Евгения Юшкова, заместитель директора департамента инженерных систем, АМТ-ГРУП
Илья Зуевский, ведущий инженер отдела структурированных кабельных систем, АМТ-ГРУП
Существующие категории СКС
Понятие «категория» для структурированных кабельных систем (СКС) введено, как известно, двумя стандартами – международным ISO/IEC 11801 и американским EIA/TIA 568-В. Это понятие относится к набору электрических характеристик, определяющих производительность трактов витой пары, причем в каждом из указанных стандартов понятие «категория» имеет несколько отличную область определения качественных показателей и определяет принцип ранжирования пассивных элементов СКС (медные кабели типа витая пара, телекоммуникационные разъемы, кроссовое и коммутационное оборудование) в зависимости от предельной частоты, на которой обеспечиваются устойчивая и стабильная работа пассивного элемента с определенными техническими параметрами в составе кабельной линии, а также ранжирование самих кабельных линий согласно стандарту EIA/TIA-568B в зависимости от ее полосы пропускания. Международный стандарт ISO 11801 ранжирует кабельные линии (каналы и стационарные линии) по классам в зависимости от предельной частоты или полосы пропускания.
Относительно принятых категорий пассивных элементов (в том числе и самих кабелей витая пара) в стандарте TIA/EIA-568B определены следующие категории в порядке возрастания: категория 3, категория 5е, категория 6, категория 6A. В международном стандарте ISO 11801 для пассивных компонентов определены еще две категории: категория 7 и категория 7A. Вообще, строго говоря, между категориями 6A пассивных компонентов в обоих стандартах есть небольшое различие в требованиях к их качественным характеристикам (стандарт ISO более требователен), и даже написание этой категории в обоих стандартах различно: в американском стандарте TIA/EIA-568B используется написание Cat.6A, а в международном стандарте ISO 11801 – Cat.6A (подстрочная буква «A»).
Для кабельных линий витая пара в TIA/EIA-568B категории также определены в порядке возрастания полосы пропускания: категория 3, категория 5e, категория 6, категория 6A. Для кабельных линий витая пара в стандарте ISO 11801 определены классы в порядке возрастания: класс C, класс D, класс E, класс EA, класс F и класс FA. Чем выше категория или класс кабельной линии согласно тому или иному стандарту, тем лучше ее передаточные характеристики и выше предельная частота ее работы. При этом класс кабельной линии определяется по наименьшей категории пассивного элемента, входящего в состав кабельной линии.
Появление и принятие каждой последующей категории кабельных линий и их компонентов обусловлены повышением требований, предъявляемых к их характеристикам, в процессе развития технологии Ethernet с использованием витых пар, появления новых протоколов передачи данных и увеличения их скорости. В частности, эволюция категорий кабелей витая пара и стандартов, описывающих новые классы и категории кабельных линий, построенных на этих компонентах, происходит практически параллельно с развитием протоколов передачи данных по спецификациям BASE-T, описываемым в рамках стандарта IEEE 802.3.
Опуская подробности развития и истории появления каждого из стандартов СКС, отметим, что существует их прямая взаимосвязь по скорости передачи данных в соответствующих спецификациях BASE-T.
Таблица 1. Характеристики стандартов передачи данных и СКС
Параметры/Стандарт 10BASE-T 100BASE-TX 1000BASE-T 10GBASE-T 40GBASE-T
разработка
Скорость передачи 10 Mb/s 100 Mb/s 1 Gb/s 10 Gb/s 40 Gb/s
Предельная частота 16 MHz 100 MHz 250 MHz 500 MHz 1000 (+) MHz
Количество задействованных витых пар, шт. 2 2 4 4 4
Длина канала, м 100 100 100 100 в разработке
Категория CAT 3 CAT 5e CAT 5e/CAT 6 CAT 6A/CAT 7 CAT 7A
Определение каждой новой категории кабельных линий начиналось с экстраполяции категории, принятой стандартами ранее. Разработки стандартов кабельных систем и стандартов физического уровня передачи данных, по сути, должны быть согласованными.
Стоит также отметить, что хотя стандарты на категории 7 и 7A и указаны в этой таблице, они не приняты ассоциацией TIA. Кроме того, категории 7 и 7А рассматривают использование только полностью защищенной кабельной линии по модели канал и постоянная линия, т. е. экран должен быть вокруг всей пары и непрерывным на всем протяжении кабельной линии.
