Вскоре и по медным проводам

Уже после утверждения в 2002 г. стандарта на 10 Gigabit Ethernet по оптическому волокну высокая стоимость оптических компонентов вынудила международную организацию IEEE 802.3ае заняться подготовкой различных проектов стандарта для 10 Gigabit Ethernet по медным витым парам.

На данный момент для локальных сетей 10 Gigabit Ethernet по оптическому волокну уже принято четыре стандарта: 

• 10GBaseLX4 с длиной волны 1310 нм и четырехканальным спектральным уплотнением (Wavelength Division Multiplexing, WDM); эта технология предусматривает применение лазеров внутренней модуляции с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) или лазеров с распределенной обратной связью (Distributed FeedBack, DFB). Дальность передачи для многомодового волокна составляет до 300 м, а для одномодового — до 2 км;
• 10GBaseSR с длиной волны 850 нм; здесь также используется VCSEL, а дальность передачи по многомодовому волокну — до 300 м;
• 10GBaseLR с длиной волны 1310 нм; с ним применяются лазеры DFB с внутренней модуляцией. Дальность передачи для одномодового волокна составляет до 40 км;
• 10GBaseER с длиной волны 1550 нм; технология базируется на лазерах DFB с внешней модуляцией. Дальность передачи для одномодового волокна — до 40 км.

Даже самые дешевые многомодовые варианты пока слишком дороги. Большая по сравнению с медными кабелями дальность передачи необходима лишь немногим пользователям. Поэтому IEEE приступил к разработке варианта 10 Gigabit Ethernet для симметричных медных кабелей. Начало было положено осенью 2002 г., и уже следующим летом выяснилось, что технически идея вполне реализуема. Официальный старт 10GBaseT был дан на последней встрече IEEE 803 в ноябре 2003 г. в Альбукерке.

В рабочей группе IEEE 802.3ak с 2002 г. обсуждается еще один «медный» вариант 10GigE — 10GBaseCX4. Утверждение этого стандарта ожидается в январе 2004 г., он обеспечивает соединение 10GigE длиной 15 м на базе твинаксиальных кабелей. Такие соединения предназначены для непосредственного подключения коммутаторов и в классических локальных сетях играют второстепенную роль.

Ниже рассматривается пока еще разрабатываемый стандарт 10GBaseT для локальных сетей.

Параметры

Комитет IEEE 802.3ae считает возможной реализацию медных линий для передачи данных, но исследовательской группе 10GBase требуется прояснить некоторые весьма существенные вопросы. Одновременно рабочая группа получила подробный график разработки стандарта вплоть до его утверждения в июне 2006 г.

Ранее IEEE определил следующие ориентиры для дальнейшего развития 10GBaseT:

• поддержка формата кадров Ethernet 802.3 при одновременном сохранении минимального и максимального размера кадров 802.3;
• поддержка «автоматического согласования» для всех форматов Ethernet (10/100/1000/ 10000 Мбит/с);
• поддержка исключительно полнодуплексного режима;
• отказ от распознавания конфликтов (например, посредством расширения кадров), как это имело место в технологии многостанционного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD);
• использование кабелей с витыми парами в качестве среды передачи данных.

Проектирование и построение сети, которая удовлетворяла бы требованиям предприятия, — задача нетривиальная. Широкий выбор имеющихся сегодня технологических возможностей означает, что в распоряжении потребителей имеется и большое количество различных решений. Следует ли пользоваться беспроводными технологиями? Какие нужно выбирать решения — аппаратные или программные? Существует множество реализаций, заслуживающих доверия, и они могут стать для администраторов практическим руководством для решения поставленной задачи и помочь в выборе правильного сочетания технологий и проектных решений, которые будут соответствовать специфике предприятия. Я начну с напоминания основ любого сетевого проекта, после чего мы рассмотрим некоторые проверенные методы сетевого проектирования.

Если первые четыре пункта представляют собой последовательное развитие существующих технологий и тенденций, то последний нуждается в серьезном обсуждении и проработке.

Полнодуплексный поток данных со скоростью 10 Гбит/с должен, как и в случае Gigabit Ethernet, распределяться между всеми четырьмя парами кабеля. Соответственно, по каждой паре без кодирования передается 2,5 Гбит/с. Для 10GBaseT запланировано кодирование PAM-10. Ввиду значительных накладных расходов на исправление ошибок, помимо восьми состояний сигнала для передачи данных предусмотрены еще два для исправления ошибок. При восьми используемых состояниях сигнала на каждой паре получаем рабочую частоту 312,5 МГц. Она заметно выше максимального значения для Категории 6 (250 МГц) и потому предполагает применение кабеля Категории 7 (600 МГц). В Германии подобные кабели уже давно являются стандартными и широко распространены. Все важные для передачи в этом частотном диапазоне параметры — NEXT, FEXT, PowerSum NEXT, PowerSum ELFEXT (перекрестные помехи на ближнем и дальнем конце) — хорошо известны и надежно контролируются. В случае неэкранированной витой пары ситуация иная. Современные подобные системы заканчиваются Категорией 6 (250 МГц).

