Оптика до настольных систем

Волоконная оптика уже доказала свою незаменимость на магистралях. Очередь за настольными системами?

Производители волоконно-оптических кабелей за последние несколько лет дважды поднимали ложную тревогу, заявляя, если все мы немедленно не установим в своих сетях оптику, то это обернется для нас печальными последствиями. И вот шум поднимается снова, но стоит ли на сей раз верить заявлениям представителей отрасли о радужных перспективах использования волоконно-оптических кабелей в локальных сетях? Я считаю, что стоит. Хотя до сих пор в локальных сетях, связывающих настольные системы, чаще всего применяется медная проводка (на ее долю приходится около 80% всех кабелей, задействованных в локальных сетях), новые разработки и меняющаяся ситуация в мире способствуют распространению в этой области волоконно-оптического кабеля.

Правда, ситуация меняется не настолько быстро, чтобы бить тревогу. Проводка служит намного дольше, чем любая другая часть локальной сети. Высокая стоимость замены существующей кабельной инфраструктуры заставляет большинство компаний откладывать монтаж новой проводки до тех пор, пока в этом не возникнет острая необходимость. Поэтому, хотя цены на волоконную оптику значительно снизились, медные кабели по-прежнему останутся доминирующей средой для подключения настольных систем, по крайней мере, в течение ближайших пяти лет.

Волоконно-оптический кабель станет предпочтительным выбором только тогда, когда компании наконец решат модернизировать свою проводку, что означает постепенный переход от меди к оптике.

ПОЧЕМУ МЕДНАЯ ПРОВОДКА ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ПОВСЮДУ?

Первый раз представители волоконно-оптической отрасли подняли тревогу в 1995 г. Однако в то время оптическое волокно не имело никаких шансов в конкурентной борьбе, поскольку прокладка медного кабеля Категории 5 была несоизмеримо дешевле, проще и быстрее, а технология Fast Ethernet, работающая на этом кабеле, обеспечивала достаточно большую пропускную способность.

В 1995 г. оптическое волокно стоило дороже, и устанавливать его не имело смысла из-за существенных физических ограничений: инсталляторы не могли огибать ими углы — а это далеко не лучшее свойство для проводки, которую необходимо прокладывать внутри стен. Монтажники должны были отшлифовывать концы волоконно-оптических кабелей таким образом, чтобы они корректно фокусировали излучаемые световые сигналы в фотодиодный приемник. Т. е. монтажник должен был быть еще и специалистом-оптиком, способным превратить торец оптического волокна в «линзу».

Индустрия волоконно-оптических кабелей опять попыталась привлечь к себе внимание в 1997 г., когда появились продукты Gigabit Ethernet. В то время эксперты отрасли считали, что проводка Категории 5 не в состоянии по своим физическим характеристикам поддерживать скорость передачи данных в 1 Гбит/с. Однако эти опасения быстро улеглись, когда в 1999 г. появился стандарт для работы Gigabit Ethernet по медной проводке.

Такое развитие событий привело к тому, что в современных сетях используется несколько различных типов кабелей. Сейчас самая распространенная разновидность медной проводки — это UTP. Кабели более высокой категории обычно содержат больше витых пар, и эти пары имеют меньший шаг скрутки. Сегодня отрасль отказалась от кабелей Категорий 2—4 в пользу Категории 5, которые при использовании Gigabit Ethernet способны поддерживать скорость передачи данных до 1 Гбит/с. Медные кабели, как правило, могут передавать данные без повторителей на расстояние до 100 м.

Оптическое волокно обеспечивает превосходную пропускную способность на более протяженных участках. Для создания высокоскоростных каналов передачи данных на значительные расстояния организации обычно используют одномодовое оптическое волокно с лазерными источниками. Это связано с тем, что одномодовый кабель с типичным диаметром от 8 до 10 микрон может поддерживать более высокие скорости передачи данных, чем многомодовый, а также значительно дальше передавать сигнал без повторителей.

Многомодовый кабель выпускается с волокном различного диаметра, но в современных сетях чаще всего применяется модификация диаметром 62,5 микрона. Большинство организаций использует волоконно-оптический кабель со светодиодами в качестве источников для создания низкоскоростных, более экономичных каналов передачи данных на короткие расстояния.

