NGBaseT — Ethernet следующего поколения

Ethernet является наиболее распространенной технологией организации физического уровня сети передачи данных. Главная причина ее успеха состоит в том, что, несмотря на экспоненциальный рост объемов передаваемых данных, стоимость передачи (в пересчете на бит) сохраняется на разумном уровне. Помимо этого, популярности Ethernet способствовали низкая стоимость и простота внедрения, легкость в обслуживании и широкие возможности усовершенствования. И хотя скорость передачи данных за три десятилетия существования Ethernet возросла на несколько порядков, быстрое развитие таких сервисов и приложений, как сотовые сети 4G, потоковое видео, облачные сервисы, удаленное хранение и восстановление данных и другие, выдвигает чрезвычайно высокие требования к скорости передачи данных, особенно в пределах ЦОД.

В качестве среды передачи данных для Ethernet используются кабели на основе оптического волокна или витой пары. Поначалу при освоении новых рубежей скорости Ethernet реализовывалась по волоконной оптике, однако спустя некоторое время аналогичные скорости оказывались достижимы и с применением витопарной среды передачи. Вкупе с более низкой стоимостью развертывания это ускоряло широкое распространение очередного более скоростного варианта технологии.

В настоящее время кабельные системы на основе витой пары наиболее широко распространены в локальных сетях, особенно на уровне горизонтального распределения сервисов Ethernet. Но и в ЦОД витая пара применяется в значительных объемах, поскольку одинаково пригодна для различных типов архитектуры, используемых при построении центров обработки данных (Top of Rack, Middle of Row, End of Row).

ПОТЕНЦИАЛ РЫНКА ETHERNET

Максимальная скорость передачи данных, обеспечиваемая витопарной проводкой, составляет пока 10 Гбит/с. Соответствующий стандарт, IEEE 802.3an, где определяются параметры протокола передачи Ethernet на 10 Гбит/с (10GBaseT), был опубликован в июне 2006 года как итог трехлетней работы по разработке требований к новому протоколу с учетом сохранения совместимости с предыдущими версиями Ethernet и существующими топологиями сетей.

Сетевые топологии, которые должен был поддерживать новый протокол, разрабатывались с учетом уже существующих топологий, предназначенных для поддержки более низких скоростей передачи, и были ориентированы преимущественно на развертывание кабельных сетей в офисах, а не центрах обработки данных с их специфическими особенностями. В результате активное оборудование, предназначенное для передачи 10 Gigabit Ethernet, должно было поддерживать тракт передачи длиной до 100 м, содержащий 4 соединителя (как для экранированного, так и неэкранированного варианта). Эти требования накладывали значительные ограничения на конструкцию активного сетевого оборудования (обозначаемого обычно как PHY) и тем самым значительно задержали вывод новой технологии на рынок.

Рабочая группа, разрабатывающая стандарт IEEE 802.3bq и отвечающая за определение требований к Next Generation BaseT, выделила некоторые аспекты, связанные с кабельной проводкой, оптимизация которых позволит ускорить вывод на рынок нового протокола передачи данных. Ниже рассмотрим эти основные возможности, открывающие путь к улучшениям.

Таблица 1. Сравнение показателей энергопотребления (в пересчете на порт) активного оборудования, применяемого в типовых топологиях сетей ЦОД.

Топология сети в расчете на более короткие линии. NGBaseT (40GBaseT) разрабатывается главным образом для применения в ЦОД, где расстояния между активным оборудованием (от коммутатора до сервера либо до устройства хранения данных) значительно меньше, чем в офисных сетях. Меньшая протяженность трактов передачи означает допустимость более высоких значений для отношения сигнал-шум, что, в свою очередь, способствует сокращению энергопотребления активного оборудования (см. Таблицу 1). В настоящее время снижение этого показателя является одним из важнейших факторов, принимаемых во внимание заказчиками.

Использование исключительно экранированной проводки. Такой выбор позволит уменьшить влияние межкабельных наводок (Alien Crosstalk — наводки, возникающие между близлежащими кабелями, см. Рисунок 1). Поскольку требования к уровню межкабельных наводок были одними из важнейших для корректной работы протокола 10GBaseT, системы, где применялась неэкранированная элементная база, оказывались значительно более восприимчивыми к этому параметру. Сегодня большинство производителей кабельных систем согласны с тем, что обеспечить соблюдение требуемых характеристик и, соответственно, надежную работу NGBaseT (40GbE) можно только при использовании экранированной элементной базы. В результате те вендоры, которые ранее лоббировали неэкранированные кабельные системы для поддержки 10GBaseT, согласились с необходимостью применения исключительно экранированного варианта в новом стандарте.

Рисунок 1. Визуализация воздействия межкабельных наводок в смежных кабелях.

Выработка единых требований к витопарной элементной базе со стороны TIA и ISO/IEC. Обе организации (американская и международная) разрабатывают стандарты на кабельные системы в соответствии с требованиями рабочей группы IEEE к передаточным характеристикам для протокола 40GBaseT. Выработка одинаковых требований к передаточным характеристикам позволит избежать путаницы (как это было в случае 10GBaseT), происходящей из-за того, что требования к отдельным параметрам со стороны TIA отличаются от требований ISO/IEC (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Пример различия требований по параметру NEXT для Категории 6А на компонентном уровне между стандартами ISO/IEC 11801 2nd Ed. Amd.2 и TIA-568-C.2.

