Основа гигабитных сетей

Опубликовано в журнале Byte №2 2002

Е.К. Запорощенко

Как обеспечить требуемую полосу пропускания в СКС на больших расстояниях? Отчасти эту проблему решает новое поколение оптических излучателей типа VCSEL. Требуемая полоса пропускания на больших расстояниях здесь обеспечивается за счет выбора многомодового кабеля, оптимизированного для лазерной накачки. Одно из таких решений — оптическое волокно Gigalite II от Nexans.

Одно из наиболее перспективных направлений развития современных структурированных кабельных систем (СКС) — оптические сети, строящиеся на основе волоконно–оптических кабелей. Технология Gigabit Ethernet становится реальностью: стандарт IEEE 802.3z (раздел «Оптоволокно»), принятый в июне 1998 г., позволяет достичь гигабитных скоростей, используя оптические кабели. Уровень нагрузки на современные сети передачи данных прямо пропорционален числу подключенных к ним компьютерных систем, и стандарт 10 Gigabit Ethernet с недавнего времени перестал быть просто концепцией. Разработкой его спецификаций занимается проблемная группа IEEE 802.3ae. Принятие нового стандарта ожидается в марте 2002 года. Поэтому администраторы стали всерьез задумываться о развитии такой сетевой инфраструктуры, которая в будущем смогла бы поддерживать эту технологию. Потребности в увеличении пропускной способности каналов СКС растут экспоненциально. Еще в 1980 требования к граничной частоте полосы пропускания канала СКС составляли лишь 10 МГц, в то время, как в 1993 году эта величина составила уже 100 МГц (см. рис.1). Сегодня разговор идет о каналах с полосой 10 Гбит/с.

Рис. 1 Рост требований к полосе пропусканий кабельной системы

Закон Мура в применении к СКС гласит: «Каждые 10 лет развитие новых технологий передачи информации требует от кабельной системы увеличения полосы пропускания канала на порядок». В мире гигабитных скоростей сеть может очень быстро морально устареть, поэтому чрезвычайно важен правильный выбор оптоволоконной инфраструктуры.

Практический опыт многих предыдущих лет создал иллюзию, что существующие многомодовые волокна способны обеспечить почти неограниченную полосу пропускания в магистралях ЛВС, допуская использование все более высоких скоростей передачи данных. Линейные системы на базе оптоволокна позволили значительно повысить скорость передачи информации и увеличить длину участка прокладки оптоволокна без промежуточной регенерации.

Однако проведенные недавно испытания показали, что традиционные многомодовые оптические магистрали не в состоянии обеспечить требуемую полосу пропускания на расстояниях, превышающих 275 м. Отчасти эту проблему решает появление нового поколения оптических излучателей типа VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) — лазеров поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором, работающих на длине волны 850 нм. Требуемая полоса пропускания на больших расстояниях при этом обеспечивается выбором многомодового оптоволоконного кабеля, оптимизированного для лазерной накачки. В частности, компания «Сонет Текнолоджис» дистрибьютор продукции фирмы Nexans Cabling Solutions; ранее известна как Alcatel Cabling Solutions), предлагает для этих целей новое оптическое волокно Gigalite II.

Кабельные решения Gigalite II предлагаются с волокном стандартов 50/125 мкм и 62,5/125 мкм. На сегодняшний день, пожалуй, только Gigalite II в состоянии обеспечить требуемую полосу пропускания на больших расстояниях.

В ходе разработки технологии Gigabit Ethernet было обнаружено искажение сигнала с длиной волны 1300 нм (при работе на 1000Base–LX) на некоторых многомодовых кабелях низкого качества, имеющих физический дефект в центре сердечника оптоволокна. Искажения, вызванные различными скоростями распространения мод в сердечнике оптического волокна, получили название явления дифференциальной модовой задержки. В ходе испытаний выяснилось, что можно избежать искажений, используя специальные соединительные шнуры, получившие название MCP «соединительный шнур с равновесным модовым распределением», которые обеспечивают специальные условия ввода излучения в оптическое волокно с небольшим смещением от оси волокна многомодового кабеля.

Кабель Gigalite II позволяет обойтись без использования этих дорогостоящих специальных соединительных шнуров.

До настоящего времени метод измерения полосы пропускания был основан на условиях OFL (Over Fill Launch — накачка с модовым переполнением), характерных для светодиодной накачки. Излучатели типа VCSEL и лазерные диоды обеспечивают неполное заполнение оптоволокна. Уменьшение количества мод должно привести к увеличению полосы пропускания, только если профиль показателя преломления оптимизирован в центре волокна.

