СКС (структурированная кабельная система)

На протяжении десятилетий закон Мура лежит в основе развития компьютерной и связанных с компьютерами отраслей, и, конечно же, сетевая индустрия, базирующаяся на структурированных кабельных системах (СКС), относится к их числу. На вебинаре, организованном журналом Cabling Installation & Maintenance, который прошел в январе 2011 года, в диалоге о возможностях экранированных кабельных систем, зашла речь о законе Мура и перспективах использования экранированной витой пары Category 7A.

История развития стандартов Base-T

На веб-семинаре выступили по данной теме два докладчика, Дэвид Хесс, технический директор по стандартизации и технологиям компании Berk-Tek, входящей в группу Nexans, и Валери Магуайр, инженер по глобальному сбыту компании Siemon. Хесс и Магуайр являются членами ряда рабочих групп, некоторые из которых являются официальными органами стандартизации. В своем докладе Хесс описал ситуацию в области стандартизации, в частности в области стандартов, связанных с кабельными системами, предназначенных для передачи трафика свыше от 40 Гигабит в секунду. Доклад Магуайр касался возможностей и способов применения экранированных кабельных систем для передачи данных на высоких скоростях.

Хесс сделал экскурс в историю развития технологии Ethernet с использованием витых парах, которая продолжается уже более 20 лет. Сначала в 1990 году была описана и стандартизирована передача данных на скорости 10 Мбит в секунду на витопарных кабелях и введен Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) стандарт 10Base-T на следующий год была стандартизована категория 3. Затем в 1995 году был принят стандарт 100Base-TX и были сформулированы требования к новой категории витой пары Category 5. В 1999 году был принят стандарт на передачу данных 1 Гигабит в секунду по витой паре и в этом же году была одобрена Category 5e. в 2006 году принят стандарт 10GBASE-T и на следующий год введена в стандарты category 6A. Хесс привел две таблицы – принятие стандартов на физический уровень IEEE 802.3 и категорию.

История принятия стандартов IEEE 802.3 и категорий кабельных системы

Отметим для читателей, что стандарт на Category 7 и Category 7A не принят американской ассоциацией TIA и хотя они указаны в этой таблице, однако, чуть позже на другом графике для категории 7А будет показан ожидаемая дата принятия стандарта докладчиком. Отмечу, что Category 7А рассматривает использование только полностью защищенной кабельной линии по модели канал (channel) и постоянная линия (permanent link), то есть экран должен быть вокруг всей пары и они должен быть непрерывен на всем протяжении кабельной линии.

В заключении первой части своего доклада Хесс отметил, что: “Кабельные системы и физические уровни сетевых технологий IEEE практически разрабатываются параллельно. Определение каждой новой категории кабельных линий начиналось с экстраполяции категории, принятой стандартами ранее“. Хесс делает заключение: ”Разработка стандартов кабельных систем и физического уровня должна быть согласованной”.

Закон Мура, спецификации IEEE Base-T и категории

Далее речь на семинаре зашла о законе Мура. Хесс представил график, на котором были показаны спецификации Base-T, разработанные Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (они представлены на графике в виде зеленых точек) и кабельные стандарты (категории), разработанные ассоциацией телекоммуникационной промышленности (они показаны на графике в виде желтых ромбов). По горизонтальной оси идут годы одобрения этих стандартов соответствующими организациями. По вертикальной — скорость передачи данных в МГц, хотя это ошибка и надо было указать не МегаГерцы, а Мегабиты в секунду. На диаграмме была показана кривая, которая показывала действие закона Мура (желтая линия). Точки, представляющие спецификации IEEE “Base-T” и TIA/ISO “Category”, размещаются вдоль кривой закона Мура вплоть до 2000 года, где находится точка, представляющая спецификации 1000Base-T и Category 5e. “На разработку более поздних стандартов потребовалось больше времени”, — отметил Хесс. Спецификация 10GBase-T, одобренная в 2006 году, на год отстает от кривой закона Мура, которая пересекла рубеж 10 Гигабит/с еще в 2005 году. Спецификация Category 6A была одобрена еще позже стандарта 10GBase-T.

Закон Мура, принятие стандартов Base— T и категории

“Для 10GBase-T указаны две даты”, — сказал Хесс, — “2006 год – принятие стандарта IEEE 802.3an, одобрение физического интерфейса PHY и 2010 год – принятие стандарт 802.3az, одобрение энергетически эффективного Ethernet. Энергетически эффективная технология Ethernet должна обеспечить более экономичную эксплуатацию портов 10GBase-T“.

