Разъемы MTP: актуальность в современных ЦОД

Один из основных философских законов учит нас о том, что процесс развития самых разных областей человеческой деятельности и даже самого общества происходит по спирали. Прямым следствием этого фундаментального положения становится то, что рано или поздно, но мы все равно вернемся к истокам, правда на более высоком уровне. Практическое подтверждение этого процесса мы наблюдает сейчас в одной из тех областей вычислительной техники самого разнообразного назначения, которая в массовом порядке используется в широкой инженерной практике на протяжении уже свыше полувека. Речь в дальнейшем пойдет о информационно-вычислительных системах, которые в настоящее время стремительно превращаются в информационно-телекоммуникационные системы.

Следует отдельно указать на то, что технические объекты рассматриваемой разновидности относятся к одной из тех отраслей техники, в которой наблюдаются очень высокие темпы не только количественного роста, но и качественного совершенствования. В свою очередь это влечет за собой необходимость обязательной проверки концепции их построения на отсутствие даже первичных признаков морального устаревания на протяжении всего нормативного срока службы с момента планового ввода в эксплуатации.

На первых этапах существования средств электронной обработки данных вычислительная поддержка текущей деятельности специалистов в самых разных областях реализовывалась в форме обеспечения их доступа к ресурсам больших ЭВМ. Со временем технико-экономические параметры систем данной разновидности в целом начали улучшаться за счет перехода на интеллектуальные терминалы, которые могли успешно функционировать в удаленном режиме и не требовали от пользователей непосредственного присутствия машинном зале. Следующим естественным шагом, которому в немалой степени способствовало внедрение персональных компьютеров, стало формирование вычислительных структур из большого количества рабочих станций. Последние обслуживались сравнительно немногочисленными серверами, которые опять же из соображений улучшения общей эффективности начали специализироваться с расчетом на решение определенных классов задач (хранение файлов, поддержка функционирования электронной почты, поддержка функционирования многочисленных баз данных и т.д.). Затем последовал перевод на базу IP-технологии сети телефонной связи.

В настоящее время в области систем автоматизации все мы является свидетелями очередного изменения глобального масштаба, который затрагивает саму концепцию их построения. В качестве стержневого компонента информационно-телекоммуникационной структуры предприятия начинают в массовом масштабе применяться так называемые центры обработки данных (ЦОД). ЦОД при взгляде на него как на системный компонент предполагает применение централизованной модели хранения и обработки данных. Массовое использование этих технических объектов может рассматриваться как практическое доказательство справедливости упомянутого выше философского закон: в результате своего эволюционного развития техническое направление вернулось на исходные позиции централизованной модели. При этом произошло это на качественно ином уровне.

В ЦОД как техническом объекте при рассмотрении его с телекоммуникационной точки зрения в обязательном порядке присутствует большое количество высокоскоростных каналов связи. Выдвижение требования их применения на уровне исходной концепции обусловлено существованием следующей совокупности факторов:

• отсутствием в перечне прямых основных потребителей ресурсов человека с его крайне ограниченными способностями к восприятию информации, поступающей к нему с высокой скоростью;
• внедрением модели облачных вычислений, позволяющей существенно нарастить эффективность использования имеющихся вычислительных ресурсов;
• применением централизованной схемы построения вычислительных процессов, что дает возможность добиться существенно более высокой степени эксплуатационной готовности информационной системы.

Рост быстродействия линий внутриобъектовой связи ЦОД как объективная реальность

Линии внутриобъектовой связи, большое количество которых находится в аппаратном зале ЦОД, отличаются высокой пропускной способностью. Этому способствует целый ряд факторов, вызванных в первую очередь использованной при реализации этих объектов централизованной моделью организации вычислительных процессов. Столь же значимым требованиям к системе внутренней связи является то, что наличие быстродействующих каналов является одним из главных условий обеспечения малого времени реакции ЦОД на поступающий пользовательский запрос. Если перейти к количественной характеристике этой величины, то согласно известным прогнозам к 2020 году заметную роль в ЦОД начнут играть линии с пропускной способность в 100 Гбит/c. Такие скорости могут быть обеспечены только кабельными каналами связи, которые в соответствии со сложившимися традициями, подкрепленными действующими редакциями профильных стандартов, реализуются на основе СКС.

