Типы интерфейсов коммутаторов

В зависимости от выполняемых задач коммутаторы могут быть оборудованы различным количеством и типом портов. В таблице 1.1 приведены типы наиболее часто используемых интерфейсов и их основные характеристики в соответствии со стандартом IEEE 802.3-2008.

Наиболее распространенными интерфейсами, реализуемыми в коммутаторах, являются фиксированные интерфейсы с разъемом RJ-45 на основе витой пары, поддерживающие технологию Fast или Gigabit Ethernet, автосогласование скоростей, полудуплексного или дуплексного режима работы и автоматического определения полярности витой пары MDI/MDIX. Для обеспечения большей гибкости в выборе типа подключения многие коммутаторы оборудованы специальными слотами для установки компактных сменных интерфейсных модулей GBIC (Gigabit Interface Converter), SFP (Small Form Factor Pluggable), XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) и SFP+ (Enhanced Small Form Factor Pluggable), поддерживающих режим горячей замены.

Таблица 1.1.
Стандарт	Тип кабеля	Максимальное расстояние передачи,м
10BASE-T	Кабель на основе витой пары категории 3 или 5
100BASE-TX	Кабель на основе витой пары категории 5
100BASE-FX	Многомодовый оптический кабель	412 (полудуплекс) 2000 (дуплекс)
100BASE-BX10	Одноволоконный одномодовый оптический кабель (длина волны: 1310 нм — восходящий поток, 1550 нм — нисходящий)	10 000
100BASE-LX10	Одномодовый оптический кабель (длина волны 1310 нм)	10 000
1000BASE-T	Кабель на основе витой пары категории 5, 5e, 6 или 7
1000BASE-SX	Многомодовый оптический кабель 62.5/125 микрон/ 50/125 микрон	220/550
1000BASE-LX	Одномодовый оптический кабель	5 000
Многомодовый оптический кабель
1000BASE-LX10	Одномодовый оптический кабель (длина волны 1310 нм)	10 000
Многомодовый оптический кабель (длина волны 1310 нм)
1000BASE-BX10	Одноволоконный одномодовый оптический кабель (длина волны: 1310 нм — восходящий поток, 1550 нм — нисходящий)	10 000
1000BASE-ZX	Одномодовый оптический кабель (длина волны 1550 нм)	80 000
1000BASE-LH (Long Haul)	Одномодовый оптический кабель	50 000
10GBASE-CX4	Экранированный сбалансированный медный кабель
10GBASE-SR	Многомодовый оптический кабель
10GBASE-LR	Одномодовый оптический кабель	10 000
10GBASE-ER	Одномодовый оптический кабель	40 000
10GBASE-ZR	Одномодовый оптический кабель	70 000

Для обеспечения большей гибкости в выборе типа подключения, многие коммутаторы оборудованы специальными слотами для установки компактных сменных интерфейсных модулей GBIC (Gigabit Interface Converter), SFP (Small Form Factor Pluggable), SFP+ (Enhanced Small Form Factor Pluggable) и XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable), поддерживающих режим "горячей замены".

Самой первой спецификацией на компактные сменные интерфейсные модули была спецификация SFF-8053 комитета SFF, описывающая конвертеры гигабитного интерфейса (Gigabit Interface Converter, GBIC). Модули GBIC поддерживают стандарты Gigabit Ethernet или Fibre Channel для передачи данных, голоса и видео по медным или оптическим кабелям, но преимущественно представляют собой оптические трансиверы для приема или передачи сигнала по многомодовому или одномодовому волокну. Компания D-Link выпускает большой перечень модулей GBIC с поддержкой технологии Gigabit Ethernet с оптическими и медными интерфейсами.

Рис. 1.7. Модуль GBIC DGS-703 с одним портом 1000Base-LX для одномодового оптического кабеля

Спустя несколько лет после появления спецификации GBIC разработчики предложили усовершенствованную, компактную модификацию сменного интерфейса (Small Form Factor Pluggable, SFP). Модули SFP в два раза меньше своих предшественников по габаритным размерам. Посадочный размер SFP (форм-фактор) определяется величиной медного разъема RJ-45. Интерфейсы SFP поддерживают практически любые существующие протоколы: Ethernet (на 10, 100, 1000 Мбит/с), SONET/SDH (OC3/ 12/48 и STM 1/4/16), Fibre Channel (1 и2 Гбит/с). Модули SFP работают на длинах волн 850, 1310 и 1550 нм.

