Оптические технологии в компьютерных сетях

Роль оптоволоконных кабелей в компьютерных сетях

Стекло и фотоны превосходят медь и электроны

Волоконно-оптический кабель представляет собой сетевой кабель, который содержит жилы из стекловолокна внутри изолированного корпуса. Они предназначены для высокопроизводительных сетей передачи данных и телекоммуникаций на большие расстояния.

По сравнению с проводными кабелями оптоволоконные кабели обеспечивают более высокую пропускную способность и могут передавать данные на большие расстояния. Волоконно-оптические кабели поддерживают большую часть мировых интернет, кабельного телевидения и телефонных систем.

Как работают оптоволоконные кабели

Оптоволоконные кабели передают сигналы связи, используя световые импульсы, генерируемые небольшими лазерами или светодиодами.

Кабель состоит из одной или нескольких стеклянных прядей, каждая из которых немного толще человеческого волоса. Центр каждой нити называется сердцевиной, которая обеспечивает путь для света. Сердцевина окружена слоем стекла, называемым оболочкой, которая отражает свет внутрь, чтобы избежать потери сигнала и позволяет свету проходить через изгибы кабеля.

Два основных типа оптоволоконных кабелей называются одномодовым и многомодовым оптоволокном. В одномодовом волокне используются очень тонкие стеклянные нити и лазер для генерации света, в то время как в многомодовых волокнах используются светодиоды.

В одномодовых волоконно-оптических сетях часто используются методы Wave Division Multiplexing для увеличения объема трафика данных, который может быть отправлен через цепь. WDM позволяет объединять (мультиплексировать) и затем отделять (демультиплексировать) свет на нескольких разных длинах волн, эффективно передавая несколько потоков связи через один импульс света.

Преимущества оптоволоконных кабелей

Волоконно-оптические кабели обладают рядом преимуществ по сравнению с медными кабелями на большие расстояния.

• Волоконная оптика поддерживает большую емкость. Величина пропускной способности сети, которую может нести оптоволоконный кабель, превышает пропускную способность медного кабеля с аналогичной толщиной. Стандартными являются оптоволоконные кабели с пропускной способностью 10 Гбит/с, 40 Гбит/с и даже 100 Гбит/с.
• Поскольку свет может распространяться на гораздо большие расстояния по оптоволоконному кабелю без потери его прочности, это уменьшает потребность в усилителях сигнала.
• Волокно менее подвержено помехам. Медный сетевой кабель требует специального экранирования для защиты от электромагнитных помех. Хотя это экранирование помогает, недостаточно предотвращать помехи, когда многие кабели соединены вместе в непосредственной близости друг от друга. Физические свойства стеклянных и оптоволоконных кабелей позволяют избежать большинства этих проблем.

Оптоволокно для дома, других развертываний и оптоволоконных сетей

В то время как большая часть оптоволокна установлена ​​для обеспечения междугородных соединений между городами и странами, некоторые провайдеры интернет-услуг в жилом секторе вложили средства в расширение своих оптоволоконных сетей в пригородных районах для прямого доступа домашних хозяйств. Поставщики и отраслевые специалисты называют эти установки «последней мили».

На сегодняшний день на рынке представлены некоторые более известные услуги «волокно на дом», такие как Verizon FIOS и Google Fiber. Эти услуги могут обеспечить гигабитную скорость интернета для каждой семьи. Однако, хотя поставщики также предлагают более низкую стоимость, они также обычно предлагают своим клиентам пакеты с меньшей емкостью. Различные подходы для домашних пользователей следуют из кабельных подходов, часто сокращаемых с помощью неясных сокращений:

• FTTP (оптоволокно в помещение) . Волокно, проложенное до самого здания.
• FTTB (оптоволокно в здание/бизнес/блок) . То же, что и FTTP.
• FTTC/N (Волокно на обочине узла) . Волокно, которое прокладывается к узлу, но затем медные провода завершают соединение внутри здания.
• Прямое волокно : волокно, которое покидает центральный офис и подключается непосредственно к одному клиенту. Это обеспечивает наибольшую пропускную способность, но дороже.
• Общее волокно : аналогично прямому волокну, за исключением того, что, поскольку волокно приближается к помещению ближайших клиентов, оно разделяется на другие волокна для этих пользователей.

