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. Рисунок 1).
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. Рисунок 2).
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. Таблицу 1).
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.
Как показало исследование возможностей улучшения экранирования кабеля, с ростом эффективности экранирования перекрестные наводки на концах кабеля не оказывают существенного влияния и значительно ниже уровня сигнала, что на существующем кабеле Категории 7 позволяет достичь скорость 40 Гбит/с и выше. Основной проблемой здесь будет подавление паразитного отражения сигнала (эха), и, по прогнозам, вслед за решением этой задачи появятся 100-гигабитные медные сети.
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: rsergeev@lanmag.ru.
Рисунок 1. Поставки портов Ethernet.
Таблица 1. Оптический 10 Gigabit Ethernet — допустимая длина канала.
Рисунок 2. Передача сигнала 10 Gigabit Ethernet по медному кабелю.
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.