Рис. 1.8. Модуль SFP DEM-310GT с одним портом 1000Base-LX для одномодового оптического кабеля

Компания D-Link выпускает модули SFP, поддерживающие стандар-ты Fast и Gigabit Ethernet и предназначенные для работы с разнообразным оптическим кабелем — одномодовым двухволоконным, одномодовым одноволоконным для систем с технологией WDM (Wavelength Division Multiplexing) и многомодовым. Модули снабжены дуплексными или сим-плексными разъемами типа LC для подключения оптического кабеля. В зависимости от используемой длины волны и типа оптического кабеля, модули обеспечивают разную дальность передачи – от 550 м до 80 км. Благодаря этому можно выбрать необходимый модуль SFP для конкретного соединения.

Модули SFP могут поддерживать важные функции цифровой диагностики (описанные в спецификации SFF-8472), позволяющие в реальном времени осуществлять мониторинг таких параметров как мощность пере-датчика, чувствительность приемника, напряжение питания и температура каждого оптического компонента. Информация о поддержке этой функции обычно указывается в спецификации на устройство.

Каждый модуль SFP выпускается с собственной электронной меткой, где содержатся сведения об идентификационном номере устройства и спецификации внешнего порта. Информация о внешнем порте может включать данные о длине волны, характеристиках волокна, скорости передачи данных, поддерживаемых протоколах, а также о длине канала. Идентификация SFP полезна при инвентаризации: с ее помощью отслеживается установка и замена компонентов и определяется местонахождение того или иного модуля.

Рис. 1.9. Технология Wavelength Division Multiplexing

Технология сменных модулей оказалась очень эффективной в системах оптического уплотнения (Wavelength Division Multiplexing, WDM), широко применяемых в сетях передачи данных и в телекоммуникационной отрасли. Основной принцип, на котором базируется работа этих устройств — модуляция сигнала для смещения спектра несущего сигнала в другой диапазон. Сигналы каждого канала переносятся в собственном диапазоне частот. Далее они собираются в мультиплексоре и передаются уже по одному волокну, образуя широкополосный канал. Таким образом, по одному волокну параллельно передается несколько независимых каналов (каждый на своей длине волны), что позволяет повысить пропускную способность системы передачи в целом. Задача объединения или разделения частот решается на уровне приемника или передатчика.

Самая простая и дешевая реализация технологии WDM использует два канала – один на длине волны 1310 нм, другой на длине волны 1550 нм. Ее развитием являются технологии Coarse WDM (CWDM, мультиплексирование с разреженным спектральным разделением) и Dense WDM (DWDM, мультиплексирование с плотным спектральным разделением). Большинство WDM-систем используют для работы одномодовые оптические кабели с диаметром волокна 9/125 мкм.

Компания D-Link производит модули SFP с использованием технологии WDM (также встречаются названия Bi-Di, WDMBi-Directional, т.е. "двунаправленные"), поддерживающие скорости передачи 100 Мбит/с и 1000 Мбит/с. Эти модули позволяют одновременно передавать и получать сигналы на длинах волн 1310 нм и 1550 нм по одному оптическому волокну на расстояние до 40 км. Это достигается путем установки SFP-модуля передатчика и SFP-модуля приемника на разных концах линии связи. Модули оборудованы симплексными разъемами LC для подключения одноволоконного одномодового кабеля.

Рис. 1.10. Модули SFP DEM-331R и DEM-331T с одним портом 1000BASE-BX10 с поддержкой технологии WDM

Следующей ступенью эволюции сменных интерфейсов стала разработка оптических трансиверов XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) для волн 850, 1310 и 1550 нм. Они поддерживают 10GE, 10 Gigabit SONET/SDH, Fibre Channel и еще некоторые высокоскоростные протоколы. XFP имеют несколько большие размеры, чем трансиверы SFP. Модули могут поддерживать систему цифровой диагностики для мониторинга состояния оптических линий.

