10 Gigabit ethernet Оптическое волокно и технология 10 Gigabit Ethernet.
По мере того, как технология 10 Gigabit Ethernet (10GbE) начинает использоваться в оптических магистральных сетях передачи данных, физические ограничения оптического волокна ставят новые задачи перед разработчиками сетей. Межмодовая, хроматическая и поляризационная модовая дисперсия и другие нелинейные эффекты становятся главными факторами, ограничивающими длину канала связи 10GbE.
Существует два основных типа оптических волокон: многомодовое и одномодовое, преобладающие на рынке с 70-х годов и используемые в широком диапазоне сетевых технологий. В многомодовом волокне распространяющийся по сердцевине оптический сигнал представлен множеством мод, в то время как одномодовое волокно в нормальном режиме работы поддерживает распространение только одной моды.
В многомодовых волокнах время распространения сигнала вдоль волокна различно для разных мод, что выражается в уширении импульсов на выходе волокна – межмодовой дисперсии. Разность между временем распространения различных мод называется дифференциальной модовой задержкой (Differential Mode Delay, DMD). Межмодовая дисперсия ограничивает пропускную способность многомодового волокна, то есть, с одной стороны, максимальную возможную скорость передачи, с другой – максимальное возможное расстояние.
О
болочка
волокна – это слой, который окружает
сердцевину. Когда свет, введенный в
сердцевину, достигает границы с оболочкой,
он испытывает внутреннее отражение.
Условие полного внутреннего отражения
(когда весь свет, распространяющийся в
сердцевине, остается в сердцевине)
зависит от угла, под которым свет подает
на границу сердцевины и оболочки, и
показателя преломления материалов, из
которых они изготовлены. Чтобы свет
оставался внутри сердцевины волокна,
показатель преломления оболочки (n2)
должен быть меньше показателя преломления
сердцевины (n1).
Волокна можно классифицировать по размерам сердцевины и оболочки. У одномодовых волокон диаметр сердцевины не превышает 8 мкм, у многомодовых диаметр он значительно больше и равен 50 мкм или 62,5 мкм. Соответственно, два стандартных типа многомодового волокна принято обозначать как 50/125 и 62,5/125. Последняя цифра соответствует внешнему диаметру волокна, который одинаков для многомодовых и одномодовых волокон.
С диаметром сердцевины соизмерим другой параметр оптического волокна – диаметр модового поля (Mode Field Diameter, MFD). MFD описывает распределение оптической энергии в волокне, показывая величину “эквивалентного” диаметра круга, внутри которого распространяется основная часть электромагнитного излучения. MFD всегда больше, чем диаметр сердцевины. Например, для одномодовых волокон он обычно лежит в пределах 8-10 мкм.
Одномодовое волокно, поддерживающее распространение только одной моды и поэтому не имеющее межмодовой дисперсии, имеет большую пропускную способность, чем многомодовое волокно. Это позволяет вести передачу на большей скорости и на большие расстояния. По этой причине одномодовые волокна используются, как правило, для протяженных линий связи, городских и региональных сетей.
В то же время, многомодовые волокна могут поддерживать высокие скорости передачи данных на небольшие расстояния. Больший диаметр сердцевины многомодового волокна упрощает ввод оптического излучения в волокно, а более мягкие требования к допустимым отклонениям для многомодового волокна позволяют уменьшить стоимость оптических приемо-передатчиков. Таким образом, многомодовое волокно преобладает в локальных и домашних сетях небольшой протяженности.
Стандартизация оптических волокон
В разработке стандартов для механических и оптических характеристик волокна, оптических кабелей и компонентов волоконно-оптических линий связи участвуют многие международные организации. Для основных оптических параметров волокна вводятся стандартизованные граничные значения, благодаря чему поставщикам и потребителям оборудования гарантируется взаимная совместимость устройств и соответствие инфраструктур, а производителям волокон предоставляется разумная гибкостью для модернизации и разработки новых продуктов. Помимо кабельных и механических свойств, в стандартах четко описаны такие важнейшие характеристики, как: для многомодового волокна – затухание и модовый диапазон на рабочих длинах волн, для одномодового волокна – затухание, хроматическая дисперсия и длина волны отсечки.
Основные организации, устанавливающие стандарты характеристик оптического волокна:
ISO, Международная Организация по Стандартизации (International Organization for Standardization). ISO включает в себя национальных членов, которые являются “наиболее представительными в области стандартизации в своей стране”, из более чем 90 государств. Для стандартизации характеристик оптического волокна ISO и IEC сотрудничают в нескольких Объединенных Технических Комитетах (JTC).
IEC, Международная Электротехническая Комиссия (International Electrotechnical Commission). IEC работает в области электроники и телекоммуникаций, ее деятельность охватывает более 50 стран. Существующий стандарт IEEE 802.3 для 10 Gigabit Ethernet ссылается на стандарт 11801 для соответствия оптического волокна техническим условиям, который, в свою очередь, ссылается на подробные требования к характеристикам оптических волокон IEC 60793-2.
TIA, Ассоциация Промышленности Средств Связи (Telecommunication Industry Association). TIA функционирует под началом Альянса Электронной Промышленности EIA (Electronics Industries Alliance) и сосредотачивает свои усилия на телекоммуникационной и информационной промышленности. Первоначально TIA была сформирована как консорциум независимых поставщиков услуг телефонной связи в США, но впоследствии расширила свою область деятельности. TIA обычно упоминается наряду с Национальным Институтом Стандартизации США ANSI (American National Standards Institute) при тестировании оптоволоконных систем.