Для оптики характерна необычная структура цен. При изготовлении самого кабеля стеклянный или пластиковый центральный проводник — это самая дорогостоящая его часть. Таким образом, одномодовый волоконно-оптический кабель дешевле изготовить, чем многомодовый. Однако для передачи и приема световых сигналов в кабеле толщиной от 8 до 10 микрон требуется намного более высокая точность, так что все остальные компоненты одномодовой волоконно-оптической системы стоят намного дороже, в силу чего ее общая стоимость выше, чем у многомодовой.

ЧТО ЖДЕТ МЕДНЫЙ КАБЕЛЬ ПОСЛЕ КАТЕГОРИИ 5?

Сейчас представляется, что Категория 5 — это «вершина» для медной проводки. Набор спецификаций TIA/EIA, созданный в 1995 г., определяет стандарт для медного кабеля Категории 5 с использованием соединителей RJ-45. Изначально предполагалось, что кабель Категории 5 будет применяться для поддержки скорости передачи данных в 100 Мбит/с, но прорыв, совершенный в 1999 г., позволил увеличить скорость в сетях Gigabit Ethernet с медными кабелями Категории 5 до 1 Гбит/с. Эти скорости, ранее казавшиеся вовсе недостижимыми, теперь считаются абсолютным физическим пределом для медной проводки такого типа.

Поскольку не все медные кабели Категории 5 подходят для приложений Gigabit Ethernet, в конце 1999 г. был создан стандарт на «усовершенствованную» Категорию 5. По-видимому, Категория 5e станет новым фактическим стандартом для проводки Категории 5.

В конце 1997 г. TIA/EIA впервые представила спецификацию на Категорию 6, или Класс E, и оптимисты считают, что этот стандарт будет полностью ратифицирован в середине 2001 г., в то время как по пессимистическим оценкам он появится не ранее 2002 г. Однако разработка Категории 6 утратила актуальность в тот момент, когда был предложен Gigabit Ethernet для Категории 5. Категория 6 теперь представляет собой спецификацию на кабель, для которой не существует приложения, способного стимулировать ее разработку.

Категория 6 имеет обратную совместимость с Категорией 5, используя те же соединители типа RJ-45. Кабельная проводка Категории 6, предназначенная для работы на частотах 200—250 МГц, будет способна поддерживать пропускную способность всего в два-три раза выше, чем аналогичная Категории 5, а стоить будет гораздо больше. Волоконно-оптические кабели окажутся сравнимы по цене с кабелями Категории 6, так что в тех случаях, когда компании решатся заменить свою инфраструктуру Категории 5, они, скорее всего, предпочтут волоконно-оптическую проводку.

Спецификация на Категорию 7, или Класс F, может быть готова к концу 2001 г., но не раньше, чем будет завершена спецификация на Категорию 6. Однако Класс F оказался ненужным даже раньше, чем он появился на рынке. Фактически Класс F настолько мало популярен на рынке Северной Америки, что TIA/EIA даже не участвует в разработке этого стандарта. Вместо нее им занимается ISO/International Electrotechnical Commission (IEC). Класс F не будет использовать соединители типа RJ-45, что исключает обратную совместимость с большинством современных коммутаторов и сетевых адаптеров.

Кабели Класса F будут работать на частотах 700—750 МГц, т. е. обеспечивать значительно более высокую скорость передачи данных, чем Категория 5, но по-прежнему более низкую, чем многомодовое волокно, и недостаточную для 10 Gigabit Ethernet (10GbE). Кабели Класса F, вероятно, будут стоить вдвое больше, чем проводка Категории 5, т. е. дороже оптического волокна! Как только какая-нибудь компания решится полностью заменить кабельную инфраструктуру, отказаться от обратной совместимости и платить больше, естественным выбором для нее будет волоконно-оптический кабель.

Gigabit Ethernet на медной проводке обеспечивает запас времени для оптического кабеля. Эта технология исключает необходимость в проводке Категории 6 и позволит компаниям по-прежнему использовать свои кабели Категории 5 еще несколько лет. Но к тому моменту, когда в большинстве компаний Gigabit Ethernet на медном кабеле доведут до настольных систем, волоконно-оптический кабель будет стоить примерно столько же, сколько и медный. В то же время без достаточного стимула кабельные системы Категорий 6 и 7 не получат поддержки ведущих производителей и средств на разработку, которые необходимы им для того, чтобы конкурировать с оптикой.

