Перспективы создания витопарной проводки для 40 Гбит/с

К настоящему времени выпущены все компоненты, необходимые для передачи 40 Гбит/с по витопарной проводке: кабели и соединители GG45, Tera, ARJ45 Категории 7_А. Дважды экранированные кабели Категории 7_А способны передавать такие потоки на расстояние до 100 м. Соединитель GG45 (Nexans) имеет двойное назначение: до 500 МГц он обратно совместим с RJ45, а выше, до частоты 1000 МГц, соответствует Категории 7_А и потенциально способен передавать поток до 40 Гбит/с.

Tera (Siemon) с RJ45 не обладает свойством обратной совместимости, соответствует Категории 7_А и служит для передачи самых скоростных потоков. ARJ45 (Bel Stewart) является модификацией GG45, но работает только в высокоскоростном режиме и обратно несовместим с RJ45. На его базе, предположительно, могут быть созданы печатные платы на 40 Гбит/с.

СОЕДИНИТЕЛИ ДЛЯ ПРОВОДКИ НА 40 ГБИТ/С

Выбор соединителя для кабельной витопарной системы со скоростью передачи 40 Гбит/с весьма сложен. Дело в том, что для разных приложений стандартизованы разные соединители. Так, для ЦОД это GG45 (см. Рисунок 1). Он рассчитан в том числе на скорость 10 Гбит/с, поэтому для поддержки 40 Гбит/с достаточно просто поменять шнуры. Таким образом, в серверной ферме значительно облегчается переход с 10 на 40 Гбит/с, при этом дополнительного монтажа гнездовых модулей Nexans не требуется.

Рисунок 1. Соединитель GG45 7A Nexans: а — гнездовая часть; б — разъем.

Рисунок 2. Гнездовой модуль AMP-TWIST-7AS.

В других типах проводки (в медицинских учреждениях, в центрах управления полетами, в астрофизических и других институтах, а также в домашних системах) более предпочтительным считается соединитель Tera. TE Connectivity предлагает решение, основанное на модульных гнездах AMP-TWIST-7AS с разъемом типа Tera (Рисунок 2). По своим характеристикам оно не уступает соединителю Tera, а по технологичности и скорости монтажа превосходит разъем компании Siemon. Кроме того, TE Connectivity выпускает розетки Категории 7_А AMP со сменными вставками Tera и ARJ45 (см. Рисунки 3 и 4).

Рисунок 3. Вставка к розетке AMP CO с гнездом Tera.	Рисунок 4. Вставка к розетке AMP CO Plus с гнездом ARJ45.

Как уже отмечалось, соединитель GG45, предложенный компанией Nexans, работает в двух режимах: до частоты 500 МГц он совместим с RJ45, а в диапазоне 1000 МГц — с GG45 (Рисунок 1). В режиме RJ45 в гнезде GG45 подключаются 8 контактов, расположенных в одну линию. При переходе во второй режим средние 4 контакта закорачиваются, в результате остаются 8 контактов, расположенных по углам трапеции. Тем самым обеспечивается минимальная связь между парами контактов и резко увеличивается полоса пропускания соединителя.

Рисунок 5. Гнездовой модуль ARJ45 Bel Stewart.

Переключение происходит внутри гнездового модуля GG45. При этом соединитель GG45 приобретает ценные характеристики: удвоение полосы частот; вдвое меньший уровень перекрестных помех; защита от переходных помех экраном на 3600; возможность передачи потока 40 Гбит/с. Созданный на базе GG45 модуль ARJ45 (Рисунок 5) для печатных плат (совместная разработка компаний Nexans и Bel Stewart) позволяет создать на его базе активное оборудование.

Рисунок 6. Гнездовой модуль TERA компании Siemon.

Соединитель Tera был предложен компанией Siemon в 1999 году и с тех пор практически не изменился. Некоторые специалисты считают его более подходящим для проводки Категории 7_А из-за отсутствия переключений внутри гнезда и большего расстояния между контактами пар в разъеме, расположенными по углам прямоугольника (Рисунок 6). Его рабочая полоса составляет 1000 МГц, но некоторые специалисты предлагают увеличить ее до 1500 МГц и сформировать на его основе Категорию 8. Попутно заметим, что отдельные компании расширили до 1500 МГц полосу передачи соответствующих экранированных кабелей.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) во второй раз стандартизировала соединитель Tera и приняла его в качестве основного для нового класса высокоскоростных кабельных систем. Второе издание стандарта IEC 61076-3-104 было опубликовано в ходе разработки двух стандартов — на проводку Класса 7_А и ISO/IEC 15018 на домашние кабельные системы. Набор из однопарных, двухпарных и четырехпарных шнуров обеспечивает поддержку разъемами Tera очень широкой гаммы приложений.