При дальнейшем рассмотрении ограничимся только линиями оптической связи. Использование на скоростях 40 и даже 100 Гбит/с симметричных линий вполне возможно технически, но в настоящий момент эта возможность не подкреплена наличием серийной аппаратуры.

Особенности высокоскоростных линий внутриобъектовой связи

Обеспечение пропускной способности линий оптической связи в 100 Гбит/c на момент написания этих строк для телекоммуникационной отрасли может считаться технически решенной задачей. Счет на такие объекты, которые находится в нормальном коммерческом использовании во всем мире и эксплуатируются на сетях связи общего пользования, реально идет уже на десятки, если не на сотни. Тем не менее, механически перенести тот опыт, который накоплен при создании линий городской, междугородной, а зачастую и трансконтинентальной связи, непосредственно в ЦОД не представляется возможным. Это определяется следующими факторами.

Современная электроника не позволяет наращивать тактовые частоты линейного сигнала намного выше 10 ГГц. В данной ситуации увеличение пропускной способности линии достигается массовым обращением к двум основным приемам.

Рисунок 1. Типовое распределение длин линий оптической связи в ЦОД

Первым из таких приемов становится привлечение схемы оптического мультиплексирования. Его суть состоит в том, что исходное сообщение разбивается на несколько менее скоростных потоков, каждый из которых модулирует оптическую несущую со своей длиной волны. Затем эти несущие вводятся в общий волоконный световод. На приемном конце с помощью оптических фильтров происходит их разделение с последующим индивидуальным детектированием в своем фотоприемнике и объединением для восстановления исходного сообщения.

Второй прием состоит в использовании в линии сложных многопозиционных кодов. Их общим признаком становится то, что за один тактовый интервал передается несколько бит информации.

Само собой разумеется, что опыт создания линий связи большой протяженности довольно широко применяется при разработке аппаратуры ЛВС. Там также используется принцип спектрального мультиплексирования. Однако, данный подход не пользуется большой популярностью из-за неудовлетворительной технико-экономической эффективности. Свою роль в резком ухудшении стоимостных параметров оптических приемопередатчиков играет очень высокая стоимость оптических мультиплексоров-демультиплексоров.

ЦОД как архитектурный объект отличается пространственной компактностью. В результате, средняя протяженность линии оптической связи, которая реализуется в его аппаратном зале, как свидетельствует накопленная статистика, не превышает нескольких десятков метров, Рисунок 1. Столь небольшие расстояния открывают перспективы выполнения довольно эффективной стоимостной оптимизации решения в целом без ухудшения его стоимостных характеристик. В основу данной процедуры положено обращение к схеме параллельной передачи, иногда называемой схемой пространственного мультиплексирования.

По сравнению с сетями дальней связи приемопередатчики сетевой аппаратуры ЛВС со скоростями передачи 40 и 100 Гбит/c имеют больше сходства, чем отличий. В обоих случаях используется разбиение исходного информационного потока на несколько менее скоростных составляющих, каждый из которых модулирует свой излучатель. Однако, в линейной части внутриобъектовых линий каждой такой сигнальной составляющей ставится в соответствие отдельное волокно, что позволяет отказаться от применения оптических мультиплексоров-демультиплексоров. На линиях длиной в несколько десятков метров такое решение дает заметную экономическую выгоду. Ее дополнительно усиливает возможность использования многомодовой техники, а также заметно более дешевых излучателей с рабочей длины волны 850 нм из первого окна.

