Модульно-кассетные волоконно-оптические решения с улучшенными параметрами

Действующие и перспективные редакции стандартов на информационные кабельные системы ЦОД разрешают применение симметричных и волоконно-оптических линий. Американская нормативная база допускает реализацию линий на базе коаксиальных кабелей, что не меняет картины в целом: данную направляющую систему можно использовать только на той части соединительных линий в пределах ЦОД, по которым передаются сигналы цифровой телефонной аппаратуры Е1 и Е3, поступающие от операторов связи. Благодаря этому переход между зонами ответственности различных юридических лиц осуществляется без установки активного сетевого оборудования, то есть фактически бесшовно. Разрешение на применение коаксиальных кабелей отражает исторически сложившиеся в США подходы к построению высокоскоростных соединительных линий.

ОСОБЕННОСТИ НОРМИРОВАНИЯ

Любая линия связи хотя бы один раз на протяжении ее жизненного цикла проверяется на соответствие нормам по некоторому заранее заданному набору параметров. Полнота такого списка, его деление на обязательную и факультативную части, периодичность проводимых испытаний и т. д. во многом зависят от того, насколько данная конкретная характеристика является критически важной с точки зрения обеспечения заданного качества связи.

Для гарантированного соблюдения соответствующих требований разработчик всегда предусматривает определенные резервы как для всего решения, так и для его отдельных составных частей. Они предназначены для компенсации непреднамеренных ошибок монтажа, позволяют отсрочить проявление эффектов старения, дают возможность противостоять деградации параметров вследствие различных повреждений, росту потерь из-за неизбежных загрязнений и т. д.

Линии связи, используемые на физическом уровне информационно-вычислительной системы, имеют ряд особенностей в части ключевых характеристик, которые отвечают за качественные показатели передаваемого по ним сигнала. Эти различия фактически отражают специфику использования кабельной техники в составе СКС.

Важно отметить, что по мере наращивания скорости передачи происходит ужесточение требований к допустимому диапазону изменения некоторых критически важных параметров. В первую очередь это касается уровня разрешенных потерь в линии. Подобное явление носит общий характер и не зависит от типа применяемой элементной базы. Тем не менее сравнение медножильной и волоконно-оптической подсистем показывает, что в последнем случае оно выражено более отчетливо (см. Таблицу 1).

Таблица 1. Некоторые параметры многомодовых оптических трактов СКС.

За годы эволюционного развития техники СКС было разработано множество подходов и методов противодействия этим нежелательным процессам. В частности, в характеристики элементной базы закладываются определенные запасы, превышающие предельные требования стандартов. Этого можно добиться разными способами.

Наиболее очевидный путь — улучшение передаточных характеристик отдельных последовательно соединяемых компонентов, из которых формируется тракт передачи. Подобные запасы могут достигать достаточно больших величин. Например, в середине первого десятилетия швейцарская компания Reichle & De-Massari гарантировала, что если линия построена с использованием выпускаемых ею компонентов Категории 5е, то такая линия будет соответствовать требованиям Категории 6 при условии наличия не более двух соединений.

Кроме того, требования стандартов могут корректироваться путем ввода довольно жестких дополнительных ограничений на длины отдельных частей линий для определенных типов приложений. Впервые этот прием был применен для одного из вариантов 10-мегабитных оптических сетевых интерфейсов. Затем организация IEEE предложила применить его к кабельным трактам Категории 6, по которым допускалось функционирование 10GBaseT при протяженности последних не более 55 м. В качестве дополнительного условия выдвигалась необходимость обязательной проверки фактической величины некоторых параметров. Без выполнения этой процедуры гарантированная дальность связи на скорости 10 Гбит/c снижалась до 37 м.

МОДУЛЬНО-КАССЕТНАЯ ТЕХНИКА

В середине первого десятилетия начал быстро набирать популярность еще один подход, который, в частности, предполагает гарантированное снижение вносимого затухания и повышение стабильности его значения. Это достигается благодаря монтажу элементов разъемных соединителей на различных кабельных изделиях уже в процессе их производства. Объемы предложения и поставки различных претерминированных компонентов быстро увеличиваются.

