Витая пара: десять гигабит под прицелом

Олег Василик, СЕТИ и Телекоммуникации

За десять лет существования в реализациях Ethernet на витой паре удалось обеспечить стократное увеличение производительности. Казалось бы, витая пара уже не располагает возможностями для роста, но сегодня ведутся работы по стандартизации решений, которые позволят покорить десятигигабитный рубеж.

Не надо быть истинным знатоком автоспорта, чтобы понять, что максимум скорости от гоночного болида можно получить только на специальной трассе. В принципе, подобные автомобили могут ездить и по обычным дорогам. К тому же один из них совсем недавно покорил вершину Ай-Петри. Но выходить на штатные режимы, а уж тем более демонстрировать все свои способности в гонке современные болиды могут на специально подготовленной трассе, и то если на ней нет мусора, деталей конструкции поврежденных машин или пролитого масла. Причем такая трасса может проходитьпо городу.

В какой-то степени задачу, подобную организации трассы "Формулы-1" в городской черте, решает сейчас рабочая группа IEEE 802.3an, занимающаяся реализацией чемпионского в секторе локальных сетей приложения, десятигигабитного Ethernet, на столь привычных всем медных линиях. Вопрос только в том, какими должны быть эти линии и каковы особенности десятигигабитной передачи по ним.

Время разбрасывать камни

Работы над стандартом 10 Gigabit Ethernet на витой паре ведутся с ноября 2002 года. Тогда комитетом IEEE 802.3 была сформирована исследовательская группа, задача которой состояла в определении возможностей для передачи десятигигабитного трафика с использованием технологии Ethernet по витой паре с длиной линии до ста метров. Это приложение получило обозначение 10GBaseT – широкополосная передача данных со скоростью 10 Гбит/с по витой паре (T – twisted pair).

Потребность в подобном решении изначально мотивировалась высокой стоимостью оптических вариантов 10 Gigabit Ethernet. Такой исходный посыл является далеко не бесспорным, ведь для достижения столь высокой скорости передачи по витой паре требуются изощренные алгоритмы обработки сигнала, которые должны быть куда более сложными, чем у гигабитного предшественника. Впрочем, подобный момент прекрасно отображает предкризисную ситуацию в телекоммуникациях, когда всем предлагалось взять как можно больше пропускной способности, ведь неизвестно, какой производительности информационных систем потребует день грядущий.

Этот день настал, и большинство подобных призывов, за которыми фактически ничего не стояло, оказалось мыльными пузырями.

В последнее время в некоторых публикациях (десятигигабитная реализация Ethernet на витой паре пользуется широкой популярностью в средствах масс-медиа, в чем легко можно убедиться, если задать на поисковом сервере запрос 10GBaseT) откровенно пропагандируется кабельное оборудование улучшенной шестой и седьмой категории. Мол, медь дорожает, и нужно поспешить с инвестициями в кабельную систему на уровне самых современных требований. Возможно, это вынудило рабочую группу определить для себя, что основным ориентиром в исследованиях является поддержка уже установленных кабельных систем, то есть что она придерживается нынешних тенденций, касающихся продвижения телекоммуникационного оборудования.

Итак, суммарное количество установленных портов неэкранированных кабельных систем превышает 800 млн., довольно значительную долю которых уже составляют решения класса E. В этом случае, даже если число проектов, использующих 10GBaseT, после принятия стандарта будет соответствовать уровню реализации Gigabit Ethernet по меди, можно получить приличные объемы поставок оборудования. Еще одной сферой применения является реализация кластерных подключений в центрах данных. Причем в презентации IEEE 802 10GBaseT Tutorial, представленной в ноябре 2003 года на встрече IEEE в Альбукерке, данное применение приводится под номером один. Благодаря использованию десятигигабитного Ethernet на меди предполагается повышение плотности размещения компьютерного оборудования (поскольку нет необходимости устанавливать медиа-конверторы), достижение наибольшей эффективности в агрегировании трафика, которая, в частности, будет выше, чем в случае 1000BaseT. В качестве дополнительного преимущества для такого применения был представлен тот факт, что многие центры данных находятся в стадии планирования или начальной стадии развертывания. Следовательно, для них не должно возникать проблем в плане соответствия используемых технологий существующим кабельным решениям.

