетях устройств хранения данных (storage area network - SAN) будут и дальше повышаться до 40 и 100 Гбит/с, зависимо от используемых приложений. Для таковых сетей безупречным выбором для каналов передачи данных является оптическое волокно, беря во внимание его маленький уровень утрат и широкую полосу пропускания, маленькие размеры, низкое энергопотребление и тепловыделение. В данной статье мы разглядим разные виды оптических волокон, которые могут употребляться в центрах обработки данных, также обсудим эволюцию стандартов, которая будет определять, какие решения спецы будут считать наиболее действенными и экономными.

Архитектуры и протоколы

Для поддержки имеющихся медных либо волоконно-оптических горизонтальных линий связи, рассчитанных на скорость 1 Гбит/с, во внутриобъектовых оптоволоконных линиях нынешних корпоративных сетей все почаще употребляются достоинства новейших поколений многомодовых волокон, рассчитанных на скорость передачи в 10 Гбит/с. Пока наиболее всераспространена иерархическая архитектура соединения звездой, но больше сетей начинают строиться с архитектурой FTTE (Fiber-to-the-Enclosure - оптическое волокно в шкаф телекоммуникационного оборудования), которая дозволяет более отлично применять способности оптического волокна при подведении его к рабочему месту.

В центрах обработки данных, где обрабатывается и хранится крупная часть инфы локальной вычислительной сети (LAN), системы переводятся в большей степени на оптическое волокно, чтоб они могли управляться с размерами обрабатываемой инфформации.

ЦОД содержат в себе сеть SAN и набор серверов, контролирующих информацию, передаваемую по сети. Центры обработки данных подключаются к локальной сети через внутрикорпоративную сеть (Интранет), а к "Глобальной сети" - через сеть Веб. Для обработки растущих размеров внутренних и наружных данных центр должен быть способен управляться с повсевременно вырастающими скоростями передачи данных.

В качестве протокола передачи данных на коммутаторах и серверах ЦОД традиционно употребляется Ethernet. В текущее время наивысшая стандартизированная скорость передачи данных по протоколу Ethernet составляет 10 Гбит/с (либо "10G") (эталон IEEE 802.3ае для волокна, размещенный в 2002 г., и эталон IEEE 802.3an для медных проводников, размещенный в 2006 г.). Но IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике) уже работает над эталонами для последующих скоростей протокола Ethernet, 40G и 100G. Эти стандарты IEEE определяют типы портов приемопередатчиков, также требования и свойства физического уровня.

В части центра обработки данных, относящейся к сети SAN, по большей части употребляется протокол Fibre Channel. В в большей степени направленном на оптическое волокно протоколе Fibre Channel употребляются скорости "с основанием 2" (Base2), удваивающиеся с каждым новеньким поколением (2GFC, 4GFC, 8GFC и т. д.). В текущее время усилия ориентированы на достижение последующей скорости основания 2 в 16GFC.

В Fibre Channel также употребляется протокол "Base10" для связи меж коммутаторами и главных соединений. Эталон 10GFC был размещен сразу после 10G и содержит в себе практически то же решение VCSEL для 10 Гбит/с до 300 м с 50 мкм многомодовым волокном, оптимизированным под лазер, (именуемым также оптическим волокном ОМ3). Fibre Channel уже на данный момент работает над эталоном для скорости 20GFC, а в перспективе, в качестве последующей скорости Base10, разработка эталона 40GFC.

Многомодовое оптоволокно более на техническом уровне и экономически отлично в применениях для ЦОД.

Вероятны разные виды сред передачи, которые могут употребляться в ЦОД. Это могут быть либо медные кабели разных категорий либо оптические волокна разных типов.

Медные кабели длительное время числились наиболее экономным решением для ЦОД, но они имеют ограниченные свойства пропускной возможности и дальности передачи данных. Ежели разглядывать, например, будущие скорости передачи данных 40G и 100G, то ожидается, что медные кабели сумеют работать с таковыми скоростями лишь на чрезвычайно маленьких расстояниях, порядка примерно 10 м. И еще пока рано гласить о том, медные кабели каких типов и конструкций потребуются для таковых скоростей. Так складывалось постоянно, что по мере увеличения скоростей передачи данных, системы на базе медных проводников становились все более сложными и дорогостоящими.

Что касается оптических волокон, то у юзеров есть выбор меж одномодовыми и многомодовыми. У одномодовых волокон чрезвычайно широкая полоса пропускания, которая обеспечивает передачу на огромные расстояния, но нужное для этого оптоэлектронное оборудование существенно дороже оборудования для многомодовых волокон (на 25 - 30 %). Даже для расстояния всего в несколько сотен метров при использовании одномодовых волокон в ЦОД все равно придется брать более драгоценное приемопередающее оборудование.