Проблема спецификации 40G BASE-T
Сегодня СКС применяются не только в офисах и бизнес-центрах как среда передачи данных ЛВС, важными инициаторами роста этого рынка становятся центры обработки данных (ЦОД). Основными критериями роста являются увеличение скорости передачи данных и применение высокоскоростных приложений. В ЦОД и кластерных системах вычислительные мощности и системы хранения данных (СХД) развиваются довольно высокими темпами. Таким образом, потребность в высокоскоростной обработке данных в ЦОД увеличивается быстрее, чем потребность в высокоскоростных технологиях Ethernet, основанных на витой паре, в рамках корпоративных ЛВС (хотя, отметим, в корпоративных ЛВС этот рост стимулируется применением видеоприложений и высокопроизводительными вычислениями). Уже сегодня на рынке ощущается потребность планирования сетей для передачи данных со скоростью, которая будет превышать 10 Гбит/с. Немаловажным фактором при расширении возможностей технологии 10 GBASE-T являются и две основные проблемы, которыми озабочены эксперты в области ЦОД: охлаждение и энергопотребление.
Что касается технической стороны проблемы, то существует целый ряд факторов, которые могут повлиять на возможность передачи данных по витой паре со скоростью до 40 Гбит/с: уровень кодирования, уровень подавления помех и уровень энергопотребления. Описаны и просчитаны модели для пропускной способности каналов категории 7A с разной частотой, из которых видно, что 40 Гбит/с можно достичь на витой паре на расстоянии чуть больше 50 м при частоте 1000 МГц. По статистике примерно 78% каналов в ЦОД имеют длину не более 50 м. То есть можно было бы принять стандарт с ограничением по длине канала в 30–50 м, что позволило бы снизить и энергопотребление.
Подавление помех (шумов) можно рассматривать как центральную проблему, которая объединяет несколько важных компонентов: электропотребление, увеличение скорости передачи данных технологии Base-T Ethernet и экранированные кабельные системы в качестве потенциального решения. По мере принятия стандартов передачи данных со скоростью 10, 100, 1000 и 10000 Мбит/с частотный диапазон, в котором передавались сигналы данных, также расширялся. Но по мере увеличения частоты сигнала передачи все больше повышался уровень помех, и следовательно, подавление помех становится все более сложной и трудной задачей для создателей стандартов Base-T.
Помимо разработки способов подавления помех в первую очередь принимаются меры по улучшению передачи сигнала. Эти меры заключаются в использовании дополнительных методов, позволяющих приемнику отличать сигнал данных от помехи. Усиление сигнала – одна из таких мер, однако оно имеет свои последствия в области проектирования микросхем. Пожелания по разработке микросхем для технологии передачи данных по витой паре со скоростью, которая превышает 10 Гбит/с, касаются прежде всего уменьшения энергопотребления и времени задержки.
Сложности проектирования микросхемы, энергопотребление, цифровая обработка сигнала, подавление помех и другие электротехнические проблемы привели отраслевых специалистов к заключению, что экранированные кабельные системы могут быть наилучшей средой передачи для следующего стандарта Base-T. Энергопотребление за счет удаления линейного усилителя сигнала можно снизить двумя способами, один из которых заключается в использовании носителя, который обладает лучшим коэффициентом вносимых потерь. Таким носителем может стать, например, экранированный кабель категории 7A, обладающий устойчивостью к электромагнитным помехам. Убрать усилитель можно, и уменьшив длину канала, но что делать, ориентируясь на длину канала в 100 м и использование нескольких точек коммутации, т. е. разъемных соединений, вносящих свой вклад в увеличение помех?
Для изучения и решения проблем в области высокоскоростных приложений и сред передачи данных в марте 2013 г. Комитет 802.3 Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) одобрил формирование Рабочей группы в целях разработки спецификации 40 Гбит/с для передачи данных по электропроводным кабельным системам. В течение ближайшего года рабочая группа должна определить, какая категория кабельной проводки необходима для поддержки приложения 40GBase-T Ethernet. Новый стандарт будет называться IEEE 802.3bq, его основные параметры:
• диапазон частот 2000 МГц;
• канал связи длиной 30 м;
• битовый коэффициент ошибок не более 10–12;
• не более двух разъемов в канале;
• только экранированные системы;
• решение предназначено в первую очередь для ЦОД.
