Локальные волоконно-оптические сети

Рудаков Ю.М.

В развитии техники с начала ХХ века постоянно прослеживается тенденция использования электромагнитных волн все более высокой частоты. Предположение, что электроника и радиотехника достигнут оптического диапазона волн, становится все более достоверным. Появилась оптоэлектроника – область науки и техники на стыке оптики и электроники.

Годом возникновения оптоэлектроники можно считать 1955-й год, когда Е. Лоэбнер описал потенциальные параметры различных оптоэлектронных устройств связи, называемых оптронами, т.е. когда были обоснованы основные характеристики соединения оптического и электронного устройства.

Появление в начале 1960-х годов лазеров способствовало ускорению развития оптоэлектроники. Полупроводниковые лазеры стали выпускаться серийно в 1970 г.

В 1970 году американская фирма «Корнинг» разработала технологию изготовления кварцевого волокна с затуханием 20 дБ/км. Это событие стало эпохальным и послужило стимулом для дальнейших исследований и разработок. На сегодняшний день затухание кварцевых оптических волокон составляет менее 0,2 дБ/км.

Главной целью разработки оптических волокон было обеспечение оптических средств связи. Для дальней связи наиболее важны такие свойства волокна, как широкополосность (теоретически широкополосность оптического волокна может составлять до нескольких десятков терагерц) и малые потери. Для внутригородских сетей особое значение имеют малый диаметр, отсутствие взаимного влияния и безиндукционность.

Оптические мифы

Многие интуитивно полагают, что поскольку основу оптоволокна составляет кварцевое стекло то оно обладает такими же «стеклянными» характеристиками. Попросту говоря также легко ломается и для его прокладки требуется сверх осторожность и чуть ли не ювелирная техника. Это не так!

Технология изготовления оптических кабелей такова, что механические характеристики их значительно превосходят, так полюбившиеся всем, медные кабели на витой паре 5-й категории (UTP). Для сравнения можно привести допустимые усилия при прокладке кабеля, которые для оптоволокна составляют 100 кг, а для витой пары – 15 кг Оптические кабели в 6…7 раз прочнее.

Притчей во языцах стала сложность соединения оптических волокон и установка оптических соединителей. Современные технологии и здесь не стоят на месте. На смену клеевой и сварной технологиям пришли бесклеевая обжимная технология оконцовки волокна и сплайсовые соединители, позволяющие сращивать волокна без их сварки. Сегодня установка оптического наконечника занимает 3…4 минуты, а соединение двух волокон – около одной.

До недавнего времени основным аргументом против построения кабельной системы локальной сети на оптическом кабеле была его дороговизна. Снижение цен на оптический кабель и оптические компоненты и сближение с ценами на компоненты проводных линий способствует широкому внедрению оптоволокна. Не смотря на это первоначальная стоимость оптической кабельной системы оказывается несколько выше, чем проводной. Однако, в процессе эксплуатации, разница в стоимости выравнивается, так как затраты на сопровождение и обслуживание кабельных систем выше чем оптических. Следует отметить, что активное оборудование для оптики, в настоящее время, в 1,5…2 раза дороже, но в сетях с большой протяженностью, его требуется меньше, чем активного оборудования для сетей на витой паре из-за ограничения на длину UTP линии 100 м.

Существует мнение, что широкая, до 2,5 Гбит/с, полоса пропускания оптоволоконных линий оказывается невостребованной конечным пользователем. Поэтому оптике нечего делать на рабочем столе. Не надо забывать о том, что срок службы кабельной системы составляет 15…20 лет. Уже сегодня мультимедиа приложения с графикой и звуком, а также видеоконференции буквально пожирают полосу пропускания сетей Fast Ethernet и АТМ и начинается активное внедрение гигабитных технологий. Что будет через 10…15 лет даже трудно себе представить. Оптоволоконная кабельная система в течении всего своего срока службы будет готова к любым технологическим прорывам и отработает вложенные в нее деньги до последней копейки. Она нужна уже сегодня и еще больше будет нужна завтра, в 21 веке!