Модульно-кассетные решения представляют собой один из вариантов реализации концепции претерминированной техники. Формирование большей части цепей передачи сигналов в заводских условиях обеспечило этой технике ряд уникальных достоинств, что, в свою очередь, способствовало росту ее популярности. При обращении к модульно-кассетной элементной базе системному интегратору вообще не приходится заниматься такой неблагодарной работой, как установка элементов разъемных соединителей на витые пары и волокна линейных кабелей. Монтажники должны выполнить только предельно простые технологические операции наподобие протяжки кабеля и подключения вилок к розеткам разъемных соединителей.

Распространению модульно-кассетных решений способствует также высокая степень их «прозрачности», что облегчает работу как проектировщика, так и сотрудника службы эксплуатации. Аппаратная часть продукта состоит всего из двух ключевых компонентов — кассеты и транкового кабеля. Все отличия по отдельным заказным позициям существуют исключительно на уровне исполнения этих главных составных частей. В процессе конфигурирования линий и формирования заказа могут варьироваться такие характеристики, как длина транкового кабеля, тип световодов, их категория и количество, разновидность пользовательского разъема в кассетах и некоторые другие.

Платой за удобство работы с модульно-кассетной техникой стало появление некоторых технических проблем. Одна из них — наличие в составе тракта технологических разъемов, не предусмотренных действующими редакциями стандартов СКС.

Станционная часть модульно-кассетной техники изначально предназначена для установки в 19-дюймовом конструктиве и обладает характерным хорошо узнаваемым дизайном. Он обусловлен тем, что кассеты, на основе которых формируется пользовательский интерфейс, помещаются в крепежную корзину полочного типа. Последняя снабжается съемными или постоянными элементами крепления на монтажных рельсах, причем в последнем случае зачастую предусматривается такая полезная возможность, как изменение глубины установки корпуса. Кассеты размещаются горизонтально или вертикально, причем вертикальный вариант характерен для коммутационного оборудования, предназначенного для реализации оптических кроссов с большим количеством портов.

Модульно-кассетный кросс имеет смысл рассматривать как один из вариантов блочной коммутационной панели. Пользователь может сам изменять конфигурацию коммутационного оборудования данной разновидности. Однако, в отличие от наборной панели, минимальная структурная единица блочного кросса содержит несколько пользовательских портов.

Модульно-кассетная техника применяется и в оптической, и в медножильной подсистемах, но заметно большей популярностью пользуется оптическая продукция.

В случае оптической подсистемы наряду с кроссом блочного дизайна технически вполне возможен вариант создания конструкции на основе предразведенной полномасштабной 19-дюймовой полки традиционного исполнения со сходными функциональными возможностями (см. Рисунок 1). Ее допустимо рассматривать как горизонтальную кассету максимально возможной ширины. В крупных сетях выбор такого решения позволяет сэкономить за счет малого расхода металла и снижения трудоемкости изготовления. Широкого распространения подобные полки не получили, что обусловлено относительно небольшим финансовым выигрышем и заметно меньшей функциональной гибкостью.

Рисунок 1. Предразведенная оптическая полка: а — внутренняя структура; б — вид на заднюю пластину корпуса с розетками разъемов MTP/MPO для подключения транковых кабелей и пластиной с просечками для их механической фиксации в рабочем положении.

Идея применения дополнительного технологического разъема в составе тракта с целью придания всему решению большей функциональной гибкости не является такой уж новой. Более того, впервые она была применена еще в 90-х годах прошлого века, причем в медножильной подсистеме. Подобная опция реализована в форме оконечных вставок ACO в СКС NetConnect (в настоящее время владельцем этой торговой марки является компания TE Connectivity). Наличие в составе тракта дополнительных соединителей Edge Connector, которые в структуре канонических стационарных линий стандартами не предусматривались, не являлось критическим фактором: соответствие характеристик нормам на уровне отдельных комплексных объектов (стационарной линии и тракта) подтверждалось фирменной гарантией.