ЗАЧЕМ ВЫБИРАТЬ ОПТИКУ?

Волоконно-оптические кабели имеют серьезные технологические преимущества перед медными.

• Волоконно-оптический кабель позволяет передавать данные на гораздо большие расстояния, чем медный. Это означает, что оптическое волокно, в случае использования его для связи с настольными системами, позволяет установить все сетевое оборудование в одном месте, вместо того чтобы размещать его в монтажных шкафах по всему зданию, дабы обойти свойственные медным кабелям ограничения на расстояние. Кроме того, потребуется менее сложная инфраструктура и меньше оборудования, такого, как коммутаторы и монтажные шкафы, что сократит общую стоимость локальной сети.
• Волоконно-оптический кабель физически намного тоньше и долговечнее, чем медный кабель, занимает меньше места в кабельных каналах и позволяет в одном и том же канале проложить большее число кабелей. Новые разработки позволяют обеспечить эффективное функционирование проводки, даже когда кабель связан в узел.
• Волоконно-оптический кабель полностью изолирует световые импульсы с помощью внешней оболочки, защищая данные от постороннего вмешательства или перехвата сигнала.
• Волоконно-оптический кабель не восприимчив к электромагнитным помехам (Electromagnetic Inter-ference, EMI); его можно погружать в воду, и он менее подвержен перепадам температур, чем медный. Эти качества позволяют сократить время простоя сети из-за сбоев.
• Оптическое волокно обеспечивает более высокую пропускную способность (примерно 50 Гбит/с по многомодовому кабелю и еще выше — по одномодовому) и более перспективную с точки зрения модернизации сетевую кабельную архитектуру, чем медные кабели. Хотя сейчас пользователям настольных систем не требуется скорость больше, чем обеспечивает Fast Ethernet, разница в затратах на медные и волоконно-оптические кабели становится все менее и менее значительной, в силу чего последние превращаются во все более приемлемое решение для организации связи с настольными системами.

Затраты. Волоконно-оптическая инфраструктура пока обходится намного дороже, чем медная. Стоимость волоконно-оптических портов коммутаторов и адаптерных плат в среднем примерно на 50% выше, чем на соответствующие продукты для медной проводки. Однако, если учитывать экономию затрат при использовании волокна (принимая во внимание, что оно требует меньшего числа повторителей и коммутаторов), волоконно-оптическая система оказывается в среднем только на 20% дороже, чем локальная сеть с медной проводкой. А поскольку можно отказаться от затрат на установку и обслуживание дополнительных монтажных шкафов, расходы на локальную сеть с волоконно-оптическими кабелями оказываются примерно такими же или даже ниже, чем для локальной сети с медной проводкой. В прошлом высокая стоимость волоконно-оптической системы определялась в основном не ценой самого носителя, а дороговизной приемопередатчиков и соединителей. В связи с появлением новых продуктов в каждой из этих областей цены снижаются, благодаря чему популярность волоконно-оптических сетей растет.

Более того, весной прошлого года компания 3M объявила о своем участии в инициативе тайваньских производителей, которая, как предполагается, будет способствовать увеличению спроса на локальные волоконно-оптические сети за счет снижения их стоимости почти на 50%. В реализации этой инициативы принимают участие 14 ведущих сетевых производителей Тайваня, на долю которых приходится приблизительно 25% мирового выпуска сетевого аппаратного обеспечения для рабочих станций и настольных систем.

Тайваньские компании создали новые, недорогие сетевые продукты: две адаптерные карты и 24-портовый коммутатор, но пока их можно приобрести только на Тайване. Дело в том, что в 2000 г. им не удалось выйти на запланированный уровень производства из-за нехватки соответствующих компонентов. Поэтому до тех пор, пока тайваньские производители не восполнят дефицит компонентов, они не в состоянии увеличить объемы производства настолько, чтобы новые продукты можно было распространять в регионе и тем более во всем остальном мире.