Что такое темное волокно?

Термин «темное волокно» (часто пишется как «темное волокно» или «неосвещенное волокно ») чаще всего относится к установленным оптоволоконным кабелям, которые в настоящее время не используются. Иногда это также относится к частным волоконно-оптическим установкам.

Источник

Выбираем перспективную технологию передачи данных: полое волокно, лазеры, воздушный волновод

Оптика — краеугольный камень сетевых систем, телевидения, телекоммуникаций и, конечно, ЦОДов. Оптические разработки служат инструментом коммуникации как между серверами, так и отдельными вычислительными компонентами. По некоторым оценкам, по крайней мере три четверти трафика остается и «циркулирует» внутри дата-центров.

Объемы данных в мире постоянно увеличиваются — по оценкам исследовательской компании TechJury, человечество генерирует приблизительно 1,15 трлн мегабайт ежедневно. Вместе с объемами данных растет и потребность в развитии высокоскоростных технологий передачи данных.

Сегодня мы обсудим, какие технологии обеспечат критически важную связь между многочисленными вычислительными ресурсами. Даже незначительные улучшения в производительности или использовании ресурсов могут оказать значительное влияние на работу серверов.

Дата-центры МТС соединены собственной магистральной сетью протяженностью 248 тыс. км, а еще мы постоянно строим новые волоконно-оптические линии связи.

В наших планах расширить инфраструктурную базу до более 100 объектов и объединить самой большой в стране сетью дата-центров свыше 20 российских городов — практически все федеральные округа. Некоторые из площадок открыты для размещения клиентского оборудования (колокейшн) на территории ЦОДа. Заказчик ставит оборудование в стойку, которую предоставляет ЦОД, или размещает на площадке свою стойку. Хостинг-провайдер предоставляет все ресурсы: отводит тепло, подключает энергоснабжение, связь. В зависимости от заказа, подключаем стойки на скорости 10—40 Гбит/сек.

В таком контексте необходимо развивать технологии, способные ускорить обмен данными как внутри машинного зала, так и между географически разделенными площадками. Помимо этого — извлекать выгоду из энергоэффективных и производительных способов обмена данными.

Полое оптоволокно

Инженеры по всему миру развивают кабельные технологии и изобретают новые подходы к передаче данных в дата-центрах. Одной из перспективных разработок является полое оптоволокно (HCF-кабель). Оптические волокна в таком кабеле имеют пустую сердцевину, окруженную кольцом стеклянных трубок. В воздушной среде свет распространяется лучше, чем в стекле или пластике, поэтому сигнал проходит на 50% быстрее по сравнению со сплошным кварцевым сердечником обычного оптического волокна. В ходе испытаний, проведенных компанией Comcast, одна нить HCF обеспечила скорость трафика от 10 Гбит/с до 400 Гбит/с.

Технология полого оптоволокна существует с 1990-х. Но за прошедшее время так и не получила широкого распространения. До недавних пор сигнал в таком кабеле быстро затухал. Интерес к концепции разгорелся с новой силой, когда инженерам британского стартапа удалось устранить этот недостаток.

Они разработали технологию NANF — Nested Anti-resonant Nodeless Fiber — расположив несколько вложенных полых трубок по периметру кабеля. Такой подход позволил сократить нелинейные эффекты и установить затухание сигнала на уровне 2 дБ/км. Это сопоставимо с классическими оптоволоконными кабелями. В перспективе операторы дата-центров и телекомы смогут передавать значительно большие объемы информации.

Инфракрасные лазеры

В то время как одни специалисты расширяют возможности оптоволоконных подключений, другие — предлагают вообще отказаться от кабелей. Есть мнение, что обмен данными в дата-центрах будущего будет построен на инфракрасных лазерах и датчиках, установленных в верхней части серверных стоек. Перенаправлять лучи будет специальная система зеркал.

