В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Давид Маззарес
Технический руководитель отдела проектирования волоконно-оптических систем, компания OFS
Перевод с английского; печатается с сокращениями. Редактор перевода - A.M. Микилев.
Сегодня все более широкое развитие получают центры обработки данных (ЦОД), являющиеся одним из факторов повышенного спроса на ширину полосы пропускания в коммерческих и образовательных организациях, лечебных и правительственных учреждениях. По-видимому, тенденция роста ЦОД будет продолжаться: отчасти благодаря законодательству по организации хранилищ данных большого объема и рекомендациям для медицинского и финансового секторов, а также ввиду необходимости резервирования данных для их защиты от потерь в чрезвычайных ситуациях. Ожидается, что скорость передачи данных в ЦОД и в сетях хранения данных будет и далее повышаться вплоть до 40 и 100 Гбит/с. В данной статье рассматриваются различные виды оптических волокон, которые могут использоваться в ЦОД, и делается вывод, что именно многомодовое волокно (ММОВ) последних поколений является для этой цели наиболее экономичным решением.
В ЦОД, где обрабатывается и хранится большая часть информации локальной вычислительной сети (LAN), системы передачи сегодня переводятся преимущественно на оптическое волокно, чтобы они могли справляться с объемами обрабатываемой информации. В качестве протокола передачи данных на коммутаторах и серверах обычно используется Ethernet. В настоящее время наивысшая стандартизированная скорость передачи данных по протоколу Ethernet составляет 10 Гбит/с, или 10G (стандарт IEEE 802.3ae для волокна, опубликованный в 2002 г., и стандарт IEEE 802.3an для медных проводников, опубликованный в 2006 г.). Однако IEEE уже работает над стандартами для следующих скоростей протокола Ethernet - 40G и 100G.
Для передачи данных между сегментами сети в ЦОД в той части, которая относится к сети SAN (storage area net-work), в основном используется протокол Fibre Channel. В ориентированном преимущественно на оптическое волокно протоколе Fibre Channel используются скорости (Base2), удваивающиеся с каждым новым поколением (2GFC, 4GFC, 8GFC и т.д.). В настоящее время усилия направлены на достижение следующей скорости основания 2 в 16GFC. В Fibre Channel также используется протокол Base 10 для связи между коммутаторами и для основных соединений. Стандарт 10GFC был опубликован сразу же после 10G и включает в себя фактически то же решение VCSEL со скоростью 10 Гбит/с, дальностью до 300 м и с 50-мкм многомодовым волокном, оптимизированным под лазер (стандарт OM3). Fibre Channel уже сейчас работает над стандартом для скорости 20GFC, а в перспективе планируется разработка стандарта 40GFC.
Возможны различные виды сред передачи, которые могут использоваться в ЦОД - медные кабели различных категорий или оптические волокна различных типов.
Медные кабели долгое время считались наиболее экономичным решением. Но они имеют ограниченные характеристики пропускной способности и дальности передачи данных. Если рассматривать, к примеру, будущие скорости передачи данных - 40G и 100G, то ожидается, что медные кабели смогут работать с такими скоростями только на очень коротких расстояниях (порядка приблизительно 10 м). Так складывалось всегда: по мере повышения скоростей передачи данных системы на основе медных проводников становились все более сложными и дорогостоящими.
Что касается оптических волокон, то у пользователей есть выбор между одномодовыми и многомодовыми волокнами. У одномодовых волокон очень широкая полоса пропускания, но необходимое для этого оптоэлектронное оборудование значительно дороже оборудования для многомодовых волокон (на 25-30%). Даже для расстояния всего в несколько сотен метров при использовании одномодовых волокон все равно придется покупать более дорогое приемопередающее оборудование.
Имеются два основных вида многомодовых волокон - 62,5/125 мкм и 50/125 мкм, отличающиеся по диаметру сердцевины, и различные категории ММ ОВ, перечисленные в порядке возрастания дальности передачи: OM1 62,5/125 мкм, а также OM2, OM3 и, в скором времени, OM4 с диаметром сердцевины 50 мкм. Если планируется скорость передачи 40G и 100G, то для передачи данных более чем на 10 м будет возможно использование только оптического волокна. При этом для расстояний в 100-200 м или более можно использовать волокно стандарта OM3 или многомодовое волокно стандарта OM4 (этот стандарт будет разработан в ближайшее время).
Почему оптические приемопередатчики для одномодовых волокон являются более дорогостоящими, чем для многомодовых? Здесь играют роль два фактора - рабочая длина волны и, что еще более важно, размер сердцевины волокна, по которой распространяется свет. Известно, что лазерные источники для длинных волн (1310 и 1550 нм) являются более дорогостоящими, чем лазеры с длиной волны 850 нм. Но еще более важно то, что в используемых с одномодовыми волокнами приемопередатчиках должны быть соблюдены значительно более жесткие допуски на совмещение лазера с сердцевиной малого диаметра (9 мкм). При этом требуется не только очень точное расположение компонентов приемопередатчика, но и коннекторы с более жесткими допусками, а соответственно более точные методы монтажа и концевой заделки кабелей. Все это приводит к значительному удорожанию систем обработки данных по сравнению с использованием многомодовых волокон.
