Подключение в стойке. GBASE-T в продукции сетевых вендоров

Вдохновившись интернет-запросами в стиле «как сделать спиннер из картонки», я решил рассказать о том, что близко мне: как самому построить 10-гигабитную сеть. Гигабитный Ethernet вопросов уже не вызывает – справится даже школьник: потребуется коммутатор, медная витая пара и привычные RJ-45 разъемы.

А если хочется больше? Например, 10-гигабитное соединение для небольшого офиса или серверной. Какое оборудование понадобится и как его подключать – просто и по шагам в моей сегодняшней статье.

Выбираем коммутатор

Выбор коммутатора – то, с чего нужно начинать. Конечно, сразу хочется посмотреть в сторону любимого вендора. И если финансы позволяют, выбор очевиден. А если нет? Тогда есть два варианта: идем на eBay или смотрим предложения российской розницы. Здесь будет полезен маркет на nag.ru . Одна из последних находок – коммутатор NetGear на 8 портов стоимостью менее $85 за порт.

Обязательно проверяем находку по форумам – я рекомендую smallnetworkbuilder и reddit . Обращаем внимание на функции, которые коммутатор поддерживает. Не забываем и про такую особенность, как уровень шума, – особенно если выбираем коммутатор для дома.

Коммутатор NetGear на 8 портов.

Если мы выбрали коммутатор с RJ-45 портами, тут все просто: мы ограничены расстоянием в 55 метров с кабелями Cat6 и в 100 метров – с Cat6A. В этом случае используем привычные RJ-45 разъемы, изучаем плюсы и минусы 10GBASE-T и радуемся. Такие коммутаторы подходят для ToR (top-of-the-rack) – использования внутри стоек, когда нет нужды в длинных линках.

Если же мы получили коммутатор в SFP+ портами, то нужно выбрать трансиверы.

Коммутатор с портами SFP+.

Выбираем трансиверы

SFP+ – это разновидность SFP-разъема, который поддерживает скорости выше 4,25 Гбит/сек и используется для установки трансиверов со скоростями до 10 Гбит/сек (16GB FC). Трансивер, в народе «эсэфпишка» или «gbic», обеспечивает преобразование электрических сигналов в световые и обратно.

Трансивер на 10 Гбит/сек.

К сожалению, SFP+ трансиверы на 10 Гбит/сек с портами RJ-45 встречаются редко и стоят слишком дорого. Поэтому будем использовать оптический кабель.

При выборе трансивера нужно учитывать дальность передачи. Правило «чем больше – тем лучше» здесь не работает:
У трансиверов с разной дальностью передачи отличается длина волны и мощность излучателя. Для дома или офиса чаще всего достаточно трансивера SR.

Кроме того, от расстояния зависит и тип применяемого оптического кабеля:
В 98% случаев ваш выбор – 10G MM SR LC-трансивер. LC – тип разъемов для подключения оптики. Об этом речь пойдет ниже.

Трансивер на 10 Гбит/сек short reach для оптического кабеля multimode.

Что делать, если вы хотите подключить к SFP+ разъему оборудование на 1 Гбит/сек с портами RJ-45? Не проблема – для этого есть соответствующие трансиверы.

Трансивер на 1 Гбит/сек с разъемом RJ-45.

Есть три момента, в которых легко ошибиться, выбирая трансивер:

• Трансиверы на 10 Гбит/сек выглядят абсолютно так же, как трансиверы для FC.
• Трансиверы производятся разными вендорами, и, к сожалению, вендорская прошивка может быть несовместима с частью оборудования. Можно временно стать хакером и перепрошить трансивер, но тогда вы лишитесь вендорской поддержки. Да и сложность такой операции довольно высокая.
• Трансиверы могут быть нужны и на стороне вашего Ethernet-адаптера, если они в него не встроены. И у адаптера могут быть другие требования к трансиверу, чем у коммутатора. Читаем документацию на адаптер.

Подключаем оптику

Коммутатор есть, трансиверы есть, еще раз проверяем оптические кабели. Как писал выше, для небольших расстояний подойдет мультимод. Бывает синего, фиолетового или красного цветов. Для больших расстояний, от 300 м, понадобится синглмод. Он, как правило, желтого цвета.
К трансиверу оптоволокно подключается с помощью LC-разъемов.

LC-разъемы для подключения оптики к трансиверу.

Обратите внимание!
Если ваша пара оптики оканчивается дуплексными разъемами, то вы не перепутаете левый и правый оптический провод, или «rx\tx». Один из них используется для приема данных, другой –
для передачи. А вот если разъемы отдельные, то легко перепутать левый провод с правым. Тогда соединение не установится, порт не поднимется. В такой ситуации надо поменять местами провода и попробовать установить соединение снова.

Будьте аккуратны с LC-коннекторами и открытыми торцами оптоволокна в них. Одна пылинка – и ваша сеть не будет работать стабильно. Производители рекомендуют включать каждый LC-разъем только один раз без переподключений.

Протирать тряпочкой и дуть на торцы оптоволокна нельзя!
В исключительных случаях для проведения профилактики можно использовать специальные чистящие средства. Универсальным будет One-Click Cleaner MU/LC. Подходит для очистки оптики и портов с LC-разъемом.

Средство для очистки оптики One-Click Cleaner MU/LC.

Подключение в стойке

Создать 10-гигабитное Ethernet-соединение в пределах стойки или пары стоек можно по-другому. Здесь подойдут DAC-кабели, или твинаксы (twinaxial cable). Твинакс – это медный кабель, соединяющий два SFP+ трансивера. Пассивные твинаксы бывают длиной до 7 метров.

Это твинакс.

Использование твинаксов позволяет сэкономить бюджет. Но кабели эти довольно толстые и жесткие, аккуратный монтаж в стойке большого количества твинаксов очень сложен.