Чтобы помочь в решении проблемы дефицита волоконно-оптических передатчиков, компания Radiantech объявила о намерении в первой половине 2001 г. втрое увеличить выпуск моделей на 10 Мбит/с, и в восемь раз — моделей на 100 Мбит/с. Кроме того, Radiantech планирует в ближайшие три-четыре года снизить цены на свои передатчики на 20—40%.

Установка. Волоконно-оптические кабели терминировать намного сложнее, чем медные. Техническим специалистам по-прежнему приходится шлифовать окончания кабелей, чтобы корректно сфокусировать «линзы», либо непосредственно в месте прокладки кабеля, либо в заводских условиях. Хотя с предварительно отшлифованным кабелем проще работать, он предъявляет более жесткие требования к планированию развертывания сети. Уже разработаны новые, более дешевые и простые в установке соединители, но полностью преодолеть эту фундаментальную проблему пока не удалось.

Усовершенствованием волоконно-оптических соединителей занимается целый ряд производителей, в том числе такие компании, как 3M, AMP, Corning, Fujikura, Lucent, Panduit, Siecor, Siemens и Usconec. Эти производители выпускают соединители, которые позволяют значительно упростить использование волоконно-оптических кабелей и стоят всего 3 доллара. Сейчас на рынке можно найти четыре основных типа соединителей.

• Fiber Jack компании Panduit представляет собой первый малогабаритный волоконно-оптический соединитель, который TIA приняла в качестве стандартного. Стандарт на соединители FOCIS-6 (Fiber Optic Connector Intermateability Standard), или Fiber Jack, базируется на продукте Panduit OPTI-JACK. Этот соединитель полностью соответствует предварительным стандартам TIA-568B для одномодовых и многомодовых волоконно-оптических кабелей.
• LC, выпускаемый компанией Lucent Technologies и разработанный в Bell Laboratories, представляет собой малогабаритный соединитель, использующий механизм соединения, аналогичный традиционной телефонной розетке. Он устойчив к значительным изгибам кабеля.
• MT-RJ — совместная разработка компаний AMP, Fujikura, Siecor и Usconec. Этот соединитель объединяет два волокна в одну опрессованную обойму, наполовину сокращая габариты порта.
• VF-45, или Volition, детище компаний 3M, Corning и Siemens, известен своей долговечностью и устойчивостью к значительным изгибам кабеля. Однако VF-45 работает только с кабелями Volition компании 3M, которая не лицензирует их другим производителям. Стремясь сохранить эксклюзивные права, 3M препятствует распространению своих кабелей и соединителей этого типа.

Описанное выше новое поколение соединителей почти вдвое сокращает габаритные размеры волоконно-оптических портов. Традиционно волоконно-оптические порты были гораздо больше, чем порты для меди, в результате чего на коммутаторе можно было разместить лишь небольшое количество оптических портов. Это, в свою очередь, повышало стоимость оптического волокна в расчете на порт. Однако теперь волоконно-оптические соединители вполне сравнимы по своим размерам с соединителями для меди и взаимозаменяемы благодаря коннекторам типа RJ-45, в силу чего производителям сетевого оборудования нет необходимости изменять компоновку своих систем для поддержки оптики. Это означает появление устройств с более высокой плотностью портов при более низкой стоимости в расчете на порт.

Новые топологии. В конце 2001 — начале 2002 г., скорее всего, появятся продукты на базе стандартов 10GbE и Infini Band (IB). Поскольку эти технологии с очень высокой пропускной способностью уже появились на горизонте и они не обеспечивают обратную совместимость с кабелями Категории 5, у заказчиков появится больше оснований устанавливать волоконно-оптическую проводку. Предполагается, что IB заменит существующие системы ввода/вывода (такие, как PCI и PCI-X), подобно тому, как слоты PCI вытеснили слоты ISA на системных платах. Кроме того, решения IB предназначены для применения во внешних коммутаторах для создания серверных кластеров на магистрали локальной сети, что приведет к очень широкому их применению. IB предусматривает спецификацию и на медную проводку, но не Категории 5. Таким образом, в большинстве случаев кабели будут оптическими, а не каким-либо новым типом медных.