МЕСТО МНОГОМОДОВОЙ ТЕХНИКИ

Оптические линии аппаратного зала ЦОД реализуются главным образом на многомодовой элементной базе. Основным достоинством последней становится то, что при сопоставимых скоростях передачи она оказывается заметно дешевле. Главный недостаток многомодового волокна — его конечная широкополосность, которая определяется преимущественно межмодовой дисперсией и ограничивает предельную гарантированную дальность связи. Тем не менее, как показывают проведенные исследования, многомодового решения достаточно для построения свыше 95% линий аппаратного зала ЦОД.

При совершенствовании многомодовой оптической техники особое внимание уделяется борьбе с вредными последствиями дисперсионных искажений. Фактически основные новинки, относящиеся к многомодовым линиям оптической связи, появляются в результате внедрения световодов с увеличенной пропускной способностью (см., например, статью автора «Многомодовое волокно с улучшенными частотными свойствами» в февральском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2013 год).

Более того, в процессе комплексной оптимизации специально учитываются особенности фокусной области применения, в частности ограничение протяженности линий несколькими десятками метров. Результатом этой работы стало обоснование парадоксальной, на первый взгляд, возможности полноценного использования в оптических передатчиках для 40GBaseSR4, а в перспективе и для 100GBaseSR10, лазеров со структурой VCSEL и с более широкой линией излучения (0,65 нм против 0,40 нм, задаваемых спецификацией сетевых интерфейсов 10GBaseSR). Подобное снижение требований способствует удешевлению как оптического трансивера, так и решения в целом.

ИСТОКИ ПРОБЛЕМЫ НОРМИРОВАНИЯ

Особенности использования модульно-кассетной техники при реализации оптической подсистемы СКС подробно анализировались ранее (см. статью автора «Модульно-кассетные решения для оптики» в ноябрьском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2004 год). Данное оборудование отличается высокими потребительскими свойствами и благодаря этому широко применяется при построении информационной инфраструктуры современного предприятия. Все без исключения ведущие производители СКС используют такую технику в качестве составных частей своих продуктов и зачастую регистрируют для них отдельные торговые марки, что указывает на стратегическую важность этого направления.

Оптическая модульно-кассетная техника стала внедряться еще в середине первого десятилетия нового века, и сейчас пришло время рассмотреть ее под несколько иным углом зрения. Ввиду новых реалий возникла потребность в ее модернизации и совершенствовании. Основной причиной изменений стало то, что в аппаратном зале ЦОД (где обычно применяются такие решения) начали устанавливать аппаратуру с интерфейсами 40 Гбит/c. Кроме того, в обозримой перспективе (согласно последним прогнозам, после 2016–2017 годов) ожидается начало полномасштабного внедрения 100-гигабитных изделий.

Увеличение информационной скорости на порядок (с 10 до 100 Гбит/c) за последние десять лет не привело, однако, к революционным изменениям в области оптической подсистемы СКС. Это обусловлено сохранением очень высокой степени преемственности. Свою положительную роль сыграл и избранный разработчиками подход — обращение к схеме параллельной передачи. В результате в 40- и 100-гигабитных сетевых интерфейсах используется техника, которая на уровне отдельных узлов в достаточно высокой степени схожа с применяемой в ее 10-гигабитном прототипе.

Вне зависимости от привлекаемой для этого элементной базы нормирование характеристик оптических линий СКС традиционно осуществляется по модели простого тракта. С практической точки зрения это требование является наиболее жестким, так как задает минимальную норму потерь для линии фиксированной протяженности. Дополнительное условие, когда активное сетевое оборудование должно подключаться по схеме интерконнекта на обоих концах, существенно не меняет общую картину. Это объясняется, в частности, крайне малой популярностью схемы кросс-коннекта на уровне оптической подсистемы.

Введение специальных разновидностей моделей в расчете на 40- и 100-гигабитные линии считается нецелесообразным, причем во многом из-за того, что эти гипотетические объекты могут приводить к конфликтам на всех уровнях — вплоть до идеологического. Справедливость подобных опасений подтверждается сложившейся практикой реализации ИКС и общепризнанным видением перспектив их развития. Кроме того, по меньшей мере до 2020 года линии параллельной передачи предполагается активно использовать для поддержки и функционирования сетевых интерфейсов 10 Gigabit Ethernet (см. декабрьский номер «Журнала сетевых решений/LAN» за 2012 год). Последние работают, как известно, по двухволоконной схеме.