Резюмирую сказанное выше. Для соединения 10-гигабитной Ethernet-карты c портом 10G SFP+ коммутатора дома, в офисе или в стойке серверной вам нужны:

• пара совместимых с вашим оборудованием SFP+ трансиверов MM SR на 10 Гбит/сек,
• двухволоконный мультимод с LC-разъемами нужной длины.

Я понимаю, что в этой статье не вывел бином Ньютона. Ее цель – помочь начинающим быстро разобраться в физической коммутации оборудования в 10-гигабитных Ethernet-сетях.

В моей практике несколько раз приходилось помогать довольно опытным системным администраторам с подключением. Не единожды наблюдал примерно следующую картину: в 10-гигабитном порту СХД установлен 10G MM SFP+ трансивер. В него подключен single mode LC LC провод. Другой конец провода приходит в 8G FC трансивер, установленный в FC адаптер сервера. Мало того, что ошибка с типом оптики, так и вообще вся схема логически неверная. «Брат, что ты хотел сделать?» – «Поднять iSCSI.» Вот такая быль из цикла «админы шутят».

UPD: добавлю по вашим комментариям
1) SFP+ трансивер 10Base-T (на витую пару) может стоить $300, а SFP+ на оптику MM $30. Это нужно учитывать при построении инфраструктуры.
2) в трансиверах и модулях на концах твинаксов зашиты определенные прошивки, обеспечивающие совместимость трансиверов с активным оборудованием. Существует возможность смены этих прошивок, при которой вы, конечно, теряете поддержку вендора, но получаете возможность работы оборудования с официально не совместимыми трансиверами.

Основой гигабитного Ethernet является стандарт IEEE 802.3z , который был утвержден в 1998 году. Однако в июне 1999 года к нему вышло дополнение - стандарт гигабитного Ethernet по медной витой паре 1000BaseT .

57. 10 Гигабит Ethernet

Новый стандарт 10 Гигабит Ethernet включает в себя семь стандартов физической среды для LAN , MAN и WAN . В настоящее время он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию стандарта IEEE 802.3 .

10GBASE-CX4 - Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров ), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand .

10GBASE-SR - Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров , в зависимости от типа кабеля), используется многомодовое оптоволокно. Он также поддерживает расстояния до 300 метров с использованием нового многомодового оптоволокна (2000 МГц/км).

10GBASE-LX4 - использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому оптоволокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового оптоволокна.

10GBASE-T , IEEE 802.3an-2006 - принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует экранированную витую пару. Расстояния - до 100 метров.

Стандарт 10 Гигабит Ethernet ещё слишком молод, поэтому потребуется время, чтобы понять, какие из вышеперечисленных стандартов передающих сред будут реально востребованы на рынке.

58. Сравнение Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit и 10Gigabit Ethernet . Применение ge и 10ge.

Потребности в высокоскоростной и в то же время недорогой технологии для подключения к сети мощных рабочих станций привели в начале 90-х годов к созданию инициативной группы, которая занялась поисками нового Ethernet - такой же простой и эффективной технологии, но работающей на скорости 100 Мбит/с.

1995 год: комитет 802.3 утвердил стандарт Fast Ethernet, почти полностью повторяющий технологию Ethernet 10 Мбит/с, а специально созданный комитет 802.12 утвердил стандарт технологии l00VG-AnyLAN, которая сохраняла формат кадра Ethernet, но существенно изменяла метод доступа.

Технология Fast Ethernet сохранила в неприкосновенности метод доступа CSMA/CD, оставив в нем тот же алгоритм и те же временные параметры в битовых интервалах (сам битовый интервал уменьшился в 10 раз). Все отличия Fast Ethernet от Ethernet проявляются на физическом уровне.

Стандарты l00Base-TX/FX могут работать в полнодуплексном режиме.

Максимальный диаметр сети Fast Ethernet равен приблизительно 200 м, а более точные значения зависят от спецификации физической среды. В домене коллизий Fast Ethernet допускается не более одного повторителя класса I (позволяющего транслировать коды 4В/5В в коды 8В/6Т и обратно) и не более двух повторителей класса II (не позволяющих выполнять трансляцию кодов).

Технология Fast Ethernet при работе на витой паре позволяет за счет процедуры автопереговоров двум портам выбирать наиболее эффективный режим работы - скорость 10 Мбит/с или 100 Мбит/с, а также полудуплексный или полнодуплексный режим.

В технологии l00VG-AnyLAN арбитром, решающим вопрос о предоставлении станциям доступа к разделяемой среде, является концентратор, поддерживающий метод Demand Priority - приоритетные требования. Метод Demand Priority оперирует с двумя уровнями приоритетов, выставляемыми станциями, причем приоритет станции, долго не получающей обслуживания, повышается динамически.

Концентраторы VG могут объединяться в иерархию, причем порядок доступа к среде не зависит от того, к концентратору какого уровня подключена станция, а зависит только от приоритета кадра и времени подачи заявки на обслуживание.

Технология l00VG-AnyLAN поддерживает кабель UTP категории 3, причем для обеспечения скорости 100 Мбит/с передает данные одновременно по 4-м парам. Имеется также физический стандарт для кабеля UTP категории 5, кабеля STP Type 1 и волоконно-оптического кабеля.

Хотя 40 и 100 Gigabit Ethernet уже достигнутый уровень технологии, он на два порядка опережает текущий массовый спрос. Притом, что 10 Gigabit Ethernet доступен уже в течение пяти лет, большинство сетевых инженеров все еще считают его потенциальной возможностью для своих сетей. И как всякая потенциальная возможность, 10 Gigabit Ethernet скрывается за мифами, стоящими на пути ее воплощения.

Миф 1. Внедрение 10 Gigabit Ethernet слишком дорого.

Реальность: цена порта 10 Gigabit Ethernet, естественно, дороже, чем Gigabit Ethernet, однако ценовой разрыв сокращается. Решение с одним каналом 10 Gigabit Ethernet дешевле решения с 10 каналами Gigabit Ethernet.

