Публикации

Дата публикации: май 2011

«Журнал сетевых решений/LAN», май 2011г.

Андреас Ничке
Постоянный адрес статьи http://www.osp.ru/lan/2011/05/13008869/

Едва ли в области инфраструктурных решений найдется хоть одна тема, которая по интенсивности обсуждения сопоставима с дискуссиями относительно различных аспектов построения кабельных систем. Причина столь пристального внимания становится вполне понятной, если знать, как распределяются капитальные затраты на ИТ-инфраструктуру: при крайне небольшой доле в общем объеме затрачиваемых средств кабельная система является основой информационной инфраструктуры и отличается длительным сроком эксплуатации.

Кабели современной СКС, размещенные за подвесным потолком и проложенные в пространстве под фальшполом, образуют ту информационную магистраль, по которой передаются сигналы систем промышленной автоматизации, IP-телефонии и видео-конференц-связи. Общая стоимость компонентов СКС (линейные кабели, шнуры и коммутационное оборудование) едва ли превышает 10% общих затрат на ИТ-инфраструктуру (см. Рисунок 1).
 
Рисунок 1. Кабельная инфраструктура составляет только небольшую часть общих затрат на информационную систему, однако именно она образует тот базис, на котором строится информационная система.  

 
Однако СКС должна иметь необходимый резерв на протяжении по меньшей мере полутора десятков лет. Распространение 10 Gigabit Ethernet по меди ясно показывает, какими темпами в обозримой перспективе будет расти обмен данными и какая пропускная способность потребуется в ближайшие десять лет. Благодаря заданию характеристик для отдельных компонентов в соответствии с категориями, а для собранных из них линий — согласно классам (как это было сделано в 2008 году в стандарте ISO/IEC 11801), будущие требования можно учесть еще на стадии планирования.

В стандартах определяются также различные подсистемы СКС, в каждой из которых применяются разные среды для передачи сигналов:

• подсистема внешних магистралей, или кампусная подсистема, обеспечивает передачу данных между рядом стоящими зданиями;
• подсистема внутренних магистралей, или вертикальная подсистема, предназначена для связи отдельных этажей одного здания;
• горизонтальная подсистема реализует подключение информационных розеток рабочих мест к этажному распределителю.

На уровне подсистемы внешних магистралей и на большей части подсистемы внутренних чаще всего применяются оптические линии. По сравнению с симметричными электропроводными кабелями их оптические аналоги имеют ряд существенных преимуществ. Одно из них — широкая полоса пропускания в сочетании с низким затуханием, что обеспечивает очень высокую дальность связи и при необходимости позволяет организовывать прямое соединение на расстояние до 300 м даже на уровне одного этажа; в результате не приходится выделять средства на оборудование этажных технических помещений, снижаются затраты на энергопотребление и эксплуатацию сети. Кроме того, необходимо отметить нечувствительность оптических кабелей к воздействию электромагнитных помех и почти идеальную защиту от несанкционированного доступа к передаваемой информации.

