Контроль электротехнических параметров высокоскоростной кабельной системы в условиях воздействия интенсивных помех

Аннотации

Methods of minimization of an idle time of a cable network and increase of efficiency of its operation by means of carrying out of actions for diagnostics are considered. Procedure of a choice of electro technical parameters of cable system for the subsequent integration with system of interactive management is formalized. Features of operation at work on high frequencies for achievement of throughput 10 Gbps are considered.

Рассмотрены методы минимизации времени простоя кабельной сети и повышения эффективности ее эксплуатации с помощью проведения мероприятий по диагностике. Формализована процедура выбора электротехнических параметров кабельной системы для последующей интеграции с системой интерактивного управления. Учтены особенности эксплуатации при работе на высоких частотах для достижения пропускной способности 10 Гбит/с.

Keywords: electro technical characteristics, a switching field, a virtual operating mode кабельный сеть электротехнический

Ключевые слова: электротехнические характеристики, коммутационное поле, виртуальный режим работы

Для крупных центров обработки данных (ЦОД) спроектированы интеллектуальные системы управления физическим уровнем, с помощью которых на специальной карте отображаются все соединения коммутационного поля и непрерывно регистрируются все перемещения и конфигурационные изменения сетевых элементов. Для повышения эффективности интерактивного управления предполагается использовать решения виртуализации [1].

Основное предназначение системы интерактивного управления СКС - осуществление постоянного мониторинга портов коммутационных панелей СКС в кроссовых и других специализированных помещениях и предупреждение о неисправностях. Некоторые неисправности могут быть исправлены автоматически, устранение других требует вмешательства системного администратора. Схема мониторинга приведена на рис. 1. Ставится задача формирования предупреждающего сигнала не в момент отказа, а в предотказовом состоянии. Это помогает снизить время простоя сети и приблизить его к нулю в тех случаях, когда неисправности не могут быть устранены автоматически.

Требуется формализовать процедуру выбора параметров кабельной системы с учетом ее интеграции с системой интерактивного управления СКС. Оборудование интерактивного управления с опцией автоматического контроля коммутационных соединений должно присутствовать в составе штатной элементной базы СКС, если количество портов N?10000 (требования европейского стандарта EN 50174-1). Следовательно, в такой СКС большой объем передаваемой информации, скорость передачи и плотность портов коммутационного поля, поэтому при выборе параметров важно обеспечить соответствие электротехнических параметров кабельной системы требованиям электромагнитной совместимости. Необходима многокритериальная оптимизация, которая должна учитывать эксплуатационные параметры, электромагнитную совместимость и энергетическую эффективность (снижение затрат на энергопотребление и эксплуатацию оборудования СКС) при традиционном режиме и виртуальном режиме работы.

При выборе эксплуатационных параметров СКС, приведенных в табл. 1, надо проверить совместимость этих значений. Например, не у каждого производителя СКС есть в ассортименте выпускаемой продукции экранированная витая пара или система автоматизированного управления [2, 3]. В табл. 2 приведены варианты реализации различных компонентов СКС для обеспечения определенных электротехнических характеристик. Процесс оптимизации состоит в последовательном выборе оптимальных значений каждого из аргументов, для чего используются сравнительные оценки этих значений в соответствии с разрабатываемыми критериями.

Таблица 1

Эксплуатационные параметры СКС

Таблица 2

Электротехнические характеристики СКС

Методика выбора параметров оборудования должна учитывать его интеграцию с интерактивной системой управления СКС [4, 5]. Тип соединения (оптическое или электрическое) не должен иметь значения при контроле всех без исключения разъемных соединений.

Рассмотрим параметр защищенности, приведенный в табл. 2. В наиболее часто используемых неэкранированных системах его можно увеличить за счет расположения коммутационных шнуров относительно коммутационных панелей, выбора плотности портов коммутационного поля и схемы коммутации патч-панели. При эксплуатации электропроводных кабельных линий для передачи приложений со скоростью 10 Гбит/с на более высоких частотах передачи (250…500 МГц и выше) возникает необходимость соблюдения более жестких технических требований к электротехническим параметрам [6]. На частоте 300 МГц и выше наибольшее влияние в электрическом кабельном тракте оказывает межкабельная переходная помеха - АХТ (от англ. Alien Crosstalk - межкомпонентные перекрестные помехи). При двунаправленной передаче наибольший интерес представляет сигнал помехи на ближнем конце - ANEXT (от англ. Alien Near End Crosstalk - межкомпонентные перекрестные помехи на ближнем конце). Помеха на ближнем конце имеет большую величину, поскольку уровень сигнала во влияющей линии по направлению к концу затухает. Помехи на дальнем конце - AFEXT (от англ. Alien Far End Crosstalk - межкомпонентные перекрестные помехи на дальнем конце) - определяются при использовании одновременной передачи и приема информации по всем четырем парам. Межкабельные помехи на ближнем конце линии зависят от характеристик соединительных компонентов, межкабельные помехи на дальнем конце линии зависят от характеристик кабелей. Начиная с частоты 500 МГц рекомендовано обязательное экранирование кабеля.

