Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 4 2020
Андрей СЕМЕНОВ  12 января 2021

Тренды развития современных СКС

За последние десятилетия ИТ-отрасль изменилась столь разительно, что успевшие стать классическими принципы построения структурированных кабельных систем потребовалось модернизировать, причем как на системном уровне, так и на уровне элементной базы.

Кабельная техника, как известно, отличается консерватизмом. Постулаты построения СКС были сформулированы еще в конце 80-х гг. прошлого столетия, оформлены в виде набора стандартов в начале 90-х и за время существования этого технического направления доказали свою эффективность. Но три с лишним десятка лет, которые прошли с момента перевода внутриобъектовой информационной проводки на принципы структурированного каблирования, – огромный срок для динамично развивающейся ИТ-отрасли. Особенности функционирования более высоких уровней информационно-транспортной системы (ИТС), поддерживаемые приложения, скорости передачи данных и т.д. изменились так сильно, что потребовалась коррекция принципов построения СКС, которые к насто­ящему времени превратились в классические.

Цель всех рассматриваемых далее нововведений, часть которых уже стандартизована отраслевыми нормативными документами, а часть продолжает обсуждаться, – увеличение общей технико-экономической эффективности кабель­ной системы.

Отказ от одного типа горизонтального кабеля

Известно, что на горизонтальную подсистему затрачивается примерно 85% всех ресурсов, необходимых для построения СКС (рис. 1). Высокие капитальные затраты на создание проводки, обусловленные избыточностью системы с точки зрения количества инсталлированных информационных розеток, в классических СКС частично компенсировались применением в горизонтальной подсистеме только одного типа кабеля. За счет этого, во-первых, снижалась отпускная цена компонентов вследствие роста объема их производства, а во-вторых, уменьшалось количество отходов, объем которых достаточно велик из-за индивидуального характера любого проекта, что делало в принципе невозможным применение претерминированных изделий заводского изготовления. Малость доли (не более 7%) стоимости СКС в общем объеме затрат на информационную систему на протяжении 10–15-летнего срока ее службы делала такой подход допустимым.
 
Рис. 1. Спектрально-волоконная диаграмма вариантов реализации параллельной передачи

Сегодня ситуация изменилась. С одной стороны, резко, в разы выросли цены на медь и нефть – основные сырьевые материалы для изготовления горизонтального кабеля, являющегося главной статьей затрат на горизонтальную подсистему, а с другой – благодаря достижениям микроэлектроники существенно снизилась стоимость активного сетевого оборудования.

Восстановить экономическую привлекательность СКС можно только изменением базовых принципов построения, в первую очередь, ее горизонтальной подсистемы. Здесь возможны решения компонентного и системного плана. В части компонентов наибольший эффект дает обращение к однопарному кабелю при условии сохранения технологии Ethernet в качестве средства транспорта данных.

Переход на однопарные изделия имеет следующие преимущества:
  • существенное (по оценкам, примерно в 2,5 раза) уменьшение затрат на создание горизонтальной подсистемы и сопутствующей инфраструктуры информационной проводки за счет уменьшения количества пар и средней протяженности линии;
  • сохранение привычного для пользователя уровня информационной поддержки благодаря обеспечению скорости передачи данных вплоть до 1 Гбит/с;
  • отсутствие необходимости выполнения масштабных НИОКР: техника однопарного Ethernet прямо заимствуется из промышленных систем.
Однако полный отказ от четырехпарной техники невозможен и нецелесообразен по целому ряду причин:
  • потребность в передаче 10-гигабитных потоков велика даже в офисных ИТС;
  • мощность дистанционного питания в принципе не может быть выше 50 Вт, что недостаточно для большой группы терминальных устройств;
  • в открытых офисах получила широкое распространение простая и удобная зонная схема построения СКС на основе активной консолидационной точки (Active Consolidation Point, АСР) и многопользовательской розетки в сочетании с применением принципа cable sharing и технологии port trunking (рис. 2). 
 
Рис. 2. Схема подключения рабочих станций ЛВС к многопользовательской информационной розетке

Рост значения экранированной техники и техники высоких категорий

Действующими и перспективными стандартами СКС допускается реализация ключевой для информационной проводки горизонтальной подсистемы как на электропроводной, так и на волоконно-оптической элементной базе без конкретизации условий выбора одной из них. Четверть века назад ожидалось, что волоконно-оптическая техника вытеснит электропроводную, но этого не произошло, несмотря на широкое распространение IP-видеотелефонии, которая считалась драйвером развития оптоволокна. Сохранению позиций электропроводной техники способствовало создание элементной базы категорий 5е и выше, обеспечивающей передачу информационных потоков со скоростью 1 Гбит/с и более. Поскольку среднестатистический пользователь не в состоянии полноценно воспринимать информацию, поступающую к нему со скоростью свыше 50 Мбит/с, таких скоростей для работы офисных ЛВС достаточно. Еще одним фактором, продляющим жизнь электропроводных линий, стала возможность дистанционного питания через них маломощных терминальных приборов по технологиям РоЕ (четырехпарные тракты) и PoDL (однопарная техника) (рис. 3). Различия в аббревиатурах для обозначения технологий объясняются различием в схемах доставки тока питания от источника (Power Sourcing Equipment, PSE) до потребителя (Powered Device, PD): в случае РоЕ используются фантомные цепи, а в случае PoDL — обычная пара в комбинации с высокоомным для переменного тока источником.
 