На данный момент имеется несколько предложений различных организаций стандартизации по разработке новых категорий СКС, которые смогут обеспечить работу данного приложения, два основных – ISO и TIA.
Новый класс СКС от ISO
В марте 2012 г. Международная организация стандартизации (ISO) начала разработку стандарта СКС для обеспечения работы сетевого протокола 40 Гбит/с. В июле 2013 г. был опубликован технический отчет ISO/IEC TR11801-99-1 под названием «Информационные технологии – Руководство по сбалансированной кабельной системе по передаче данных не менее 40 Гбит/с», который состоит из двух основных частей.
Первая часть отчета оценивает пригодность каналов, собранных из существующих и уже стандартизованных элементов классов EА и FА, для 40GBase-T. Оцениваются пропускная способность и требуемые параметры для 40 Гбит/с. Согласно этим требованиям для 40 Гбит/с наводки, которые не могут быть компенсированы цифровым методом, не могут превышать 62 дБ во всем диапазоне частот. Такими наводками являются межкабельные наводки, поэтому экранирование разрабатываемых систем будет обязательным. Кабельные системы класса EА (категории 6A) не обеспечивают достаточной полосы пропускания для поддержки 40 Гбит/с даже на коротких дистанциях, например 30 м. Класс FА с диапазоном частот до 1000 МГц является основой разработки параметров СКС для 40-гигабитных приложений.
Во второй части описываются каналы, собранные из элементов, которые еще не были стандартизованы и определенно потребуют дополнительных разработок в кабельной промышленности. В данной части содержатся две спецификации параметров канала с частотой до 2 ГГц: класс I и класс II.
Линии и каналы перспективного класса I состоят из элементов категории 8.1, класса II – из элементов категории 8.2. Класс I планируется создать методом улучшения характеристик и расширения диапазона частот существующего класса EA (кабели и разъемы категории 6A). Класс II планируется создать на основе существующего класса FA (кабели и разъемы категории 7A).
Класс I предъявляет существенно более высокие требования к межпарным наводкам (NEXT), отношению сигнал/шум и межкабельным наводкам (Alien Crosstalk), чем категория 6А. Затухание для класса I равно затуханию категории 6А с интерполяцией до 2000 МГц. Это значит, что отношение затухания к перекрестным наводкам улучшается только благодаря уменьшению межпарных наводок в кабеле. Наиболее эффективный способ решения данной задачи – индивидуальное экранирование каждой пары проводников.
В отличие от категории 6А, кабели которой могут не иметь индивидуальной защиты пар и даже общего экрана, кабели категории 8.1 должны быть защищенными – каждая пара в собственной экранирующей оболочке. Требования к остальным кабельным параметрам соответствуют категории 6А, но экстраполированы до частоты 2000 МГц.
Класс II базируется на требованиях к улучшенной версии ISO категории 7A с более высоким отношением сигнал/шум. Положительное отношение затухания к перекрестным наводкам класса II должно быть обеспечено до частоты 2000 МГц. Тот же параметр для класса I составляет чуть более 1000 МГц. На более высоких частотах уровень собственных шумов класса I превышает полезный сигнал. На частоте 2000 МГц перекрестные наводки класса I превышают полезный сигнал в 20 раз.
Главное отличие между двумя вариантами – не в максимальной частоте, а в отношении полезного сигнала к уровню наводок, что влияет на стоимость реализации сети. В то время как канал I потребует разработки более сложных вариантов подавления помех, чем в системах 10GBase-T, канал II позволит упростить архитектуру микросхем за счет меньших требований к подавлению наводок. В свою очередь, это благотворно скажется на энергопотреблении и обеспечит снижение задержки при обработке данных в микросхемах. Оба этих аспекта эффекта находятся в фокусе внимания индустрии ЦОД.