В некоторых случаях такое преимущество волоконной оптики, как нечувствительность к воздействию электромагнитных помех, может быть существенным недостатком. Оптические кабели не проводят электрический ток и, соответственно, не позволяют воспользоваться системами дистанционного питания РоЕ (Power over Ethernet, стандарт IEEE 802.3af-2003). Элементная база для реализации проектов «волокно до рабочего места» (Fiber to the Desk, FTTD) по стоимости оказывается примерно в два раза дороже своих медножильных аналогов. В настоящее время аналитики не могут с уверенностью прогнозировать, как и насколько изменится соотношение объемов применения оптических и медножильных решений на уровне горизонтальной подсистемы. Параметры данного соотношения в большой степени зависят от потребностей пользователей и конкретных приложений. С уверенностью можно утверждать одно: офисным приложениям нужна значительно меньшая пропускная способность, чем программам, применяемым в исследовательских лабораториях и научных центрах для задач моделирования в реальном масштабе времени. На решение о выборе типа среды передачи существенное влияние могут оказывать и соображения безопасности. Так, в медицинских центрах горизонтальная подсистема СКС уже длительное время реализуется на базе оптической техники.
По мере роста скоростей передачи информации и определяемых этим запросов в отношении ширины полосы пропускания, начинают меняться требования к свойствам применяемых волокон. Так, если десять лет назад типовым решением был Fast Ethernet (100 Мбит/с, IEEE 802.3u), то получивший широкое распространение 10 Gigabit Ethernet выдвигает совсем иные требования к характеристикам световодов. По этой причине в действующем стандарте EN 50173-1 определены новые категории волокон. Исходя из результатов исследований рабочей группы комитета IEEE 802.3ba в области систем передачи со скоростью 40 Гбит/с (40GBaseSR4, 4×10G) и 100 Гбит/с можно сделать вывод, что световоды категории ОМ3 не позволяют в полной мере реализовать потенциал этих технологий. Поэтому осенью 2009 года ассоциации TIA/EIA стандартизовали 50-микронные многомодовые волокна новой категории ОМ4 с эффективным модовым коэффициентом широкополосности не хуже 4700 МГц*км и тем самым обеспечили эффективную поддержку функционирования существующих и перспективных сетевых приложений в ЦОД.

В СКС могут применяться световоды следующих категорий:

• OM1 — градиентные многомодовые волокна калибром 62,5/125 мкм;
• OM2 — градиентные многомодовые волокна калибром 50/125 мкм;
• OM3 — градиентные многомодовые волокна калибром 50/125 мкм, оптимизированные для работы с лазерами (Vertical-Cavity Surface-Emitting, VCSEL — это дешевые полупроводниковые лазеры для систем передачи со скоростями от 10 до 100 Гбит/с);
• OM4 — градиентные многомодовые волокна калибром 50/125 мкм, оптимизированные для работы с лазерами и отвечающие требованиям спецификаций TIA/EIA-492AAD 2009 и IEC 60793-2-10 Type A1a.3;
• OS1 — одномодовые волокна калибром 9/125 мкм для сетей связи общего пользования.

Фокусные области применения волокон отдельных категорий приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Взаимосвязь между видами приложений, категориями волокна и предельными дальностями передачи. 

Вид приложения	Дальность связи
	300 м	550 м	2000 м
100 Мбит/с	ОМ1	ОМ1	ОМ1
1000 Мбит/с	ОМ1	ОМ2	OS1
10 Гбит/с	ОМ3	ОМ4	OS1
40 Гбит/с	ОМ4	OS1	OS1

Передаточные характеристики волокна определяются преимущественно его затуханием и шириной полосы пропускания. Если в волоконный световод ввести оптический импульс, то при распространении происходит уменьшение его амплитуды за счет взаимодействия с материалом, из которого изготовлено волокно. Данный эффект называется затуханием. Ширина полосы пропускания определяется дисперсионными свойствами световода. Под влиянием дисперсии начинает изменяться форма оптического импульса. Чем длиннее волокно, тем сильнее эффект «расплывания» импульса, который получил название межмодовой дисперсии и связан с тем, что отдельные моды оптического излучения проходят в световоде разный оптический путь. Еще одним фактором, влияющим на частотные свойства световода, является материальная дисперсия, она определяется зависимостью показателя преломления стекла от длины волны излучения. Кроме того, как известно, свет передается за счет явления полного внутреннего отражения на границе раздела между сердцевиной и оболочкой. Однако в момент отражения часть мод проникают в оболочку с иным показателем преломления и, соответственно, иными дисперсионными свойствами.

Интенсивность процессов затухания и дисперсии примерно пропорциональна длине волокна. С уменьшением длины световода ширина полосы пропускания увеличивается. Ясно, что проблема недостаточной ширины полосы пропускания не будет проявляться в трактах небольшой протяженности, характерных для горизонтальной подсистемы и подсистемы внутренних магистралей СКС. С дисперсионными ограничениями необходимо считаться только в подсистеме внешних магистралей и на интерфейсах отдельных подсистем. Величина затухания монтажных и коммутационных шнуров, а также их дисперсионные свойства определяются исключительно разъемными соединителями и не зависят от их длины. Соединение отдельных световодов оказывает отрицательное влияние на частотные свойства тракта, если оно изготовлено не методом сварки.