По опыту компании «Эколан Тек» создание линии 10 Gigabit Ethernet категории 6А обходится Заказчику в 1,8 – 2,5 раза дороже линии Gigabit Ethernet категории 5е. Разница в цене оборудования еще меньше. При условии перехода на 10 Gigabit Ethernet в магистральной подсистеме два дополнительных 10 Gbit модуля увеличивают стоимость двух 24-портовых коммутаторов всего на 30%. Таким образом, полная стоимость решения магистрального канала, включая СКС и сетевое оборудование, возрастает всего в 1,5 - 2 раза. Принимая во внимание небольшую долю магистральных линий по сравнению с горизонтальными, разница в цене СКС с гигабитными и 10 гигабитными магистральными каналами оказывается несущественной в сравнении с общими инвестициями в создание системы.

Где возможно применение:

• при создании новых и модернизации действующих сетей увеличение пропускной способности магистральной подсистемы целесообразно осуществлять не увеличением числа линий категории 5е, а переходом на линии 10 Gigabit Ethernet категории 6А и выше.
• в центрах обработки данных (ЦОД), где требуется учитывать энергозатраты, в том числе, на охлаждение, ограничения пространства, заполнение панелей и шкафов, решение 10 GbitE может быть наиболее эффективным по цене.

Миф 2. 10 Gigabit Ethernet работает только на оптоволоконных каналах и оборудовании.

Реальность:

• при выборе среды передачи для 10 GbitE существует несколько альтернатив. В локальных сетях оптоволоконные линии преимущественно используют для передачи данных на расстояния, превышающие 100 метров. Для меньших расстояний и соединений серверов можно использовать электропроводные кабели типа витая пара с интерфейсами RJ-45.
• для ЦОД оптоволоконные линии являются приоритетным выбором, однако для оптимизации начальных инвестиций можно использовать более дешевое решение на основе витых пар. Более того, производители серверов и сетевых устройств готовят решения, позволяющие создавать сети с использование слаботочных кабелей с интерфейсами RJ-45 с длиной каналов, превышающей 100 метров.

Где возможно применение:

• в большинстве СКС длина магистральных линий здания не превышает 100 метров. Как правило, для этих линий заказчики выбирают системы категории 5е или 6 с пределом скорости Gigabit Ethernet. Выбор категории 6А и выше обеспечит переход на 10 Gigabit Ethernet.
• создание Центров обработки данных требует больших трудовых и финансовых затрат как для инвестиций, так и в процессе эксплуатации, поэтому менеджеры Центров выбирают среду передачи с учетом долгосрочных и краткосрочных перспектив. В краткосрочной перспективе разнотипные кабели и разъемы могут обеспечить экономию инвестиций, в долгосрочной – решение на оптоволокне обеспечивает защиту инвестиций при очередной модернизации сети.

Миф 3. Для перехода на 10 Gigabit Ethernet требуется полностью заменить или модернизировать существующее оборудование.

Реальность: модульные коммутаторы Gigabit Ethernet способны работать с модулями 10 GbE.

Где возможно применение: потребности в увеличении скорости передачи данных могут быстро выйти за пределы Центров обработки данных. Несколько точек доступа, потоковое видео высокого разрешения, доступ к архивам и другие приложения могут создать трафик свыше 1 Гбит/с и потребовать создания линий и каналов 10 Gigabit Ethernet.

Миф 4. 10 Gigabit Ethernet требуется только для создания ЦОД с параллельной коммутацией.

Реальность: многие изготовители сетевого оборудования предлагают параллельно работающие коммутаторы с портами как Gigabit Ethernet, так и 10 Gigabit Ethernet. Коммутаторы с портами Gigabit Ethernet, соединенные по принципу «каждый с каждым» обеспечивают выигрыш в скорости передачи данных и уменьшении задержек при подключении серверов, не имеющих 10 GbE сетевых карт.

Где возможно применение: в то время как ЦОД с параллельной коммутацией повышают эффективность использования гигабитных каналов, для работы виртуальных ЦОД потребуется внедрение данной технологии с каналами 10 Gigabit Ethernet. Эффект создания нескольких виртуальных серверов на одном работающем устройстве увеличивает нагрузку в сети на каждом из сетевых портов. Без достаточной полосы пропускания сеть может стать слабым звеном высокооптимизированного ЦОД.

Миф 5. Единственное применение 10 Gigabit Ethernet – это проекты объединения сетей и хранилищ данных.

Реальность: еще до прихода технологий виртуальных серверов и ЦОД с параллельной коммутацией многие производители оборудования начали продвигать идею конвергенции сетей. Для получения информации из баз данных по сети Интернет с помощью протоколов Fibre Channel over Ethernet (FCoE) или iSCSI требуются каналы 10 Gigabit Ethernet.

ISCSI (англ. Internet Small Computer System Interface) - протокол, который базируется на TCP/IP и разработан для установления взаимодействия и управления системами хранения данных, серверами и клиентами.

Где возможно применение: конвергенция сетей – это одна из потребностей перехода на технологии 10 Gigabit Ethernet. Виртуализация является другой, но не последней.

Миф 6. Зачем внедрять 10 Gigabit Ethernet, если существуют технологии и оборудование 40 и 100 Gigabit Ethernet?

Реальность: коммутаторы 40 и 100 Gigabit Ethernet только начали появляться на рынке. Однако многие из этих продуктов являются частными решениями или базируются на проектах стандартов. Хотя производители уверяют, что обеспечат модернизацию и поддержку своих изделий в будущем, такая поддержка касается только их собственных изделий. Кроме того, цена за порт 40 и 100 Gigabit Ethernet останется чрезвычайно высокой пока технология не будет массово востребована.