Вследствие конструктивных особенностей модульно-кассетной техники в этом контексте основной проблемой становится появление в тракте еще как минимум двух технологических соединителей. В канонической модели простого тракта наличие этих разъемов изначально не предусмотрено, однако они неизбежно вносят заметное дополнительное затухание и существенно усиливают интенсивность обратных отражений. При этом кассеты, будучи компонентами тракта передачи, не меняют его частотные свойства, что несколько облегчает их внедрение.

Кроме того, довольно высока вероятность применения в аппаратном зале ЦОД составных трактов, используемых для подключения активного сетевого оборудования «через уровень иерархии». Практическая ценность подобной схемы заключается в уменьшении времени задержки передаваемого сигнала, что приводит к заметному повышению быстродействия всего объекта.

Еще одна тенденция — увеличение типовых масштабов ЦОД — нашла отражение в нормативной части стандарта ANSI/TIA-942-A, где впервые предусматривается возможность построения СКС по трехуровневой схеме. В определенной степени это тоже способствует все более широкому применению составных трактов.

Даже при незначительном выходе за предельные значения резко увеличивается опасность заметного снижения качества связи — вплоть до полного ее прекращения.

В ряде случаев в канонических моделях линий и трактов СКС предусматривается наличие внутренних резервов. Обычно данная категория формализуется в виде так называемых нераспределенных запасов. Их введение может обосновываться удобством использования, простотой описания и единообразием задания норм. Подобные резервы вполне могут быть израсходованы на компенсацию потерь в дополнительных технологических разъемных соединителях кассет. В рассматриваемой ситуации проблема возникает из-за того, что для оптических линий аппаратного зала ЦОД, изначально рассчитанных на скорости 40 и 100 Гбит/с, нераспределенные запасы в действующих редакциях нормативной базы не предусматриваются.

В существующих стандартах отсутствуют какие-либо указания о возможности применения модульно-кассетной техники для построения стационарных линий СКС. Поэтому, стремясь удовлетворить потребности исполнителей проектов, вендоры вынуждены использовать собственные схемы нормирования параметров элементной базы и формализовать ее требования на уровне фирменных стандартов. В отечественной практике данный прием известен как производство по техническим условиям.

Процедура такого фирменного нормирования предполагает идентичность характеристик трактов, сформированных с использованием претерминированной техники и по традиционной технологии. Подобный подход автоматически обеспечивает соответствие параметров линий требованиям действующих редакций нормативных документов независимо от технологии их формирования.

ОСОБЕННОСТИ НОРМИРОВАНИЯ

Полное затухание оптического тракта СКС зависит от довольно большого числа факторов. Если ограничиться только многомодовыми линиями, для которых фокусной областью применения является аппаратный зал ЦОД, то ситуация несколько упрощается. В этом случае вполне достаточно учитывать только три из них: затухание в разъемах, дисперсионный штраф и потери в линейном кабеле.

Рисунок 2. Распределение отдельных составляющих потерь на многомодовой оптической линии протяжен-ностью 150 м на основе волокон Категории ОМ4.

Указанные составляющие потерь для кабельного тракта длиной 150 м в случае его реализации с применением волокна Категории ОМ4 представлены на Рисунке 2. Каждая из них при современном уровне техники может быть уменьшена, а полученный выигрыш направлен на компенсацию затухания в дополнительных разъемных соединителях.

Дисперсионный штраф приводит к наибольшим потерям в линиях предельной длины и возникает из-за недостаточной ширины полосы пропускания. Поскольку измерить величину дисперсионных искажений на линиях небольшой протяженности очень сложно, данный параметр инструментально не контролируется в полевых условиях. За выполнение норм по нему отвечают все участники процесса реализации СКС: производитель кабельной системы осуществляет подбор соответствующей элементной базы и правил ее инсталляции, а системный интегратор контролирует соблюдение ограничений по предельной протяженности тракта и корректное применение рекомендованной технологии монтажа.

По мере роста коэффициента широкополосности дисперсионный штраф уменьшается. Однако действующие и перспективные редакции стандартов пока не предусматривают многомодовых световодов категории выше ОМ4 с коэффициентом широкополосности более 4700 МГц × 1 км.