В процессе создания оптических модемов с информационной пропускной способностью в 40 и 100 Гбит/с дополнительно осуществлялись мероприятия по сокращению продолжительности разработки. Основным средством достижения поставленной цели стало обращение к схемным решениям 10-гигабитных сетевых интерфейсов. Этот подход определил количество каналов параллельной передачи. Для 40-гигабитных интерфейсов 40G Base-SR4 привлекалась 4-канальная схема передачи (в общей сложности 8 волокон), 100-гигабитные системы 100G Base-SR10 использовали дуплексную 10-канальную схему на основе 20-волокон.

Оптическая СКС для поддержки интерфейсов 40G Base-SR4 и 100G Base-SR10

В аппаратных залах ЦОД пока еще в основном эксплуатируется 10-гигабитная техника, а сетевые интерфейсы 40G Base-SR4 и 100G Base-SR10 в настоящее время встречаются достаточно редко. Однако, начало их массового использования ожидается уже в ближайшие два-три года. Данная особенность оказывает очень сильное воздействие на выбор конструктивных решений в области оптической подсистемы СКС. Приведем только некоторые постулаты, которые в обязательном порядке должны учитываться в процессе выполнения соответствующих НИОКР:

• обеспечение срока службы формируемой информационной проводки на протяжении нормативного времени эксплуатации создаваемого ЦОД (согласно требованиям американского стандарта ANSI/TIA-942-A по меньшей мере семь лет);
• возможность одновременной поддержки функционирования четырех различных разновидностей оптических интерфейсов 1G Base-FX, 10G Base-SR, 40G Base-SR4 и 100G Base-SR10 (первые две разновидности этой техники требуют 2-волоконной схемы организации линии, вторые используют параллельную передачу);
• простота перехода с 2-волоконной схемы организации тракта на схему параллельной передачи с изменением структуры стационарной линии не более чем на уровне оконечных панелей;
• максимально полное использование имеющегося задела для сокращения времени разработки и удешевления компонентной базы за счет расширения областей использования (аналогично активному сетевому оборудованию);
• минимизация числа дополнительно проверяемых параметров.

Стационарные линии и кабельные тракты оптической подсистемы СКС в независимости от области ее применения построены по одинаковой схеме. Они состоят из кабельных изделий различного функционального назначения (линейные кабели и коммутационные шнуры). В процессе формирования трактов передачи они соединяются друг с другом и подключаются к активному сетевому оборудованию с помощью разъемных соединителей. Неразъемные соединители носят фактически технологическое назначение, находятся в пределах стационарной линии, недоступны пользователю в процессе текущей эксплуатации и в крайне ограниченном масштабе используются в аппаратном зале ЦОД. Поэтому в дальнейшем без ограничения общности их можно оставить за рамками анализа.

Из соображений преемственности в качестве основы линейных и шнуровых кабелей целесообразно использовать ленточные световоды. Данная конструкция была в свое время разработана для применения в кабелях с большим количеством волокон и при числе световодов свыше сотни дает возможность уменьшить внешний диаметр изделия и значимо улучшить его массогабаритные показатели.

Соображения стоимостной оптимизации решения в целом немедленно приводят разработчика к отказу от одномодовой техники и к необходимости применения в кабелях многомодовых световодов с категорией широкополосности не ниже ОМ3. В этом случае при скорости в одном субканале 10 Гбит/с потенциально можно получить предельную дальность связи вплоть до 300 – 550 м (в последнем случае на наиболее широкополосном из современных стандартных волокон категории ОМ4). Столь большие дальности связи являются избыточными, что открывает перспективы дополнительного улучшения стоимостных параметров приемопередатчиков за счет применения в них более дешевых лазеров с увеличенной шириной линии излучения. Сокращение максимальной дальности связи из-за увеличенного дисперсионного штрафа не играет в данном случае никакой особой роли.

Ленточное волокно за счет особенностей своей конструкции обладает замечательным свойством механического выравнивания длин отдельных световодов в ленте. Это дает возможность сравнительно легко выдержать нормы по оптическому skew. Данный параметр становится единственной дополнительной характеристикой, оказывающей критически важное воздействие на качественные показатели оптического тракта и контролируемой в процессе проведения различных видов тестирования.