Параметр защищенности для кабеля типа "витая пара" относительно межкабельных наводок оценивается электротехническим параметром

A = АN - АL (1),

где АN - межкабельное переходное затухание на ближнем конце (N от англ. Near - ближний); АL - погонное затухание тракта передачи длиной L.

Суммарный параметр защищенности оценивается

AУ = УАN - АL (2),

где УАN - суммарные переходные помехи на ближнем конце.

Для получения информации с датчика подключения коммутационного шнура к патч-панели можно предложить контактную и бесконтактную схему. Электрический контакт обладает низкой вероятностью безотказной работы, а надежность беспроводного контакта выше. Предлагаемое техническое решение для реализации беспроводного контакта: в каждый порт патч-панели встраивается транспондер с вынесенной вперед индивидуальной стержневой антенной.

На рис. 2 представлено беспроводное решение, в котором не требуются специальные коммутационные панели и которое возможно реализовать с уже проложенной проводкой. С установленного в стойке в стойке коммутационного оборудования выполняется прямое считывание данных о подключениях между портами. Тип соединения (электрическое или оптическое) не имеет значения. Полученные данные передаются на консоль управления по локальной (локальный филиал) или глобальной сети (удаленные филиалы). При необходимости консолей может быть несколько. С помощью консолей осуществляются задачи планирования, изменения конфигурации и документирования проводки.

Активные радиочастотные катушки системы служат для определения местоположения пассивных трансиверов с точностью до нескольких миллиметров. Монтаж трансиверов лучше осуществить параллельно со сборкой коммутационного шнура. Тонкие пластинки трансиверов прикрепляются на концах коммутационных шнуров. Трансивер является пассивным, поэтому источник питания не нужен. Предлагаемое беспроводное решение может быть использовано для уже изготовленных коммутационных шнуров.

Функции взаимодействия выполняет модуль считывания. Это линейный контроллер, реализованный в виде шины, проходящей над или под розетками портов коммутационного оборудования. Шина имеет большое количество расположенных недалеко друг от друга катушек RFI (от англ. Radio Frequency Identification - бесконтактная радиочастотная идентификация). Одному трансиверу могут соответствовать несколько катушек. Операции по считыванию данных о структуре проводки должны осуществляться для панели с произвольной плотностью портов. При этом монтажный конструктив может иметь любые габариты, а размеры контролируемого порта должны быть намного больше размеров радиочастотных катушек.

Рис. 2. Схема радиочастотной идентификации портов

При произвольной плотности портов всегда имеется определенный избыток катушек. Число катушек не равно числу трансиверов. При сканировании программное обеспечение системы распределяет катушки и трансиверы "по парам".

Алгоритм разработанной программы сканирования портов коммутационного оборудования показан на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм программы сканирования портов оборудования

Программа обеспечивает непрерывное проведение сканирования по независимым каналам сбора данных и запись результатов сканирования во внутреннюю память ПК и в файлы в двух форматах: текстовом с расширением ".txt" и бинарном с расширением ".bin". Наиболее удобным является текстовый формат сохранения данных, потому что он предполагает возможность простого экспорта данных для дальнейшей обработки в программные среды MS Excel и MathSoft MathCAD. С помощью этого алгоритма можно обнаружить несанкционированные вмешательства в конфигурацию кабельной системы, планирование и выполнить реконфигурацию кабельной системы в заданный момент времени.

Для увеличения энергетической эффективности при интеграции в СКС системы интерактивного управления предложено использовать виртуальный режим работы. Оценим статистические данные загрузки вычислительного оборудования [7, 8]. Средняя загрузка работающих на предприятиях серверов - около 10…15%. Консолидация физических серверов с помощью средств виртуализации позволяет перенести около десяти физических серверов в виртуальные машины (VМ), которые запускаются на одном физическом сервере и поднимают его загрузку до 50…60%. Этот факт не означает снижение стоимости владения серверами в 10 раз. В реальных проектах часто одновременно происходит модернизация серверного парка с консолидацией, например, на "blades"-серверы ("лезвия"). С одной стороны, стоимость новых "blades"-серверов увеличивается; с другой стороны, затраты при их эксплуатации уменьшаются, в первую очередь, затраты на электроэнергию. Общее количество необходимых для серверов сетевых портов и маршрутизаторов может быть прямо пропорционально уменьшено, и, соответственно, прямо пропорционально уменьшится эффективная плотность портов. В некоторых случаях для меньшего количества серверов могут понадобиться дополнительные порты, что определяется на стадии планирования и разработки архитектуры решения. Статистические исследования показали [3], что показатель TCO (от англ. total cost of ownership - совокупная стоимость владения) для ИТ-инфраструктуры снижается на 60…80%, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Статистическая оценка совокупной стоимости владения при различных загрузках вычислительных мощностей

Таким образом, виртуализация вычислительных средств не только позволяет снизить энергозатраты на эксплуатацию оборудования, но и уменьшить число портов коммутационного поля, так как количество оборудования (и принадлежащего ему портов) сокращается. Это очень важно для высокоскоростных 10-гигабитных приложений на кабеле типа "витая пара", потому что в этом случае недопустимо увеличивать плотность портов коммутационного поля. Если эти порты будут пространственно разнесены, то ухудшатся массогабаритные характеристики коммутационного оборудования.