ITU, Международный Союз Телекоммуникаций (International Telecommunications Union). ITU находится под покровительством Единой Национальной Системы Организаций (United Nations System of Organizations) и, как и ISO, включает в себя в качестве членов большое число суверенных государств. В данный момент в ITU представлено более 180 стран. ITU администрирует часто используемые документы стандартов для одномодовых волокон G.652-G.655, на которые ссылаются поставщики оптических телекоммуникационных систем и их потребители.
Многомодовое волокно
Многомодовое волокно широко используется в локальных сетях организаций, когда расстояние между зданиями составляет не более двух километров. Широкое признание и проникновение на рынок многомодового волокна 62,5/125 произошло после включения этого типа волокна в стандарт FDDI, разработанный ANSI в конце 80-х годов, который сделал возможным его использование в кампусных сетях большего масштаба. Принятая в стандарте FDDI классификация многомодовых волокон впоследствии была перенесена на другие сетевые стандарты и в настоящее время широко используется в таких стандартах, как Fast Ethernet, ATM-155 и кабельном стандарте TIA/EIA 568-A.
Во время создания стандарта FDDI большое число серийно выпускаемых многомодовых и одномодовых волокон удовлетворяло его основному критерию – обеспечивать передачу данных на скорости 100 Мбит/с на расстояние 2 км. Если протяженность сегментов не превышает эту величину, то многомодовое волокно имеет определенное преимущество, поскольку обеспечивает низкую стоимость приемо-передатчиков. В Европе и России широкое распространение получил другой стандарт многомодового волокна 50/125, принятый позже и также поддерживаемый спецификациями ISO/IEC 11801 (общая укладка кабеля на территории заказчика).
На скоростях передачи до 622 Мбит/с (STM-4) многомодовое волокно может использоваться совместно со светодиодами (LED). На больших скоростях необходимо использовать лазеры, так как инертные по своей природе светодиоды не способны переключаться достаточно быстро. При этом на этапе разработки стандарта Gigabit Ethernet (GbE) было обнаружено негативное явление, выражающееся в том, что полоса пропускания многомодового волокна, измеренная с помощью лазера, оказывается меньше, чем полоса, измеренная светодиодом.
Причина этого явления – сильное рассеивающее действие на лазерное излучение со стороны неоднородностей, сконцентрированных на оси сердцевины многомодового волокна, и последующее появление большой дифференциальной модовой задержки DMD на приемной стороне. Чтобы уменьшить этот эффект (проявляющийся только для многомодового волокна) и достичь приемлемых расстояний для стандартов GbE и 10GbE, потребовалось создать спецификации, описывающие условия смещенного от оси ввода излучения от лазерного передатчика в волокно, а также разработать соответствующие требования к характеристикам приемника и волоконно-оптического кабеля.Многомодовое волокно и 10-Gigabit Ethernet.
Стандарт IEEE 802.3ae 10-Gigabit Ethernet включает в себя последовательный интерфейс 10GBASE-S (S – short, означает короткую длину волны), сконструированный для передачи по многомодовому волокну на длине волны 850 нм. Таблица 1 содержит длины волн, полосы пропускания и максимальное расстояние для разных типов многомодовых волокон на скорости 10 Гбит/с. Технические проблемы, связанные с использованием лазерных источников излучения совместно с многомодовыми волокнами (описанные в предыдущей части статьи), значительно ограничили рабочий диапазон "многомодового FDDI волокна" для технологии 10GbE. Такое волокно имеет полосу пропускания 160 МГц*км на длине волны 850 нм и 500 МГц*км на длине 1300 нм.
| ||||||||||||||||||||||||
Таблица 1.
(Рабочий диапазон различного многомодового волокна в стандарте 10GBASE-S).
Для того, чтобы достичь с помощью многомодового волокна расстояний до 300 м (как описано в стандартах на укладку кабеля TIA/EIA-568 и ISO/IEC 11801), пришлось создать новую спецификацию волокна для стандарта 10GbE. Это новое волокно иногда называется “многомодовое 10 Gigabit Ethernet волокно” и является 850 нм, 50/125 мкм волокном, специально приспособленным для использования с лазером, имеющим эффективную полосу пропускания 2000 МГц*км. Это волокно подробно описано в стандарте TIA-492AAAC. Его ключевое отличие от традиционных многомодовых волокон – дополнительные требования к DMD, обусловленные новым стандартом измерения DMD (TIA FOTP-220) и описанные в стандарте TIA-492AAAC. Как показано в таблице 1, сегмент с использованием этого волокна может достигать длины 300 м с интерфейсом 10GBASE-S. Большое количество ведущих производителей активно продвигают на рынок это новое многомодовое волокно для применения в решениях 10GbE.
Существуют два основных фактора, которые, вероятно, будут способствовать использованию нового “10-Gigabit Ethernet волокна”: популярность небольших (300 м или меньше) решений 10GbE и низкая стоимость интерфейсов 10GBASE-S по отношению к другим интерфейсам. Доказательство популярности недорогих, небольших 850 нм решений Ethernet легко видеть, глядя на количество проданных адаптеров типа 1000BASE-SX для Gigabit Ethernet. 1000BASE-SX работает на одномодовом волокне на расстояниях до 550 м и составляет большой процент от общего количества проданных GbE адаптеров.
Альтернативным решением является использование одномодового волокна с интерфейсами 10GBASE-L, 10GBASE-E или 10GBASE-LX4, последний из которых поддерживает как одномодовое, так и многомодовое волокно на расстояниях до 10 км и до 300 м соответственно.