Где возможно применение: ИТ-специалисты должны постоянно соотносить цену новейших разработок с преимуществами их внедрения. Самые мощные ЦОД могут потребовать производительность, обеспечиваемую технологиями 40 и 100 Gigabit Ethernet, однако большинство заказчиков будут ожидать, как и в случае с 10 Gigabit Ethernet несколько лет назад, пока не снизятся ценовые барьеры и не будут доработаны стандарты.

По материалам сайта SearchNetworking.com

28.01.2009 Ростислав Сергеев

Стандарт IEEE 802.3an (10GВaseT) на 10 Gigabit Ethernet по медному кабелю был принят еще в 2006 г., и многие производители СКС уже выпустили продукты для поддержки соответствующего активного оборудования. Сегодня такие решения применяются на магистральных подсистемах СКС и в ЦОД. Станет ли стандарт лебединой песней в использовании медной проводки для высокоскоростных решений?

Ответ на вопрос о пределах применимости медной проводки неоднозначен. Несколько лет назад казалось, что скорость передачи 10 Гбит/с будет прерогативой исключительно оптических решений, однако прогнозы не оправдались. Фактически технологии 10 Gigabit Ethernet уже около десяти лет, и теперь, кроме достижения необходимой скорости, речь должна идти о ее экономической целесообразности. Прежде сферой распространения этой технологии были городские сети, и только сейчас она начинает активно продвигаться в ЦОД и на корпоративные магистрали. Если говорить о сетевом оборудовании в целом, то 10-гигабитных портов и соответствующих устройств пока еще применяется слишком мало (см. ).

Очевидно, что для медных кабельных систем Категории 6 поддержка скоростей 10 Гбит/с при максимальной требуемой дальности канала Ethernet в 100 м невозможна. Для того чтобы преодолеть наиболее серьезное препятствие - межкабельные переходные помехи (ANEXT), пришлось вводить кабель специальной конструкции. В результате появилась проводка Категории 6А и были ужесточены требования к параметрам NEXT и PS NEXT. Для неэкранированного кабеля Категории 6 длина канала ограничивается 55 м - только так можно гарантировать требуемое соотношение сигнал/шум. В активном оборудовании для выделения сигнала используются специальные процессоры (DSP), при этом его передача происходит на более высокой частоте (500 Мгц) с использованием всех четырех пар кабеля (см. ).

Первоначально для таких скоростей применялись исключительно оптические кабели, однако, несмотря на прогресс и появление более дешевых лазеров с вертикальными резонаторами (VCSEL), оптическая сеть по-прежнему примерно в 2,5 раза дороже медной. Кроме того, при использовании многомодового волокна максимальная дальность связи всего в три раза превышает аналогичный показатель для меди (см. ).

Технологические инновации в области медного кабеля усиливают его позиции благодаря поддержке более широкого диапазона рабочих частот с помощью улучшенных стандартных кабелей и соединителей (GG45). В ближайшее время это гарантирует его доминирование в локальных сетях на коротких расстояниях (до 100 м), особенно если скорость передачи данных менее важна, чем стоимость. Кроме того, не надо забывать о приложениях, в которых удаленные устройства, контроллеры и сенсоры получают питание с помощью технологии PoE, что невозможно в случае оптики.

На площадках, где розетки удалены на расстояние свыше стандартных 100 м, требуется применять медные системы с увеличенной дальностью передачи. Обычно это достигается с помощью дополнительных коммутационных панелей, но стоимость решения увеличивается. Для таких случаев можно рассматривать решения «оптика до рабочего стола» (FTTD).

ПРЕДЕЛ ДЛЯ «КЛАССИЧЕСКОЙ» ВИТОЙ ПАРЫ

По мнению Игоря Смирнова, директора центра научных разработок AESP, для конфигурации физического уровня, которую принято считать классической, скорость 10 Гбит/с является пределом, весьма близким к максимально достижимой скорости передачи данных. Речь идет о канале передачи на основе неэкранированной витой пары с четырьмя точками коммутации и максимальной длиной 100 м.

Для оценки предельной пропускной способности конкретной технологии передачи сигнала при заданном соотношении сигнал-шум (SNR) используется формула из теоремы Шеннона. Расчет дает теоретический предел скорости для классического канала в 18-22 Гбит/с. Именно это значение рабочая группа IEEE приняла в качестве ориентира, приступив к созданию новой более скоростной технологии Ethernet.

Но теоретические расчеты не гарантируют адекватное функционирование физического уровня. Для определения пределов и требований к кабельным системам с поддержкой 10GbE понадобились дополнительные исследования. Практически сразу же выяснилось, что главными параметрами среды передачи, которые будут влиять на достижение предела Шеннона, станут вносимые потери (IL) и межкабельные наводки (AXT).

Исследования показали, что, например, стандартный канал на основе неэкранированной витой пары проводников длиной 100 м не способен обеспечить предел Шеннона в 10 Гбит/с, а лишь в два раза меньше требуемого. Именно в результате этих изысканий и появилось ограничение для каналов передачи на основе витой пары проводников с рабочими характеристиками Категории 6 - оно составило 55 м.

Чтобы компенсировать указанный недостаток, пришлось создать новый класс кабельных компонентов. Рабочие характеристики Категории 6A способны реализовать предел Шеннона для 10 Gigabit Ethernet при работе на частотах до 500 МГц. Но следует признать, что, скорее всего, для этого класса сред передачи технологией 10 Gigabit Ethernet дело и ограничится. Если сравнить спецификации Категории 6A и Категории 6, то можно увидеть, что они практически одинаковы, за исключением диапазона частот и дополнительных требований к параметрам группы AXT.

Конечно, возможно использование экранированных кабельных систем, где проблемы межкабельных наводок не возникает, но во многих случаях их стоимость становится сравнимой с затратами на волоконно-оптические системы.

НУЖНЫ ЛИ СКОРОСТИ СВЫШЕ 10 ГБИТ/С?

