Симметричные кабели СКС для центров обработки данных

Технические средства электронной обработки данных активно проникают во все сферы современной жизни. Одновременно практически форсировано возникает потребность в объединении отдельных вычислительных устройств в полномасштабную информационную систему. Последняя может быть построена по различным принципам, наибольшее распространение среди которых получила клиент-серверная архитектура. Обращение именно к такому решению обусловлено целым комплексом хорошо известных преимуществ, которые принимаются как аксиома и в дальнейшем не обсуждаются.

Сервера, которые обслуживают запросы отдельных пользователей информационной системы, вполне могут распределяться по всей территории, охватываемой последней. Другим фактически альтернативным вариантом является их концентрация в отдельных немногочисленных точках, получивших специальное наименование центров обработки данных (ЦОД). Начиная со второй половины первого десятилетия нового века такой подход получает все большее распространение на практике. Одной из основных причин, способствовавших росту его популярности, стало внедрение облачной модели выполнения различных вычислений, которая заметно проще реализуется при централизованном характере организации процедур обработки поступающих запросов.

Особенности кабельной системы ЦОД

Централизованный характер организации вычислительного процесса в ЦОД неизбежно приводит автора проекта его реализации к необходимости решения нескольких ключевых задач.

Первая из таких задач представляет собой передачу очень больших объемов информации за минимально возможное время. Одним из необходимых условий достижения этого полезного свойства является максимально высокое быстродействие сетевого интерфейса. В данном направлении промышленность достигла достаточно серьезных успехов: темп передачи данных современного серийного сетевого оборудования составляет 10 и 40 Гбит/с, причем в перспективе конца текущего десятилетия ожидается увеличения значения этого параметра до 100 Гбит/с, а в начале следующего десятилетия оно вырастет еще больше - до 400 Гбит/с.

Вторая задача формулируется в виде необходимости обеспечения максимальной энергоэффективности ЦОД. Это связано с тем, что последние по уровню своего экологического воздействия на окружающую среду становятся сопоставимыми с воздушным транспортом. Хорошо известно, что параметр PUE современного ЦОД обычно находится в районе 1,5. Отсюда с учетом типового энергетического баланса объектов массового применения прямо следует, что каждый Ватт тепла, выделяемого оборудованием аппаратного зала функционирующего в штатном режиме объекта, на современном этапе развития техники требует примерно таких же затрат мощности на его утилизацию. Из-за высоких требований к коэффициенту эксплуатационной доступности центра сетевые интерфейсы серверов, коммутаторов, директоров и накопителей массовой памяти как правило резервируются. С учетом большого количества самих компьютерных и телекоммуникационных устройств это приводит к тому, что в типовом монтажном конструктиве из-за высокой плотности компоновки активного сетевого оборудование число сетевых интерфейсов начинает исчисляться сотнями! В ЦОД даже среднего масштаба количество серверных стоек составляет несколько десятков штук. В результате приходим к тому, что даже незначительное, исчисляемое небольшими единицами Ватт уменьшение рассеиваемой мощности одного интерфейса приводит к очень существенной экономии расхода электроэнергии всего ЦОД.

Согласно положениям профильных стандартов информационная кабельная система аппаратного зала ЦОД может быть построена на симметричных и оптических кабелях, а также в форме их комбинации. Профильные стандарты не уточняют области применения каждой из допустимых типов кабелей, за исключением, может быть предельной дальности связи конкретного типа сетевого интерфейса. Тем не менее, накопленный опыт проектирования, реализации и эксплуатации ЦОД наглядно свидетельствует о том, что на масштабных объектах данной разновидности за электропроводными линиями остается реализация нижнего уровня кабельной системы, т.е. передача на небольшое расстояние. Фокусной областью использования оптической техники становятся магистральные связи и соединительные линии к сетям связи общего пользования. Таким образом, наблюдаем картину, очень похожую на обычные офисные СКС.

Данное положение дел определяется рядом факторов. Кратко затронем только некоторые из них.

• на линиях небольшой протяженности (до примерно 30 – 35 м) ярко проявляется такое преимущество линий на основе симметричных кабелей, как заметно меньшее энергопотребление сетевого интерфейса; более того, современное активное оборудование усиливает этот эффект тем, что предполагает наличие у сетевого интерфейса Ethernet специального режима малой дальности с дополнительным снижением потребляемой мощности;

• промышленность практически готова приступить к массовому серийному производству сетевых интерфейсов 40G Base-T, т.е. по своим функциональным возможностям наиболее быстродействующие симметричные и оптические линии вновь становятся эквивалентными;

• несмотря на достигнутые за последнее время успехи в области оптических линий, электропроводная телекоммуникационная и сетевая техника пока остается заметно более дружественной к пользователю по критерию простоты эксплуатации.