Реалии сегодняшнего дня

Оставим мифы и посмотрим, что предлагают нам производители структурированных кабельных систем для построения локальных сетей на оптоволокне. В России присутствуют следующие поставщики структурированных кабельных систем: Alcatel (ACS), AMP (NETCONNECT), Lucent Technologies (SYSTIMAX SCS), MOD-TAP (MOD-TAP SCS), Panduit (PAN-NET SWS), RIT (RIT SMART CABLING SYSTEM). Они предлагают кабельные системы как на медном так и на оптическом кабеле. По мнению специалистов фирмы ЕПОС, которая занимается установкой и модернизацией кабельных систем, наиболее интересные решения на оптоволоконном кабеле предлагает корпорация AMP, их мы и рассмотрим подробнее.

Корпорации АМР, которая более 20 лет работает в области разработки и применения оптоволокна добилась значительных успехов. АМР выдвинула концепцию «fiber-to-desk» (оптику – на рабочее место) и специально для этой технологии были разработаны оптические розетки, патч-панели и сплайсовые центры. Хорошо зарекомендовала себя бесклеевая обжимная технология фирмы АМР оконцовки волокна LightCrimp и сплайсовые соединители CORELINK.

При использовании витой пары категории 5 длина связей, как известно, не может превышать 100 м и зачастую даже в небольшой системе приходится устанавливать, кроме центрального, несколько телекоммуникационных шкафов, приближенных к удаленным рабочим станциям. Шкафы, их пассивная и активная начинка, а также их обслуживание стоят денег.

Жизнь бы намного упростилась, если бы природа разрешила увеличить длину связей до 300м. Зона с радиусом в 300м закрывает потребности многих организаций, включая организации, занимающие целые здания. Тогда всю аппаратуру можно было бы сконцентрировать в одном коммуникационном центре. Ясно, что обслуживать такую систему значительно проще и дешевле. Легче вносить изменения при перемещениях пользователей из помещения в помещение, легче добавлять пользователей к системе.

Но ведь при использовании оптического волокна мыи имеем те самые 300 м. На длине в 300 м волокно 65,5/125 мкм позволяет достигнуть скоростей в 2,5 Гбит/с.

Такая кабельная система с единственным коммуникационным центром, основанная на оптоволоконных кабелях, с радиусом действия 300 м очень хорошо согласуется с идеями АМР fiber-to-desk. АМР назвал эту систему Central Network Administration – CNA (Центральная Сетевая Администрация).

Посмотрим, что и сколько стоит. Согласно информации из различных источников из стоимости локальной сети первоначальные затраты на кабельную систему и электронную аппаратуру составляют соответственно 5% и 12%. Исследование Forrester Research на основе анализа работы локальных сетей Ethernet в компаниях США показало, что в год стоимость работы сети составляет $550 на одного пользователя ($280 на локальное функционирование, $110 на глобальное функционирование, $160 на устранение сбоев сети). С течением времени начальные затраты значительно перекрываются затратами на сопровождение и обслуживание. При концентрации оборудования в одном месте оказалось, что стоимость обслуживания падает на 25%! Если взять за основу оценку $550 в год на одного пользователя, то мы сэкономим $137.50. Кроме этого, 70% неисправностей в локальных сетях связаны с кабельными проблемами и использование оптоволокна вместо меди уменьшает эти проблемы, как показывает практика, на 33% –это $37.50. Таким образом, система CNA дает в год экономию в $175 на пользователя в год!

Может быть, произведенные в США оценки покажутся для нашей действительности несколько завышенными. У нас начальная стоимость сети, как правило, является основным критерием выбора технических решений по кабельной системе и активному оборудованию. Фактор затрат на обслуживание этой системы не учитывается, а он и в наших условиях может быть значительным.

Еще одно положительное свойство предложенной АМР системы CNA – более эффективное использование активного оборудования. Конечно, этот фактор зависит от количества шкафов, числа пользователей на один шкаф, емкости портов электронного оборудования. Расчеты показывают, что при распределенной электронике средняя утилизация портов – 70%, а при централизованной сетевой электронике средняя утилизация портов может достигать 90%. Разница в 20% при, допустим, цене системы $150 на пользователя составит экономию $30 на пользователя. Надо отметить, что приведенные числа характерны для больших сетей с числом пользователей от 400 и числом коммуникационных шкафов более 4. При меньших характеристиках сетей оценить утилизацию оборудования очень трудно. Здесь чаще срабатывают известные законы, когда бывает необходимо подключить к хабу в удаленном коммуникационном шкафу 2-х или 3-х пользователей, а свободных портов в хабе уже нет. Особо драматичны бывают сюжеты с Fast Ethernet...