Коэффициент затухания современных многомодовых оптических кабелей СКС на рабочей длине волны 850 нм оказывается примерно на 1 дБ/км ниже по сравнению с предусмотренной стандартами нормой α = 3,5 дБ/км. Последняя была введена еще в 1991 году и с тех пор не менялась. Однако воспользоваться накопленными за истекший период технологическими достижениями не представляется возможным в силу малой протяженности трактов: выигрыш исчисляется сотыми долями децибела и не компенсирует повышенное затухание в дополнительных соединителях.

В этом отношении наиболее перспективными считаются стандартные соединители. Нормы на потери в них тоже не пересматривались с момента зарождения СКС, и производители кабельных систем сумели взять на вооружение новейшие разработки и успешно решить задачу внедрения модульно-кассетной техники с параметрами, не уступающими линиям с традиционной структурой.

ВНОСИМОЕ ЗАТУХАНИЕ

Согласно требованиям стандартов, в оптических кассетах используются компоненты разъемных соединителей двух разновидностей: на линейной стороне устанавливаются розетки групповых оптических разъемов MTP/MPO, на пользовательской — дуплексные оптические соединители LC. Заклейка волокна в одиночный керамический наконечник в случае LC позволяет за счет индивидуальной обработки достигнуть более высокого качества поверхностей в области стыка и, соответственно, меньших потерь. Тем не менее при использовании соединителей MTP/MPO применение современных инструментов для полировки наконечников и придание им нужной формы в области физического контакта волокон позволяет снизить потери и довести их до значений, которые мало отличаются от LC. С учетом этого обстоятельства и для упрощения расчетов вполне резонным выглядит предложение считать равными затухания, которые вносятся каждым соединителем кассеты. При необходимости общее затухание кассеты можно распределить по групповому и индивидуальному разъемам.

Основное уравнение потерь канонического двухконнекторного простого оптического тракта записывается так:

IL = 2 × IL_c + αl,

где IL — общие допустимые потери в тракте;

IL_c — потери в отдельном стандартном разъемном соединителе;

α — коэффициент затухания;

l — протяженность тракта.

Численные значения данных параметров зафиксированы в нормативной части стандартов.

В случае обращения к модульно-кассетному решению основное расчетное уравнение модифицируется и принимает следующий вид:

IL = 2 × N × IL′_c + 2αl,

где IL′_c — потери в отдельном оптическом разъеме с улучшенными параметрами;

N — количество кассет.

Для кассеты в соответствии с учетом высказанных выше предположений принимается IL_cas = 2 × IL′_c.

Таблица 2. Предельные величины вносимых потерь и возвратных отражений оптических соединителей при их различном количестве в составе тракта.

Анализ приведенной пары соотношений показывает, что их достаточно для задания величины затухания многомодовых разъемных соединителей с использованием в качестве параметра максимально допустимого количества кассет в тракте. Результаты соответствующих расчетов приведены в Таблице 2. При их выполнении значение коэффициента затухания оптического кабеля принималось равным 3,0 дБ. Такая величина использована при нормировании 150-метровых трактов на основе многомодового волокна Категории ОМ4 и лучше соответствует значениям этого параметра, которые фактически достигаются в реальных условиях.

Отдельно отметим, что оптические соединители с затуханием 0,15 дБ относятся к наиболее качественным изделиям группы А по международному стандарту IEC 61300-3-34. Таким образом, тракты с шестью кассетами требуют обязательного введения более жестких фирменных норм в отношении качества изготовления.

Нечетное количество кассет введено в таблицу ввиду возможного наличия в составе тракта передачи точки консолидации. В таком случае, согласно требованиям стандартов, запрещается использование схемы кросс-коннекта для соединения линейных кабелей, то есть данный технический объект реализуется на основе всего одной кассеты.

ВОЗВРАТНЫЕ ПОТЕРИ

При скоростях передачи свыше 100 Мбит/с в передатчиках оптических трансиверов используются исключительно лазеры, что обусловлено их хорошими частотными свойствами. Излучатели данной разновидности в большей или меньшей степени чувствительны к обратным отражениям генерируемого ими излучения. Численной мерой этого нежелательного процесса являются возвратные потери RL.