Имеются два вида многомодовых волокон - 62,5 и 50 мкм, отличающиеся по поперечнику сердцевины, и разные категории черт, перечисленные в порядке возрастания дальности передачи и технических способностей: ОМ1 62,5 мкм, также ОМ2, ОМЗ и, в скором времени, ОМ4 50 мкм.

Ежели планируется скорость передачи 40G и 100G, то для передачи данных более чем на 10 м может быть применять лишь оптическое волокно. При всем этом для расстояний в 100 - 200 м либо более можно применять волокно категории ОМ3 (так называемое "лазер-оптимизированное" 50 мкм волокно) либо многомодовое волокно эталона ОМ4, эталон для которого будет разработан в последнее время ("лазер-оптимизированное 50 мкм волокно с завышенной дальностью передачи).

Почему оптические приемопередатчики для одномодовых волокон являются более дорогостоящими, чем для одномодовых? Тут играют роль два фактора - рабочая длина волны и, что еще больше принципиально, размер сердцевины волокна, по которой распространяется свет. Понятно, что лазерные источники для длинноватых волн (1310 нм, 1550 нм) являются более дорогостоящими, чем лазеры с длиной волны 850 нм. Но еще большее значение имеет то, что в используемых с одномодовыми волокнами приемопередатчиках должны быть соблюдены существенно более твердые допуски на совмещение, чтоб передавать световые импульсы в сердцевину малого поперечника (9 мкм). При всем этом требуется не только лишь высокоточное размещение компонентов приемопередатчика, да и коннекторы с более твердыми допусками, и поболее четкие способы монтажа и концевой заделки кабелей. Все это приводит к значительному удорожанию систем обработки данных по сопоставлению с внедрением многомодовых волокон.

Таковым образом, для систем с маленькими расстояниями передачи данных, таковых как центры обработки данных, многомодовое оптоволокно полностью может обеспечить нужную ширину полосы пропускания (с поддержкой до 10 Гбит/с либо более при поочередном формате и 40 - 100 Гбит/с при параллельном формате) на довольно долгую перспективу при существенно наименьших издержек, чем при использовании одномодового волокна.

Оптическое волокно с контролем дифференциальной задержки мод обеспечивает высочайшие свойства.

Сейчас примерно 70 % многомодовых волокон, устанавливаемых в центрах обработки данных, - это волокно ОМ3 либо ОМ4. Эти лазер-оптимизированные волокна, созданные для передачи сигнала на длине волны 850 нм с внедрением VCSEL-передатчиков, проходят функцию DMD-контроля сердцевины (контроль дифференциальной задержки мод), что гарантирует поддержку скорости 10 Гбит/с с внедрением эконом решений передачи в поочередной формате с номинальной дальностью на базе 850 мкм источников.

Хотя эти оптоволокна созданы для приложений с высочайшими эксплуатационными чертами, они могут поддерживать и скорость 1 Гбит/с, а их сердечник поперечником 50 мкм воспринимает от светодиодных источников довольно мощнейший сигнал для поддержки таковых устаревших протоколов, как Token Ring, FDDI, Ethernet и Fast Ethernet, также более низкие скорости Fibre Channel для практически всех сетей, проложенных снутри спостроек.

Наиболее обширно применяемым волокном, оптимизированным под лазер, является ОМ3, обеспечивающее передачу со скоростью 10 Гбит/с на расстояние до 300 м в поочередном формате с 850 нм передатчиками. Для огромных расстояний (магистральные полосы в больших зданиях, магистральные полосы кампусов (микрорайонов) среднего размера и т. д.) и применений, более чувствительных к энергетическому бюджету (к примеру, межсоединения оборудования в ЦОД) нередко используют оптоволокно типа ОМ4 со существенно более твердыми чертами, чем обозначенные в имеющихся эталонах для ОМЗ.

Для оптоволокна ОМ4, которое может поддерживать 10 Гбит/с приложения Ethernet, Fibre Channel и OIF на расстояние до 550 м с внедрением тех же дешевых 850 нм источников VCSEL, будет разработан отраслевой эталон в итоге работ, проводимых несколькими международными организациями, включая TIA TR42.12 (Ассоциация телекоммуникационной индустрии) и M3KSC86AWG1.

Главным фактором обеспечения больших черт волокон этого типа является технологический процесс, с внедрением которого делается волокно практически без дифференциальной задержки мод и с действенной полосой пропускания мод (ЕМВ) в 4700 МГц х км, более чем в два раза превосходящей требование IEEE для поддержки 10 Гбит/с на расстояние 300 м.