Таким образом, для систем с небольшими расстояниями передачи данных, таких как центры обработки данных, многомодовое волокно вполне может обеспечить необходимую ширину полосы пропускания (с поддержкой скорости до 10 Гбит/с при последовательном формате и 40-100 Гбит/с при параллельном формате на достаточно долгую перспективу и при меньших затратах, чем при использовании одномодового волокна).
Сегодня приблизительно 70% многомодовых волокон, устанавливаемых в ЦОД, - это волокна OM3 или OM4. Эти волокна, предназначенные для передачи сигнала на длине волны 850 нм с использованием VCSEL-передатчиков, проходят процедуру так называемого DMD-контроля (differential mode delay, дифференциальная задержка мод), что гарантирует поддержку скорости 10 Гбит/с с использованием экономичных решений передачи в последовательном формате дальности на базе 850-мкм источников. Хотя эти волокна предназначены для приложений с высокими эксплуатационными характеристиками, они могут поддерживать и скорость 1 Гбит/с, и работу со светодиодными источниками для поддержки устаревших протоколов, таких как Token Ring, FDDI, Ethernet и Fast Ethernet, а также более низкие скорости Fibre Channel практически для всех сетей, проложенных внутри зданий. Иначе говоря, ММОВ стандарта ОМ3 в большинстве случаев успешно заменяет ММОВ более ранних поколений. Для еще больших расстояний (магистральные линии в крупных зданиях, магистральные линии кампусов среднего размера и т.д.) уже применяют волокно стандарта OM4 со значительно более жесткими характеристиками по полосе пропускания, чем для OM3.
Для волокна OM4, которое может поддерживать 10-Гбит/с приложения Ethernet, Fibre Channel и OIF на расстояние до 550 м с использованием не-дорогих 850-нм источников VCSEL, будет разработан отраслевой стандарт в результате работ, проводимых несколькими международными организациями, включая TIA TR42.12 (Ассоциация телекоммуникационной промышленности) и МЭК SC86A WG1.
Ключевым фактором обеспечения высоких характеристик волокон ОМ4 является технологический процесс, в рамках которого изготавливается во-локно почти без дифференциальной задержки мод с эффективной полосой пропускания в 4700 МГц/км, что более чем вдвое превышает требование IEEE для поддержки скорости в 10 Гбит/с на расстояние 300 м.
Для лучшего управления растущим числом портов в центрах обработки данных используют предоконцованные многоволоконные магистральные кабели и многоточечные оптические коннекторы (MPO-коннекторы). В одной из часто применяемых архитектур 12-волоконные кабели с MPO-коннекторами прокладываются между кассетами, которые затем разветвляются на отдельные порты оптических волокон. Данная архитектура упрощает монтаж, но при этом может получиться больше соединений, чем бывает обычно для оптической линии связи между передатчиком и приемником.
Одной из серьезных задач при проектировании ЦОД является минимизация затрат, связанных с энергопотреблением и охлаждением. Повышенное энергопотребление означает более высокие затраты на энергию и повышенное теплорассеяние. Это требует дополнительного охлаждения, что может существенно повысить затраты. Сравнительно низкое энергопотребление волоконно-оптических сетей дает им большое преимущество перед сетями с медными линиями.
Приведем пример. Приемопередатчик 10G Base-T в медной системе потребляет приблизительно 6 Вт электроэнергии. Сравнимый с ним оптический приемопередатчик 10G Base-SR потребляет менее 1 Вт для передачи того же сигнала. В результате каждое оптическое соеди-нение экономит около 5 Вт электроэнергии. Центры обработки данных бывают разными по размеру, но если принять 10 000 соединений по 5 Вт каждое, то это на 50 кВт меньше электроэнергии - значительная экономия за счет использования менее энергоемкой оптической технологии. Кроме того, расходуемая передатчиками энергия рассеивается в виде тепла, которое затем необходимо отводить из комнаты, для того чтобы не перегревать электронику. Согласно недавнему исследованию Управления по охране окружающей среды, на каждый ватт электроэнергии для работы ЦОД потребуется еще один ватт на охлаждение и доставку электроэнергии. Это означает, что в ЦОД, имеющем 10 000 портов, дополнительно необходимо 50 кВт электроэнергии.