Для большинства офисных приложений вполне достаточно 100 Мбит/c на рабочем месте и 1 Гбит/с в магистральной части. Это подтверждает Екатерина Оганесян, директор учебного центра телекоммуникаций ICS: «Так ли необходимы скорости свыше 10 Гбит/с? И стоит ли тратить силы, время и деньги на развитие в экстенсивном направлении? С моей точки зрения, этот путь ведет в тупик. Правильнее не увеличивать пропускную способность, расширяя полосу частот любой ценой, а работать над оптимизацией передаваемой информации. Передавать надо только то, что действительно нужно, а сейчас по сетям пересылается слишком много всякого «мусора»».

В большинстве случаев при грамотном распределении имеющейся пропускной способности вполне хватает проводки Категории 5е. Ограничивающим фактором выступает физическая возможность человека воспринять определенное количество информации, в какой бы форме она ни подавалась. Для того объема аудио-визуальной информации, которую в состоянии потребить пользователь в единицу времени, скоростей в 100 Мбит/с более чем достаточно, особенно если они используются продуманно. Область применения 10-гигабитных приложений ограничивается ЦОД, медицинскими учреждениями, провайдерами связи и контент-провайдерами, а кроме того, проектными организациями и разработчиками - то есть компаниями и организациями, действительно нуждающимися в высокоскоростной передаче больших объемов данных. Поэтому, несмотря на то, что с технической точки зрения 10 Гбит/с для меди не потолок (на расстояниях менее 100 м), нет необходимости продолжать расширять полосу частот и непременно внедрять 10-гигабитные системы везде и всюду.

Другое дело, что оптимизацией пока еще никто из разработчиков сетевых приложений толком не занимается, и все производители СКС обязаны иметь в своем ассортименте 10-гигабитную продукцию. Так, компания Siemon предлагает целое семейство систем под названием 10Gip, как в экранированном, так и в неэкранированном исполнении Категорий 6А и 7. У партнеров производителя есть опыт инсталляции и сдачи на гарантию таких систем. Между тем, их возможности пока задействуются едва ли на четверть, и в большинстве обычных офисных сред этого вполне достаточно.

Александр Акимов, ведущий менеджер по СКС NIKOMAX компании «Тайле», согласен с тем, что сначала следует оценить, нужна ли сеть с такими высокими скоростями. В ходе дискуссии на конференции «СКС как проект», организованной «Журналом сетевых решений/LAN», этот вопрос поднимался, но к общему мнению участники диспута так и не пришли. Вопрос состоял в целесообразности внедрения скоростей 10 Gigabit Ethernet и выше, ведь фактически по сетям Ethernet уже передается цифровое телевидение высокого разрешения, а это наиболее требовательное приложение.

Исходя из международного опыта, объективная необходимость в таких скоростях есть во многих сферах. Про ЦОД как сферу применения высокоскоростных решений было сказано уже много, но 10 Гбит/с требуются не только в ЦОД. Например, высокоскоростные системы получили широкое распространение в медицинской отрасли, где на рабочем месте специалиста отображаются снимки высокого разрешения (рентгеновские, кардиограмма и другие), при этом снимок из истории пациента должен быть предоставлен за несколько секунд. Многие студии используют для киномонтажа высокоскоростные рендер-серверы, стремясь сократить сроки подготовки фильма к выпуску.

Перечислять сферы применения 10 Gigabit Ethernet можно еще очень долго, существует много областей, где требуется передача большого количества данных за короткое время, причем не только в магистральной, но и в горизонтальной подсистеме. Для России это не столь актуально, так как передовых проектов в области технологий ИТ у нас пока не очень много. Сейчас все эти потребности восполняют оптические сети. Но время медных решений для скоростей 10 Gigabit и выше неуклонно приближается.

БЫСТРЕЕ 10 ГБИТ/С

Дискуссии ведутся и о способности кабельных систем обеспечить достаточную широкополосность для поддержки скоростей более 10 Гбит/с. Многие производители начали предлагать кабельную продукцию с диапазоном рабочих частот более гигагерца, хотя очевидно, что предел для меди близок - это легко понять хотя бы из формулы Шеннона. Ситуация напоминает то время, когда частоты микропроцессоров на основе кремния стали приближаться к своему теоретическому пределу: пользователи ждали тактовых частот 10 и 20 ГГц, а специалисты по микроэлектронике уже понимали, что они недостижимы. Скорость 100 Гбит/с - это теоретический предел даже для экранированной медной витой пары, хотя сейчас трудно предсказать, будет ли он достигнут.

Неизвестно, какие инженерные решения появятся, но, по мнению Александра Акимова, некоторые ключевые моменты можно прогнозировать. На скоростях свыше 10 Гбит/с о неэкранированных системах придется забыть. Вероятно, будут выдвинуты специальные требования к заземлению экранированных систем. Переход от скорости 1 Гбит/с к 10 Гбит/с происходит гораздо медленнее, чем, к примеру, в свое время занял переход от 100 Мбит/с к 1 Гбит/с, и ни о каком быстром переходе с 10 Гбит/с на 100 Гбит/с мечтать не стоит. Разумным решением, возможно, станет появление и широкое распространение протоколов со скоростью работы 40 Гбит/с.

Игорь Смирнов также полагает, что 10 Gigabit Ethernet не является пределом для медной проводки, и приводит несколько аргументов в защиту этого положения.

Аргумент первый. Среда передачи. Кроме неэкранированной витой пары существует целое семейство компонентов, где применяются различные виды экранов, причем их многообразие значительно превосходит доступные решения на основе неэкранированных систем. Простые теоретические расчеты показывают (а практические исследования подтверждают), что предел Шеннона, например, для канала Категории 7 длиной 100 м составляет 50 Гбит/с, то есть существует значительный запас. Кабельные системы с рабочими характеристиками Категорий 7 и 7A способны поддерживать работу приложений 40GBaseT, однако для нормальной работы 100GBaseT, скорее всего, будут пригодны только каналы Категории 8 .