Третий стандартный соединитель Категории 7_А, ARJ45, тоже имеет неплохие шансы на рыночный успех, так как конструктивно является самым простым (см. Рисунок 5) среди конкурентов. В ситуации неопределенности с наиболее востребованными в будущем соединителями Категории 7_А компания TE Connectivity предлагает кабельную систему AMP CO со сменными вставками Tera и ARJ45 (Рисунки 3 и 4). Модуль GG45 в этой системе не нужен, поскольку в режиме работы Категории 7_А этот разъем аналогичен ARJ45, а для режима RJ45 используются традиционные вставки соответствующей категории. В отличие от GG45, система AMP CO поддерживает непосредственный Cable Sharing, наиболее востребованную на данный момент изюминку Категории 7_А. Система AMP CO содержит около двадцати вставок к розеткам и, соответственно, позволяет подключать такое же количество различных приложений. Подобного многообразия возможностей не предоставляет ни одна из известных в настоящее время кабельных систем.

КАБЕЛИ ДЛЯ ПРОВОДКИ НА 40 ГБИТ/С

Дважды экранированные кабели легли в основу компьютерной проводки Класса 7_А, которая пригодна для всех имеющихся и будущих приложений. Параметры и характеристики таких кабельных систем превышают требования существующих стандартов. У дважды экранированных кабелей настолько высокие параметры, что они намного превосходят требования стандартов для Категории 7_А, действующие в настоящее время, что стало понятно, когда эти кабели еще только появились.

Широко применяемые в Германии дважды экранированные кабели сразу оказались пригодными для 10GBaseT. Отдельные кабельные компании еще в 90-х годах прошлого века освоили производство кабелей PiMF (пары, индивидуально экранированные металлической фольгой), что и обеспечило им первенство в этой области. Кроме того, кабели PiMF можно использовать в мультимедийных системах, когда каждая экранированная пара исполняет роль отдельной направляющей системы для компьютерной сети, телевидения и IP-телефонии. Двойной эффект — высокая помехозащищенность и мультимедийность — обеспечил кабелям PiMF высокий спрос в Германии и обусловил высочайшее качество связи пользователям таких систем.

Рисунок 7. Дважды экранированный четырехпарный кабель Категории 7А.

По мере того как кабели PiMF стали выпускаться все большим числом производителей, эта продукция была унифицирована (см. Рисунок 7 и Таблицу 1). Пары изготавливаются из мягкой медной проволоки с низким содержанием примесей и покрываются пленко-пористой изоляцией из полиэтилена. Провода пар скручены с небольшим шагом и покрыты экраном из алюмопластмассовой ленты.

Таблица 1. Дважды экранированные четырехпарные кабели Категории 7А.

Продольное наложение экрана пары позволяет решить сразу две задачи: резко увеличить производительность технологического оборудования и значительно улучшить экранные характеристики. Некоторые изготовители применяют спиральную намотку ленты экрана, что замедляет процесс изготовления пар и ухудшает экранные свойства.

Экранированные пары скручиваются в четырехпарный сердечник с большим шагом, который покрывается внешним экраном из фольги, фольгированной пленки или оплетки. У некоторых кабелей внешний экран двухслойный — фольгированная пленка дополнена металлической оплеткой. Снаружи кабель имеет защитную оболочку из поливинилхлорида или из компаунда с низким содержанием галогенов (LSZH). В последнее время наличие подобной оболочки, обладающей высокой огнестойкостью (Fire Resistance), является обязательным требованием (оболочка типа LSFRZH).

Описанная конструкция обеспечивает очень широкий спектр применения этих кабелей. Во-первых, они поддерживают функционирование всех современных компьютерных приложений (10 Gigabit Ethernet и др.). Во-вторых, путем расщепления кабеля (Cable Sharing) по отдельным парам можно подавать различные сервисы (телевидение, Интернет, IP-телефонию и др.), так как пары очень хорошо экранированы одна от другой и имеют высокую внутрикабельную защиту (PS NEXT). Кроме того, кабели обладают большим запасом по параметрам на будущее: хорошая внешняя защищенность обеспечивает стабильную работу новых приложений, таких как 40 Gigabit Ethernet или спутниковое телевидение.

ПАРАМЕТРЫ КАБЕЛЕЙ PIMF

Основные частотно-зависимые параметры кабелей следующие: затухание (Attenuation), защищенность на ближнем конце (ACR), суммарное переходное затухание на ближнем конце (PS NEXT), суммарная защищенность на дальнем конце (PS ELFEXT), возвратные потери (Return Loss, RL). Параметры для наиболее широкополосных кабелей TE Connectivity и Nexans приведены в Таблице 2, откуда можно видеть, что даже на частоте 1500 МГц эти параметры довольно высоки.