И наконец, необходимо принимать во внимание размеры кабелей и их влияние на потоки воздуха. К примеру, дуплексный 2-мм оптоволоконный шнур занимает приблизительно 8 мм2 площади поперечного сечения. Диаметр одного кабеля категории 6A составляет приблизительно 9 мм, и такой кабель занимает 64 мм2. Если в стойке установлены 40 серверов и каждый из них имеет одно или более сетевых соединений, нетрудно понять, насколько медные кабели загромождают пространство. Оптические кабели требуют меньшего рабочего пространства, при этом обеспечивается лучшее обтекание оборудования воздушными потоками и его охлаждение.
Как упоминалось ранее, Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) в настоящее время разрабатывает новые стандарты для передачи данных на более высоких скоростях - 40 и 100 Гбит/с - в центрах обработки данных и других высокопроизводительных вычислительных системах. Рабочая группа IEEE по стандарту 802.3ba работает над стандартами 40G и 100G одновременно (стандарт 40 Гбит/с предназначен для поддержки серверов, а стандарт 100 Гбит/с нужен для переключений и маршрутизации, а также для вычислительных работ с использованием высокопроизводительных компьютеров).
Чтобы улучшить баланс затрат и эксплуатационных характеристик, рабочая группа пытается задействовать прове-ренные технологии, носители и методы организации сетей. Более того, весьма вероятно, что они в некоторых случаях даже понизят требования к рабочим характеристикам компонентов для того, чтобы содействовать снижению общей стоимости. Примером могут служить источники света VCSEL для коротких линий с использованием многомодового волокна. Группа 802.3ba рассматривает возможность расширения ширины спектра данных источников с 0,45 нм (существующее требование стандарта 10GbE) до 0,65 нм. Это ограничит длину такой линии связи (из-за воздействия хроматической дисперсии) до 100 м при использовании волокна типа OM3.
Для тех центров обработки данных и других систем, которым может требоваться поддержка расстояний свыше 100 м, специальная группа IEEE ведет поиск экономичного решения для обеспечения такой возможности. Вероятно, для этого будут использоваться приемопередатчики с улучшенными характеристиками или оптическое волокно типа OM4, или комбинация этих двух вариантов.
При любом обсуждении параллельной передачи данных нельзя обойти вопрос "неравномерности задержки распространения сигнала", решением которого занимается рабочая группа IEEE. Неравномерность задержки - это разница во времени поступления сигнала по одной дорожке (или волокну) по сравнению с другой. Неравномерность задержки может зависеть от различий физических длин отдельных волокон в кабеле, а также от любых различий скоростей, с которыми световой сигнал распространяется по одному из волокон по сравнению с соседними.
Неравномерность задержки не будет служить препятствием для параллельной передачи данных по кабелям любой конструкции, поскольку она будет эффективно компенсироваться электронными схемами приемопередатчиков. На самом деле проверенные методы компенсации неравномерности задержки в медных кабелях и других системах параллельной оптики уже прочно вошли в практику.
Новый стандарт передачи данных на скоростях 40 и 100 Гбит/с будет включать в себя процедуры компенсации неравномерности задержки, обеспечивая возможность применения широко признанных конструкций кабелей, таких как кабели со свободным буферированием, с плотным буферированием и ленточные кабели, а также всего диапазона являющихся в настоящее время отраслевым стандартом многомодовых волокон типа OM3.
Проектировщики центров обработки данных, вероятно, согласятся с тем, что наиболее экономичное решение для развертывания сети 10 Гбит/с будет включать в себя значительное количество волокон типа OM3 и что при переходе систем на более высокие скорости в 40 и 100 Гбит/с оптимизированные под лазер многомодовые волокна 50/125 могут обеспечить лучшее по затратам и надежности решение в сравнении с медным кабелем или одномодовым волокном.
Приняв решение о типе волокна для своего центра обработки данных, пользователь должен быть уверен в том, что выбранные им волоконно-оптические изделия смогут обеспечить необходимые характеристики и надежность. Это имеет особенно важное значение для систем 10G с длиной волны 850 нм, поскольку бюджеты потерь в них ниже, чем в предыдущих системах. Как уже обсуждалось выше, скорее всего, стоит стремиться к тому, чтобы ваша система обладала дополнительным запасом мощности сигнала для обеспечения возможности использования дополнительных соединений и коннекторов, а также для повышения надежности.
Имеется два способа получения дополнительного запаса мощности (которое также называют пороговым значением мощности). Во-первых, его можно получить за счет снижения вносимых потерь канала (ChIL), сквозных потерь от всех соединений и сращиваний в линии связи плюс затухание в самом кабеле. Во-вторых, за счет использования оптического волокна с более широкой полосой пропускания для снижения межсимвольной интерференции (Inter-symbol Interference - ISI).
Поскольку время простоя сети может стоить очень дорого, надежность является ключевым фактором для высокопроизводительных сетей. Чтобы иметь больше свободы в проектировании сети и, в конечном итоге, бо'льшую надежность, необходимо следовать следующим правилам:
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #4, 2009
Посещений: 18342
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