Технически предпосылки

Помимо рыночных возможностей и позиционирования приложения 10GBASE T по передаче данных, исследовательская группа определила основные технические ориентиры, которым должна соответствовать разработка новой спецификации Ethernet. Прежде всего, это преемственность решений нафизическом уровне, включая поддержку формата кадра Ethernet и сохранение величин минимальной и максимальной длины кадра согласно требованиям действующих стандартов группы 802.3, а также автоматический выбор (автосогласование) портом сетевого устройства скорости передачи из ряда от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с, в зависимости от того, какая разновидность сетевой технологии используется там, где регистрируется данный порт.

Кроме того, функционирование 10 Gigabit Ethernet на витой паре должно осуществляться только в полнодуплексном режиме.

Основой для построения физического уровня определены электрические кабельные решения, соответствующие требованиям последних редакций стандартов ISO/IEC и TIA. Это системы на базе четырехпарного кабеля с волновым сопротивлением 100 Ом, в которых используется принцип "иерархической звезды" и модель построения горизонтальных кабельных трактов с четырьмя коннекторами (коммутационная панель для подключения активного оборудования, коммутационная панель горизонтальной подсистемы, точка консолидации в линии и телекоммуникационная розетка на рабочем месте).

Рис. 2 Сферы применения разных реализаций технологии 10 Gigabit Ethernet

Единственное "но", причем весьма существенное с точки зрения стандартов, – это сокращение длины кабельных трактов. Так, одной из задач исследовательской группы IEEE 802. 3an была оценка возможности передачи десятигигабитного трафика по кабельным трактам на меди длиной до 100 м в случае использования компонентов седьмой категории или 55–100 м для компонентов шестой категории. Возможное сокращение длины до 55 м мотивируется тем, что при стандартной длине канала класса E не может гарантироваться передача с требуемой скоростью, поскольку рабочие частоты превышают граничную частоту для данного кабельного оборудования. Выбор длины был сделан на основании оценок количества кабельных трактов разной длины. Согласно данным IEEE, до 70%кабельных трактов не превышают 55 м.

В этом году в IEEE принято окончательное решение о стандартизации 10 Gigabit Ethernet, к которой приступила рабочая группа IEEE 802.3an. Первая черновая редакция стандарта должна появиться в конце текущего года, а его окончательное утверждение запланировано на июль 2006 года. Причем существенным моментом, характеризующим разработку стандарта, должно стать сотрудничество рабочей группы с ISO/IEC JTC 1/SC 25 и TIA на предмет уточнения длины и других характеристик кабельных трактов, а также разработки спецификаций для улучшенного кабельного оборудования класса E.

Оглядываясь назад

Для того чтобы лучше уяснить технические особенности реализации 10 Gigabit Ethernet на витой паре, необходимо сделать небольшой экскурс в историю развития этой сетевой технологии, начиная с 10BaseT.

Рассчитанная на работу по двум парам третьей категории технология 10BaseT отличалась простотой и неприхотливостью. Это позволило ей стать лидером среди технологий, применяющихся в секторе локальных сетей. Причем данная технология продолжает широко использоваться и поныне как довольно эффективное средство для подключений сетевых устройств на рабочих местах. Первые подвижки в направлении стомегабитных решений касались категории 3:это была использующая все четыре пары технология 100BaseT4. Следующий прорыв в завоевании рынка сделала двухпарная технология 100BaseTX, рассчитанная на работу с кабельным оборудованием пятой категории. Она также оказалась более чем успешной, и на сегодняшний день сетевые интерфейсные карты на 10/100 Мбит/с являются стандартным выбором в комплектации тех же офисных компьютеров.