В настоящее время компания D-Link выпускает трансиверы XFP 10 GE, предназначенные для работы с одномодовым и многомодовым оптическим кабелем разной дальности передачи.

Рис. 1.11. Модуль XFP DEM-423XT с одним портом 10GE (10GBASE-ER) для одномодового оптического кабеля

Новым поколением оптических сменных интерфейсных модулей с поддержкой скоростей 10 Гбит/с стали трансиверы SFP+. Требования к модулям SFP+, которые являются расширенной версией SFP, определены в спецификации SFF-8431. Несмотря на то, что модули SFP+ имеют ряд усовершенствований по сравнению с классическими модулями SFP, в коммутаторах D-Link слоты SFP+ поддерживают установку модулей SFP.

По сравнению с трансиверами XFP, модули SFP+ обладают меньшими габаритными размерами и тепловыделением, что позволяет повысить плотность размещения портов 10 Гбит/с на корпусе телекоммуникационных устройств.

Модули SFP+, так же как и модули SFP, могут поддерживать систему цифровой диагностики в соответствии со спецификацией SFF-8472.

Компания D-Link производит широкий спектр трансиверов SFP+ с поддержкой и без поддержки функции цифровой диагностики. Различают модули, предназначенные для работы с одномодовым или многомодовым оптическим кабелем на длинах волн 850, 1310 и 1550 нм, с поддержкой технологий WDM, CWDM.

Рис. 1.12. Модуль SFP+ DEM-432XT-DD с одним портом 10GE (10GBASE-LR) для одномодового оптического кабеля и поддержкой функции цифровой диагностики

Отдельно следует отметить модули XFP и SFP+ с поддержкой технологии CWDM. Технология CWDM (Coarse WDM, мультиплексирование с разреженным спектральным разделением) является развитием технологии WDM, которая позволяет использовать до 18 оптических каналов (как опре-делено в ITU-T G.694.2), отстоящих друг от друга на расстоянии 20 нм для передачи оптических сигналов. Оптические каналы лежат в диапазоне от 1271 до 1611 нм. Сетка длин волн CWDM приведена в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Номинальные значения центральных длин волн (нм) для расстояния между каналами 20 нм

Из-за высокого затухания в диапазоне 1271-1451 нм большинство CWDM-реализаций используют 8 каналов в диапазоне 1471-1611 нм.

Популярность CWDM-систем в городских и региональных сетях растет благодаря тому, что они позволяют снизить затраты на прокладку оптических кабелей, повысить пропускную способность оптической сети на фоне постоянно увеличивающегося объема трафика, что особенно актуально провайдерам услуг, которые хотят предоставлять клиентам дополнительные сервисы. Новый сервис может быть добавлен поверх существующего оптического кабеля без приостановки предоставления услуг клиентам. Помимо предоставления сервисов, использование технологии CWDM позволяет операторам связи оказывать такую услугу как предоставление в аренду "виртуального волокна".

Компания D-Link производит модули XFP и SFP+ с поддержкой техно- логии CWDM для следующих длин волн: 1271, 1291, 1311, 1331, 1471, 1491, 1511, 1531, 1551, 1571, 1591, 1611 нм. Модули оснащены дуплексными разъемами LC для подключения одномодового оптического кабеля и обеспечивают передачу данных на расстояния до 10, 40 и 70 км в зависимости от модели. Благодаря наличию широкого спектра модулей провайдеры услуг могут создавать CWDM-системы с различным количеством оптических каналов, работающих на требуемых частотах.

Рис. 1.13. а) Модуль SFP+ DEM-X40CS-1611 с одним портом 10GE (10GBase-SR) для одномодового оптического кабеля с подержкой технологии CWDM и расстоянием передачи до 40 км; б) Модуль XFP DEM-X70CX-1611 с одним портом 10GE (10GBase-ZR) для одномодового оптического кабеля с поддержкой технологии CWDM и расстоянием передачи до 70 км.

Следует отметить, что в отличие от модулей с поддержкой технологии WDM, которые работают в паре и передают сигналы по одному волокну оптического кабеля на разных длинах волн, модули D-Link XFP и SFP+ CWDM являются однонаправленными и требуют подключения к мультиплексору на другом конце линии связи.