Таблица 2. Некоторые параметры дважды экранированных кабелей Категории 7А.

Существуют и мало зависящие от частоты параметры: относительная скорость распространения волны по кабелю NVP составляет 0,75 × c (где c — скорость света в вакууме), емкость пары — 4,4 нФ /100 м, сопротивление — 14,5 Ом / 100 м.

Затухание сближения пар (Coupling Attenuation) — аналог затухания экранирования — равно 85 дБ. Волновое сопротивление (Characteristic Impedance) 100}15 Ом, задержка распространения сигнала (Propagation Delay) ≤427 нс/100м, перекос задержки (Delay Skew) ≤7нс/100м. Все эти параметры даны на частоте 100 МГц.

ПРЕИМУЩЕСТВА ДВАЖДЫ ЭКРАНИРОВАННОЙ ПРОВОДКИ

Двойное экранирование кабелей из витых пар значительно увеличивает частотную полосу и снижает уровень помех в линии. В Таблице 3 приведены данные по их широкополосности, пропускной способности, защищенности от межкабельных помех, электромагнитной совместимости, защите от фоновых шумов и возможности передачи нескольких приложений в сравнении с аналогичными характеристиками неэкранированной проводки.

Таблица 3. Сравнение дважды экранированных и неэкранированных проводок.

Прежде всего, широкополосность и пропускная способность такой кабельной системы в три раза выше, чем неэкранированной, а защищенность от межкабельных помех примерно на 20 дБ выше. Кроме того, электромагнитная совместимость, описываемая параметром Coupling Attenuation (ослабление внешних помех), тоже во много раз выше: для U/UTP она составляет 40 дБ, для S/FTP — 90 дБ. В результате защищенность от фоновых шумов (радиопередатчики, сотовые телефоны, беспроводные устройства и др.) значительно превосходит параметры, установленные для U/UTP.

В принципе поддержка нескольких приложений по одному кабелю возможна и в случае U/UTP, но при использовании кабелей S/FTP она осуществляется гораздо проще и эффективнее. И если применение неэкранированной проводки для высокоскоростных приложений предполагает обязательную сертификацию в полевых условиях, то для дважды экранированной проводки этого не требуется.

ОСОБЕННОСТЬ ОКОНЦОВКИ И ЗАЗЕМЛЕНИЯ

При использовании дважды экранированных кабелей необходимо уделять большое внимание разделке, заделке в разъем и заземлению. От этого зависит сохранение высоких защитных характеристик проводки и ее соответствие техническим требованиям, сформулированным в стандарте.

Разделка кабеля выполняется в следующем порядке: после срезания оболочки оплетка сдвигается к срезу и накручивается на оболочку. Затем с помощью специального инструмента надрезаются экраны пар и поочередно снимаются. При заделке кабеля нужно обеспечить надежный круговой контакт оплетки с металлическими частями разъема для сохранения высоких характеристик экранированной кабельной системы.

С этой же целью выполняется заземление экрана. Со стороны монтажного шкафа экранированное гнездо заземляется автоматически при вставлении гнезда в панель переключений (контакт с ее неокрашенной стороной). Заземление панели и шкафа осуществляется в соответствии с общими требованиями. Со стороны информационной розетки заземление выполняется тоже автоматически — при вставлении разъема в заземленную розетку.

Прокладка дважды экранированных кабелей несколько проще, чем неэкранированных. Связано это с тем обстоятельством, что имеющийся у кабелей S/FTP запас по характеристикам позволяет не так строго относиться к монтажу. Например, при их прокладке не требуется использовать экранированные короба, которые часто необходимы для неэкранированных кабелей. Кабели S/FTP прокладываются независимо от расположения силовых кабелей, что недопустимо в отношении кабелей U/UTP.

Кроме того, дважды экранированные кабели не требуют сертификации в полевых условиях, так как соответствующие характеристики обеспечиваются их конструкцией. Полевые испытания, необходимые для неэкранированной проводки, затрудняют ее инсталляцию и стоят довольно дорого. К тому же любые изменения и дополнения, вносимые в неэкранированную проводку, требуют повторного тестирования.

РАЗВИТИЕ ДВАЖДЫ ЭКРАНИРОВАННОЙ ПРОВОДКИ

Впервые познакомиться с четырехпарным дважды экранированным кабелем мне довелось в 1996 году. Это был Siemens ICCS 300S, довольно сложной конструкции и трудный для разделки. Затем появились кабели AMP Netconnect, Alcatel (позднее Nexans), Siemon, Teldor. К 1999 году конструкция дважды экранированных кабелей приобрела канонической характер и возник вопрос об их стандартизации. Примерно в то же время стали выпускаться соединители для оконцовки таких кабелей (GG45, TERA).

