Ежегодная международная конференция «ЦОД»

Короче шаг!

20.05.2019

Шаг скоростей сетевых интерфейсов ЛВС сегодня уменьшается. Этот процесс обусловлен необходимостью полнее и с меньшими затратами удовлетворять сетевые потребности вычислительной техники в офисах и центрах обработки данных.

Со второй половины 90-х гг. прошлого столетия сетевая технология Ethernet, несмотря на некоторые ее принципиальные недостатки, заняла в области локальных сетей доминирующее положение. Ее конкуренты -- Token Ring, FDDI (CDDI) и ATM -- уже стали историей. Достаточно перспективное, на первый взгляд, предложение AT&T и Hewlett-Packard это положение поколебать не смогло. Продукт совместной деятельности компаний, единая технология 100VG AnyLAN, соединяла в себе такие важные для локальных применений достоинства, как высокая скорость и простота формирования кадров Ethernet, с одной стороны, и гарантированное время доставки информации Token Ring – с другой. Но высокая стоимость аппаратуры и запоздалый выход на массовый рынок привели к ее провалу.

В отличие от сетей связи общего пользования, для локальных сетей характерны «круглые» значения информационных скоростей передачи. Для техники, которая разрабатывалась до середины первого десятилетия нового века, это 10 и 100 Мбит/с, впоследствии сюда добавились 1 и 10 Гбит/с. Скорость передачи сигнала в линии несколько выше приведенных значений (табл. 1). Поскольку по мере наращивания скоростей эта разница нивелируется из-за перехода на блочные коды, указанные различия в дальнейшем во внимание не принимаются.

В табл. 1 не отражены высокоскоростные волоконно-оптические схемы параллельной передачи. В этих схемах для формирования канала связи исходный цифровой поток на передающем конце представляется в форме композиции отдельных низкоскоростных составляющих, из которых поток после передачи по линии восстанавливается на приемном конце.

Таблица 1 . Информационные и линейные скорости первых поколений сетевых интерфейсов Ethernet 

Тип сетевого интерфейса

Скорость линейного сигнала

Тип линейного кода

10Base-T

20 Мбит/с

Манчестерский

100Base-T

125 Мбит/с

4B5B + MLT

1GBase-T

1,25 Гбит/с

PAM-5

10GBase-T

10,3 Гбит/с

PAM-16


Как видно из табл.1, на ранних этапах развития техники в каждом следующем поколении аппаратуры скорость увеличивалась на порядок. Обусловлено это было следующими причинами:

  • принципиальной неэкономичностью техники Ethernet с точки зрения использования пропускной способности канала связи из-за принятой схемы покадровой передачи и наличия в каждом кадре большого объема служебной информации (преамбулы, заполнителя, адресной информации и т.д.);
  • относительно быстрым моральным устареванием сетевой техники, что компенсировалось увеличением шага наращивания скорости в следующем поколении аппаратуры.

 

Современные и перспективные скорости передачи аппаратуры ЛВС  

Сетевая техника Ethernet, используемая сегодня при построении нижних уровней информационных систем, имеет две основные сферы применения: офисы и ЦОДы. В обеих разновидностях аппаратуры при переходе к каждому следующему поколению скорости передачи данных также растут, однако шаг этого наращивания уменьшается и, в отличие от классических систем, перестает быть кратным 10 (рис. 1). Наиболее активно развивается сетевое оборудование, предназначенное для ЦОДов. В офисных ЛВС скорости свыше 10 Гбит/с востребованы относительно слабо, поэтому там для формирования сверхвысокоростных каналов связи имеет смысл задействовать технику, ориентированную на машинные залы ЦОДов.

Последнее положение требует дополнительного комментария. Разрабатывать сетевые интерфейсы с быстродействием 40 Гбит/с и выше специально для офисных систем нецелесообразно потому, что они применяются в ядре таких объектов. А серверная как центральный узел офисных информационных систем фактически представляет собой малый или даже средний корпоративный ЦОД.

 

 
Рис. 1. Изменение скоростей передачи данных сетевых интерфейсов Ethernet

 
Причины отказа от 10-кратного шага наращивания скоростей различны.

 

Сетевые интерфейсы для офисных систем  

Известно, что среднестатистический «белковый» пользователь не в состоянии полноценно воспринимать информационный поток, поступающий к нему со скоростью свыше 50 Мбит/с. Поэтому для передачи данных даже на верхних уровнях офисных ИС в большинстве случаев вполне достаточно 10-гигабитных каналов связи.

Тренд последних 10--15 лет в области построения информационных систем, наиболее ярко выраженный при создании «умного» дома, -- увеличение количества составляющих ИС подсистем. Большинство из них не выдвигает высоких требований к пропускной способности канала связи, используемого для подключения терминального оборудования. Исключение составляют системы беспроводного радиодоступа Wi-Fi. Особенность работы этого оборудования заключается в разделении полосы, что ограничивает скорость отдельного канала. Способ преодоления этого недостатка -- увеличение общего быстродействия.

Оборудование беспроводного доступа Wi-Fi имеет две особенности. Во-первых, в отличие от проводных интерфейсов, оно работает не в базовой полосе частот, а в диапазоне 2,4 ГГц и выше. В этой ситуации достижение скорости 10 Гбит/с даже при использовании сложных форматов модуляции сталкивается с серьезными сложностями. Выходом является введение промежуточных значений скорости -- 2,5 и 5 Гбит/с.