Рис. 1. Зависимость мощности потребления сетевых интерфейсов от длины тракта для систем со скоростью передачи 40 Гбит/с

Преимущества электропроводной техники заметно усиливаются в том случае, если для построения симметричных трактов привлекается специализированная элементная база, изначально разработанная для применения в ЦОД. В первую очередь это касается линейных кабелей.

Неэкранированные конструкции высоких категорий

Необходимость передачи сигналов сетевых интерфейсов 10GBase-T еще десять лет тому назад вызвала необходимость разработки электропроводной элементной базы категории 6а с верхней граничной частотой нормирования параметров в 500 МГц. Она стала той дешевой альтернативой экранированной технике категории 7, которая обладала заметной функциональной избыточностью для указанных скоростей передачи и за счет этого не обеспечивала требуемого уровня экономической эффективности.

Характерной чертой неэкранированных конструкций категории 6а стала необходимость применения комплекса специальных мер по подавлению до заданного уровня межкабельной переходной помехи. Особенностью подобных переходных влияний является то, что, в отличие от внутрикабельных переходных помех различной природы, они не могут быть уменьшены аппаратурными способами за счет предварительной обработки смеси информационного сигнала с шумом в приемнике сетевого интерфейса.

Указанная задача решается различными конструктивными мероприятиями. Среди них присутствует, например, увеличением внешнего диаметра горизонтального кабеля. Это принудительно увеличивает расстояние между “одноцветными” парами соседних кабельных изделий с соответствующим увеличением переходного затухания. Само увеличение может быть фактическим или эффективным.

Фактическое наращивание внешнего диаметра достигается применением внешней оболочки увеличенной толщины. Результатом использования такого приема становится то, что диаметр кабеля начинает превышать 8 мм, что характерно для т.н. изделий мультимедиа. Преимуществом становится то, что сохраняется наиболее удобная для инсталляции и эксплуатации круглая в сечении форма. Для обеспечения требуемой гибкости готового изделия и некоторого снижения его погонной массы привлекается структурирование внутренней поверхности оболочки за счет формирования на ней в процессе экструзии выступов трапециевидной или треугольной в сечении формы.

Второе направление основано на отказе от традиционной круглой формы горизонтального кабеля с осевой закруткой получившейся структуры с шагом в несколько десятков мм. Увеличенная технологическая сложность изготовления такого изделия с лихвой компенсируется его заметно лучшими массогабаритными показателями. В рамках реализации подобной стратегии известны серийные 4-парные кабели категории 6а с овальной и треугольной формами поперечного сечения.

Общей характерной чертой неэкранированных конструкций категории 6а является применение сепараторов, которые удерживают отдельные витые пары на удалении друг от друга и обеспечивают некоторое увеличение междупарного и суммарного переходного затухания. Сепаратор выполняется преимущественно в форме четырехлучевой звезды. Реже встречаются пластинчатые разделители и сепараторы-обоймы. Последние не только задают минимальное расстояние между парами за счет формирования индивидуальных камер, но и могут увеличивать устойчивость изделия к раздавливающим усилиям, что особенно важно для кабелей высоких категорий.

Конструкции с пленочными экранами

Рис. 1. Некоторые варианты конструкций неэкранированных кабелей категории 6а:

а) овальной формы с пластинчатым сепаратором; б) круглой формы со структурированной внутренней поверхностью оболочки и звездообразным сепаратором

Характерной особенностью межкабельной переходной помехи является то, что с ней необходимо считаться только на частотах 200 МГц и выше. Это позволяет обратиться к применению очень эффективных в данном частотном диапазоне пленочных экранов, внедрение которых обеспечивает минимальное ухудшение массогабаритных параметров готового линейного изделия.

О перспективности подхода к улучшению помеховых характеристик линейных изделий на основе введения в их конструкцию экранирующих пленочных покрытий свидетельствует то, что он реализуется на основе нескольких принципиально различных вариантов и практикуется всеми без исключения ведущими производителями техники СКС.

Первым из таких подходов стало внедрение в состав штатной элементной базы категории 6а традиционных конструкций F/UTP в дополнение к обычным U/UTP. Подобное решение широко практикуют те производители СКС, основной объем бизнеса которых сосредоточен на американском рынке. Высокая эффективность подавления межкабельной помехи за счет классического пленочного экрана дает возможность также в ряде случаев заметно (на 15 – 20%) уменьшить внешний диаметр кабеля.