Кассетные решения

Для лучшего управления возрастающим числом портов в центрах обработки данных употребляют предоконцованные многоволоконные магистральные кабели и многоточечные оптические коннекторы (МРО-коннекторы). Например, таковым образом можно оконцевать 12 оптоволокон одной стыкуемой парой коннекторов. Такие предоконцованные кабели обеспечивают удобство монтажных работ, экономят место и существенно упрощают сопряжения снутри сети.

В одной из нередко применяемых архитектур 12-волоконные кабели с МРО-коннекторами прокладываются меж кассетами, которые потом разветвляются на отдельные порты оптических волокон. Данная архитектура упрощает установка, но при всем этом может получиться больше соединений, чем традиционно бывает для оптической полосы связи меж передатчиком и приемником. Не считая того, многоволоконные МРО-коннекторы традиционно демонстрируют более высочайшие значения утрат соединения либо вносимых утрат, чем одноволоконные коннекторы. В этих вариантах многомодовое волокно оказывается наилучшим выбором для линий связи по сопоставлению с одномодовым.

И, в конце концов, доп резерв мощности сигнала может привести к большей надежности сети, обеспечивая доп защиту от осложнений в итоге монтажных работ (прокладка кабеля, оконцевание и т. д.), от ухудшения функционирования сети в итоге перемещений, дополнений и модификаций либо от старения электроники.

Суждения по поводу энергопотребления и остывания

Одной из труднейших задач сейчас для центров обработки данных является минимизация издержек, связанных с энергопотреблением и остыванием. Завышенное энергопотребление значит более высочайшие издержки на энергию и завышенное теплорассеяние. Это просит доп остывания, что увеличивает издержки еще более. Сравнимо низкое энергопотребление волоконно-оптических сетей дает им огромное преимущество перед сетями с медными линиями.

Пример. Приемопередатчик 10G BASE-T в медной системе потребляет примерно 6 Вт электроэнергии. Сопоставимый с ним оптический приемопередатчик 10G BASE-SR потребляет наименее 1 Вт для передачи такого же сигнала. Итог: каждое оптическое соединение экономит около 5 Вт электроэнергии. Центры обработки данных бывают различными по размеру, но ежели принять 10 тыс. соединений по 5 Вт каждое, то это на 50 кВт меньше электроэнергии - значимая экономия за счет использования наименее энергоемкой оптической технологии.

И это еще не все. Используемая этими передатчиками энергия рассеивается в виде тепла, которое потом нужно отводить из комнаты для того, чтоб не перегревать электронику. Согласно недавнешнему исследованию Управления по охране окружающей среды, на каждый ватт электроэнергии для работы центра обработки данных будет нужно очередной ватт на остывание и доставку электроэнергии. Это значит, что для центра обработки данных с 10 000 портов нужно добавочно 50 кВт электроэнергии.

И, в конце концов, нужно принимать во внимание размеры кабелей и их действие на потоки воздуха. Дуплексный 2 мм оптоволоконный шнур занимает примерно 8 мм2 нужной площади поперечного сечения. Поперечник 1-го кабеля категории 6А составляет примерно 9 мм, и таковой кабель занимает 64 мм2. Ежели в стойке установлены 40 серверов и любой из их имеет одно либо более сетевых соединений, несложно осознать, что медные кабели загромождают место. При использовании оптических кабелей загромождение существенно понижается, при всем этом обеспечивается наилучшее обтекание воздушными потоками и остывание.

В преддверии более больших скоростей

Как упоминалось ранее, Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) в текущее время разрабатывает новейшие стандарты для передачи данных на более больших скоростях - 40 и 100 Гбит/с - в центрах обработки данных и остальных высокопроизводительных вычислительных системах. Рабочая группа IEEE по эталону 802.3ba работает над эталонами 40G и 100G сразу (эталон 40 Гбит/с предназначен для поддержки рынка серверов, а эталон 100 Гбит/с нужен для переключений и маршрутизации, также для вычислительных работ с внедрением высокопроизводительных компов).

Для межсоединений центров обработки данных и оборудования на маленьких расстояниях рабочая группа IEEE 802.ЗЬа фокусируется на зависимом от физического носителя решении (Physical Medium Dependant - PMD), которое употребляет достоинства параллельной оптической передачи данных (уже применяемой в имеющихся в текущее время платформах, таковых как InfiniBand) и таковым образом дозволяет минимизировать издержки как может быть. Разработка параллельной оптической передачи данных заключается в одновременной передаче 1-го сигнала 10 Гбит/с по каждому из 4 либо 10 волокон (для 40G и 100G соответственно). Любой из комплекта приемопередатчиков, использующего 4 либо 10 источников VCSEL и сенсоров соответственно, будет агрегировать сигнал 10 Гбит/с.