КОГДА ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА СТАНЕТ ДОМИНИРУЮЩЕЙ?

Локальные волоконно-оптические сети в конечном итоге окажутся победителями, но прежде должны произойти определенные события. Во-первых, необходимо, чтобы технология Gigabit Ethernet стала преобладающей для настольных систем. Это, безусловно, будет означать, что кабельная проводка Категории 5 исчерпала свои резервы. К тому времени компании должны принять решение, будут ли они использовать следующие поколения медных, волоконно-оптических или беспроводных технологий для связи своих настольных систем. Волоконно-оптические сети уже одержали ряд серьезных побед. В последнее время все чаще сообщается о том, что в США в новых отелях и многоквартирных жилых домах устанавливают именно волоконно-оптическую проводку, а государственные и образовательные учреждения выбирают оптический кабель для замены унаследованной инфраструктуры Категории 3.

Во-вторых, новые технологии, такие, как 10GbE, IB и др., требуют использования волоконно-оптических кабелей. В-третьих, чтобы волоконная оптика стала таким же распространенным типом проводки для локальной сети, каким сейчас является медная неэкранированная витая пара, беспроводные технологии должны развиваться прежними, достаточно низкими темпами.

Gigabit Ethernet. Хотя медные кабели сейчас чаще всего используются для подключения настольных систем, их применение будет сокращаться, а Категория 3 вообще исчезнет из употребления. Этот тип медных кабелей был предназначен для элементарной передачи голоса и, как правило, сегодня модернизируется до медных кабелей Категории 5 или волоконной оптики. Хотя Ethernet на 10 Мбит/с — единственная технология, до сих пор способная работать в сетях с кабелями Категории 3, почти повсеместно она применяется в сетях с проводкой Категории 5. На волоконно-оптические кабели приходится примерно 12% всех случаев использования Fast Ethernet. Gigabit Ethernet практически везде работает на волоконной оптике. Token Ring, как правило, применяется в сетях с кабелями Категории 5 или оптическим волокном, а FDDI практически полностью базируется на оптике (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Основные сетевые технологии для настольных систем.

При организации соединений с настольными системами в первую очередь увеличивается доля тех сетевых технологий, которые по большей части используют волоконно-оптические кабели. До 2000 г. этот рост в основном приходился на Gigabit Ethernet. Однако с появлением в конце 1999 г. продуктов, поддерживающих Gigabit Ethernet по меди, темпы роста Gigabit Ethernet по оптике замедлились. В ближайшие два года применение FDDI практически прекратится (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Темпы роста основных сетевых технологий для настольных систем в ближайшие два года.

Хотя Gigabit Ethernet для настольных систем демонстрирует самые высокие темпы роста по сравнению со всеми остальными технологиями, не стоит рассчитывать на доминирование этой технологии локальных сетей раньше 2004 гг. Скорости шин ввода/вывода ПК станут расти по мере того, как в 2003 и 2004 г. шины PCI-X и IB будут переноситься с серверов на рабочие станции. Хотя некоторые эксперты считают, что не существует приложений, способных стимулировать использование Gigabit Ethernet для связи с настольными системами, компании всегда будут стремиться приобрести максимальную пропускную способность за те же деньги, учитывая, что адаптерные карты и порты коммутаторов автоматически настраиваются на скорость передачи 10/100/1000 Мбит/с, поддерживают обратную совместимость и стоят 200 долларов и меньше — ситуация, аналогичная той, которая определила успех Fast Ethernet в 1997 г.

Компании будут постепенно создавать локальные сети исключительно на базе волоконно-оптической проводки, хотя эта тенденция ярко проявится не раньше 2004 г. Они намерены полностью использовать ресурсы имеющихся кабелей Категории 5, реализуя в таких сетях Gigabit Ethernet по меди, прежде чем окончательно отказаться от медных кабелей и проложить оптическое волокно. Поскольку многие компании только сейчас переходят на Fast Ethernet в настольных системах, то пройдет по крайней мере пять лет, прежде чем Gigabit Ethernet станет основной настольной технологией.