Во-вторых, объемы применения оборудования Wi-Fi малы. Поэтому разрабатывать специализированную кабельную технику, способную поддерживать скорость 2,5 и 5 Гбит/с, нецелесообразно. А формировать линии, соединяющие это оборудование с магистральной частью ИС, с помощью техники категории 6а, которая гарантированно обеспечивает качественные показатели канала связи, экономически невыгодно.

Для того чтобы повысить эффективность подключения точек радиодоступа, используется техника СКС категории 5е или 6 с предварительным тестированием. Необходимые качественные показатели достигаются за счет дополнительного ограничения протяженности тракта (табл. 2). Последнее требование не вызывает серьезных проблем, поскольку в правильно спроектированной СКС стационарные линии протяженностью свыше 70 м встречаются крайне редко. Кроме того, для подключения точек доступа целесообразно использовать схему direct connection, которая за счет устранения из тракта одного разъема создает меньший уровень шумов на входе приемника.

 
Таблица 2. Риски нарушения нормального функционирования сетевых интерфейсов 2,5GBase-T и 5GBase-T 
 

Тип сетевого интерфейса

Риски

Категория 5е

Категория 6

Категория 6а

Протяженность тракта 0–50 м

2,5GBase-T

Низкие

Низкие

Отсутствуют

5GBase-T

Средние

Низкие

Отсутствуют

Протяженность тракта 51–75 м

2,5GBase-T

Средние

Низкие

Отсутствуют

5GBase-T

Высокие

Средние

Отсутствуют

Протяженность тракта 76–100 м

2,5GBase-T

Высокие

Средние

Отсутствуют

5GBase-T

Очень высокие

Высокие

Отсутствуют

 

Не нужно упускать из виду и то, что элементная база ведущих изготовителей техники СКС имеет определенный запас в первую очередь по переходному затуханию. Это также улучшает отношение сигнала к шуму на входе приемника и способствует нормальному функционированию соединительной линии.

 
Сетевые интерфейсы для ЦОДов 

В отличие от офисных систем, для которых начали применяться промежуточные значения скоростей передачи сигнала, в ЦОДах преимущественно происходит уменьшение шага наращивания скорости. Основная причина этого заключается в недостаточном быстродействии современной микроэлектронной элементной базы. В результате возможности применения одноканальной схемы построения сетевых интерфейсов резко сокращаются. Возникший «скоростной тупик» преодолевается следующими способами:

  • обращением к блочным кодам с малой избыточностью;
  • применением многоуровневых кодов;
  • использованием сложных форматов модуляции линейного сигнала;
  • переходом на схемы параллельной передачи в различных вариантах ее реализации.

Возможности первого из упомянутых приемов уже практически исчерпаны: типовой для современных интерфейсов блочный код 64В66В увеличивает тактовую частоту линейного сигнала всего на 3,1%.

Наработки по остальным направлениям еще далеки от достижения фундаментальных ограничений. Кроме того, их сильная сторона -- взаимная независимость и потенциальная возможность совместного применения для усиления результирующего эффекта.

Многоуровневые коды широко используются в электропроводных системах и постепенно проникают в оптические.

Схема параллельной передачи реализуется как пространственное или спектральное мультиплексирование, причем последний способ применительно к экономически выгодному первому окну прозрачности и многомодовой технике известен в вариантах BiDi (двухволновая схема) и SWDM (четыре оптические несущие) (рис. 2).

Введение схемы BiDi выгодно возможностью сохранения двухволоконной схемы организации тракта со скоростями 40, 50 и 100 Гбит/с. Увеличение защитного интервала между двумя несущими упрощает и удешевляет интерфейс по сравнению с техникой SWDM. При выходе за 100 Гбит/с эффективность BiDi резко падает.

До уровня законченных и стандартизованных разработок доведено множество решений, которые различаются использованными в них схемами преодоления «скоростного тупика». В настоящее время на уровне утвержденных спецификаций допускаются следующие скорости: 25, 40, 50, 100, 200 и 400 Гбит/с. С учетом потенциальных возможностей уже созданной техники началось обсуждение перспективных решений со скоростями 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с.
 

 
Рис. 2. Спектрально-волоконная диаграмма методов уплотнения многомодовых оптических кабелей


Так же, как и в офисных системах, в ЦОДах вполне возможен «скоростной регресс». В частности, для организации внутрирядных связей разработаны сетевые интерфейсы 25G Ethernet, использующие в качестве среды передачи витопарные электропроводные кабели. Достоинство этих интерфейсов -- в хорошей согласованности с быстродействием оборудования массовой памяти, которое, как известно, по сравнению с ЛВС не столь требовательно к пропускной способности канала связи. А также их применение увеличивает протяженность тракта до примерно 50 м (по сравнению с максимум 32 м для 40G Ethernet). На указанных дистанциях тракты 25G Ethernet превосходят волоконно-оптическую технику по тепловыделению -- параметру для ЦОДов критически важному.

Кроме того, основные схемные решения 25G Ethernet заимствуются из электрической части уже созданных ранее 50- и 10-гигабитных оптических интерфейсов второго поколения.

* * *
Скорости передачи сигнала в локальных сетях сегодня растут заметно медленнее, чем 10-15 лет назад, вне зависимости от области применения. В офисных ЛВС и ЦОДах снижение темпа роста скоростей дополняется уменьшением его шага. Причины этого явления в офисах и ЦОДах принципиально различаются.

В наиболее интенсивно развивающейся сейчас сетевой технике, ориентированной на применение в машинных залах ЦОДов, дробление шага наращивания скоростей выражено более явно. При этом ряд, составленный из стандартизованных скоростей оптических интерфейсов ЦОДов, слишком плотен, поскольку отрасль еще не определилась с предпочтительными значениями.
 

Андрей Семенов, профессор, МТУСИ