Рис. 3. Варианты организации дистанционного питания по кабельным трактам СКС: а) двухпарный тракт РоЕ; б) PoDL по однопарному тракту

Востребованность техники РоЕ и PoDL главным образом и побуждает специалистов создавать СКС на основе кабелей более высокой категории. Сказывается необходимость применения в горизонтальных кабелях категории 6 и выше проводов витых пар с жилами увеличенного диаметра, которые намного лучше подходят для обеспечения работоспособности терминальных устройств высокой мощности. Количество таких потребителей ресурсов СКС растет, и основную их массу составляют системы управляемого светодиодного освещения, а также 2,5- и 5-гигагерцовые точки радиодоступа Wi-Fi, которые из-за ограниченного радиуса действия отличаются повышенной плотностью установки даже в открытых офисах.

Еще один тренд развития СКС – рост популярности разных вариантов экранированной техники, обусловленный расширением рабочего частотного диапазона. С точки зрения межкабельной переходной помехи линейные изделия, которые являются основным их источником, при скорости передачи 10 Гбит/с даже в варианте F/UTP существенно лучше, чем U/UTP-решения, противостоят как влиянию соседних кабелей, к которым подключены такие же интерфейсы, так и влиянию кабелей, по которым работают относительно узкополосные гигабитные интерфейсы. Последнее важно потому, что пропускная способность симметричного кабельного тракта определяется преимущественно его параметрами в низкочастотной части спектра (рис. 4).
Рис. 4. Взаимодействие спектров линейных сигналов интерфейсов 1G Ethernet и 10G Ethernet

Определенное значение имеет также меньший рост затухания из-за нагрева при высоких мощностях дистанционного питания, который отмечается на кабельных трактах большой длины, в случае использования экранированных кабелей. Дело в том, что экранирующие покрытия даже в варианте тонкой металлизированной фольги становятся эффективным радиатором, который отводит тепло, выделяемое жилами при прохождении тока питания.

Системные изменения на уровне горизонтальной подсистемы

Значимое снижение затрат на построение горизонтальной подсистемы СКС обеспечивается переходом на зонную схему построения проводки с использованием активной консолидационной точки (рис. 5). Применение такой топологии дает следующие выгоды:
  • примерно вдвое уменьшает расход горизонтального кабеля (наиболее затратной части проводки);
  • позволяет сохранить привычный для проектировщиков, инсталляторов и служб эксплуатации 90-метровый предел протяженности стационарной части СКС, реализуемой в данном случае по неоднородной схеме (см. таблицу);
  • заметно разгружает технические помещения от активного сетевого оборудования уровня рабочей группы за счет выноса последнего в АСР.
 
Рис. 5. Структура нижнего уровня ИТС в случае применения активной консолидационной точки
Предельная протяженность трактов при различных вариантах реализации неоднородной электропроводной горизонтальной проводки в случае применения активной консолидационной точки

Техническая возможность применения такой структуры поддерживается полным переводом ЛВС на коммутирующие концентраторы, которые делают ненужным соблюдение правила четырех репитеров (оно было актуальным в сетях Ethernet с общей средой передачи. – Прим. ред.), и построением ИТС на единой технологической платформе коммутации и маршрутизации IP-трафика.

Необходимость подключения коммутатора АСР к 220-вольтовой сети дополнительно обеспечивает возможность полноценного питания терминального оборудования по технологиям РоЕ и PоDL.

В современной ИТС, как правило, присутствует большое количество устройств верхней установки (точки радиодоступа Wi-Fi, камеры телевизионного наблюдения, управляемые панели светодиодного освещения и т.п.), которые образуют так называемый цифровой потолок. Появление цифрового потолка с его многочисленными стационарными устройствами, к которым не требуется постоянного доступа пользователей, заметно расширяет поле применения новых конфигураций горизонтальных трактов. Речь идет о трактах типа direct connection и end-to-end (рис. 6).
Рис. 6. Варианты построения трактов горизонтальной подсистемы

Волоконно-оптическая подсистема

Основной драйвер развития волоконно-оптической техники СКС – ЦОДы, которые становятся опорными элементами информационной инфраструктуры и количество которых в мире и в России быстро растет. При этом потребность в сокращении времени реакции на поступающий пользовательский запрос заставляет, в частности, использовать высокоскоростные каналы внутренней связи. С другой стороны, у СКС, разворачиваемой в машинном зале ЦОДа, нет «белковых» потребителей ресурсов, что снимает ограничения на быстродействие аппаратуры и канала связи как ее части, обычно присутствующие в системах «человек – машина». 