Новые технологии. 10GbE не имеет спецификации для меди, и даже медные кабели Категории 7 не могут поддерживать скорость передачи данных в 10 Гбит/с. Поскольку в локальных сетях доминируют технологии Ethernet, и в традициях Ethernet сохранять обратную совместимость во всех своих поколениях, предполагается, что именно она станет основным стимулом использования волоконной оптики в локальных сетях. Однако сейчас поддерживать скорость в 10 Гбит/с при доступе к настольным системам нет необходимости. Даже рабочие станции самого старшего класса не в состоянии загрузить канал на 10 Гбит/с, впрочем, как и ни одно приложение или совокупность приложений не требует поддерживать передачу данных на рабочую станцию на скорости 10 Гбит/с. Это значит, что 10GbE надолго останется базовой технологией магистрали локальной сети, причем намного дольше, чем все его Ethernet-предшественники.

Технология IB имеет спецификации для медного и волоконно-оптического кабеля, и в зависимости от того, каким образом компании будут ее использовать, она тоже может остаться прерогативой магистрали локальной сети, обеспечивая связь между кластерами серверов. При соединениях на такие короткие расстояния медный кабель может оказаться более экономичной альтернативой. Однако некоторые специалисты считают, что IB, возможно, подойдет и для более широкого применения.

Беспроводные соединения. В течение следующих пяти лет, по мере развития беспроводных технологий, кабельные соединения с настольной системой могут оказаться вообще не нужны. Возможность отказаться от затрат на операции «Перемещения, добавления и изменения» (Move, Add и Change, MAC) для настольных систем — мощный стимул использования беспроводных соединений. Операции MAC были движущей силой создания еще одного огромного и ресурсоемкого рынка корпоративного оборудования — рынка модульных офисных конфигураций. Возможно, в ближайшие десять лет на магистрали и в других местах, где требуются физические соединения, будет использоваться волоконно-оптическая проводка, а для соединений с настольными системами — беспроводная связь.

Рисунок 3. Доля оптических и медных портов в локальных сетях.

Однако беспроводным технологиям предстоит еще долгий путь совершенствования. Существующие стандарты теоретически поддерживают максимальную скорость 11 Мбит/с, хотя в действительности она, скорее всего, не превышает 6 Мбит/с. Предполагается, что следующее поколение беспроводных технологий, которое должно появиться в 2002 г., будет поддерживать пиковую скорость в 54 Мбит/с, т. е. на практике — около 30 Мбит/с.

Когда бы это ни произошло, рассматриваемый процесс будет медленным и постепенным. Компании не сразу начнут отказываться от своей инфраструктуры медных кабелей в пользу волоконно-оптических соединений или чего-то еще. Однако когда организации исчерпают все ресурсы имеющихся кабелей Категории 5 (т. е. подведут Gigabit Ethernet к каждой настольной системе), они начнут переходить на оптическое волокно. Эта постепенная замена приведет к тому, что оптическими к 2004 г. станут 16% всех портов в локальных сетях (включая порты коммутаторов, концентраторов и сетевых адаптеров), что существенно больше 3% в 1999 г. (см. Рисунок 3).

ЧТО МОЖЕТ ВОСПРЕПЯТСТВОВАТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЮ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ?

Если считать, что существующая тенденция роста требований к пропускной способности сохранится, то компании в конечном итоге доведут до настольных систем Gigabit Ethernet, а затем перерастут и эту технологию. К этому моменту в кабельных системах должно появиться что-то новое. Если ориентироваться на разрабатываемые сейчас стандарты, достойного конкурента волоконно-оптическому кабелю пока не существует. Означает ли это, что волоконная оптика станет безусловным победителем? Может быть. Однако мощная, укрепившаяся отрасль медных кабелей не может смиренно сдаться. Обе попытки (в 1995 и 1997 гг.) навязать оптическое волокно локальным сетям ни к чему не привели. Поскольку до 2004 г. от компаний не требуется в массовом порядке заменять свою проводку Категории 5, это даст возможность отрасли медного кабеля создать жизнеспособную альтернативу.

И хотя сейчас волоконно-оптическим сетям представился самый благоприятный шанс стать победителями в мире локальных сетей, нельзя забывать о том, что специалисты этой отрасли уже дважды трубили в фанфары впустую.

Ресурсы Internet