Электропотребление в новом стандарте будет в центре внимания

На семинаре Магуайр высказала мнение, о том, что электропотребление будет существенным фактором для тех, кто планирует использовать витые пары для передачи данных со скоростью, которая будет превышать 10 гигабит в секунду. “В центре обработки данных и кластерных системах вычислительные мощности и системы хранения данных (СХД) развивается более быстрыми темпами, чем предсказывает закон Мура.”, — сказала Магуайр, — “Их количество удваивается каждый год, а не каждые 18 месяцев. Это говорит о том, что потребность в высокоскоростной обработке данных в ЦОД растет быстрее, чем потребность в высокоскоростных технологиях Ethernet, основанных на витой паре, в локальных вычислительных сетях (ЛВС). Можно предсказать, что в дата центрах необходимость в использовании технологии 40-Gbit/sec Ethernet появится через три-пять лет”.

В корпоративных ЛВС этот рост стимулируется использованием видео приложений и высокопроизводительными вычислениями. Однако в корпоративных ЛВС скорость передачи данных увеличивается не такими быстрыми темпами как в центрах обработки данных. Магуайр считает, что в ЛВС необходимость в технологии 40-Gbit/sec Ethernet появится через пять или даже десять лет. ”Что касается центров обработки данных, в которых эта необходимость возникнет гораздо раньше, необходимо планировать разработку новой технологии уже сейчас”, — сказала она.

В качестве довода она приводит аналитические данные компании Digital Realty Trust (оператор ЦОД), согласно которых:

• ­ ИТ бюджет у компаний, включенных в обзор, на дата центры составляют около 35%
• ­ Каждый год ИТ бюджет у этих компаний на центры обработки данных повышается на 7%
• ­ Более 4-ех компаний из 5-ти планируют расширение своих дата центров в ближайшие год, два

Далее она замечает: “Эксперты в сфере центров обработки данных говорят, что они очень озабочены двумя проблемами: охлаждением и электропотреблением. Нам необходимо учитывать этот фактор при расширении возможностей технологии 10GBase-T. Мы должны быть уверенными, что электропитание и выделение тепла не будут вызывать проблемы. Нам необходимо принимать во внимание мнение экспертов и гарантировать, что решение, которое мы будем использовать для модернизации технологии 10GBase-T, не будет потреблять слишком много электроэнергии, и что оно будет поддерживать требуемую производительность ”. Магуайр отмечает, что необходимо добиться энергопотребления не более 4 Ватт на один порт.

IEEE не торопится с разработкой нового стандарта

На январь 2011 года в IEEE не было подано никаких запросов на выражение заинтересованности в проекте, позволяющем передавать данные по витой паре со скоростью превышающей 10 Гигабит в секунду. Магуайр объяснила причину такой ситуации. Существует целый ряд факторов, которые могут повлиять на возможность передачи данных по витой паре со скоростью до 40 гигабит в секунду: уровень кодирования, уровень подавления помех и уровень электропотребления. При отсутствии запросов на выражение заинтересованности не может быть разработано никаких согласованных моделей, которые позволяют учитывать все факторы. “Мы создали свои собственные модели для каналов category 7A с разной частотой”, — сообщила Магуайр и привела пример пропускной способности канала, из которой видно, что 40 Гигабит в секунду можно достичь на витой паре на расстоянии чуть выше 50 метров даже в модели с 4-я точками коммутации (соединениями) даже при частоте 1000 МГц. По горизонтали указана длина канала в метрах, а по вертикали оценка пропускной способности передачи данных Гигабит в секунду.

Модель распределение пропускной способности канала в зависимости от длины и частоты

“Наша компания может поделиться своими аналитическими данными с компаниями, которые заинтересованы в этом проекте, чтобы принять наилучшее решение в выборе носителя и топологии технологии, которая будет поддерживать передачу данных со скоростью, которая превышает 10 гигабит в секунду”, — говорит Магуайр, и затем приводит пример распределения каналов в ЦОД по количеству и длине из выборки в 7410 каналов, которая показана ниже.

