Оптическая кабельная система для ЦОД: переход от 10 к 40 Гбит/с

Переход от 10 к 40 Гбит/с стал возможен после принятия в июне 2010 года стандарта IEEE 802.3ba, описывающего передачу со скоростью 40 и 100 Гбит/с. Стандарт содержит требования к кабельной системе. Основополагающие сведения даны в Таблице 1, где приведены типы направляющих систем, поддерживаемые приложения и дальность их действия.

Приложения 40GBaseSR4 и 100GBaseSR10 имеют следующие основные характеристики:

• длина волны оптического излучения — 850 нм;
• максимальная дальность — 100 м (на волокне ОМ3) и 150 м (на волокне ОМ4);
• скорость передачи по одному волокну — 10 Гбит/с.

Для 40GBaseSR4 используется 8 волокон, для 100GBaseSR10 — 20 волокон и многоволоконный соединитель MPO/ MTP. Передача сигналов осуществляется параллельно. Схема передающей системы для 40 Гбит/с представлена на Рисунке 1.

Рисунок 1. Параллельная передача по восьми волокнам для 40 Гбит/с.

Передающая схема выбиралась исходя из следующих соображений: применение хорошо отработанной технологии 10 Gigabit Ethernet, а также волокон OM3 и OM4 и соединителя MPO/MTP, с учетом необходимых расстояний (< 100 м) и физических ограничений лазера VCSEL. Оптический коннектор MPO/MTP (Multi Parallel Optics) позволяет соединить от 12 до 72 волокон, имеет небольшие размеры, соизмеримые с LC и SC, и обладает высокими оптическими характеристиками (вносимые потери 0,35 дБ, возвратные потери > 28 дБ).

Для справки — оптический кабель с волокнами OM3 и OM4 применяется для внутренней прокладки в ЦОД (соединительный) и при изготовлении шнуров: диаметр сердцевины волокна 50 мкм, диаметр оптической оболочки 125 мкм, рабочая длина волны 850 нм, эффективная ширина полосы 2000 и 4700 МГц×км (соответственно), потери (максимальные) 3,5 дБ/км. Одномодовые оптические кабели имеют следующие характеристики: сердцевина диаметром 9 мкм, рабочая длина волны лазера 1310 нм, дальность действия 10 и 40 км (в зависимости от режима).

Чем же обосновывается необходимость перехода с 10 на 40 Гбит/с (Рисунок 2)? Год-два назад количество серверов с портами 1 Гбит/с начало резко снижаться (по данным TE Connectivity), а серверы со скоростью 10 Гбит/с, наоборот, быстро завоевывают рынок. Уже появились серверы с интерфейсами 40 Гбит/с, и их количество быстро увеличивается. По имеющимся прогнозам, к 2018 году таких устройств будет подавляющее большинство, и начнется постепенное освоение 100-гигабитных скоростей. Таким образом, ближайшая пятилетка (с 2012 по 2018 год) наиболее актуальна для перехода на 40 Гбит/с.

Рисунок 2. Рост пропускной способности серверов в центрах обработки данных (обобщенные сведения начиная с 2000 года и прогноз до 2020-го).

Почему, на взгляд автора, преждевременно говорить о переводе оптической проводки в ЦОД на скорость 100 Гбит/с в серверном звене? В стандарте IEEE 802.3ba предлагается система с 20 многомодовыми волокнами для канала 100 Гбит/с. В то же время уже рассматривается возможность реализации системы, где такой же поток будет передаваться по восьми многомодовым волокнам (25 Гбит/с по каждому волокну в одном направлении). Пока неясно, на каком варианте остановятся разработчики оборудования, а мы не решаемся предлагать заранее, за много лет, прокладывать в 10 раз больше волокон, чем требуется для передачи потоков 10 Гбит/с в серверном звене.

КАБЕЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЦОД

Рисунок 3. Построение перспективного ЦОД.

Структура современного ЦОД представлена на Рисунке 3. Ядро ЦОД соединяется с серверной фермой через систему распределения. Эта система, в которой скорость передачи ниже, чем в ядре, применяется потому, что коммутаторы ядра имеют, как правило, недостаточное количество портов, чтобы к ним можно было напрямую подключить все серверы, а стоимость этих портов довольно высока. Сейчас в этом звене поддерживаются скорости до 10 Гбит/с, а в перспективе — 40/100 Гбит/с. В звене «распределение — серверная ферма» скорости передачи составляют 1–10 Гбит/с, а в ближайшей перспективе они поднимутся до 10/40 Гбит/с. В соответствии с этими скоростями и должна строиться кабельная распределительная система ЦОД.