Чтоб сделать лучше баланс издержек и эксплуатационных черт, рабочая группа пробует использовать проверенные технологии, носители и способы организации сетей. Более того, очень возможно, что они в неких вариантах даже снизят требования к рабочим чертам компонентов для того, чтоб способствовать понижению общей стоимости. Примером могут служить источники света VCSEL для маленьких линий с внедрением многомодового волокна. Группа 802.3ba разглядывает возможность расширения ширины диапазона данных источников с 0,45 нм (имеющееся требование эталона 10GbE) до 0,65 нм. Это ограничит длину таковой полосы связи (из-за действия хроматической дисперсии) до 100 м при использовании волокна типа ОМЗ.

Для тех центров обработки данных и остальных систем, которым может требоваться поддержка расстояний выше 100 м, особая группа IEEE ведет поиск экономного решения для обеспечения таковой способности. Может быть для этого будут употребляться приемопередатчики с усовершенствованными чертами, оптическое волокно типа ОМ4 либо композиция этих 2-ух вариантов.

Решение вопроса "неравномерности задержки"

При любом обсуждении параллельной передачи данных нельзя обойти вопрос "неравномерности задержки распространения сигнала", решением которого занимается рабочая группа IEEE. Неравномерность задержки - это разница во времени поступления сигнала по одной дорожке (либо волокну) по сопоставлению с иной. Неравномерность задержки может зависеть от различий физических длин отдельных волокон в кабеле, также от всех различий скоростей, с которыми световой сигнал распространяется по одному из волокон по сопоставлению с примыкающими.

Неравномерность задержки не будет служить препятствием для параллельной передачи данных по кабелям хоть какой конструкции, так как она будет отлично компенсироваться электронными схемами приемопередатчиков. По сути, проверенные способы компенсации неравномерности задержки в медных кабелях и остальных системах параллельной оптики уже крепко вошли в практику.

Новейший эталон передачи данных на скоростях 40 и 100 Гбит/с будет включать в себя процедуры компенсации неравномерности задержки, обеспечивая возможность внедрения обширно общепризнанных конструкций кабелей, таковых как кабели со вольным буферированием, с плотным буферированием и ленточные кабели, являющихся в текущее время отраслевым эталоном многомодовых волокон типа ОМЗ.

Превосходя стандарты для заслуги наилучших черт

Проектировщики центров обработки данных возможно согласятся с тем, что наиболее экономное решения для развертывания сети 10 Гбит/с будет включать в себя существенное количество волокон типа ОМЗ, и что при переходе систем на более высочайшие скорости в 40 и 100 Гбит/с оптимизированные под лазер многомодовые волокна 50/125 могут обеспечить наилучшее по затратам и надежности решение в сопоставлении с медным кабелем либо одномодовым волокном.

Приняв решение о типе оптоволокна для собственного центра обработки данных, юзер должен быть уверен в том, что избранные им волоконно-оптические изделия сумеют обеспечить нужные свойства и надежность. Это имеет в особенности принципиальное значение для систем 10G с длиной волны 850 нм, так как бюджеты утрат в их ниже, чем в прошлых системах. Как уже дискуссировалось выше, может быть стоит стремиться к тому, чтоб система владела доп припасом мощности сигнала для обеспечения способности использования доп соединений и коннекторов, также для увеличения надежности.

Имеется два метода получения доп припаса мощности (которое также именуют пороговым значением мощности). Во-1-х, его можно получить за счет понижения вносимых утрат канала (ChIL), сквозных утрат от всех соединений и сращиваний в полосы связи, плюс затухание в самом кабеле; во-2-х, за счет использования оптического волокна с более широкой полосой пропускания для понижения межсимвольной интерференции (Inter-symbol Interference - ISI).

Так как время простоя сети может стоить чрезвычайно недешево, надежность является главным фактором для высокопроизводительных сетей. Чтоб иметь больше свободы в проектировании сети и, в итоге, огромную надежность, следуйте нижеуказанным правилам:

• выбирайте кабели и коннекторы с более низкими чертами утрат, которые обеспечивают припас мощности;


• выбирайте тип волокна, созданный для огромных расстояний, чем те, на которых оно будет применено;


• не следует считать, что все надлежащие эталону изделия схожи; можно отыскать изделия с более высочайшими чертами, которые превосходят требования стандартов.

Все это в особенности правильно в отношении требовательных к чертам оборудования центров обработки данных. Наиболее экономически действенным решением является внедрение оптических волокон ОМ3, которые разработаны и делаются специально для лазерных передатчиков и владеют чертами, превосходящими требования стандартов. Они поставляются в разных категориях рабочих черт и обязаны иметь сердцевину с контролем дифференциальной задержки мод, которая обеспечивает поддержку скорости 10 Гбит/с при использовании вместе с дешевыми 850 нм поочередными системами прямо до их номинальных расстояний передачи.