Аргумент второй. Длина кабельных линий и каналов. Останется ли длина канала 100 м неизменным требованием? Достаточно вспомнить, как появился этот критерий, чтобы понять его историческую обусловленность. То, что считалось эффективным 30 лет назад, не всегда отвечает современным тенденциям. Концепция локальных сетей была разработана в свое время на основе так называемых «абонентских кабельных систем» (Premises Cabling). Участвуя в подготовке первых стандартов на локальные сети, отделение компании AT&T, отвечавшее за их кабельную часть (Cabling Systems Engineering Group), провело исследование и выяснило, что около 98% всех телефонных аппаратов в коммерческих зданиях расположены на удалении не более 100 м от коммутаторов. Этот показатель (скорее административный, нежели технический) и стал критерием, определившим «стандартную» длину канала передачи на все последующие годы.

Сегодня средняя статистическая длина постоянной линии на основе витой пары проводников составляет около 40 м. Протяженность около 90% всех линий в структурированных кабельных системах укладывается в диапазон 35-45 м, а на таких объектах, как центры обработки данных и сети хранения информации, практически 100%. С другой стороны, кабельный канал Категории 7 способен поддерживать работу 10GBaseT на расстояниях свыше 150 м. Здесь уместно сослаться на исследования Андрея Семенова, по сути доказавшего фактическое отставание положений стандартов кабельных систем от современных технологий и тенденций развития систем транспорта информации. Наверное, совсем скоро по пути кардинального пересмотра стандартов пойдет и телекоммуникационная отрасль.

Сокращение предела длины кабельного канала позволит более простыми и экономически разумными средствами достичь желаемого результата применительно к скорости передачи информации в кабельных системах при более низких категориях рабочих характеристик.

Аргумент третий. Технологии передачи сигналов. Для достижения теоретического предела Шеннона используются различные методы кодирования. Так, в 10GBaseT применяется метод LDPC, созданный еще в 1963 г., но из-за невозможности его реализации (по техническим и финансовым причинам) не востребованный до создания 10 Gigabit Ethernet. Сегодня он считается самым эффективным, но, возможно, появятся и другие, более совершенные методы, которые позволят реализовать высокоскоростные технологии, способные работать по существующим кабельным системам.

Аргумент четвертый. Бизнес и маркетинг. В последнее время гонка за новыми рекордами в скоростях передачи информации приобрела оттенок массового помешательства. Весь этот ажиотаж, конечно, подогревают производители активного оборудования, а за ними следуют разработчики пассивных компонентов. В реальной жизни только около 15% конечных пользователей действительно нуждаются в новых, более эффективных решениях. Остальные становятся заложниками моды, поскольку их действительные потребности ограничиваются Fast Ethernet, как и десять лет назад, до появления 1000BaseT. Тем не менее, и они вынуждены приспосабливаться к серьезным изменениям в структуре систем транспорта информации - использовать большее количество новых видов технологий, а не повышать скорость передачи информации.

Витая пара продолжает занимать лидирующее положение и в ближайшее время еще больше укрепит свои позиции в связи с лавинообразным распространением сетей VoIP. Если 10-15 лет назад только 40% всей бизнес-активности среднестатистической организации было связано с технологиями ИТ, то сегодня этот показатель достиг 98%.

ПОЧЕМУ НУЖНЫ НОВЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ

По мнению Андрея Семенова, директора по развитию «АйТи-СКС», существуют пять основных технических причин, обусловливающих целесообразность спецификации следующего поколения сетевых интерфейсов xxGBaseT со скоростью более 10 Гбит/с.

Во-первых, как уже упоминалось, теоретическая пропускная способность стандартного тракта из элементов Категории 7 общей протяженностью 100 м составляет 55 Гбит/с. С учетом технического прогресса за прошедшие шесть лет с момента принятия действующей редакции международного стандарта, а также наличия технологического задела (так называемые мультимедийные кабели, или кабели нестандартизованной Катего-рии 8) пропускная способность 100-метрового тракта может заметно превышать даже 100 Гбит/с. Пока из-за отсутствия окончательных данных сложно оценить пропускную способность тракта, собранного на компонентах Категории 7а (судя по всему, он будет нормирован ISO/IEC в следующем году), но, вероятно, речь пойдет о 100 Гбит/с, а может быть, и больше.

Во-вторых, на практике 100-метровые линии требуются крайне редко (даже в офисных СКС 95% всех стационарных линий не превышают по длине 70 м). Любое сокращение протяженности тракта сопровождается существенным увеличением пропускной способности, поэтому ее можно увеличить исключительно проектными приемами даже без улучшения характеристик элементной базы.

В большинстве случаев офисным пользователям достаточно 100 Мбит/с, не говоря уже о скорости свыше 10 Гбит/с. В данной ситуации основной областью применения сверхвысокоскоростных систем являются ЦОД, где средняя длина линии по имеющейся (хотя и недостаточно полной) статистике составляет около 30 м. Здесь перестает проявляться весомое преимущество оптических систем как их меньшее энергопотребление. Одновременно из-за довольно жестких температурных условий следует ожидать меньшей эксплуатационной надежности оптических интерфейсов по сравнению с симметричными.

В-четвертых, вследствие использования принципов параллельной передачи 40- и 100-гигабитные оптические сетевые интерфейсы более схожи со своим 10-гигабитным предшественником, чем это было, например, при переходе от систем 1GbE к 10GbE. В этой ситуации работы по созданию симметричного сетевого интерфейса становятся не такими сложными.

В-пятых, в пользу упрощения НИОКР по созданию 40- и 100-гигабитных симметричных сетевых интерфейсов говорит и тот факт, что в указанном скоростном диапазоне изначально не ставится задача обеспечения работоспособности по неэкранированным кабелям, достигшим предела своих возможностей по наращиванию пропускной способности.