Одной из проблем классических экранированных конструкций является необходимость обеспечения очень качественного телекоммуникационного заземления, без наличия которого эффективность экрана резко падает. С учетом этой особенности в практику построения СКС введены незаземленные экранированные конструкции линейных кабелей. Они присутствуют в двух вариантах.

Согласно первому варианту экран выполнен в форме гальванически не связанных между собой фрагментов проводящих покрытий на несущей полимерной пленке. Это дает возможность блокировать образование токовых петель, которые в наиболее тяжелых случаях могут даже усилить помеховое воздействие на отдельные витые пары. Разрыв проводящего покрытия в серийных изделиях выполняется либо в виде узкой щели шириной около 1 мм от края до края пленки (технология WARP), либо формированием покрытия из большого количества фольги фрагментов прямоугольной формы со скругленными углами (технология MaTriX).

Рис. 2. Схема формирования отражающих элементов технологий WARP (вверху) и MaTriX (снизу)

Второй вариант основан на применении традиционной конструкции класса U/FTP с непрерывным экранирующим покрытием. В отличие от обычных кабелей такой разновидности из конструкции устранен дренажный проводник, а экранирующая пленка развернута проводящей поверхностью к витой паре, что позволяет избежать образования токовых петель.

Этот подход выгодно отличается от конкурирующих тем, что дает возможность не менять технологию производства кабелей. Однако, подобные незаземленные кабели обладают несколько меньшими функциональными возможностями, т.к. могут устанавливаться только в аппаратном зале ЦОД, где по определению обеспечивается нормальная электромагнитная обстановка и присутствует эффективное телекоммуникационное заземление.

Кабели уменьшенного диаметра

Действующие редакции основных нормативных документов, описывающих СКС аппаратного зала ЦОД, основаны на принципе полной преемственности с информационными кабельными системами офисных зданий. В частности, максимальная протяженность горизонтального тракта должна составлять 100 м. Выше уже отмечалось, что столько высокая “дальнобойность” симметричной техники является избыточной и не востребована в практике построения ЦОД. В этой ситуации появляется возможность оптимизировать конструкцию за счет уменьшения в первую очередь диаметра медной токопроводящей жилы, которые выполняются с калибром вплоть до 26AWG. Это дает возможность заметно улучшить массогабаритные характеристики кабеля. В свою очередь уменьшается диаметр жгута и снижаются расходы на кондиционирование аппаратного зала, т.е. достигается ощутимый синергетический эффект.

Повышенное погонное затухание кабеля уменьшенного диаметра компенсируется ограничением предельной протяженности тракта, формируемого на его основе, обычно до 50 – 60 м. При таких длинах обеспечивается заданное качество функционирования сетевого интерфейса, а необходимый уровень энергоэффективности объекта в целом достигается за счет меньшего диаметра линейного изделия и уменьшения нагрузки на системы кондиционирования.

О высокой перспективности рассматриваемого подхода свидетельствует то, что линейные изделия уменьшенного диаметра ввели в состав штатной элементной базы ряд известных производителей СКС.

Принцип уменьшения внешнего диаметра был распространен рядом производящих компаний также на гибкие кабели для коммутационных шнуров. В этой ситуации облегчается администрирование СКС и несколько снижается аэродинамическое сопротивление потоку охлаждающего воздуха. Подобные шнуровые кабели рекомендуется применять в сочетании с линейными кабелями нормальной конструкции.

Повивная скрутка

В классических связных многопарных кабелях широко применяется повивная скрутка, обращение к которой несколько увеличивает переходное затухание между отдельными парами из разных повивов и дает возможность заметно улучшить механическую стабильность конструкции. В горизонтальных кабелях СКС о классической скрутке данной разновидности речь идти не может из-за отсутствия нескольких повивов (изделие содержит всего 4 пары). Тем не менее, введение отдельных компонентов этого конструктивного приема дает возможность резко улучшить параметры продукта по межкабельной переходной помехе.

Техническая выгода повивной скрутки основана на фундаментальном эффекте квадратичной зависимости интенсивности переходной помехи от расстояния. За счет этого обращение к ней дает заметный положительный эффект даже в тех ситуациях, если среднее расстояние между влияющей и подверженной влиянию парами не меняется в случае параллельной прокладки.

Скрутка рассматриваемой разновидности может быть реализована несколькими основными приемами. Первым из таких приемов является применение уже упомянутой выше принудительной осевой закрутки внешней оболочки кабеля с шагом в несколько десятков мм. Такой подход характерен для кабелей, форма поперечного сечения которого отличается от осесимметричной. Второй прием является практически обязательным для кабелей с круглой в поперечном сечении формой. Здесь повивную скрутку принудительно обеспечивает осевая закрутка сепаратора.

С.А. Алексеев