Статистические данные распределения числа каналов по длине

Из нее видно, что свыше 78% процентов длин канала в ЦОД имеют длину не более 50 метров. То есть можно было бы принять стандарт с ограничением по длине канала в 30-50 метров, что позволило бы сократить энергопотребление. На рисунке ниже показана постоянная линия в 20-40 метров с витой парой с однопроволочными проводниками (solid) и два гибких шнура по 5-ть метров длинной с парами из многопроволочных (stranded) витопарных проводников.

Предложение сократить длину кабельных линий на витой паре до 30-50 метров

Прогнозы развития технологии передачи данных по витой паре

Хотя и в IEEE не проводятся никаких официальных мероприятий по разработке нового стандарта, Хесс отметил: “Тенденция развития данной технологии продолжается внутри некоторых компаний. Интерес к данной технологии уже появляется в среде поставщиков решений 10GBase-T”. Магуайр предложила свое видение проекта технологии передачи данных по витой паре со скоростью, которая будет превышать 10 гигабит в секунду. “Я полагаю”, — сказала она, — “что мы разобьем этот проект на части и будем уделять внимание первостепенным потребностям ЦОД, отложив исследование потребностей локальных вычислительных сетей (ЛВС) до более поздних стадий этого проекта или до развития нового стандарта. Я думаю, будет крайне желательно, чтобы сложность оборудования не слишком выходила за пределы существующей технологии 10GBase-T. Это означает, что, во всяком случае, нам нужно будет снижать уровень помех. Нам нужно будет уменьшать электропотребление. Нам не нужно более сложных или более энергоемких микросхем”.

Подавление шумов можно было бы рассматривать как центральную проблему, которая объединяет несколько важных компонентов: электропотребление, увеличение скорости передачи данных технологии Base-T Ethernet и экранированные кабельные системы в качестве потенциального решения. По мере принятия стандартов передачи данных со скоростью 10, 100, 1000 и 10000 Мегабит в секунду частотный диапазон, в котором передавались сигналы данных также увеличивался. В стандарте 10Base-T используется частотный диапазон до 20 МГц, тогда как в стандарте 100Base-TX верхний диапазон частот составлял 31.25 МГц, в стандарте 1000Base-T используется в два раза больший диапазон частот, до 62.5 МГц. В случае стандарта 10GBase-T, произошло существенное увеличение частотного диапазона до 413 МГц, но и в этом случае рост частоты был не в 10 раз.

Хесс отметил: “Что хотя скорость передачи данных увеличивалась в 10 раз в каждом последующем стандарте, самым правильным критерием прогресса служит эффективность в виде оценки передачи количества бит в секунду на герц”. По этому критерию эффективность обработки данных повысилась с 0.5 бит/с/Гц в стандарте 10Base-T, до 3.2 в стандарте 100Base-TX, до 16 в стандарте 1000Base-T и до 24.2 в стандарте 10GBase-T. В таблице приведены Хессом данные для стандартов Base-T. 40 Гигабит в секунду является потенциальным стандартом и данные требуют еще уточнения.

Таблица с данными по стандартам Base— T

Параметры\Стандарт	10BASE-T	100BASE-TX	1000BASE-T	10GBASE-T	40GBASE-T Перспектива
Скорость передачи	10 Mb/s	100 Mb/s	1 Gb/s	10 Gb/s	40 Gb/s
Предельная частота	20 MHz	31.25 MHz	62.5 MHz	413 MHz	1000 (+) MHz
Механизм кодирования	Binary Manchester	MLT3	PAM-5	DSQ-120	в разработке
Эффективность	0.5 b/s/Hz	3.2 b/s/Hz	16 b/s/Hz	24.3 b/s/Hz	в разработке
Уровень битовых ошибок (BER)	меньше 10-10	меньше 10-10	меньше 10-10	меньше 10-12	меньше 10-12
Количество задействованных витых пар, шт	2	2	4	4	4
Длина канала, м	100	100	100	100	в разработке
Категория	CAT 3	CAT 5	CAT 5e/CAT 6	CAT 6A	CAT 7A

Хесс добавил, что потребуется дальнейшие исследования, для того чтобы определить, насколько следующее поколение передачи данных на витой паре будет сложнее технологии 10GBase-T.