К 40 И 100 ГБИТ/С

Если рассматривать перспективы СКС только в рамках увеличения полосы пропускания кабельных трактов, то следующий этап - поддержка приложений 40 и 100 Gigabit Ethernet. С тем, что медожильные кабельные системы имеют будущее на скоростях свыше 10Гбит/с, согласен и Владимир Стыцько, менеджер компании AMP NETCONNECT/ Tyco Electronics по России.

В проекте стандарта IEEE 802.3ba присутствуют спецификации 40GBaseCR4 и 100GBaseCR10, которые подразумевают передачу данных со скоростью 40 и 100 Гбит/с, соответственно, по кабелю из восьми экранированных витых пар на расстояние до 10 м. Разъем для такого соединительного кабеля утвержден - это SFF-8462, более известный как соединитель для Infiniband. Он одобрен Ассоциацией Infininband и в качестве физического интерфейса для спецификации 120G (скорость передачи данных до 120 Гбит/с). Поскольку длина кабелей ограничена (10 м), их основное назначение - межаппаратные соединения. Очень высокая результирующая скорость передачи достигается разбиением потока данных на несколько параллельных каналов, что уже давно используется в технологии Infiniband.

Проводятся исследования возможности передачи данных со скоростью 100 Гбит/с по четырехпарным кабелям Категории 7А с полосой пропускания 1200 МГц. Расчеты показывают, что стандартный кабель Категории 7А имеет характеристики, необходимые для передачи 100 Гбит/ с на 70 м, причем расстояние может быть увеличено до 100 м. Технология пока не позволяет создать электрический трансивер на 100 Гбит/ с, но, благодаря прогрессу в микроэлектронике, это станет возможным в обозримом будущем. Если идея получит развитие, то кабельные системы Категории 7А (экранированные по определению) могут составить серьезную конкуренцию проводке Категории 6А и многомодовому волокну, которое прокладывается в ЦОД и на коротких магистралях СКС.

По мнению Сергея Шарапова, менеджера по корпоративным продажам Reichle&De-Massari Russia, уже то, что его компания принимает активное участие в международных комитетах по стандартизации медных трактов со скоростями 40/100 Гбит/с (см. врезку «IEEE продолжает разрабатывать высокоскоростные стандарты»), говорит о том, что предел не достигнут. Исследования по созданию кабельного тракта для скоростей выше 10 Гбит/с дали положительные результаты. После утверждения требований к трактам Категорий 7 и 6А появились новые типы кабелей с новой конструкцией, тогда как сами розеточные модули претерпели минимум изменений - иными словами, существует определенный запас для улучшения параметров. Следующим шагом будет выпуск нового модуля с большей частотой нормирования, его появление ожидается в 2009 году.

ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Несмотря на экономический кризис, российский рынок СКС продолжает стабильно развиваться, хотя темпы его развития несколько меньше, чем отрасли ИТ в целом. Кабельная система - наиболее консервативный компонент в инфраструктуре ИТ, срок службы СКС составляет от пяти до 10 лет, а почти все производители дают на свою продукцию гарантию не менее 20 лет.

Существующие стандарты для 10 Gigabit Ethernet активно используются многими производителями, и решения на их основе реализуются в реальных проектах. Тем временем активно ведется разработка стандартов и интерфейсов 40 и 100 Гбит/с для медной проводки. Конечно, пока трудно даже прогнозировать, сколько будут стоить такие решения, но, несомненно, они найдут свою сферу применения.

Ростислав Сергеев - заместитель главного редактора «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: [email protected] .

IEEE продолжает разрабатывать высокоскоростные стандарты

Рабочая группа IEEE High Speed Study Group (HSSG) разрабатывает стандарт для поддержки более высоких скоростей, чем 10 Гбит/с. Скорости технологии Ethernet последовательно увеличивались в 10 раз, с 10 Мбит/с до 100 Мбит/с, затем с 1 Гбит/с до 10 Гбит/с. Большинство членов группы склоняются к разработке стандарта для 100 Gigabit Ethernet, хотя некоторые настаивают на промежуточном варианте 40 Гбит/с. По заявлению руководителя группы Джона д’Амброзио, стандарт должен быть готов к середине 2010 г.

Трафик различных приложений увеличивается разными темпами. Если скорости ввода/вывода данных в серверных системах удваиваются каждые два года, то трафик в операторских сетях растет более высокими темпами и удваивается каждые полтора года. По мнению экспертов Deutche Telecom, нас ждет десятикратное увеличение трафика Internet в ближайшие четыре года и 100-кратное - в следующие 8 лет. Таким образом, сегодняшний трафик будет составлять всего 1% от объемов 2015 г. Члены группы, более заинтересованные в серверно-коммутаторных соединениях, настаивают на разработке варианта 40 Гбит/с, те же, кто представляет интересы операторов, поддерживают более скоростной вариант.

Сейчас проектом стандарта IEEE 802.3ba предполагаются спецификации для обеих скоростей. Для 40 Gigabit Ethernet предусматриваются расстояния до 1 м для коммутационных матриц, до 10 м для медного кабеля и до 100 м для мультимодового оптического волокна. Для 100 Гбит/с будут стандартизованы медные каналы протяженностью до 10 м, для многомодового волокна - 100 м и одномодового - 10 и 40 км, соответственно. По всей видимости, впервые в одной спецификации Ethernet будут определены две различные скорости передачи данных.

Fast EtherNet

IEEE 802.3u

Все отличия FastEtherNet и EtherNet сосредоточены на физическом уровне. Уровни MAC и LLC вFastEtherNet остались без изменения.

Для технологии Fast Ethernet разработаны различные варианты физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, как это сделано в технологии 10 Мб/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов, и количеством используемых в кабеле проводников.
Организация физического уровня технологии EtherNet является более сложной, чем классический Ethernet.