Ленточное волокно является далеко не единственной направляющей системой электромагнитных колебаний оптического диапазона длин волн, пригодной для организации схемы параллельной передачи. Задача реализации таких трактов может быть решена другими способами. Известные предложения компаний j-fiber в виде довольно удобного с точки зрения конструирования кабелей круглого модуля, а также многосердцевинное волокно компании OFS с прекрасными массогабаритными характеристиками. В силу разных причин такие изделия не получили широкого распространения и ленточные световоды занимают доминирующее положение в оптической подсистеме ЦОД.

Соединители MTP/MPO в ЦОД

В оптической подсистеме ЦОД на уровне действующих редакций профильных нормативных документов нормированы соединители двух видов. Двухволоконный вариант этого компонента представлен широко распространенным LC. В качестве основного типа групповых оптических соединителей используется разъем MTP/MPO, Рисунок 2. Данные изделия полностью совместимы друг с другом по посадочным местам и имеют незначительные отличия устройства внутреннего плана. Их обсуждение выходит за рамки этой публикации.

Выбор именно разъема MTP/MPO как основного типа группового оптического соединителя обусловлен сочетанием довольно разноплановых преимуществ. Укажем только те из них, которые важны для оптической подсистемы ЦОД

• обсуждаемый разъем относится к стандартным соединителям отрасли и нормирован такими документами как IEC-61754 и TIA/EIA-604;
• разъем доступен как в одномодовом, так и в многомодовом вариантах;
• центрирующий наконечник как ключевой компонент изделия рассматриваемой разновидности был разработан еще в середине 80-х гг. прошлого столетия, а сами разъемы выпускаются довольно большим количеством фирм, что обеспечивает как хорошую отработку конструкции, так и минимальные отпускные цены;
• разъем за счет применения в нем центрирующего наконечника прямоугольной в сечении формы прекрасно механически стыкуется с ленточным волокном;
• габариты поперечного сечения наконечника дают возможность установить в нем до шести рядов 12-волоконных лент, т.е. полная емкость соединителя достигает 72 световодов;
• наличие на наконечнике ключевого выступа гарантирует правильность его подключения к розетке в процессе эксплуатации;
• подключение и отключение вилки осуществляется линейным движением, что дает возможность легко нарастить до нужного значения плотность портов коммутационного оборудования;
• розетка разъема изготавливается из пластмассы, что открывает хорошие перспективы применения цветовой колировки.

Отдельно укажем на то, что соединитель легко обеспечивает наращивание скорости передачи в линии от 10 до 40 и, в перспективе, до 100 Гбит/c. Данная задача легко решается с помощью обычных шнуровых адаптеров, которые являются стандартными каталожными позициями подавляющего большинства производителей СКС.

Не меньшее количество преимуществ соединитель MTO/MPO дает с точки зрения разработки коммутационного оборудования.

Во-первых, он позволяет применять такое удобное в процессе построения и последующей эксплуатации СКС решение как модульно-кассетные кроссы. Их применение сводит монтаж всего к двум процедурам: прокладке линейного транкового кабеля и подключения его вилок к оконечным кассетам. Технологически сложная и кропотливая работа непосредственно с волокном не требуется.

Во-вторых, большое количество одновременно оконечиваемых световодов и небольшие габариты соединителя (по посадочным местам он взаимозаменяем с SC) позволяют значительно нарастить плотность конструкции коммутационного поля (число волокон на 1U монтажной высоты). В результате, даже в перспективе количество оптических полок в серверных шкафах при полном заполнении их активным сетевым оборудованием не превысит двух, максимум трех. Обоснование этого положения не составляет большого труда и может быть выполнено самим читателем.

Как резюме укажем на то, что соединитель MTP/MPO следует рассматривать как основной тип группового оптического разъема информационной кабельной системы ЦОД. Он отвечает как требованиям сегодняшнего дня, так и имеет существенный запас по своим параметрам на обозримую перспективу.