Кабельные решения для существующих и будущих приложений 10 Gigabit Ethernet

Размещено на http://www.allbest.ru/

Корпорация компьютерных наук

КАБЕЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ И БУДУЩИХ ПРИЛОЖЕНИЙ 10 GIGABIT ETHERNET

Умудумов О.Ф.

Германия, Франкфурт на Майне

Назначение 10 Гбит/с

Одной из основных задач при создании информационной системы предприятия является грамотный выбор кабельной системы. Она должна отвечать не только сегодняшним, но и будущим потребностям вашего бизнеса. Нагрузка на кабельную систему постоянно растет. Помимо передачи традиционных и постоянно растущих потоков данных она все больше используется для работы с новыми приложениями, такими как потоковое видео и передача речи по IP (VoIP), жизнеобеспечение, безопасность офисов и центров обработки данных и т. п. Только высокопроизводительная и надежная кабельная система cможет обеспечить растущие потребности бизнеса и эффективность инвестиций. Такие стандарты обмена данными, как Gigabit Ethernet, которые еще недавно обеспечивали высокие скорости в магистралях, сегодня все чаще используются для передачи данных на рабочие места. При этом пропускная способность магистралей должна быть еще большей.

Срок эксплуатации сетевого оборудования

Растущая с каждым годом производительность процессоров рабочих станций требует увеличения пропускной способности кабельных линий. Кабельная сеть, которая обычно служит около 15 лет, должна быть в состоянии пережить до 3 поколений активного оборудования, 4 поколения персональных компьютеров (ПК) и, возможно, до 5 поколений программных средств (ПО)! Таким образом, долговечная телекоммуникационная инфраструктура немыслима без производительной и надежной кабельной сети. Кабельная система не кажется такой сложной, как космический корабль, однако достижение космических скоростей на информационных магистралях требует не меньших усилий...

Шире полоса - выше скорость1

Три десятилетия с Ethernet

Протокол Ethernet продолжает доминировать в телекоммуникационном мире. Его концепцию предложил Р. Меткалф (R. Metcalfe) в середине 70-х годов, и первоначально предлагалась скорость передачи 3 Mбит/с. Однако технология Ethernet быстро развивалась. Первый стандарт IEEE 802.3, который определял передачу данных по коаксиальному кабелю со скоростью 10 Mбит/с, был опубликован в 1983 г. Менее десятилетия потребовалось, чтобы распространить действие этого стандарта на витую пару и волоконно-оптический кабель. Затем скорость передачи росла большими скачками: увеличиваясь каждые 3 года десятикратно и достигнув в начале этого столетия значения 10 Гбит/с по оптоволокну. Т. к. все предыдущие поколения Ethernet имели реализации как на волокне, так и на меди, была поставлена задача разработать стандарт 10 Гбит/с для витых медных пар. После 4 лет работы невозможное стало реальностью. К своему 30-летнему юбилею технология Ethernet обеспечила передачу данных в 10 000 раз быстрее, чем изначально, в далекие 70-е. Что еще готовит будущее?..

Экранированная витая пара XG (Cat. 6A, Cat. 7A)

Применение проверенной технологии экранирования витых пар AMP NETCONNECT XG позволило существенно снизить шумы, обусловленные внешними электромагнитными помехами (Background Noise) и наводками из соседних кабелей (Alien Crosstalk). Созданное таким образом XG-кабельное решение не только удовлетворяет требованиям стандарта 10GBASE-T (IEEE 802.3an) к каналу передачи данных, но обеспечивает поддержку будущих приложений, вплоть до 24 Гбит/с, причем без дополнительных мер по снижению шумов. Неэкранированные кабели UTP Cat. 6A 10 Gb/s занимают на 60% больше места в коробах, чем экранированные кабели Система AMP CO Plus.

Малые фоновые шумы 3

Фоновый шум

В международных стандартах СКС для описания среды, окружающей кабельные системы в офисах и промышленных зонах, принята классификация MICE. Она отображает климатические, электромагнитные и др. условия окружающей среды.

Наиболее тяжелая электромагнитная обстановка (класс Е3 по стандарту EN 50173-1: 2006) имеет место, когда:

§ в радиусе 1 км работают радио, телевизионные или передатчики мобильной связи,

§ в помещении используются радиотелефоны стандарта DECT,

§ применяется оборудование для беспроводного доступа в сеть WiFi.

Действие всех этих источников порождает в кабельных линиях фоновый шум (Background Noise), маскирующий полезный сигнал. Наиболее эффективным способом уменьшения шума является экранирование кабеля или кабельных трасс. Для безошибочной передачи данных со скоростью 10 Гбит/с уровень фоновых шумов на выходе каждой пары не должен превышать 150 дБм/Гц (по IEEE 802.3an). Сигнал телевизионного вещания, например, эквивалентен шумовому уровню 80 дБм/Гц, т. е. на 70 дБм/Гц больше допустимого. Он наводится на витую пару с ослаблением, зависящим от кабеля: 40 дБ - для UTP Cat. 6A или 95 дБ - для STP Cat. 7A.