Физический уровень включает три элемента:

• Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интерфейс AUI мог работать с физическим уровнем через интерфейс MII
• Независимый от среди интерфейс (MediaIndependentInterface, MII) поддерживает независимый от используемой физической среды способ обмена данными между MAC-подуровнем и подуровнем PHY. Интерфейс MII располагается между MAC-подуровнем и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте FastEthernetтри - FX, TX и T4.
• Устройство физического уровня (PhysicalLayerDevice, PHY) обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике.

Поскольку одной из целей разработки было обеспечение максимальной преемственности, было принято решение увеличить скорость за счет сокращения до 10 нс битового интервала (против100 нс в Ethernet). При этом максимально допустимое время оборота сигнала составило 2,6 мкс, поэтому максимальный диаметр сегмента Fast Ethernet составляет 205 м.

Спецификации физической среды Fast Ethernet

• 100BASE-TX - задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.
• 100BASE-T4 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Максимальная длина сегмента 100 метров. Практически не используется.
• 100BASE-T2 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направления по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Мбит/с. Практически не используется.
• 100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое оптоволокно (2 жилы). Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2000 метров в полном дуплексе.
• 100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в оптоволоконном кабеле и мощностью передатчиков.
• 100BASE-FX WDM -стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в оптоволоконном кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются одной латинской буквой: T (пере-датчик 1550 нм, приемник 1310нм) или R (передатчик 1310нм, приемник 1550нм). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны пер е-датчик на 1310 нм, а с другой -на 1550 нм.

Gigabit Ethernet

Основное новшество состояло в десятикратном (по сравнению с Fast Ethernet) уменьшении длительности битового интервала– до 1 нс.

В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия GigabitEtherNetдля разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25м. Для увеличения длины сегмента до 200м изменили:

• Минимальный размер кадра был увеличен с 64 до 512 байт;
• Соответственно время оборота увеличено до 4095 битовых интервалов.

GMII интерфейс. Среданезависимый интерфейс GMII (gigabit media independent interface) обеспечивает взаимодействие между уровнем MAC и физическим уровнем.

GMII интерфейс является расширением интерфейса MII и может поддерживать скорости 10, 100 и 1000 Мбит/с. Он имеет отдельные 8 битные приемник и передатчик, и может поддерживать как полудуплексный, так и дуплексный режимы.

Спецификации физической среды Gigabit Ethernet

• 1000BASE-T, IEEE 802.3ab -использует витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют все 4 пары со скоростью 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц.
• 1000BASE-TX, использует раздельную приёмо-передачу (2 пары на передачу, 2 пары на приём, по каждой паре данные передаются со скоростью 500 Мбит/с), кабеля 6 категории. На основе данного стандарта практически не было создано продуктов, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол, чем стандарт 1000BASE-T
• 1000BASE-SX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий многомодовое оптоволокно. Длина сегмента до 550 метров.
• 1000BASE-LX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий одномодовое или многомодовое оптоволокно. Длина сегмента до 5000 метров.
• 1000BASE-LX10, IEEE 802.3ah - стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 10 километров.
• 1000BASE-CX - стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель с волновым сопротивлением 150 Ом. Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не используется.
• 1000BASE-LX WDM - расширение стандарта LX, позволяющее по одному оптическому волокну одномодового кабеля передавать сигнал до 40км. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются одной латинской буквой T (передатчик 1550 нм, приемник 1310нм) или R(передатчик 1310нм, приемник 1550 нм).
• 1000BASE-ZX не стандартизированный, однако использующееся расширение стандарта LX. Позволяет передавать сигнал на расстояние до 80 км по одномодовому оптоволокну.
• 1000BASE-LH (Long Haul) - стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров.

10Gigabit Ethernet

Строение физического интерфейса вполне типично, он состоит из трех уровней: PCS (Physical Coding Sublayer), отвечающий за управление передаваемыми битовыми последовательностями, PMA (Physical Medium Attachment) -преобразование группы кодов в последовательный поток бит и обратно, плюс синхронизация, и PMD (Physical Media Dependent), преобразующий биты в оптические сигналы. Традиционно, они выполнены логически независимыми друг от друга частями.

Спецификации физической среды 10Gigabit Ethernet

• 10GBASE-SR - Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 300метров), используется многомодовое оптоволокно.
• 10GBASE-LR и 10GBASE-ER - эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 (80) километров соответственно. 10GBASE-LR использует лазеры 1310 нм, а 10GBASE-ER лазеры 1550 нм.
• 10GBASE-LX4 -использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому оптоволокну, IEEE 802.3 Clause 48 PCSи технологию «грубый» WDM. Данная спецификация позволяет поддерживать два типа оптоволокна. При использовании многомодового оптоволокна длина участка может достигать до 300 м, при скорости 10 Гбит/с, а при использовании одномодового оптоволокна расстояние увеличивается до 10 километров. Это достигается использованием 4-х лазерных источников, работающих на уникальных длинах волн в диапазоне 1300 нм.
• 10GBASE-LRM (Long Reach Multimode) также известный как IEEE 802.3aq, использует IEEE 802.3 Clause 49 64B/66BPCSи 1310 нм лазерные излучатели. Это обеспечивает передачу данных, используя многомодовый оптический кабель, со скоростью 10.3125 Гбит/с. 10GBASE-LRM поддерживает расстояния в 220 метров, при использовании многомодового оптического кабеля
• 10GBASE-ZR. Некоторые производители создали сменные интерфейсные устройства, для работы на расстоянии до 80 км. Так как эти устройства не определены стандартом IEEE 802.3ae, изготовители создали свою спецификацию 10GBASE-ZR, описанную в спецификации OC-192/STM-64 SDH/SONET.