Гигабитный Ethernet на витой паре изначально позиционировался как технология для использования инсталлированной базы категории 5. Но вместо этого пришлось осуществить радикальную ревизию кабельных стандартов и ввести контроль дополнительных параметров. Поэтому произошло отклонение от сроков окончательной стандартизации, длившееся немногим более года. Это время потребовалось на уточнение особенностей обработки сигнала, а также разработки спецификаций для параметров эквивалентного переходного затухания на дальнем конце и величины возвратных потерь.

Результатом развития предыдущих реализаций Ethernet на витой паре стало увеличение пропускной способности в сто раз (с 10 Мбит/с до 1 Гбит/с), и произошло это в течение десяти лет. Таким образом, наращивание скорости передачи в разных реализациях технологии Ethernet согласуется с одной из формулировок закона Мура. В соответствии с этой формулировкой производительность систем удваивается каждые восемнадцать месяцев.

Если же принять во внимание работу кабельных систем, то оказалось, что для реализации такого роста производительности приложений вполне достаточно семикратного расширения частотного диапазона, используемого реализациями на витой паре (с 16 МГц до 125 МГц). Достичь этого удалось благодаря применению специальной обработки сигнала, а также одновременной передаче по всем парам и сложным системам кодирования.

Техника передачи по меди

Итак, подходы к организации передачи меняются с течением времени. В ранних реализациях Ethernet на витой паре достаточно было контролировать величину вносимого затухания на кабельном тракте, а также уровень переходного затухания на ближнем конце (Near End Crosstalk, NEXT).

Соотношение этих величин фактически являлось соотношением "сигнал-шум". Данный параметр получил название "соотношение затухания и перекрестных помех на ближнем конце" (Attenuation To Crosstalk Ratio, ACR). Оно определяется как разность величин затухания и перекрестных помех на ближнем конце, выраженных в дБ, то есть измеренных по логарифмической шкале.

В ходе разработки стандарта для гигабитного Ethernet на меди эти характеристики кабельного оборудования дополнились показателями переходного затухания на дальнем конце, а также оценкой суммарного влияния на каждую из пар, оказываемого остальными тремя парами. Ведь необходимо было организовать одновременную передачу по каждой из пар, которая к тому же ведется в обоих направлениях. Также рассматривались механизмы эхокомпенсации, благодаря которым обеспечивается качественная передача гигабитного трафика по кабельному оборудованию класса D. Как уже отмечалось, сигнал от передатчика и сигнал, движущийся к приемнику, присутствуют в тракте одновременно. Естественно, что часть передаваемого сигнала поступает на приемники на ближнем конце в виде отражений. Поскольку приемник постоянно отслеживает последовательности, передаваемые передатчиком на ближнем конце, он попросту вычитает их из принятого сигнала. Этот подход получил название "фильтрации на основе выбора из конечной совокупности принимаемого сигнала" (Finite Impulse Response, FIR).

Еще один неприятный момент заключается в перекрытии импульсов друг другом из за неравномерности распространения сигнала в разных парах. Как следствие, искажается форма последовательности, в результате чего приемник будет фиксировать импульс в той части последовательности, где его не должно быть. Для решения этой проблемы используются высокопроизводительные эквалайзеры, способные довольно точно восстанавливать изначальную форму сигнала.

На десяти гигабитах

Новый стандарт предполагает применение тех же механизмов кодирования, что и Gigabit Ethernet. При этом должна обеспечиваться величина ошибки передачи бита около 10–12, что декларировалось в начале работы исследовательской группы. В частности, разработчики стандарта 10GBaseT предложили использовать десятиуровневое кодирование PAM, в котором восемь уровней используются для передачи сигнала, а два – обеспечивают коррекцию ошибок.