Снижение помех с использованием витой пары category 7A

Даже при таком повышении эффективности остается бесспорным то, что по мере увеличения частоты сигнала передачи все больше растет уровень помех, и, следовательно, подавление помех становится все более сложной и трудной задачей для создателей стандартов Base-T. Магуайр объяснила: “В стандарте 10GBase-T выполняется довольно много операций цифровой обработки сигналов, обеспечивающей подавление перекрестных помех. В результате цифровой обработки сигналов увеличивается время задержки. А задержка является очень критичной для высокоскоростных приложений”.

Помимо разработки способов подавления помех, в первую очередь, принимаются меры по улучшению передачи сигнала. Эти меры заключаются в использовании дополнительных методов, позволяющих приемнику отличать сигнал данных от помехи и усиление сигнала одна из таких мер. Однако усиление сигнала имеет свои последствия в области проектирования микросхем. Магуайр привела выдержки из списка пожеланий по разработке микросхемы для технологии передачи данных по витой паре со скоростью, которая превышает 10 гигабит в секунду, и они касаются, прежде всего, уменьшения электропотребления и уменьшения времени задержки: “Я хотела бы убрать пару элементов из микросхемы. Усилитель линии — один из таких элементов. А также уменьшить число дросселей и трансформаторов. Если я буду потреблять меньше электроэнергии, у меня будет решение, которому требуется меньше оборудования. Если я буду выполнять меньший объем цифровой обработки сигналов, у меня будет решение, которое будет иметь меньшее время задержки. Это полностью удовлетворит требования клиентов”.

Сложности проектирования микросхемы, электропотребление, цифровая обработка сигнала, подавление помех и другие электротехнические проблемы вот то, что привело Хесса, Магуайр и других отраслевых специалистов к заключению, что экранированные кабельные системы могут быть наилучшей средой передачи для следующего стандарта Base-T. Что касается удаления линейного усилителя, Магуайр сказала: “Это можно сделать двумя способами. Одним из них заключается в использовании носителя, который обладает лучшим коэффициентом вносимых потерь. Таким носителем может стать, например, кабель витая пара Category 7A. Также убрать усилитель можно, если уменьшить длину канала. Уменьшить число дросселей и трансформаторов можно с помощью экранированного кабеля, который обладает отличной устойчивостью к электромагнитным помехам”.

Витая пара – это не единственное решения для передачи данных со скоростью свыше 10 Гигабит

Но это не значит, что стандарт Base-T является единственным решением для передачи данных по сети Ethernet со скоростями, которые превышают 10 Гигабит в секунду. Уже существуют версии стандарта передачи данных со скоростью 40-Gbit/sec Ethernet с использованием твин-коаксиального и волоконно-оптического кабеля. Возникает вопрос, а для чего органам стандартизации нужно было бы прикладывать усилия к созданию еще одного варианта? “Это связано с некоторыми недостатками существующих коаксиальных и оптических решений, а также одной из характеристик стандарта Base-T, которая дает витой паре неоспоримое преимущество”, — полагает Магуайр. “Высокоскоростные решения, основанные на коаксиальных кабелях, позволяют передавать данные на очень короткие расстояния, менее семи метров”, — сказала она. “Это значит, что эта конфигурация с использованием коаксиальных кабелей подходит только для реализаций, в которых коммутаторы размещаются в серверной стойке (так называемая технология Top of Rack) и, может быть, в середине ряда стоек (Middle of Row). Но она не поддерживает кабельную топологию СКС в ЦОД, которая описана и принята стандартом TIA-942 и ожидающим одобрения и принятия нового стандарта TIA-942-A”.

”Технологии 40-и 100-Gbit Ethernet, основанные на использовании многомодового оптического волокна, требуют параллельной передачи данных одновременно по нескольким волокнам. Для передачи 40 Гигабит используется 8-мь, а для передачи 100 Гигабит 20-ть многомодовых волокон ”, — поясняет Магуайр. “В результате использования 8-и и 20-и оптических волокон вам понадобятся в составе СКС волоконно-оптические кассеты с многоволоконными MPO модулями, которые не обладают такой высокой плотностью как коннекторы LC”. Имеется в виду не плотность в пересчете на одно оптическое волокно, а плотность на один активный порт.

Она также указала на одну важную характеристику, которая отличает стандарт Base-T от всех остальных решений. “Это единственное решение, которое поддерживает автоматическое согласование скорости передачи данных между серверами и коммутаторами. Это очень важно, потому что развертывание решений Base-T означает, что когда придет время модернизировать сеть, вам не нужно будет одновременно модернизировать свои серверы и коммутаторы.

