Infrastruktura sieci w centrach danych doświadcza transformacji, której siłą napędową jest rosnące zapotrzebowanie na przepustowość i wysokie osiągi sieci. 10Gigabit Ethernet jest faktycznym standardem w dzisiejszych centrach danych, a coraz częściej wprowadza się 40G. Dla kabli światłowodowych jednomodowych oraz wielomodowych opartych na MPO istnieją już normy 40G Ethernet, a dla systemów kablowych ze skrętki miedzianej organy normatywne opracowały 40GBASE-T Ethernet. Tak wysoka prędkość przesyłu danych wymusza surowe wymagania w zakresie osiągów kabli i systemów okablowania. W niniejszym artykule przyjrzano się wyzwaniom w zakresie zapewniania odpowiednich osiągów instalowanego okablowania, z szczególnym uwzględnieniem badań certyfikacyjnych w terenie.
Rodzaje warstw fizycznych Ethernetu 40G
Światłowód jednomodowy
Do przesyłu danych z prędkością 40Gb/s na odległość do 10 km przewidziano światłowód jednomodowy (40GBASE-LR4) ze względu na jego daleki zasięg i bardzo dobre osiągi przesyłowe. Elektronika i optyka w warstwie fizycznej składa się z czterech kanałów,z których każdy przenosi dane z prędkością 10Gb/s za pomocą fal o różnej długości. Światłowód jednomodowy jest opcją preferowaną w sytuacjach, w których budżet nie stanowi ograniczenia lub, w których ustanawiane są połączenia na duże odległości.
Światłowód wielomodowy
Najbardziej popularnym nośnikiem 40G Ethernetu jest dziś światłowód wielomodowy z równoległym interfejsem optycznym MPO (40GBASE-SR4). Sprzęt sieciowy do niego jest tańszy w porównaniu do światłowodu jednomodowego, wspiera on także wszystkie typowe długości łącz (do 100 m w przypadku kabli OM3 i 125 m w przypadku OM4) centrum danych.
Kabel miedziany typu Twinax
Dla łączy o bliskim zasięgu, długości do 7 m (40GBASE-CR4) w normie przewidziano stosowanie układów kabli miedzianych typu Twinax. Typowym jego zastosowaniem jest wzajemne łączenie urządzeń wchodzących w skład sieci, które fizycznie znajdują się blisko siebie.
Skrętka miedziana
Ostatnie osiągnięcia wskazują na to, że systemy kablowe o konstrukcji miedzianej będą dalej stosowane i stanowić będą ważną alternatywę dla łącz optycznych. Kable ze skrętki miedzianej najprawdopodobniej zachowają swoją przewagę cenową nad światłowodami przez kilka następnych lat. Kable miedziane uważane są za łatwiejsze w instalacji i utrzymaniu. Co ważne, normy sieciowe BASE-T dla kabli skrętkowych są wstecznie kompatybilne z technologią autonegocjacji. Umożliwia to organizacjom stopniowe podnoszenie prędkości i daje lepszą kontrolę nad wydatkami inwestycyjnymi.
W 2012 r. IEEE rozpoczęła oficjalny projekt mający na celu stworzenie normy 40GBASE-T dla kabli skrętkowych. Organy normatywne zajmujące się okablowaniem również aktualizują swoje specyfikacje. TIA opracowała specyfikacje dla systemów kablowych „Kategorii 8” odpowiednich dla 40GBASE-T.
ISO/IEC ma podobny projekt, którego celem jest określenie dwóch wariantów systemów kablowych, które będą wspierać 40GBASE-T. Te nowe systemy kablowe będą nosić nazwę systemów Klasy I (i używać komponentów podobnych do tych stosowanych w kat. 6A, lecz o większej przepustowości) i Klasy II (i używać komponentów podobnych do tych stosowanych w kat. 7A, lecz o większej przepustowości). Ponadto ISO/IEC wyda zalecenia dotyczące korzystania z istniejących systemów kablowych, jak systemy Klasy FA, do zastosowań 40GBASE-T.
Klasa I | Klasa II | kat. 8 |
Nowe i ulepszone komponenty kat. 6A | Nowe i ulepszone komponenty kat. 7 | Nowe i ulepszone komponenty kat. 6A |
Jednym z kluczowych zadań przy tworzeniu norm dla Ethernetu jest określenie odpowiedniej szerokości pasma częstotliwości radiowych służących do komunikacji. Przykładowo 10GBASE-T wykorzystuje pasmo 400 MHz, co z grubsza oznacza, że każdy 1 Hz pasma przenosi 25 bitów danych binarnych innymi słowy, wykorzystanie przepustowości kanału wynosi 25 bitów/Hz. Wyższe uporządkowanie i bardziej złożone schematy modulacji mogą powodować zwiększenie wykorzystania przepustowości. Istnieje górna granica przepustowości kanału znana jako pojemność Shannona.Granica ta jest spowodowana szumami elektromagnetycznymi, które występują w kanale. Szumy pochodzą ze źródeł zewnętrznych i wewnętrznych. Przykładami wewnętrznych źródeł szumów są przesłuchy i straty odbiciowe. Urządzenia warstwy fizycznej Ethernetu korzystają z wyrafinowanych technik przetwarzania sygnałów w celu przewidzenia i zniesienia wpływu wewnętrznych źródeł szumów, zwiększając w ten sposób przepustowość kanału. Jednak ceną za to jest większe zużycie energii elektrycznej i powstające wskutek tegociepło.
Wnioski z doświadczeń z 10GBASE-T
Wysokie zużycie energii było najpoważniejszym powodem, dla którego wdrożenie 10GBASE-T było opóźnione w stosunku do wszystkich prognoz wydawanych w momencie wydania standardu w 2006 r. Dziś problem ten został w większości przezwyciężony dzięki innowacyjnemu projektowaniu i postępom w technologii półprzewodników.
Mając świeżo w pamięci doświadczenia z 10GBASE-T, eksperci opracowujący normę dla 40GBASE-T niechętnie podchodzą do znacznego zwiększenia docelowego wykorzystania przepustowości.
Jednak 40G to cztery razy więcej danych niż 10G. Jednym ze sposobów na przepchnięcie większej ilości danych bez znacznego zwiększenia częstotliwości modulacji (wykorzystania przepustowości) jest poszerzenie pasma. W tym przypadku oznaczałoby to czterokrotne poszerzenie – z 400 MHz do 1 600 Mhz. Norma 40GBASE-T wydaje się zmierzać w tym kierunku.
Poszerzenie pasma stwarza jednak jeden problem. W kablach skrętkowych wraz z rosnącą częstotliwością sygnał ulega osłabieniu. Oznacza to, że sygnał odbierany przy 2 000 Mhz jest znacznie słabszy niż sygnał odbierany przy 100 MHz. Zjawisko to powoduje ograniczenia w długości kabla.
Przy kablach 100 m sygnał odbierany przy wysokich częstotliwościach ginąłby w szumach. Należy zatem pójść na kompromis w kwestii maksymalnej wspieranej długości łącza.
Wnioski:
- 40GBASE-T korzysta z pasma od 1 Mhz do 2 000 MHz
- Maksymalna długość kabla jest ograniczona do 30 m
- Przewidziano kanał kablowy z dwoma złączami
Dobra wiadomość jest taka, że spora część połączeń w centrach danych ma długość znacznie mniejszą niż górna granica 30 m. Według badań ponad 80% połączeń w centrach danych ma 30 m lub mniej, a więc będą one mogły skorzystać z 40GBASE-T.