Рис. 2 Профиль DIP оптоволкна и искажение импульса на приеме

Явление модовой дисперсии значительно снижает скорость передачи оптического сигнала по волокну. Идеальный остроконечный импульс не только претерпевает «уширение», но и теряет часть энергетического спектра за счет эффекта «провала» вершины. Такой эффект обусловлен профилем индекса искажений DIP (Distortion Index Profile) (см. рис. 2,3). Профиль DIP приводит к возникновению временной задержки распространения оптического сигнала в многомодовом волокне. Моды оптического излучения низкого порядка будут приходить быстрее мод более высокого порядка, и это неизбежно отразится на качественных характеристиках канала. Оптическое волокно Gigalite II позволяет избежать задержек сигнала в канале СКС. При его использовании максимальная дальность передачи для Gigabit Ethernet может быть увеличена в два и более раз (см рис.4, табл.1). При этом допускается использовать до 6 коннекторов на канал вместо трех рекомендованных. Максимальные расстояния для различных видов волокна при использовании технологии Gigabit Ethernet указаны на рис.5 (табл.2)

Рис. 3 Влияние профиля DIP на распространение мод в оптоволокне

Рис. 4 Кабельное решение FTTW

Для магистралей распределителей уровня группы зданий, вертикальных участков и свернутых магистралей, а также для оснащения рабочего места существуют универсальные решения. Это FTTW (Fiber To The Workplace) — оптоволокно до рабочего места, соединяющие в себе решения FTTO (Fiber To The Office) — оптоволокно в офис и FTTD (Fiber To The Desk) — оптоволокно до рабочего стола (см.рис.4). Технология FTTW пришла на смену существовавшего до недавнего времени популярного решения CTTD (медный кабель до рабочего места).

В чем же заключаются преимущества такого подхода перед известными решениями, использующими медный кабель? Во–первых, волокно подходит к розетке рабочего места, минуя уровни распределения этажа здания, что позволяет сэкономить на установке коммутационных коробок зонового распределения. Во–вторых, возможно подвести к офису оптические магистрали АТМ (155 Мбит/с) и Gigabit Ethernet. И наконец, в третьих, можно организовать офисные концентраторы на базе оптоволокна с последующим зоновым распределением или доводкой сигнала до рабочего места после преобразования по медному кабелю.

Существует и традиционное решение, при котором оптический кабель зонового распределения прокладывается в необходимом направлении. Для этого используются коммутационные коробки с предустановленными на заводе оптическими разъемами типа SC, ST, MT–RJ или прокладывается магистральное оптоволокно с разъемами МРО до зонового распределителя в офисе с последующим выполнением соединения в коммутационной коробке.

Преимуществами применения разъемов МРО являются быстрота и гибкость выполняемого монтажа на объекте установки. Магистральный оптический кабель с разъемами МРО протестирован в заводских условиях и может содержать 4, 8 или 12 волокон, которые соединяются при помощи таких же разъемов монтажниками на объекте.

И, наконец, доводка оптоволоконного кабеля до рабочего места потребует от монтажников лишь операции оконцовки (терминирования) волокна в розетке. Это стало возможным благодаря специальной сетевой интерфейсной карты Fiber Con PC. Это устройство разработано Alcatel и осуществляет преобразование оптического сигнала в электрический непосредственно в персональном компьютере. Пользователь (или сетевой администратор) должен просто соединить специальным коммутационным шнуром выход электрического интерфейса платы Fiber Con PC и вход сетевого адаптера ПК, а дальнейшая настройка и подготовка к работе происходят автоматически в течение нескольких минут.

Рис. 5 Пример реализации кабельного решения FTTO

На рис.5 представлен пример реализации кабельной системы FTTO. В данном случае ввод оптоволокна в офис выполнен на основе стандартных решений, использующих одномодовое или многомодовое волокно, или Gigalite II. Сетевое приложение Fast Ethernet будет доступно пользователям, работающим как по оптоволоконному кабелю (с использованием сетевых интерфейсных оптических преобразователей Fiber Con PC), так и по традиционному медному кабелю. Переход с оптического сигнала на электрический выполнен на базе оптоволоконных офисных концентраторов класса Fiber Share 100S. При этом пользователи получают возможность работы с сетевым приложением по стандартным медным витым парам.

Сведения об авторе: Запорощенко Евгений Кадарович, к.т.н., заместитель директора по образовательной деятельности НОУ «Нексотель» (www.nexsotel.ru), эксперт СКС Alcatel, Nexans.