Оптические СКС в ЦОД

Экономическая рецессия на глобальном уровне оказалась сильнее, чем предполагалось изначально. Однако на некоторых вертикальных рынках наблюдается иная картина: инвестиции в инфраструктурные проекты, в частности в развитие оптических сетей, не сократились, поскольку их реализация дает возможность снизить затраты на функционирование сетей, увеличить эффективность их работы и тем самым подготовить к росту спроса в результате будущего экономического подъема.

Ни для кого не секрет, что вычислительные центры крупных предприятий, где раньше использовались большие ЭВМ, теперь преобразуются в центры обработки данных. На этом архитектурном объекте устанавливается новейшее компьютерное оборудование, от которого зависит жизнедеятельность всей компании. Серверы, дисковые накопители и коммутационная техника нуждаются в электропитании, эффективном охлаждении и соответствующей инфраструктуре. Все эти факторы ведут к увеличению роли волоконно-оптической техники в ЦОД. Ранее ее применение было ограничено только магистральными уровнями СКС, где это оборудование использовалось для объединения в единое целое отдельных фрагментов сети или передачи информации на большие расстояния. Теперь же волоконная оптика становится приоритетной средой передачи для информационной артерии всего предприятия — центра обработки данных.

В большинстве компаний ЦОД не является статической структурой, а непрерывно меняется в техническом и организационном плане независимо от того, находится ли он непосредственно на территории предприятия, арендуется им или отдан на аутсорсинг. Когда-то все компьютеры помещались в техническом помещении ИТ-отдела. В настоящее время ЦОД приобрел ключевое значение. Новейшие технологии, такие как многоядерные процессоры и виртуализация, в сочетании с использованием техники оптической связи привели к появлению нового поколения ЦОД, которые обладают выдающейся энергоэффективностью (см. Рисунок 1), более полно используют имеющиеся ресурсы, обходятся намного дешевле в эксплуатации и предлагают пользователям сервис высокого уровня. Важнейшими факторами становятся непрерывность предоставляемого информационного сервиса и безотказная работа.

В качестве протокола передачи в современных ЦОД используется преимущественно 10GBaseSR, который обеспечивает скорость передачи 10 Гбит/с. Дальность связи зависит от категории применяемого оптического кабеля. При использовании кабеля на основе многомодового волокна Категории ОМ1 предельная дальность передачи ограничена 28 м. В случае волокна Категории ОМ3, изначально оптимизированного для работы с лазерными источниками, дальность возрастает до 300 м. При этом данный тип световодов поддерживает функционирование 40- и 100-гигабитных сетевых интерфейсов — их разработкой занимается IEEE.

Требования к быстродействию процессоров и емкости хранения растут непрерывно. Это ведет к тому, что пропускная способность канала связи между конечными устройствами в ЦОД приобретает критическое значение. Для увеличения пропускной способности часто объединяют несколько 10-гигабитных каналов. Такое решение не имеет больших перспектив ввиду ограниченных возможностей по увеличению быстродействия, да к тому же получается достаточно дорогим. Для поддержки функционирования каждого из субканалов необходим свой трансивер и, соответственно, ресурсы пассивной инфраструктуры ЦОД. Кроме того, агрегированные порты функционируют несинхронно, что порождает дальнейшие проблемы и ограничения, так что реальная суммарная скорость оказывается ниже номинальной.

Выходом из сложившейся ситуации является расширение стандарта IEEE 802.3 для поддержки скоростей 40 и 100 Гбит/с. Такой подход позволяет добиться как существенно более высокой пропускной способности канала связи, так и обеспечения взаимной совместимости гораздо более широкого круга активного сетевого оборудования. Над данной проблематикой комитеты по стандартизации работают последние два года. Утверждение стандартов на Ethernet для 40 и 100 Гбит/с ожидается в самом ближайшем будущем. Отдельные разновидности сетевого оборудования, рассчитанные на поддержку именно такой скорости, уже доступны на рынке, и пользователи имеют возможность на практике ознакомиться с его функциональными возможностями и выработать стратегию его применения.

Поскольку спецификация Ethernet для 40 Гбит/с ориентирована на использование в области высокопроизводительных вычислений (High Performance Computing, HPC) и систем хранения, соответствующее оборудование как нельзя лучше подходит для применения в ЦОД. Оно может использоваться совместно с серверами, в том числе модульными, высокопроизводительными кластерами, а также в сетях хранения. Спецификация Ethernet для 100 Гбит/с ориентирована на ядро сети и соответствующие приложения — коммутацию, маршрутизацию, организацию соединения между ЦОД и узлами обмена трафиком сервис-провайдеров. От внедрения этой технологии выиграют приложения, которым требуется высокая пропускная способность, например видео по запросу. В большинстве случаев протяженность трактов передачи в пределах ЦОД не превышает 100 м, поэтому компоненты с поддержкой скоростей 40 и 100 Гбит/с будут заметно более дешевыми по сравнению с оборудованием, для работы которого требуется использование одномодовых кабелей с волокнами категорий OS1 и OS2.