Вдобавок возникает еще одна серьезная проблема: в диапазоне частот свыше 250 МГц в случае использования пучка из нескольких кабелей (например, в кабельном канале) перекрестные помехи между отдельными кабелями (Alient NEXT) очень велики и не могут быть отфильтрованы. Из-за этого возмущающего воздействия получатель не может выделить сигнал, и надежная передача данных оказывается невозможной. Исследования рабочей группы IEEE выявили, что при общей длине линии в 100 м в случае кабелей Категории 6 разница между сигналом и шумом (Alient NEXT) приблизительно на 20 дБ меньше, а значит, передача 10GigE оказывается невозможной (см. Таблицу 1).

Участники исследовательской группы IEEE 10GBase сделали следующие выводы.

• Необходимо проверить, насколько возможно и практично ограничение длины канала для 10GBase величиной менее 100 м.
• Витые пары и соединители должны быть существенно усовершенствованы для использования 10GigE.
• Практика монтажа неэкранированных витых пар требует пересмотра.

Применение экранированной системы — в идеале с попарно экранированным кабелем — участники исследовательской группы считают вполне оправданным. По их мнению, Категория 7/Класс F представляет собой весьма перспективное решение.

С точки зрения европейцев, стремление достигнуть поставленных целей лишь толкает на авантюры. Почему на исследование возможности работы 10GBaseT по неэкранированным витым парам тратится столько усилий без уверенности в том, что это когда-либо будет функционировать? Разве нельзя просто остановиться на экранированных кабелях и соединительных компонентах? В этих системах проблема межкабельных помех практически отсутствует. Однако пользователям и планировщикам в странах, где до сих пор доминировали неэкранированные инсталляции, очень сложно полностью отказаться от практикуемого до сих пор способа монтажа.

Подходы к решению

Для ускорения дальнейшего развития 10GBaseT некоторые участники представили на встрече IEEE в Альбукерке несколько подходов к решению проблемы «Межкабельные перекрестные помехи в инсталляциях с витыми парами». Два из них выглядят достаточно любопытными, но показывают бризантность перекрестных помех в инсталляциях с витыми парами.

Первое предложение описывает полный тракт длиной 100 м на базе специальной витой пары Категории 6. Основная мысль заключается в том, что 10 Gigabit Ethernet должен работать по этому каналу. Самое интересное начнется, когда разработчикам придется подтвердить эту мысль при более точном соблюдении конкретных технических условий. Используемый в тестовой инсталляции кабель имел лучшую по сравнению со стандартной витой парой Категории 6 величину межкабельного переходного затухания Alien NEXT, что стало возможным благодаря общему экрану из фольги. Максимальная длина неэкранированных соединительных кабелей не превышала 2 м. Во время тестирования применялись экранированные соединительные модули с форм-фактором keystone. Иными словами, без чрезмерного преувеличения можно говорить о практически полностью экранированной системе, поскольку единственными действительно неэкранированными компонентами в смонтированном тракте являются соединительные кабели. К тому же длина 2 м явно недостаточна для практического применения.

Второе предложение позволяло ослабить межкабельные перекрестные помехи Alien NEXT по соединительному кабелю. Его длина и в этом случае не превышала 2 м, но в данном подходе предусматривались экранированные соединительные кабели. Участники исследовательской группы отметили представленное предложение как очень практичное, поскольку соединительные кабели в существующих неэкранированных инсталляциях могут быть легко заменены, а соответствующие затраты невелики.

Все перечисленные проблемы вошли в каталог требований IEEE к проводке. Так, 10GBaseT должен функционировать на всех линиях с четырьмя соединениями по кабелям с четырьмя парами при соответствующей установленной длине канала. Дополнительно принята следующая оговорка: «Функционирование 10GBaseT обеспечивается без ограничений по каналу длиной 100 м Класса F (600 МГц). В случае канала Класса Е допустимые расстояния могут составлять от 55 м (неэкранированная витая пара) до 100 м (экранированная витая пара)».

Тракт передачи длиной 55 м (включая соединительные кабели) абсурден с точки зрения существующих инсталляций и стандартов. Добьется ли этот вариант международного признания — сказать сложно. С одной стороны, разработка 10GBaseT пока еще только начинается, а с другой, ограничение в 55 м представляет чисто академический интерес для практически всех инсталляций в Германии, поскольку здесь, как правило, используется экранированная проводка.

IEEE и ISO/IEC

То, что 10GBaseT поддерживает звездообразную структурированную проводку локальных сетей, а также соединения точка—точка, неудивительно. Международная комиссия по стандартизации проводки локальных сетей (ISO/IEC) вместе с исследовательской группой IEEE занимается потенциально необходимой адаптацией определения тракта. Будущая способность 10GBaseT удовлетворять всем требованиям по устойчивости к электромагнитным помехам оценивается положительно.

Комиссии IEEE и ISO/IEC задали следующие ориентиры: IEEE 802.3 требует от ISO/IEC определить системы Класса E/F, с диапазоном рабочих частот до 625 МГц, и, кроме того, составить руководство по надежному подавлению межкабельных перекрестных помех. Кроме того, IEEE считает уместным разработать спецификацию полевого тестера межкабельного переходного затухания. Впрочем, относительно практической пользы полевого измерения этого значения высказывается определенный скептицизм.

И в заключение следует заметить: на вопрос «Появится ли «медный» вариант 10 Gigabit Ethernet?» ответ не может вызывать сомнений, теперь всех интересует, когда он появится.

Статья опубликована с разрешения журнала сетевых решений "LAN", №05 2004