Переход от 10 к 40 Гбит/с рассматривается на базе системы компании RiT Xlight. Она работает на скорости 10 Гбит/с и выглядит следующим образом (см. Рисунки 4 и 5). Панели переключений в такой сети имеют с одной стороны разъемы LC, а с другой — MPO. Между собой панели соединены кабелями с разъемами MPO (Рисунок 4), а к активному оборудованию они подключаются посредством шнуров с разъемами LC (на Рисунке 5 не показаны). На один MPO приходится 6 сдвоенных LC. На Рисунке 5 представлена панель в открытом виде на 4 разъема MPO и 24 сдвоенных разъема LC. Так образуется сеть из каналов 10 Гбит/с для соединения активного оборудования. В данном случае панель содержит 24 канала со скоростью 10 Гбит/с.

Рисунок 4. Соединение между двумя панелями по четырем линиям MPO.

Рисунок 5. Панели компании RiT (вид сверху) с четырьмя линиями MPO и выходом на 24 линии LC.

При переходе на скоростные каналы (40/100 Гбит/с) панели MPO-LC заменяются панелями с адаптерами MPOMPO, тем самым формируется сеть для 40 Гбит/с в случае, если проложенных кабелей достаточно, так как мало кто решится на замену кабелей в работающем ЦОД.

Рисунок 6. Принципы перехода с 10 на 40 Гбит/с. При переходе с 10 на 40 Гбит/с панели 1 и 2 убираются.

При планаруемом впоследствии переходе от 10 к 40 Гбит/с компания RIT рекомендует в качестве магистральных устанавливать панели Xlight с 24 адаптерами MPO-MPO, а для первоначального подключения активного оборудования (серверы, коммутаторы) по каналам 10 Гбит/с дополнительно — панели MPO-LC (см. Рисунок 5). При переходе на более скоростные приложения (40 Гбит/с) панели MPO-LC убирают, а активное оборудование подключают шнурами MPO-MPO к панели Xlight (Рисунок 6). Так создается сеть с каналами 40 Гбит/с (с предварительно проложенными кабелями).

В состав кабельной системы Xlight компании RiT входят соединительные кабели, содержащие от 12 до 96 волокон OM3 или OM4, оконцованные 12-волоконными соединителями типа MPO, соединительные шнуры MPO со сниженными возвратными и вносимыми потерями, распределительные панели с адаптерами MPO-MPO (см. характеристики в Таблице 2).

ОПТИЧЕСКАЯ КАБЕЛЬНАЯ СИСТЕМА MPOPTIMATE

Компания TE Connectivity разработала кабельную систему нового типа MPOptimate, которая обладает высокими характеристиками и оптимизирована для скоростных приложений.

При создании этой кабельной системы предусматривалась поддержка приложений 40 и 100 Gigabit Ethernet. Линейка продуктов MPOptimate основана на 12-волоконных разъемах MPO с низким затуханием и малым отражением в зоне контакта. Система предусматривает возможность перехода на 40 Гбит/с и поддерживает передачу 10 Гбит/с в тракте из 6 кассет MPO на расстояние до 300 м. Кассеты имеют следующие параметры: вносимое затухание < 0,35 дБ, возвратные потери > 28 дБ (разъем MPO) и > 35 дБ (LC, SC).

В системе применяются соединительные шнуры с высокими характеристиками. Они оснащены разъемами LC и SC с оптимальной формой торца волокна, обладают пониженными потерями и малым отражением в зоне оптического контакта. С точки зрения соответствия перспективным требованиям ЦОД характеристики разъемов важнее увеличения полосы пропускания волокна OM3 и OM4 или уменьшения его допустимого радиуса изгиба. Система MPOptimate обеспечивает простой переход на приложения со скоростями 40 и 100 Гбит/с.

В состав MPOptimate входят соединительные кабели, соединительные шнуры, распределительные кассеты, панель для кассет MPO или адаптерных планок, разветвительные кабели и очистительные устройства.