В отличие от применявшейся ранее схемы наращивания скорости передачи информации за счет применения новых разновидностей оптических трансиверов, перехода на технологию спектрального уплотнения и использования волокон с большей широкополосностью, в 40- и 100-гигабитных интерфейсах задействуются уже имеющиеся оптические технологии, для чего на одном физическом интерфейсе реализуется несколько пар трансиверов для параллельной передачи. Новый тип интерфейса создан на основе разъемного соединителя МРО (Multi-Fiber-Push-On), который отличается рядным расположением волокон в центрирующем наконечнике (до 12 световодов в ряду, в наконечнике один или два ряда — в общей сложности не более 24 волокон).

Скорость 40 Гбит/с достигается за счет использования четырех пар волокон с единственным трансивером, оснащенным интерфейсом MPO. В случае 100-гигабитного Ethernet ситуация заметно усложняется, так как необходимо использовать уже десять пар волокон, при этом возможен целый ряд вариантов упорядочивания волокон на интерфейсе MPO — вплоть до использования двухрядных 24-волоконных разъемных соединителей МРО.

Наиболее серьезную проблему для изготовителей кабельной продукции представляет необходимость соблюдения норм в отношении времени прохождения сигнала по отдельным световодам (Delay Skew). Если исполнение четырехволоконное, каждый трансивер должен на передающем конце разделить информационный поток на четыре части, а на принимающем — восстановить его вновь. Сигналы синхронизированы. Любое расхождение по времени между поступлением отдельных сигналов оборачивается уменьшением пропускной способности канала связи из-за сложностей восстановления исходной последовательности. В результате параметр Delay Skew, который в случае использования последовательных интерфейсов имел второстепенное значение, при переходе на технику параллельной передачи начинает играть очень важную роль.

Для выполнения норм необходима специальная технология производства кабелей и очень жесткие допуски по ряду параметров. Производитель кабеля самостоятельно решает, каким образом он добивается того, чтобы выпускаемая продукция соответствовала нормам. Первыми кандидатами на данную роль считаются ленточные оптические кабели, впрочем достижение заявленных характеристик вполне возможно также с помощью кабелей традиционной конструкции. В случае выполнения требований по параметру Delay Skew обеспечение норм по иным параметрам не представляет серьезных сложностей.

Кабели традиционной конструкции отличаются высокой гибкостью и механической прочностью в сочетании с большой емкостью: до 144 волокон при диаметре всего 15 мм. Во многих крупных ЦОД, где уже используются десятки тысяч линий оптической связи, существует объективная необходимость в техническом решении с высокой плотностью конструкции, которое к тому же обладает хорошей управляемостью и способно удовлетворить растущие требования к пропускной способности.

Еще один важный фактор — создание условий для правильной раскладки отдельных световодов в разъемном соединителе (полярность). Данная задача возникает независимо от применяемой технологии установки: в полевых условиях или с использованием претерминированных компонентов (технология Plug-and-Play). Передающий порт на одном конце тракта должен быть соединен с принимающим портом на противоположном конце. В случае применения одномодовых симплексных разъемов первых поколений ST и FC ошибки при монтаже случались часто. Правда, для восстановления связи было достаточно просто поменять местами вилки соединителей на одном из концов.

При переходе на многоволоконные соединители MT-RJ и MPO восстановление полярности путем простого переключения вилок становится невозможным. Раскладка двенадцати световодов в наконечнике осуществляется на заводе производителя, отдельно описывается в заказе и в обязательном порядке согласовывается с инфраструктурным проектом. Возможные варианты раскладки описаны в профильных стандартах, а конкретное исполнение указывается в сопроводительной документации к сборке. Следует иметь в виду, что наличие двух вариантов раскладки может очень легко привести к потере связи при переключении, если не придавать значения скрупулезному выполнению всех положений инструкции по эксплуатации. Как результат, достоинства волоконно-оптической технологии Plug-and-Play в отношении предельной простоты прокладки проявляются в полной мере только при тщательном соблюдении всех указаний производителя (см. Рисунок 2).

С учетом данных обстоятельств, при построении волоконно-оптической кабельной инфраструктуры ЦОД первостепенное значение приобретают профессиональная квалификация исполнителей, знание конкретных особенностей области установки и общих технических требований к самому ЦОД в отношении пропускной способности. Только тщательно выполненная инсталляция позволит обеспечить экономию затрат и достижение нужной пропускной способности каналов связи в сочетании с высокой эксплуатационной надежностью предоставляемого телекоммуникационного сервиса и его непрерывной доступностью.

Джонатан Льюис — специалист по технической поддержке компании Siemon EMEA; Петер Бройтер — региональный директор компании Siemon Central EMEA.