Рабочие группы рассматривают два возможных сценария: первый обозначается как Class I или Категория 8 (в зависимости от комитета по стандартизации) и базируется на элементной базе Категории 6А; второй — как Class II и предусматривает использование элементной базы Категории 7А. Оба сценария предполагают увеличение частотного предела до 2 ГГц.

Учет внутренней компоновки активного оборудования при моделирования канала (Channel). Учет влияния этих элементов (магнетики, разводка плат и т. п.) на модель кабельной системы на этапе определения требований (см. Рисунок 3) должен способствовать уменьшению искажений сигнала при передаче и, как следствие, сокращению потребления энергии для его обработки.

Рисунок 3. Модель тракта передачи с двумя соединителями для 40GBaseT, включая MDI и внутреннюю разводку.

Соединители для 40GBaseT

Как и другие участники рынка, специалисты TE Connectivity принимают активное участие в деятельности профильных рабочих групп в составе комитетов по стандартизации. Тем временем инженеры компании работают над улучшением конструкции соединителя, в основу которого положен хорошо известный интерфейс RJ45. Результатом этих усилий стало достижение требований, заданных

TIA Cat.8 (драфт 0.9 от 9 августа 2013) и ISO/IEC Class I (драфт N2121 от 17 апреля 2013) (см. Рисунок А), при этом обеспечивается обратная совместимость с существующими сервисами Ethernet.

Рисунок А. Передаточные характеристики прототипа соединителя RJ45 разработки TE Connectivity в сравнении с пределом по стандарту ISO/IEC Class I (драфт N2121 от 17 апреля 2013).

 

Предвидя потребность в соединителях для высокоскоростной передачи данных, еще в 2007 году TE Connectivity разработала и выпустила модульное гнездо AMP-TWIST 7AS SL Jack. Оно имеет частотный предел в 1000 МГц и обладает всеми особенностями, присущими продуктам серии AMP-TWIST. Это гнездо полностью соответствует жестким требованиям ISO/IEC Class II (драфт N2121 от 17 апреля 2013) в отношении 40GBaseT (см. Рисунок B).

Рисунок B. Передаточные характеристики AMP-TWIST 7AS SL Jack в сравнении с пределом, зафиксированным в стандарте ISO/IEC Class II (драфт N2121 от 17 апреля 2013).

 

ТЕКУЩИЕ ИТОГИ

Серверы и сетевое оборудование с поддержкой технологии 40 Gigabit Ethernet уже присутствуют на рынке, поэтому чрезвычайно важным становится проектирование сетей передачи, которые в ближайшем будущем позволят перейти на такие скорости (см. Рисунок 4). Единственным вариантом организации тракта передачи 40 Gigabit Ethernet длиной более 7 м сейчас является применение оптической среды передачи.

Рисунок 4. Оценка рыночной потребности в 40G.

Комитеты по стандартизации (IEEE, TIA, ISO/IEC) разрабатывают требования к электрическим и физическим характеристикам трактов, которые позволят использовать витую пару в качестве среды передачи для 40 Gigabit Ethernet. Однако параметры, которыми производители активного оборудования могут оперировать для разработки устройств, поддерживающих протокол 40GBaseT, пока не специфицированы. Поэтому ни один проектировщик кабельной инфраструктуры центра обработки данных не может быть уверен в том, что медной проводкой будет поддерживаться скорость 40 Гбит/с, если только речь не идет о прямом соединении «точка – точка» (40GBaseCR4, до 7 м).

Кроме того, не до конца определены требования в отношении следующих аспектов:

1. методик испытаний элементной базы на высоких частотах, которые требуются для поддержки протокола 40GBaseT;
2. совместимости между соединительным и коммутационным оборудованием различных производителей;
3. методик полевых испытаний смонтированной кабельной системы.

В то же время в результате деятельности комитетов по стандартизации достигнуто согласие в отношении нескольких ключевых вопросов, что задает дальнейшее направление работы:

1. Основным интерфейсом для активного оборудования (Media Device Interface, MDI) выбран RJ45 в силу его широкой распространенности и привычного форм-фактора. Интерфейсы иных типов тоже могут быть стандартизованы, если их рабочие характеристики станут превосходить возможности RJ45 (см. также врезку «Соединители для 40GBaseT»).
2. К рабочим характеристикам кабельной проводки должны предъявляться более жесткие требования, чем в случае систем, поддерживающих предыдущее поколение Ethernet. Это позволит упростить конструкцию приемопередающего оборудования и сократить его энергопотребление.
3. Для достижения хорошего уровня устойчивости к электромагнитным помехам необходимо использовать экранированную элементную базу.
4. Вероятное расширение модели тракта передачи сигнала на весь интервал от приемопередатчика до приемопередатчика с целью сокращения искажений сигнала при передаче и уменьшения дополнительной обработки (post-processing) данных.

По мере приближения даты публикации стандарта (возможно, это произойдет в 2015 году) будут точнее определены электрические и физические параметры, и, как следствие, поставщики кабельной продукции смогут разработать на их основе эффективные решения для создания телекоммуникационной инфраструктуры, полностью соответствующие новым требованиям. Пока слишком рано делать какие-либо выводы относительно параметров протокола 40GBaseT, поэтому необходимо тщательно анализировать подобные заявления.

Альберт Фонт — менеджер по продукции для корпоративных сетей по региону EMEA в компании TE Connectivity. С ним можно связаться по адресу: afont@te.com.