Разъемный соединитель является слабым звеном СКС, особенно в оптической подсистеме. Каким бы высоким ни было качество изготовления оптического разъема, торцевая поверхность волокна остается незащищенной, и из-за вредного воздействия окружающей среды ухудшается передача отдельных мод светового излучения из одного световода в другой. Со временем происходит диффузия ионов ОН из атмосферы в сердцевину, что в итоге приводит к загрязнению волокна, а также к рассеянию и дополнительному затуханию сигналов. К числу вредных факторов следует отнести взаимное абразивное трение торцевых поверхностей волокон, эксцентриситет сердцевин, различные профили показателя преломления сращиваемых световодов, вибрацию и температурную деформацию материала наконечников центрирующих штекеров. Все эти процессы оказывают влияние на характеристики стабильности и величину затухания разъемного соединителя. Они должны быть учтены в процессе проектирования и эксплуатации оптической подсистемы СКС.

В связи с вышеизложенным возникает вопрос о правомерности выдачи 25-летней гарантии на кабельную систему. Фактически процессы перехода мод излучения из одного волокна в другое в разъемном соединителе становятся узким местом оптической подсистемы, так как протекание этого процесса в определенных рамках никто гарантировать не может.

Волокно против меди

Заказчику кабельной системы приходится решать, какой тип среды передачи выбрать для построения горизонтальной подсистемы — оптику или медь. Увеличение скорости передачи информации вынуждает корректировать нормативную базу, применяемую при проектирования и эксплуатации СКС. Стандарт EN 50173 делит отдельные компоненты и сформированные из них линии на пять групп (см. Таблица 2).

 Таблица 2. Категории элементной базы и классы электропроводных линий.

Отдельные компоненты		Классы лини
Категория 5	До 100 МГц	Класс D	До 100 МГц
Категория 6	До 250 МГц	Класс E	До 250 МГц
Категория 6А	До 500 МГц	Класс EA	До 500 МГц
Категория 7	До 600 МГц	Класс F	До 600 МГц
Категория 7А	До 1000 МГц	Класс FA	До 1000 МГц

Вплоть до категории 6А включительно при построении линий допускается применение соединителя RJ-45 (IEC 60603-7-5) со свойством обратной совместимости. Все, что выходит за эти пределы, реализуется при помощи частных, заведомо несовместимых решений (IEC 60603-7-7 или IEC 61076-3-104). Это заметно ограничивает свойство нейтральности и независимости кабельной системы от оборудования конкретных приложений. Если пользователь не может подобрать активное сетевое оборудование с соответствующим интерфейсом, он вынужден довольствоваться комбинированным коммутационным шнуром, использование которого приводит к потере достигаемого выигрыша по ширине полосы пропускания (это утверждение автора статьи представляется достаточно спорным — Прим. переводчика).

Несколько лучше обстоит ситуация в случае применения соединителя RJ-45, но и он является слабым звеном. Во времена широкой популярности кабельных систем класса D (до 100 МГц) данный тип разъема обеспечивал довольно существенные запасы по ширине полосы пропускания. При переходе к современным системам Категории 6А такого резерва уже нет. Изготовление симметричных кабелей на современном технологическом оборудовании вполне позволяет получить изделия с верхней граничной частотой нормирования параметров 1200 МГц. Однако уязвимым местом цепи передачи сигнала становится именно соединитель RJ-45. Поэтому проектировщики кабельной системы вынуждены применять только сертифицированные и дополнительно согласованные между собой компоненты. В результате, хотя доля разъемов составляет примерно 10% общей стоимости кабельной системы, заказчик часто вынужден мириться с тем, что зачастую они существенно ухудшают производительность сети.

Вернуться к списку публикаций