Перспективы структурированной кабельной системы класса Fa

В качестве одного из главных качественных показателей функционирования ЦОД выступает время его реакции на поступающие пользовательские запросы. Оно зависит от целого ряда факторов, в иерархии значимости которых далеко не последнее место занимает пропускная способность внутренних каналов связи.

В основу системы внутренней связи современного ЦОД среднего и тем более крупного масштаба в основной массе случаев положена 10-гигабитная техника. Однако уже в самой ближайшей перспективе её возможности будут исчерпаны полностью и остро встанет вопрос о переходе на следующую ступень скоростной иерархии. До настоящего времени в технике построения информационных систем практиковалось увеличение этого параметра на порядок. В силу целого ряда причин в этот раз традиция будет нарушена и следующим значением линейной скорости станет величина 40 Гбит/с.

ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СКС В ЦОД

Физический уровень системы передачи ЦОД реализуется на основе структурированной кабельной системы. Профильные стандарты допускают применение при построении стационарных линий и трактов СКС на равных правах симметричных и оптических линий. При этом использованное здесь определение «равные права» требует обязательного уточнения. Оно справедливо в том смысле, что относится только к хорошо освоенному диапазону скоростей. Выход на принципиально новый уровень быстродействия обычно начинается с линий оптической связи. Основная причина выбора именно такой стратегии заключается в том, что оптические линии оказываются технически более простыми в реализации из-за заметно меньшего затухания и отсутствия сильного влияния между цепями передачи сигналов. Только затем в новый диапазон «подтягиваются» симметричные электропроводные решения.

Задача создания оптической техники СКС, обеспечивающей скорости передачи в 40 и 100 Гбит/с, была успешно решена промышленностью ещё в конце первого десятилетия нового века. Необходимость обязательного внедрения хотя бы 40-ги-габитной техники передачи по симметричным кабельным трактам в широкую инженерную практику построения ЦОД обусловлена тем, что она имеет целый ряд значимых преимуществ перед своими оптическими аналогами. Основные из них заключаются в следующем: 

• возможность прямой стыковки с интерфейсами, имеющими скорость передачи не свыше 10 Гбит/с, и техническая простота реализации этой процедуры без применения адаптеров;
• большая энергоэффективность на характерных для ЦОД коротких линиях, что имеет особо большое значение в свете резкого ужесточения требований в отношении экологичности различных технических объектов в последнее время.

Перспективность применения электропроводной элементной базы для построения сверхвысокоскоростных СКС в ЦОД официально признана органами по стандартизации. Комитетом TIA TR-42.7 начата НИР, названная 100Ω Next Generation Cabling, со сроком завершения в 2014 году. Её результаты предполагается опубликовать в форме приложения 1 к недавно ратифицированной обновлённой редакции основного стандарта ANSI/TIA-568-C.2.

В конце первого десятилетия нового века органы по стандартизации окончательно отработали спецификации как отдельных компонентов, так и комплексных объектов на их основе (стационарных линий и трактов) нового поколения симметричной электропроводной техники. Они позволяют создавать линии класса Fa с верхней граничной частотой нормирования параметров 1 ГГц. Основной движущей силой внедрения данной техники была, наряду со стремлением к увеличению потенциальной пропускной способности, необходимость поддержки очень популярного в странах Центральной Европы спутникового аналогового телевидения с верхней граничной частотой спектра линейного сигнала 1,2 ГГц.

В сложившейся ситуации вполне резонным выглядит постановка вопроса о возможности использования или адаптации этой техники под новую область применения. Данное пожелание носит далеко не академический характер. Потенциально большой и динамично развивающийся рынок построения ЦОД делает применение техники категории 7а коммерчески весьма привлекательным, а наличие хорошо отработанного прототипа заметно уменьшает время выхода на серийное производство и затраты на конструкторские работы.

ШЕННОНОВСКАЯ ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ СИММЕТРИЧНОГО ТРАКТА

Предельная пропускная способность тракта передачи информации вне зависимости от принципа его построения при выполнении достаточно мягких исходных ограничений определяется известным законом Шеннона. Огромная практическая важность обращения к этой разновидности математического аппарата заключается в том, что он связывает воедино шумовые характеристики тракта и энергетические параметры приёмо-передающей аппаратуры.
Для рассматриваемого случая четырёхпарного симметричного тракта шенноновская пропускная способность ищется как

где: P_S — мощность сигнала на входе приёмника; P_N — мощность шума на входе приёмника.

Коэффициент 4 перед интегралом учитывает факт того, что в симметричных трактах используется параллельная передача по четырём парам одновременно. Кроме того, в процессе проведения практических расчётов верхний предел интегрирования выбирается конечным.

Необходимость обращения к интегральной форме записи закона Шеннона обусловлена сильной зависимостью шума от частоты, что обусловлено быстрым падением всех без исключения разновидностей переходного затухания по мере её роста. Корректность применения шенноновского подхода обусловлена тем, что ширина полосы, которая требуется для передачи 40-гигабитного сигнала, превышает 1 ГГц, а сам переходной шум в столь широкой полосе может вполне рассматриваться как гауссовский.

Достигнутый на данном этапе развития техники уровень полупроводниковой электроники позволяет создавать удовлетворяющие требованиям практики приёмопередатчики в том случае, если фактическая пропускная способность С тракта не превышает 60% от шенноновской. Иначе говоря, на практике должно выполняться неравенство С ≤ 0,6 C_Sh.