Такого видения придерживаются инженеры из Университета штата Пенсильвания. Еще несколько лет назад они построили прототип инфракрасной системы. Массив лазеров генерировали лучи с длиной волны в 1550 нанометров. Мультиплексор «уплотнял» сигналы в один оптический канал для их трансляции на разных несущих частотах.

В 2017 году ученые добились скорости передачи данных в 10 Гбит/с и проложили дорогу другим исследователям. В прошлом году инженерам из Швеции удалось переслать 1,8 Пбит за одну секунду.

Гипотетически такие линки способны закрыть потребности дата-центров в обмене информацией. Тем не менее, есть и нерешенные проблемы. Серверные стойки вибрируют при обработке и передаче данных, что может повлиять на точность лазеров.

Передавать данные по воздуху предлагают и коллеги из Мэрилендского университета, которые разработали так называемое «воздушное оптоволокно». Передача света непосредственно через воздух невозможна, поскольку дифракционные эффекты приводят к рассеиванию луча. Решая эту проблему, исследователи разогрели воздух с помощью коротких лазерных импульсов кольцевой формы. Получилась область в виде трубки с холодной сердцевиной — своеобразный канал передачи данных без физического кабеля.

Импульсы сначала формируют тонкие нити (красные), которые нагревают воздух и в итоге образуют оболочку низкой плотности (оранжевая). Через этот волновод исследователи смогли передать второй лазерный импульс (зеленый).

Инженеры работали над технологией несколько лет — первые результаты были опубликованы еще в 2014 году. Но в начале этого года им впервые удалось отправить данные по «воздушному оптоволокну» на расстояние в 50 метров. Авторы предполагают, что в будущем воздушные волноводы смогут передавать мощный свет на расстояния в километр и более.

Кремниевая фотоника

Быстрая передача данных — это хорошо, однако необходимо сделать так, чтобы они с аналогичной скоростью поступали на обработку процессору. В этом плане классические кремниевые технологии становятся узким местом в вычислительных и сетевых системах. Решением проблемы должна стать кремниевая фотоника.

Если говорить о последних разработках, то сразу две американских компании разрабатывают чиплеты с оптоволоконными каналами (fiber-connected chiplets). Их задача — обеспечить высокоскоростное соединение между ресурсоемкими микросхемами, такими как CPU. Однако устройства компаний имеют разные принципы работы. Одно использует инфракрасные лазеры для кодирования и обмена данными. Второе — опирается на массивы высокоскоростных GaN-микроэмиттеров. Пропускная способность таких каналов достигает 2 Тбит/с.

Аналитики SkyQuest Technology Group ожидают, что рынок кремниевой фотоники составит $4,9 млрд уже к 2028 году. Однако, прежде чем новые технологии получат распространение в дата-центрах и станут «мейнстримом», необходимо преодолеть ряд препятствий.

Когда ждать прорыв

Существует проблема совместимости высокоскоростных оптических технологий с классическими решениями. Большинство перспективных оптических разработок находится на этапе лабораторных испытаний, в крайнем случае — раннего прототипа. Но даже если предположить, что они уже вышли на рынок, массовое внедрение в краткосрочной перспективе по-прежнему невозможно.

Замена или обновление оборудования даже в объеме пары ЦОДов — затратное предприятие как по финансам, так и по времени. Необходимо определиться с объемами поставок, протестировать аппаратуру на совместимость, закупить и правильно её настроить. В целом можно не сомневаться, что будущее дата-центров подразумевает и активное использование оптических технологий, но пройдет еще какое-то время, прежде чем они станут широкодоступными.

О чем еще мы пишем в блоге на Хабре:

• Как выбрать надежный дата-центр на примере GreenBushDC
• Без искр, теплового удара и безопасно: как будут жить 500 стоек в одном здании
• SSD, CD, HDD, OptiNAND… DNA — выбираем перспективные накопители для резервного копирования

Источник