Рис. 4 Источники помех в кабельном оборудовании

Основу функционирования оборудования в 10GBASE T составляет та же полнодуплексная передача по всем четырем парам. Соответственно, десятигигабитный поток расщепляется на четыре потока по 2, 5 Гбит/с. Для передачи одного символа используются три бита. В итоге получается скорость передачи 833, 33 Мбод/с.

Негативные воздействия на сигнал – в основном те же, что и для Gigabit Ethernet:затухание в тракте, межпарные наводки на ближнем и дальнем конце, отражения и вариации задержек в силу разной скорости распространения в парах. Помимо упомянутых приемов, выдвигается обязательное требование компенсации межпарных наводок на дальнем конце на уровне 20 дБ. Такая компенсация реализуется и в некоторых гигабитных трансиверах, но для 1000BaseT она не является обязательной.

Относительно новым является вопрос о паразитном влиянии соседних кабелей. Оговорка об относительности является вполне обоснованной, поскольку эта проблема поднималась и в контексте Gigabit Ethernet, но кабельные решения оказались устойчивыми к такого рода воздействиям, равно как и к другим электромагнитным воздействиям, что требует реализации защищенных кабельных каналов или же использования предпочтительно экранированных систем.

Кабельные решения

Приложение передачи данных 10GBASE T представляет собой сетевую технологию, физический уровень которой строится на основе кабельных трактов на витой паре. Эти тракты могут быть следующими:

• 55 метровый канал класса E в соответствии с ISO/IEC 11801 2002 или канал шестой категории по стандарту ТIA на неэкранированной витой паре;
• 55–100 метровый канал класса E на экранированной витой паре;
• 100 метровый канал улучшенного класса E или канал расширенной шестой категории на неэкранированной витой паре;
• 100 метровый канал класса F (экранированный кабель с индивидуальным экраном для каждой пары).

Вопрос о стандартизации укороченных трактов и другие моменты, связанные с реализацией 10GBaseT по уже установленной в соответствии с текущими требованиями проводке, пока еще подлежат обсуждению. В качестве одного из вариантов предлагается снижение рабочей частоты потока до такого уровня, чтобы она оказалась в пределах граничной частоты для кабельных решений класса E.

Рис. 5 Блок-схема трансивера 10GBaseT

Существует множество вариантов предложений по реализации кабеля и соединительного оборудования расширенной шестой категории.

Производители поднимают граничную частоту кабельных решений и реализуют разные технические уловки, чтобы их продукция поддерживала 10GBaseT. Причем нельзя сказать, что в этом направлении необходим какой-то прорыв. Достаточно вспомнить категорию 5+середины девяностых: это вовсе не категория 5Е, а скорее, прототип шестой категории (к тому же окончательные спецификации последних разрабатывались для меньших граничных частот).

Остается только стандартизировать наиболее эффективные предложения производителей. Причем снова актуализируется вопрос о модульном интерфейсе, который смог бы нормально функционировать в более жестких условиях.

Зеленый свет "семерке"

Седьмая категория является единственной на данный момент стандартизированной средой передачи, которая без каких либо оговорок способна обеспечивать поддержку 10GBaseT в трактах длиной до 100 м. Кроме того, в случае использования седьмой категории существенно меняется картина влияния шумов, поскольку основным для данного типа оборудования является тепловой шум.

Достигается это благодаря особенностям конструкции кабеля и модульных разъемов. Пары составляются из жил диметром не менее 0,58 мм. Каждая пара заключается в индивидуальный экран из фольги. Экранирование каждой пары на 360° обеспечивается и в модульном разъеме. Соответственно, для такого кабельного оборудования являются менее ощутимыми наводки, в том числе и межкабельные.

Вполне возможно, что интенсивное обсуждение проблематики десятигигабитного Ethernet на меди в значительной мере инициируется производителями кабеля и коммутационного оборудования седьмой категории. И это понятно: появляется приложение, которое открывает вполне определенные перспективы именно для этой продукции, ведь до сих пор в сознании пользователей и инсталляторов она находилась где-то на периферии. Все знают о наличии подобных систем, но мало кто решается на их установку (доля класса F среди инсталлированных решений оценивается на уровне 0,4%), поскольку кабельное оборудование седьмой категории отличалось только по стоимости, не давая при этом ощутимых преимуществ в реализации приложений.