В сетях с комбинированными сетевыми технологиями, такими как Ethernet, Fast Ethernt, FDDI, АТМ при централизации аппаратуры можно получить еще более высокую эффективность использования оборудования. Это справедливо даже в случае высокой концентрации пользователей в непосредственной близости от коммуникационных шкафов в распределенной системе.

Существуют еще факторы, говорящие за централизацию. Так, создание виртуальных групп пользователей в распределенной системе достаточно сложно, требует дорогостоящего оборудования, а зачастую и невозможно. В случае CNA все горизонтальные кабели поступают на центральный распределитель и виртуальную группу можно легко создать физически. подключив пользователей к портам соответствующей аппаратуры. Вопрос электропитания устройств при централизации оборудования решается гораздо проще и дешевле, чем в распределенной системе. Организационно легче выделить всего одну комнату под коммуникационный центр, чем дополнительно к ней выделить места или помещения под коммуникационные шкафы распределенной системы с облегченным доступам к ним обслуживающего персонала и ограничением доступа для остальных сотрудников.

Кабельная система для CNA необязательно должна быть чисто оптической. В радиусе 90 м от коммуникационного центра можно использовать витую пару категории 5. Для больших расстояний до 300 м применяется оптическое волокно. Оптическая кабельная система может состоять из индивидуальных кабелей с 2/4 волокнами от центрального распределителя до рабочего места пользователя, но более удобно использовать зонную технологию. Последняя состоит в том, что от центрального распределителя до центра некоторой зоны (локального распределителя) прокладывается кабель с большим количеством оптических волокон (12, 24 и более). От локального распределителя до рабочих мест прокладываются короткие индивидуальные кабели. Локальный распределитель представляет собой небольшой и, следовательно, недорогой шкафчик с практически не вносящими потерь на переходах сплайсовых соединителей. В зонной кабельной системе всегда имеется резерв на случай появления новых рабочих мест. Кроме этого, «многопользовательский» кабель сам по себе дешевле нескольких индивидуальных, его прокладка дешевле (по весу и размерам «многопользовательский» оптический кабель практически не отличается от индивидуального).

Итак, мы видим, что простая идея централизации оборудования локальной сети на основе увеличения длины горизонтальных связей кабельной системы до 300м очень привлекательна. Возникает вопрос – как система CNA соотносится со стандартами на кабельные системы для офисов и зданий. В подкомитете ТIЕ/EIА-568-А рабочая группа по оптическим системам TR 41.8.1. недавно предложила выпустить проект руководства по централизованным оптическим кабельным системам в виде TSB (Technical Systems Bulletin). В этом проекте (PN-3523) приведены рекомендации по применению новой кабельной топологии в кабельных системах зданий и офисов. Проект является результатом девятимесячных обсуждений в рамках рабочей группы. В группе под председательством АМР представлены основные производители оптических компонент и систем и представители инсталляторов.

И все же - оптика или медь?

Прежде, чем выбрать остановимся еще раз на неоспоримых преимуществах оптоволокна: широкая полоса пропускания; низкие потери, передача сигналов на расстояние до 2 км (для многомодового волокна); устойчивость к электромагнитным излучениям и отсутствие радиопомех; гальваническая развязка оборудования и отсутствие проблем с заземлением; повышенная секретность передачи информации. Эти достоинства и наличие проверенных готовых решений от ведущих производителей могут стать определяющим фактором при выборе прежде всего для большинства крупных государственных и банковских структур, военных организаций и крупных промышленных предприятий. Учитывая, что в большинстве этих структур локальные сети уже имеются и выполнены они, как правило, на коаксиальном кабеле, то неизбежна их модернизация. Планируя замену кабельной системы нужно принимать во внимание и то, что хотя медный кабель сегодня дешевле волоконно-оптического, сеть приходится чаще модернизировать. Этот фактор может сместить чашу весов в пользу оптики. Медь остается, пока, лучшим решением для небольших сетей малого и среднего бизнеса, системы образования и т.п.