На рис. 1 представлена заимствованная из литературы* зависимость шенноновской пропускной способности симметричного тракта с параметрами категории 7а при различных значениях верхней граничной частоты f. При f > 1 ГГц применялась линейная экстраполяция частотно-зависимых характеристик за пределы стандартного диапазона. Из результатов расчёта однозначно вытекает невозможность решения поставленной задачи простой пересертификацией имеющейся продукции. Кроме того, необходимо выполнение новых разработок и существенное (минимум в 1,5-2 раза) наращивание верхней граничной частоты.

Рис. 1. Зависимость шенноновской пропускной способности симметричного тракта
от его протяжённости и верхней граничной частоты сигнала

ЗАДЕЛ В ОБЛАСТИ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

Практическая реализация кабельного тракта СКС независимо от типа применяемой элементной базы требует наличия всего двух компонентов — линейного кабеля и разъёмного соединителя. Шнуровой кабель отличается от линейного (инсталляционного) преимущественно использованием в его конструкции гибких многопроволочных проводников. Он может рассматриваться как один из вариантов линейного изделия.

Задача удвоения верхней граничной частоты симметричного четырёхпарного кабеля традиционной конструкции относительно категории 7а не является абсолютно новой для электротехнической промышленности. Она была довольно успешно решена ещё в середине первого десятилетия нового века французской компанией Acome, которая практически продемонстрировала возможность её увеличения до 2,2 ГГц.

Анализ частотной зависимости шенноновской пропускной способности показывает, что в описывающем его аналитическом соотношении под интегралом находится логарифм известного в технике СКС параметра ACR (защищённости). Известно, что величина ACR независимо от разновидности защищённости монотонно падает по мере роста частоты. При этом скорость падения определяется как ростом затухания, так и уменьшением переходного затухания. В процессе нормирования второго параметра, который определяет ACR, т.е. переходного затухания, принимается линейная в логарифмическом масштабе модель её частотного изменения. На рис. 2 приведены паспортные частотные зависимости изменения величины переходного затухания на ближнем конце для четырёх различных серийных образцов инсталляционных кабелей европейских производителей, конструкции которых могут быть использованы в качестве прототипа при разработке 40-гигабитных линейных изделий. Из них следует, что линейно-монотонная модель для данного случая оказывается слишком грубой (до частоты примерно 100 МГц все кабельные изделия имеют неизменный NEXT) и требует замены на более адекватную.

Практическая необходимость выполнения подобной коррекции объясняется сочетанием следующих двух факторов: 

• шенноновская пропускная способность в случае симметричных четырёхпарных кабелей определяется в первую очередь низкочастотной частью ACR, т.е. той областью спектра, где постоянство NEXT не учитывается моделями действующих стандартов;
• корректное измерение NEXT на уровне свыше 100 дБ превращается в достаточно сложную задачу.

В рамках иллюстрации последнего положения вполне допустимо сослаться на компанию Datwyler, которая в технических данных своей кабельной продукции категории 7а указывает на частотах до 250 МГц значение NEXT в форме > 103 дБ.

В области разъёмных соединителей, как показали результаты последних экспериментов, требуемые параметры вполне обеспечиваются обоими стандартными типами изделий: Tera — компании Siemon и GG45 — компании Nexans. Кроме того, для решения данной задачи может быть задействован разъём ARJ45 компании Bel Fuse, который вполне может считаться одним из вариантов GG45. Характеристики всех упомянутых изделий таковы, что в данной области вполне может быть задействован механизм пересертификации.

Tera, как изделие, технологически более отработан. Его большим преимуществом является то, что, кроме разработчика, это изделие серийно выпускают по лицензии несколько других производителей. На стороне GG45 находится возможность прямого подключения вилки RJ45 без применения адаптера в корпусном или шнуровом исполнении. Последнее свойство весьма ценно с учётом больших объёмов применения в ЦОД оборудования со скоростями 1 и 10 Гбит/с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Стандартное оборудование информационных кабельных систем категории 7а не в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к линиям следующего поколения скоростей, и в первую очередь из-за недостаточной дальности действия.

При достигнутом уровне техники возможность перехода на новую ступень скоростей с использованием электропроводных кабелей является доказанным фактом, хотя и потребует проведения определённого объёма НИОКР.

В качестве основы 40-гигабитных линий следует использовать только полностью экранированную элементную базу, отвечающую на сегодняшний день требованиям улучшенной категории 7а. Основным направлением работы по её адаптации на новый диапазон скоростей должно являться наращивание верхней граничной частоты нормирования характеристик до значений примерно 2-2,5 ГГц, что приведёт к достижению требуемой пропускной способности.

Рис. 2. Частотная зависимость параметра NEXT для серийных симметричных горизонтальных кабелей с повышенной граничной частотой, выпускаемых европейскими производителями

С учётом технических сложностей определения величин переходного затухания заметно выше 100 дБ современными измерительными приборами и характера зависимости пропускной способности тракта от верхней граничной частоты в процессе нормирования не исключён отход от традиционной линейной аппроксимации частотной характеристики допустимых переходных влияний в пользу более сложных моделей, например, применение для этой цели линейно-ломаных шаблонов.

В симметричных линиях СКС со скоростью передачи 40 Гбит/с технически оправдан частичный или полный отказ от задания предельной протяжённости тракта в 100 м в пользу более умеренного значения, например, уже апробированной на категории 6а величины 55 м.

Переход на медножильные решения для реализации линий протяжённостью не выше 30 м в случае правильной реализации проекта не приводит к существенному усложнению системы кондиционирования и увеличению энергопотребления на перспективных скоростях 40 и 100 Гбит/с, т.е. не ухудшает ключевой показатель энергоэффективности ЦОД, которым является коэффициент PUE.

* Suitability of Category 7A/Class FA As A "Future Proofing" Media For 40 Gbps Applications. Commscope. White Paper. April 2012. — 13 p.