Кабели для соединения кассет, имеющие 12 и 24 волокна и оконцованные 12-волоконными соединителями MPO, содержат внутри волокна OM3 или OM4, имеют оболочку LSZH. Характеристики концевых соединителей: вносимые потери < 0,35 дБ, возвратные потери > 28 дБ. Длины кабелей — от 1 до 500 м.

Шнуры переключений с разъемами MPO на концах предназначены для соединений MPO, а разветвительные, с 12 волокнами, — для перехода с MPO на разъемы SC/LC. Шнуры переключений с разъемами SC/LC имеют следующие характеристики: LC — вносимые потери < 0,15 дБ, возвратные потери > 35 дБ; SC — вносимые потери < 0,15 дБ, возвратные потери > 35 дБ.

С задней стороны распределительных кассет MPOptimate расположены разъемы MPO, а с передней — SC, LC или сдвоенные LC. Кассеты имеют две разновидности: со сменой и без смены полярности. Параметры оптических разъемов: вносимые потери < 0,35 дБ, возвратные потери > 28 дБ.

TE Connectivity предлагает еще одно интересное решение: прокладывать не три кабеля для системы 40 Гбит/с, а только два, используя для передачи все 24 волокна этих кабелей и не оставляя «темных» (невостребованных) волокон (Рисунок 7). В соединительной части два кабеля позволяют реализовать три канала 40 Гбит/с, которые потом разводятся в распределительной кассете по трем разъемам MPO (см. Рисунок 7). Шнуры переключения содержат по 12 волокон, из которых только 8 задействуются для передачи.

Рисунок 7. Прокладка двух кабелей вместо трех в линейной части тракта TE Connectivity.

СИСТЕМА LANMARK-OF LOW LOSS MPO

Компания Nexans рекомендует для перехода на 40 Гбит/с свою новую систему LANmark-OF Low Loss MPO Connectivity. Эта кабельная система обеспечивает как передачу 10-гигабитных потоков, так и переход на 40-гигабитные скорости. Сравнение прежней системы MPO и новой Low Loss MPO Connectivity представлено в Таблице 3.

При переходе на 40-гигабитные каналы рассматриваются две модели: двухконнекторная и четырехконнекторная. Первая — это фактически тракт без кросс-соединения посередине. Такой тракт с прежней системой MPO имеет потери < 1,9 дБ, то есть в таком виде он приемлем. Четырехконнекторная модель реализуется только в системе Low Loss MPO, и в этом случае суммарные потери составляют < 1,9 дБ (с кросссоединением).

Рекомендованное Nexans решение для 40 Гбит/с содержит предоконцованные кабели Pre-Term с использованием коннекторов MPO Low Loss и волокон OM4. При этом в двухконнекторной модели предусмотрено увеличение дальности от 100 до 150 м, а в четырехконнекторной модели можно применить кросссоединение.

Новая система MPO имеет следующие особенности:

1. Специальная конструкция предзаделанного в разъемы MPO кабеля с большим числом волокон (Pre-Term).
2. Новая панель переключений Plug&Play для подсоединения к ней магистральных предзаделанных кабелей MPO.
3. Новые кассеты Low Loss для подсоединения к ним как разъемов MPO, так и соединителей LC позволяют производить монтаж в работающем ЦОД.
4. Решение Low Loss MPO, основанное на волокне OM4, облегчает переход на 40 Гбит/с. Легкая замена оборудования в ЦОД упрощает этот переход.

При осуществлении перехода от 10 к 40 Гбит/с предлагается использовать особый подход. На тех участках, где такой переход предусматривается, изначально закладывают нужное количество волокон: для 40 Гбит/с — 8 волокон на канал. Естественно, некоторые заказчики ЦОД могут быть недовольны таким решением, ведь избыточность требует значительных расходов. В этом случае им следует объяснить, что избыточность открывает широкие перспективы и позволяет избежать капитальных затрат при переоснащении ЦОД. В противном случае при переходе от 10 к 40 и, тем более, к 100 Гбит/с придется перекладывать кабельные линии, а на это редко кто может решиться.

Кроме избыточного числа волокон желательно предусмотреть установку дополнительных панелей с адаптерами MPO-MPO, (например, панелей Xlight компании RiT), тем самым значительно облегчится переход на более высокие скорости в работающих ЦОД. Эти два приема сделают такой переход безболезненным.

Давид Гальперович — консультант «Журнала сетевых решений/LAN».