Новая категория СКС от TIA
В 2011 г. Подкомитет медных кабельных систем TIA 42.7, входящий в состав Ассоциации телекоммуникационной промышленности (TIA), сформировал рабочую группу для определения параметров, необходимых для поддержки протокола 40GBase-T. Одним из ее первых шагов стало расширение области рабочих частот до 2000 МГц и ужесточение требований к таким параметрам, как межкабельные наводки, отношение затухания к суммарным однонаправленным наводкам и межпарное затухание.
В 2013 г. TIA 42.7 принял решение включить международные спецификации класса II ISO/IEC TR 11801-99-1 в проект собственного стандарта ANSI/TIA-568-C.2-1 «Спецификации кабельных систем категории 8, 100 Ом». Рабочей группе поручено внести свой вклад в развитие класса II и категории 8.2.
Такое внимание к спецификациям класса II основано на результатах разработок технологий передачи, необходимых для приложений 40Гбит/c. Ранее технические эксперты TIA TR-42.7 отклонили предложение о разработке систем категории 7A, что является еще одним подтверждением необходимости более высокой полосы частот и технических усовершенствований по сравнению с категорией 7А для приложений 40Гбит/c. Расширение диапазона частот до 2000 МГц является признаком того, что категория 7A с частотным диапазоном до 1000 МГц не обеспечивает работу перспективных приложений Ethernet.
Эксперты группы 802.3bq IEEE подтвердили, что оптимальная полоса пропускания для 40GBASE-T выходит далеко за пределы 1000 МГц. Последние разработки в стандартах ставят под сомнение пригодность существующего класса FA для 40GBASE-T. Это означает, что основным предложением для поддержки 40Гбит/c станут защищенные экранированные кабельные системы. Использование кабельных систем без индивидуального экрана каждой пары исключено.
Новый стандарт кабельной системы категории 8 планируется к опубликованию в качестве Дополнения 1 к стандарту ANSI/TIA-568-C.2 в 2015 г.
Перспективы
Таким образом, на данный момент перечень действующих и разрабатываемых классов и категорий СКС представляется в следующем виде (табл. 2).
Таблица 2. Действующие и разрабатываемые классы и категории СКС
ISO/IEC 11801 TIA/EIA-568С
Класс системы
(линия, канал) Категория элементов
(кабели и разъемы) Полоса
частот Категория Полоса
частот
Действующие классы и категории СКС
Класс С Категория 3 16 МГц Cat. 3 16 МГц
Класс D Категория 5 100 МГц Cat. 5е 100 МГц
Класс E Категория 6 250 МГц Cat. 6 250 МГц
Класс EА Категория 6А 500 МГц Cat. 6A 500 МГц
Класс F Категория 7 600 МГц – –
Класс FА Категория 7А 1000 МГц – –
Разрабатываемые классы и категории СКС
Класс I Категория 8.1 2000 МГц Cat. 8 2000 МГц
Класс II Категория 8.2 2000 МГц
Следовательно, для применения стандарта 40GBase-T на практике потребуется полностью новый класс кабельной системы и существенное расширение частотного диапазона. По какому пути пойдет развитие, скорее всего, будет понятно уже в этом году, когда будут определены требования к оборудованию для 40GBase-T.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
• на сегодняшний день рассмотрены несколько новых спецификаций кабельных систем для поддержки 40GBase-T;
• системы категории 8 или классов I и II пока не представлены на рынке (и соответственно их нельзя приобрести);
• поддержка 100-метровых длин линий, видимо, остается в прошлом: ни одна кабельная система, рассчитанная на работу 40GBase-T, не может быть смонтирована с длиной линий свыше нового предела в 30 м, что является весьма существенным ограничением для перспектив развития на рынке высокоскоростных приложений (теперь, по-видимому, именно это ограничение должно будет закладываться в проекты инфраструктуры любого нового ЦОД).
В заключение отметим, что экранированные и защищенные витопарные кабели (в том числе перспективной категории 8) несомненно имеют лучшие рабочие характеристики, но в условиях, приближенных к идеальным. Не стоит забывать о проблеме заземления экрана витой пары и экрана кабеля. На этом фоне волоконная оптика позволяет проще решить задачи передачи данных на высоких скоростях и закрыть канал длиной в 100 м и более, что весьма перспективно, тем более при наличии работоспособных технологий по передаче 40 Гбит/c и даже 100 Гбит/c для оптоволоконных решений.
