Основа гигабитных сетей

Евгений Запорощенко,
к.т.н., зам. директора по образовательной деятельности НОУ "Нексотель"
evgueni@sonet.ru

Одно из наиболее перспективных направлений развития 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. 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". Еще в 1980 г. требования к граничной частоте полосы пропускания канала СКС составляли лишь 10 МГц, а в 1993 г. эта величина составила уже 100 МГц (рис. 1). Сегодня речь идет о каналах с полосой пропускания 10 Гбит/с.

Рис. 1. Рост требований к полосе пропускания кабельной системы.

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, а следовательно, и все более высокие скорости 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 новое поколение
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 за счет выбора многомодового кабеля, оптимизированного для
лазерной накачки. В частности, компания "Сонет Текнолоджис" (http://www.sonet.ru),
дистрибьютор продукции фирмы Nexans Cabling Solutions (http://www.nexans.ru;
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 1000 Base-LX) на некоторых многомодовых кабелях низкого качества, имеющих физический дефект в центре сердечника оптоволокна. В ходе испытаний выяснилось, что можно избежать искажений, используя специальные соединительные шнуры, получившие название "соединительный шнур с равновесным модовым распределением", которые обеспечивают смещение при лазерной накачке в многомодовый кабель. Кабель Gigalite II позволяет обойтись без таких дорогостоящих соединительных шнуров.

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

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) (рис. 2, 3). Профиль DIP вызывает временную задержку 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 раза и более (табл. 1). При этом допустимо использовать до шести коннекторов на канал вместо трех. Максимальные расстояния для различных видов волокна при использовании технологии Gigabit Ethernet приведены в табл. 2.

Рис. 2. Профиль DIP оптоволокна и искажение импульса на приеме.

Рис. 3. Влияние профиля DIP на распространение мод в оптоволокне.

Таблица 1. Максимальная дальность передачи сигнала Gigabit Ethernet (IEEE
802.3z) в канале СКС

Таблица 2. Стандарты сетевых приложений Gigabit Ethernet при работе по оптоволоконному
кабелю

Для магистралей распределителей уровня группы зданий, вертикальных участков и свернутых магистралей, а также для оснащения рабочего места существуют универсальные решения. Это FTTW — оптоволокно до рабочего места; в нем соединяются решения FTTO (оптоволокно в офис) и FTTD (оптоволокно до рабочего стола) (рис. 4). Технология FTTW пришла на смену существовавшему до недавнего времени популярному решению CTTD (медный кабель до рабочего места).

Рис. 4. Кабельное решение FTTW.

В чем 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, можно 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.

Преимущества применения разъемов МРО — 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 использованию специальной сетевой интерфейсной карты Fiber Con PC, разработанной Alcatel, которая преобразует оптический сигнал 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 выполняются автоматически в течение нескольких минут.

На рис. 5 показан пример кабельной системы FTTO. В данном случае ввод оптоволокна в офис выполнен на основе стандартных решений, использующих одномодовое или многомодовое волокно либо 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 могут работать с сетевым приложением по стандартным медным витым парам.

Рис. 5. Пример реализации кабельного решения FTTO.