С учетом особенностей структуры тракта в случае модульно-кассетной техники можно выделить два физических явления, от которых целиком и полностью зависит обратный поток оптической энергии. Таковыми являются френелевское отражение от разъемных соединителей и обратное рэлеевское рассеяние света в сердцевине оптического волокна.

В волоконных световодах, разрешенных стандартами для использования в оптических кабелях СКС, мощность потока обратного рэлеевского рассеяния чрезвычайно мала. Даже в случае многомодового волокна она оказывается на несколько порядков ниже по сравнению с той составляющей, причиной которой является неизбежное френелевское отражение в разъемах. Это обстоятельство несколько упрощает дальнейшие расчеты, так как позволяет ограничиться учетом только одного физического явления.

Схема определения требований к величине RL для отдельных соединителей модульных кассет во многом повторяет процедуру задания норм для вносимых потерь. Основная идея состоит в обеспечении инвариантности к схеме построения линии: в случае тракта на базе модульно-кассетной техники величина обратных потерь должна быть по меньшей мере не хуже, чем у тракта, сформированного по традиционной технологии. Усложняющим фактором является отсутствие нормированных значений величин отражений для стационарной линии или иного комплексного объекта СКС. Тем не менее проблемы носят только технический характер и устраняются с привлечением исключительно тех данных, которые уже имеются в нормативных документах.

Дополнительно принимается во внимание то, что по сравнению с протяженностью кабеля стационарной линии длина оконечных шнуров чрезвычайно мала. Кроме того, согласно модели тракта, разъемные соединители активного сетевого оборудования не учитываются в расчетах.

В компонентной части стандартов СКС содержатся требования к минимальной величине обратных отражений RL оптических соединителей, в том числе многомодовых. С учетом высказанных выше допущений возвратные потери для канонической простой стационарной линии на базе стандартных компонентов составят:

RL = –10 lg [10^0,1RL_c + 10^{0,1(RL_c – αL)}].

Для стандартной многомодовой элементной базы RL = 20 дБ, α = 3,5 дБ/км, L = 300 м, откуда получаем RL_∑ = 17,5 дБ. По аналогии с процедурой определения затухания для возвратных потерь в случае использования модульно-кассетной техники и с учетом общей малости произведения αl, можно записать основное уравнение для определения возвратных потерь ее соединителей:

RL∑ = –10 log [N10^{0,1(RL + 3)}].

Результаты расчетов для различного количества кассет приведены в Таблице 2.

В случае применения современных технологий заводской обработки наконечников разъемных многомодовых оптических соединителей величина возвратных потерь оказывается не хуже –30 дБ. Именно на такое значение величины RL ориентируются некоторые ведущие производители оптической техники. Сопоставление этой цифры с данными расчетов свидетельствует о том, что при создании модульно-кассетной техники не требуется выполнение широкомасштабных НИОКР по отработке технологии установки соединителей. Вполне достаточно существующих передовых решений и общепринятой культуры производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В связи с отсутствием нормативной базы использование модульно-кассетной техники требует введения фирменных норм на вносимые потери и на коэффициент обратного отражения для используемых в ее составе разъемных оптических соединителей — эти параметры заметно превышают нормативы действующих редакций профильных стандартов.
2. Необходимые характеристики разъемных соединителей по затуханию и возвратным потерям вполне могут быть достигнуты с использованием современных технологических возможностей на уровне серийного производства ведущих предприятий отрасли, и их достижение не требует выполнения широкомасштабных НИОКР.
3. Контролируемые параметры модульно-кассетной техники с улучшенными характеристиками целесообразно нормировать по модели четырехкассетного составного тракта.
4. В шестикассетных составных трактах для обеспечения требуемых норм по затуханию необходимо применять высококачественные соединители. В этой связи нельзя исключить разделение всех предлагаемых компонентов по классам, высший из которых ориентирован на формирование шестикассетных трактов.

Андрей Семенов — технический директор представительства RiT в России; Маргарита Журавлева — студентка МТУСИ; Ирина Сидоркина — аспирантка МТУСИ.