Офисные сети

Максимальная скорость передачи данных по кабельному каналу зависит от его информационной емкости, которая, в свою очередь, определяется только полосой пропускания и отношением сигнал-шум.

S-IL-сигнал на выходе линии

Плотность оборудования в офисах обычно невелика, поэтому длина линейных кабелей доходит до 100 м. Уровень сигнала на выходе таких длинных линий может оказаться недопустимо малым, поэтому в офисных кабельных системах главной задачей является обеспечение достаточного уровня сигнала.

ANEXT + BN - шумы в линии (1)

В ограниченном пространстве центров обработки данных сосредоточены многочисленные электронные устройства, соединенные пучками кабелей. Электромагнитные наводки из соседних кабелей и фоновые шумы линии, обусловленные воздействием внешних излучателей, могут достигать больших величин. Для кабельных систем ЦОД основной трудностью является обеспечение приемлемо низкого уровня шумов.

СКС завтрашнего дня сегодня и новые требования 10 GigaBit Ethernet

Структурированная кабельная система (СКС) сегодня является такой же неотъемлемой частью современных коммерческих и общественных зданий, как электропроводка, водопровод и центральное отопление. СКС устанавливается в здание как основа информационной системы и не может быть модернизирована без существенных затрат. Кроме того, любые изменения в СКС неизбежно связаны с простоем ЛВС предприятия. По этим причинам кабельные системы должны рассматриваться как долгосрочные инвестиции в здание. Международные стандарты рекомендуют проектировать кабельную инфраструктуру так, чтобы эксплуатировать её без изменений не менее 10 -15 лет. Это подразумевает то, что, проектируя СКС сегодня, необходимо ориентироваться не только на современные, но и на перспективные сетевые приложения. В настоящее время в процессе стандартизации находится протокол 10 GigaBit Ethernet (10GBASE-T), в котором будут востребованы характеристики проводок Категории 6 / Класса E и выше. Это означает, что сегодня целесообразно закладывать в серьезные проекты СКС не ниже класса Е. Еще одной очень важной тенденцией является интеграция кабельных систем в полную интеллектуальную систему управления физическим уровнем сети - Intelligent Infrastructure Management Systems (IIMS). Современные кабельные системы должны быть уже сегодня подготовлены для будущего обновления до полной системы IIMS. Оба этих аспекта будут рассмотрены в этой статье более детально.

10GBASE-T - новое поколение стандарта Ethernet

В феврале 2004 года Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE) была поставлена задача разработать стандарт 10GigaBit Ethernet “по меди“. Ратификация соответствующего стандарта (IEEE 802.3an, 10GBASE-T) намечена на июль 2006 г. К этому времени должны быть зафиксированы технические спецификации кабельной проводки, совместимой с протоколом 10GBase-T. Проект этих спецификаций представлен в бюллетене JTC 1/25N 981 международного отраслевого комитета по стандартизации в области СКС. 10GBASE-T будет 4-парным протоколом. По каждой витой паре будут передаваться данные со скоростью 2.5 Гбит/с в обоих направлениях. То есть скорость полной дуплексной передачи по всем парам одновременно может достичь даже 20 Gbit/s.

Приложения 10 Gigabit Ethernet

На сегодняшний день в процессе стандартизации находятся 3 версии 10Gigabit Ethernet. 10GBASE-CX4 (IEEE 802.3ak) - специальная разработка для высокоскоростных соединений серверов в центрах обработки информации. Этот протокол базируется на специальном сдвоенном кабеле “4-twinax infiniband” и соединителе с интерфейсом XAUI. Длина линии может достигать 15 метров. С таким ограничением по длине этот протокол не представляется разумным использовать в горизонтальных подсистемах СКС. Спецификации протокола 10GBASE Fiber (IEEE 802.3ae) предполагают использование оптической среды передачи. Главным образом этот протокол разработан для внешних и внутренних магистральных подсистем СКС, также для сетей хранения и центров обработки данных (SAN/ Data Centers Cabling System). Поскольку Gigabit Ethernet (1000Base-T) в горизонтальной подсистеме становится сегодня обычным явлением, а в магистралях скорости должны быть на порядок выше, то применение 10GBASE Fiber весьма актуально уже сегодня. И дальновидно поступает тот, кто уже сегодня инсталлирует для указанных целей многомодовые кабели типа OM3, которые обеспечивают максимальную дальность работы этого протокола.