Наконец, через почти десять лет после появления этой категории у маркетологов и технических специалистов появится возможность оправдать средства, потраченные на ее продвижение и стандартизацию.

Говоря о перспективе 10GBaseT, необходимо отметить, что в техническом плане любая задача является интересной, и наработки, полученные в ходе ее решения, в случае неблагоприятной рыночной "судьбы" могут использоваться в других направлениях, например, в системах доступа. Если же данная технология будет пользоваться ощутимым спросом, то это может повлечь за собой постановку новых технических задач, таких как уточнение стандартов на кабельные системы.

Межплатформенные наводки и способы их ограничения

Кабели, как правило, собираются в пучки, которые расходятся от коммутационных пунктов. При отсутствии экрана происходит взаимное влияние пар из разных кабелей, расположенных вблизи друг от друга. Эти межкабельные наводки получили название Alien Crosstalk, что означает "переходные помехи от других кабелей" (буквально "перекрестные наводкиот других кабелей").

Проблема усугубляется тем, что в основном производители выдерживают шаг свивки пар неизменным.

В случае межпарных наводок добиться максимального уровня переходного затухания удается за счет различия шага свивки в каждой паре. Подобный прием можно использовать для того, чтобы существенно снизить межкабельные наводки. Он состоит в варьировании шага свивки отдельной пары. Кроме того, могут варьироваться толщина оболочки кабеля и взаимное размещение пар в кабеле.

Таким образом предполагается решать данную проблему для вновь произведенных кабелей. Пока остается открытым вопрос о том, что можно сделать для уже установленной кабельной проводки.

Седьмая категория: что предшествовало появлению приложения

История появления и стандартизации кабельного оборудования седьмой категории заслуживает особого внимания.

Уже с момента стандартизации пятой категории в 1995 году встал вопрос о разработке спецификаций для более производительных кабелей и соединительного оборудования. Официальное признание подобных кабельных систем произошло на 26 м совещании рабочей группы ISO/IEC JTC1 SC25 WG3, проходившем с 15 по 17 сентября 1997 года. Там были определены два новых на тот момент класса кабельных решений и соответствующие категории для компонентов: шестая категория и, следовательно, класс E с граничной частотой 200 МГц, а также седьмая категория и класс F с граничной частотой 600 МГц. Спецификации последней разрабатывались на основе немецкого национального стандарта DIN 44312 X.

Проблема модульного разъема седьмой категории оказалась весьма серьезной. Рассматривались восемь разработок разных компаний, представляющие принципиально новые конструктивные решения.

Ответственный за модульные интерфейсы комитет IEC SC 48B принял стандарты разъемов седьмой категории IEC 60603 7 7 и IEC 61076 3 104 только для двух предложений, выдвинутых соответственно компаниями Alcatel (сейчас продвижением этих разъемов занимается компания Nexans, а до середины 2000 года – подразделение Alcatel Cable and Components) и Siemon.

Особенностью разъема Nexans является обратная совместимость с RJ 45. Вилки этого разъема (GP 45) оснащены механизмом переключения типов коммутации под гнездо Nexans GG 45 (седьмая категория, задействуются 4 пары контактов по углам, разделенные экранами)или же под RJ 45.

Разъемы IEC 61076 3 104, то есть Siemon Tera, создавались как уникальное конструктивное решение, не предполагающее поддержку RJ 45. Контактные группы в этих разъемах размещаются по двухрядной схеме с разделением пар экраном. Вилки разъема Tera выпускаются в четырех , двух и однопарном исполнении, что позволяет организовывать в кабеленезависимую работу до четырех приложений.