Международная электротехническая комиссия (МЭК) приняла решение стандартизировать эти кабели, и в 2002 году был выпущен стандарт IEC61156-5 на дважды экранированные чертырехпарные кабели с рабочей полосой частот до 600 МГц (Категория 7). В 2003 году появился стандарт на подобные кабели с полосой 1200 МГц (IEC61156-7), поскольку в то время планировалась разработка Категории 8 с такой же полосой. Позднее, в связи с появлением Класса FА и Категории 7_А, с полосой 1000 МГц, работы по созданию элементов Категории 8 были приостановлены.

К настоящему времени ведущие компании разработали кабели с полосой 1500 МГц (см. Таблицу 1), а теперь идет постепенное освоение этого частотного диапазона.

Практически одновременно с выпуском стандартов МЭК на дважды экранированные кабели объединенный технический комитет МЭК и ИСО (JTC 1, SC25) опубликовал в сентябре 2002 года вторую редакцию стандарта ISO/IEC 11801:2002 на кабельные системы Класса F с полосой 600 МГц (как в 61156-5). Позднее, через пять лет, была одобрена Поправка 1 к этому стандарту, где полоса расширена до 1000 МГц (Класс FА).

Задача создания кабельной системы Класса FА с полосой 1000 МГц полностью решена. Тракт Класса FА описан в Поправке 1 к стандарту ISO/IEC 11801 и Поправке 2, в которой определены параметры и характеристики проброса (Permanent Link). Одновременно продвигается развитие приложения Ethernet 40GBaseT, для которого, собственно, и нужна такая проводка.

Состояние дел таково: всем непредвзятым специалистам ясно, что тракт Класса FА стандартизован. На это указывают и большой интерес к данному вопросу, и заявления основных разработчиков (Nexans, Siemon, TE Connectivity) кабельных систем Класса FА о проведении ими испытаний в специализированных лабораториях (Delta и GHMT).

Можно констатировать, что стандартизация дважды экранированной проводки для использования в трактах Класса FА с полосой 1000 МГц завершена.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Для ЦОД наиболее пригоден, на взгляд автора, соединитель GG45. Обосновывается это тем, что он предусмотрен для данного использования в стандарте ISO/IEC 24764, вышедшем в 2010 году. Стандарт требует, чтобы соединитель был обратно совместим с RJ45. Заметим, что в настоящее время абсолютное большинство серверов оснащено портами для скоростей 1/10 Гбит/с (см., например, статью автора в майском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2012 год). Подобную скорость обеспечивает проводка Категории 6А с соединителем RJ45 или проводка Категории 7_А с соединителем GG45.

При скорости в кроссовой 1/10 Гбит/с соединитель GG45 работает в режиме RJ45. Для перехода на скорость 40 Гбит/с соединитель GG45 переводится во второй режим путем замены шнуров RJ45 на шнуры GG45. Если проводка выполнена на основе кабеля Категории 7_А, она остается пригодной и для 40 Гбит/с. В этом сказывается двойное назначение соединителя GG45. При замене серверов, работающих на скорости 1/10 Гбит/с, на серверы со скоростью 40 Гбит/с кабельная система Категории 7_А остается без изменений — происходит лишь замена шнуров RJ45 на шнуры GG45.

Что касается других крупных информационных систем (для стадионов, медицинских комплексов, центров управления полетами, аэропортов и т. п.), то для них можно рекомендовать соединитель Tera. Он, во-первых, тоже стандартизован ISO/IEC для применения в высокоскоростных кабельных системах, а во-вторых, обладает таким уникальным преимуществом, как поддержка расщепления кабеля (Cable Sharing), то есть позволяет удобно подключать к одной розетке различные мультимедийные приложения: телефон, телевидение, Интернет. При этом обеспечивается расчетная скорость передачи данных 40 Гбит/с и выше.

Таким образом, стандартизированы две конкурирующие системы соединителей (GG45 и Tera), а какая из них получит первенство при освоении скорости 40 Гбит/с по витопарной проводке, покажет дальнейшее развитие информационных систем. Скорее всего, в разных приложениях будет отдано предпочтение одной из описанных систем соединителей, ведь дважды экранированные витопарные кабели останутся для них едиными — все будет зависеть от выбора заказчика и системного интегратора.

Известно, что американские производители и органы стандартизации предполагают пролонгировать использование соединителя RJ45 до частот 1,6 и даже 2 ГГц. Поэтому не исключено, что в ближайшие годы новые соединители (Tera, GG45, ARJ45) могут столкнуться с конкуренцией со стороны американских разработок, когда таковые появятся. Борьба предстоит серьезная, и кто победит — предсказать трудно. Ясно только одно: в ближайшие годы стандартизация приложения 40GBaseT по витопарной кабельной системе вступит в решающую фазу, как и стандартизация проводки для данного приложения.

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