Необходимость организации в ЦОДе высокоскоростного информационного обмена (в текущем году количество вновь поставляемых 100-гигабитных сетевых интерфейсов превысило аналогичный показатель для 40-гигабитных) с учетом ограниченного быстродействия современной микроэлектроники вынуждает применять схему параллельной передачи. Она реализуется в вариантах пространственного или спектрального мультиплексирования либо их комбинации, что на примере 100-гигабитной системы демонстрирует рис. 7.
Рис. 7. Спектрально-волоконная диаграмма вариантов реализации параллельной передачи

В процессе разработки первого американского национального нормативного документа на СКС для ЦОДов (соответствующего раздела стандарта ANSI/TIA-942) в качестве группового соединителя был принят MPO/MTP, поддерживающий в однорядном варианте коммутацию одновременно 12 волокон. Простота перехода на более высокие скорости передачи и правильная раскладка волокон в кабельных трактах на основе этого соединителя обеспечиваются применением модульно-кассетных решений и так называемой универсальной полярности (разработки компаний Corning, Leviton, Commscope и Reichle De-Massari).

Основная сложность применения соединителей MPO/MTP состоит в следующем. Со схемотехнической точки зрения количество каналов параллельной передачи целесообразно выбирать равным целочисленной степени 2. Однако 12-волоконный MPO/MTP при его использовании в составе линий класса Base8 (восемь активных волокон) не вполне подходит на эту роль. Возможный выход – модернизация MPO (результатом которой стал популярный 16-волоконный разъем MPO16 в однорядном исполнении) или создание специализированного разъема. Работы в этом направлении привели к созданию довольно удачных соединителей CN (японской компанией Senko) и MDC (американской компанией US Conec).

Соединители CN и MDC имеют следующие особенности:
  • реализация на наконечниках диаметром 1,25 мм;
  • возможность эксплуатации в виде как дуплексной моноблочной вилки, так и сдвоенной или счетверенной сборки;
  • полное соответствие дуплексному разъему LC по площади миделя в восьмиканальном варианте, т.е. потенциальная взаимозаменяемость по посадочным местам (важно с точки зрения возможности увеличения скорости передачи канала).
Все это позволяет считать данные изделия родоначальниками нового класса сверхкомпактных оптических разъемов.

Отказ от жесткого задания предельной протяженности кабельных трактов

Одним из канонов СКС была фиксация предельной протяженности тракта той или иной подсистемы. Таковыми значениями являлись 100 м для горизонтальной подсистемы, 300 (500) и 2000 м для магистральных подсистем. В настоящее время от этого постулата все чаще отказываются в пользу подхода «под приложение» с учетом области применения. Главная причина – перевод ИТС на единую платформу Ethernet. 

Например, в ЦОДах на расстояниях 28–32 м могут быть задействованы медножильные кабели категории 8, а в случае волоконно-оптической элементной базы длина прокладываемых линий может составлять 70, 100 и 150 м даже для скоростей 100 Гбит/с и более. В офисах тракты, обеспечивающие подключение точки радиодоступа Wi-Fi к ИТС со скоростями 2,5 и 5 Гбит/с, реализуются на медножильной элементной базе категорий 5е и 6 при условии дополнительной пересертификации и могут иметь длину 50 и 75 м. Для систем видеонаблюдения существуют предложения «длинного Ethernet», позволяющие без применения репитеров добиться дальности связи свыше 200 м на скорости 100 Мбит/с по витой паре с характеристиками 5е по переходной помехе.

Для того чтобы сделать текущее администрирование СКС более удобным, массово предлагаются тонкие коммутационные шнуры с жилами, диаметр которых уменьшен до калибра 28AWG. Незначительное, примерно на 5 м, уменьшение предельной протяженности тракта с лихвой окупается удобством чтения маркировки панелей. Возможность такого решения обосновывается статистикой реализованных проектов, согласно которой свыше 95% стационарных линий имеют длину не более 75 м.

***

Структурированные кабельные системы – пассивное оборудование информационных систем – продолжают развиваться как на уровне элементной базы, так и на системном уровне. 

Ряд объективных технических причин способствует все более широкому применению экранированной техники. В ближайшие годы возможен массовый перевод наиболее ресурсоемкой горизонтальной подсистемы СКС с четырехпарного на однопарное исполнение в сочетании с ее построением на основе двух подуровней, интегрируемых в единое целое активной консолидационной точкой. Однако полный отказ от четырехпарного кабеля из витых пар невозможен.

В ЦОДах главной схемой организации волоконно-оптических трактов становятся Base8 и ее производные.

«Универсальные» ограничения предельной протяженности кабельного тракта как электропроводной, так и волоконно-оптической подсистем постепенно заменяются ограничениями, которые определяются приложениями. 

Андрей Семенов, профессор, МТУСИ
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!