Протокол 10GBASE-T (IEEE 802.3an) является последней разработкой. Он предназначен как для обеспечения высокоскоростных соединений в горизонтальной подсистеме СКС, так и для соединения серверов в центрах обработки информации по симметричному медному кабелю. Ожидается, что 10GBASE-T откроет новые возможности для множества новых мультимедийных приложений, таких как видео по IP и видеоконференции

Влияние 10GBASE-T на СКС

Как уже описывалось выше, 10GBASE-T будет работать как полнодуплексный протокол 10GigaBit Ethernet, который будет требовать, так называемой, минимальной емкости информационного канала 18-20 Гбит/с (в зависимости от схемы кодировки). Чтобы понять влияние на передающую среду (кабельную систему), нужно вкратце рассмотреть характеристику “емкость информационного канала”, которая описывается фундаментальным соотношением Шеннона:

C = B log₂ (1 + S/N) (2)

где C - достигаемая ёмкость информационного канала

B - полоса пропускания линии

S - средняя мощность "сигнала"

N - средняя мощность "шума"

Соотношение Шеннона говорит о том, что для заданной полосы пропускания (которая будет определена для 10GBASE-T как 625 MHz для кабельных систем Класса E) максимальная емкость информационного канала зависит только от отношения сигнал/шум. Если мы возьмем заданное среднее значение мощности сигнала, то остается только один параметр, на который можно воздействовать, чтобы увеличить емкость информационного канала - это шум.

Возвращаясь к кабельным системам, которые являются трактом для передачи 10GBASE-T, мы должны понимать, что подразумевается под понятием “шум”. Шум в кабельных системах означает: во-первых, внешнее электромагнитное воздействие, которое можно значительно уменьшить применением в СКС высококачественных компонентов и профессиональным монтажом; во-вторых, шум также создается перекрестными наводками между отдельными парами внутри кабеля, которые на сегодняшний день определяются параметрами NEXT (Near End Cross-Talk) и FEXT (Far End Cross-Talk) [1]. Существует современный алгоритм обработки сигнала для уменьшения NEXT и FEXT до определенного u1091 уровня, но это только для тех случаев, когда мы рассматриваем передачу сигнала только по одному тракту (только по одному кабелю). Это не применимо для кабельных жгутов, с которыми мы сталкиваемся в реальной инсталляции.

кабельный информационный gigabit ethernet

Alien Crosstalk - новый важный параметр для 10 Gigabit Ethernet

Ранее международные кабельные стандарты в спецификациях на кабельные системы рассматривали параметры только для одного тракта (для одиночного кабеля и соответствующего оконечного оборудования). Этого было вполне достаточно для всех приложений (включая 1000BASE-T), которые мы используем сегодня. Оказывается, что в случае трафика 10 Гбит/с основной вклад в шумы дают наводки из соседних (прилежащих) кабельных линий и даже наводки между соседними портами патчпанелей, коммутаторов и телекоммуникационных розеток на рабочих местах. В стандартах СКС этот источник шумов ранее не рассматривался. Но важнее то, что его нельзя подавить с помощью цифровой обработки сигнала и нельзя избежать; линейные кабели всегда прокладываются в пучках и выводятся на соседние порты коммутационных панелей. Для оценки этого нового эффекта введен параметр Alien Crosstalk (ANEXT) [2].

Будет ли работать 10 GigaBit Ethernet по кабельным системам, устанавливаемым сегодня? Как упоминалось ранее, 10GBASE-T будет работать по кабельным проводкам Категории 6/Класса E и выше. Возникает вопрос, готовы ли кабельные системы, устанавливаемые сегодня, к новым требованиям, о которых говорилось выше? Международными исследовательскими институтами было проведено множество тестов относительно существующих стандартов на Категорию 6. Принимались во внимание как экранированные, так и неэкранированные кабельные системы. Чтобы измерить ANEXT были проведены тесты над кабельным жгутом, в котором вокруг центрального кабеля расположены 6 других кабелей, такая конфигурация является наилучшей моделью для реально существующих пучков кабелей. В результате следующие значения максимальной ёмкости информационного канала:

Тип СКС Кат.6 Максимальная ёмкость канала по Шеннону

Неэкранированная (UTP) ~ 10 Гбит

Экранированная (STP) ~ 20 Гбит

Как мы видим, существует значительная разница между экранированными и не экранированными кабельными системами. Результат очень просто понять: экранированные проводки (из-за наличия экрана) имеют значительно лучшие значения ANEXT, чем UTP кабельные системы. Экран улучшает ANEXT приблизительно на 20дБ, что делает уже сегодня высококачественные экранированные системы категории 6 готовыми для 10 GigaBit Ethernet. Однако прежде чем специфицировать экранированную систему категории 6, как готовую для 10 GigaBit Ethernet, должны быть произведены тесты на соответствие спецификациям ISO/IEC 11801 (JTC 1/25N 981A) в диапазоне частот от 1 до 625 МГц.

Литература

1. LAN, 2006, №06. Артюшенко В.М., Аббасова Т.С. Структурированные кабельные системы. Учебное пособие. М.: МГУС, 2005. 152 с.

2. Семенов А.Б. Неэкранированные СКС для 10 Gigabit Ethernet //

Размещено на Allbest.ru