Предположение о том, что category 7A станет средой передачи данных для 40 Gbit/sec для приложений в ЦОД

Хотя в IEEE не происходит никакой официальной деятельности, Магуайр изложила свое собственное представление о возможном развитии событий. “Я уверена, что следующим скоростным рубежом будет 40 Гигабит/с, и я уверена, что большинство отраслевых экспертов согласиться c этим мнением. Для обеспечения наибольшей дальности передачи данных со скоростью до 40 гигабит в секунду по витой паре будет лучше использовать кабели Category 7A“. Это не исключает использования кабелей Category 6A, однако, кабели Category 7A будут обеспечивать наибольшую дальность действия и наилучшую гибкость в дата центре. Я также думаю, что в исходном решении 40 Gbit/sec для ЦОД можно было бы использовать каналы меньшей длины”. Магуайр считает, что сначала будет разрабатываться стандарт для центров обработки данных, вслед за которым последует стандарт более приспособленный к требованиям корпоративной ЛВС.

Она сообщила, что применение Category 7A для 40 Гигабит пока не соответствует подходу, который IEEE в данный момент применяет к стандартам Base-T. “Это требует изменения мышления экспертов IEEE, которые занимаются разработкой стандартов сети Ethernet”, — сказала она. “Обычно, при разработке стандарта мы ориентировались на длину канала в 100 метров и использование в канале до 4-х точек коммутации (разъемных соединений). Но если мы ищем решение, ориентированное только на дата центр, разве не имеет смысла искать топологию, которая соответствует требованиям сетевой инфраструктуры в ЦОД?”

Выгода от использования экранированной витой пары (STP)

Затем она обратила внимание на то, что конечные пользователи могут выиграть от использования кабелей самого высокой категории. “Выгода может быть большой и реализована в форме экономии операционных расходов”, — сообщила она. В среднем распределение ИТ-затрат происходит следующим образом: 17% составляет ИТ-оборудование, куда входят и кабельные системы. Другие 83% затрат распределяются следующим образом: ПО (18%), зарплата и социальные выплаты (36%), ИТ-сервис (13%), научно-исследовательская деятельность (5%), другие расходы (11%).

“Интересно, что если детализировать затраты на ИТ оборудование, то на кабели, как правило, расходуется от 2 до 3 процентов общих затрат на оборудование”, — отметила она. “Таким образом, у меня есть два варианта. Я могу устанавливать кабельную систему более высокой категории, которая не является наиболее распространенной, но которая означает небольшие дополнительные затраты. Или же я могу устанавливать оборудование, которое предъявляет очень высокие требования к электропитанию, может иметь высокую задержку, и стоить значительно больше, что в итого приведет к увеличению общих затрат на оборудование свыше 17%. Преимущества выбора наилучшего типа носителя выражаются в конечном итоге в экономии затрат, на котором будет основана технология 40GBase-T и последующие поколения этого стандарта”.

Вместо заключение

Хесс и Магуайр описали преимущества перехода на технологию 40GBase-T и признания экранированной витой пары в качестве предпочтительной среды передачи для будущих стандартов Base-T. Конечно, все заключения и предположения, сделанные в докладе Хесс и Магуайр, далеко не бесспорны. Экранированные и защищенные витопарные кабели category 7A несомненно имеют лучшие рабочие характеристики. Но не надо забывать о проблеме заземления экрана витой пары и экрана кабеля. Волоконная оптика позволяет решить задачи передачи данных на высоких скоростях и создать без проблем канал длинной в 100 и более метров, правда, пока придется за это дорого заплатить. Однако в этом году в IEEE начались обсуждения разработки нового стандарта для передачи данных с использованиям одномодового волокна на небольших расстояниях с последовательным, а не параллельным приемом и передачей данных, без использования спектрального уплотнения по длинам волн, что позволит снизить стоимость. Поэтому IEEE не спешит с разработкой стандарта 40GBase-T, а TIA не спешит с принятием новой категории category 7A. Тем не менее, мне кажется, что для центров обработки данных появление стандарта 40GBase-T достаточно вероятно в ближайшие 3-5 лет и данное мнение двух экспертов заслуживает внимания отраслевых специалистов.

Поделиться информацией

Вы можете послать эту статью или новость коллеге или знакомому по email со своим комментарием, пригласить обсудить ее. Просто нажмите на иконку конверта --->