Мультиплексор – это пассивное устройство, которое объединяет (мультиплексирует) передаваемые и разделяет (демультиплексирует) принимаемые на разных длинах волн оптические сигналы. В зависимости от типа используемого для межмультиплексорной связи оптического кабеля, существуют две реализации мультиплексоров – одноволоконные и двухволоконные.

Модули D-Link XFP и SFP+ CWDM используются для подключения к двухволоконным мультиплексорам. Они передают и принимают сигналы на одной и той же длине волны по разным волокнам одномодового оптического кабеля. Мультиплексор объединяет сигналы, полученные от модулей, и передает их (каждый в своем оптическом канале) по одному волокну двухволо- конного оптического кабеля. По другому волокну кабеля выполняется прием мультиплексированных сигналов, которые далее демультиплексируются приемником мультиплексора. Благодаря использованию двух волокон оптиче- ского кабеля мультиплексор может одновременно мультиплексировать и демультиплексировать сигналы в обоих направлениях – от модуля и к модулю CWDM.

Рис. 1.14. Примеры использования технологии CWDM

Архитектура коммутаторов

Одним из основных компонентов всего коммутационного оборудования является коммутирующая матрица (switch fabric). Коммутирующая матрица представляет собой чипсет, соединяющий множество входов с множеством выходов на основе фундаментальных технологий и принципов коммутации. Коммутирующая матрица выполняет три функции:

• переключает трафик с одного порта матрицы на другой, обеспечивая их равнозначность;
• предоставляет качество обслуживания (Quality of Service, QoS);
• обеспечивает отказоустойчивость.

Поскольку коммутирующая матрица является ядром аппаратной платформы, к ней предъявляются требования по масштабированию производительности и возможности быстрого развития системы QoS.

Производительность коммутирующей матрицы (switch capacity) определяется как общая полоса пропускания (bandwidth), обеспечивающая коммутацию без отбрасывания пакетов трафика любого типа (одноадресного, многоадресного, широковещательного).

"Неблокирующей" коммутирующей матрицей (non-blocking switch fabric) является такая матрица, у которой производительность и QoS не зависят от типа трафика, коммутируемого через матрицу, и производительность равна сумме скоростей всех портов:

где¹ — количество портов, — максимальная производительность протокола, поддерживаемого i-м портом коммутатора.

Например, производительность коммутатора с 24 портами 10/100 Мбит/с и 2 портами 1 Гбит/с вычисляется следующим образом:

((24 х 100 Мбит/с) + (2 х 1 Гбит/с)) х 2 = 8.8 Гбит/с

Коммутатор обеспечивает портам равноправный доступ к матрице, если в системе не установлено преимущество одних портов над другими.

Поскольку коммутирующая матрица располагается в ядре платформы коммутатора, то одним из наиболее важных вопросов остается ее отказоустойчивость. Этот вопрос решается за счет реализации отказоустойчивой архитектуры, предусматривающей резервирование критичных для работы коммутатора блоков.

Одним из ключевых компонентов архитектуры современных коммутаторов является контроллер ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Контроллеры ASIC представляют собой быстродействующие и относительно недорогие кремниевые кристаллы, которые предназначены для выполнения определенных операций. Использование в архитектуре коммутаторов контроллеров ASIC повышает производительность системы, т.к. ASIC выполняет операции аппаратно, благодаря чему не возникают накладные расходы, связанные с выборкой и интерпретацией хранимых команд. Современные контроллеры ASIC часто содержат на одном кристалле 32-битные процессоры, блоки памяти, включая ROM, RAM, EEPROM, Flash, и встроенное программное обеспечение. Такие ASIC получили название System-on-a-Chip (SoC).

* Умножение на 2 для дуплексного режима работы.

В настоящее время существует много типов архитектур коммутирующих матриц. Выбор архитектуры матрицы во многом определяется ролью коммутатора в сети и количеством трафика, которое ему придется обрабатывать. В действительности, матрица обычно реализуется на основе комбинации двух или более базовых архитектур. Рассмотрим самые распространенные типы архитектур коммутирующих матриц.