Оптический разъем LC для СКС в ЦОД

Структура кабельного тракта СКС достаточно жестко зафиксирована на нормативном уровне. Проектная и эксплуатационная гибкость, необходимая для нормальной реализации проектов, достигается за счет наличия нескольких разновидностей этого комплексного объекта. Любая стационарная линия и тракт всегда содержат разъемные соединители, с помощью которых линейный и шнуровые кабели соединяются между собой и затем подключаются (при необходимости через соответствующие адаптеры) к активному сетевому оборудованию.

СОЕДИНИТЕЛЬ LC В СКС ДЛЯ ЦОД И ЕГО ПЕРСПЕКТИВЫ

Волоконно-оптические кабельные тракты СКС для ЦОД делятся на две разновидности: дуплексные и многоволоконные. Последние применяются, когда для увеличения пропускной способности каналов связи используется принцип пространственного уплотнения, то есть осуществляется параллельная передача по нескольким волокнам. Для каждой разновидности тракта действующими редакциями стандартов предусматривается свой тип соединителя: LC для дуплексных и MPO/MTP для многоволоконных.

Изначально предполагалось, что дуплексные тракты будут поддерживать скорости до 10 Гбит/с, хотя в перспективе возможно наращивание этого значения до 25 Гбит/с. В случае же увеличения темпа передачи до 40 Гбит/с и выше обязательно должен осуществляться переход на классическую параллельную передачу с несколькими волокнами в одном направлении.

В середине второго десятилетия XXI века транспорт данных во многих ЦОД организуется преимущественно на основе 40-гигабитных каналов связи, при этом явно выражена тенденция перехода на скорости 100 Гбит/с, что ведет к уменьшению относительной доли LC.

Полному вытеснению LC из проектов крупных ЦОД препятствует поддержка им следующих возможностей:

• увеличение тактовой частоты сигнала до значения несколько выше 25 ГГц;
• применение многоуровневого амплитудно-импульсного кодирования PAM4;
• внедрение схем коротковолнового спектрального мультиплексирования BiDi и SWDM.

Кроме того, стимулом к увеличению объемов использования двухволоконных решений служат:

• массовое применение технологии агрегатирования каналов (port trunking) путем объединения широко распространенных 10-гигабитных потоков в один 40-гигабитный;
• построение оптической части одного из 200-гигабитных вариантов новейших интерфейсных модулей формата QSFP-DD по схеме Dual LC.

Ввиду данных обстоятельств, переход на схему физической параллельной передачи, а значит, и отказ от LC не являются безусловно обязательными, по крайней мере пока не достигнуты скорости 10 × 2,5 × 2 × 4 = 200 Гбит/с.

ОСОБЫЕ ТРЕБОВАНИЯ В ОТНОШЕНИИ ПРИМЕНЕНИЯ LC В ЦОД

Отвод тепла, выделяемого в пространство аппаратного зала ЦОД работающими серверами и иным компьютерным и телекоммуникационным оборудованием, осуществляется преимущественно посредством системы воздушного охлаждения. Для обеспечения ее эффективного функционирования необходимо, чтобы:

• охлаждаемый объект имел минимальный объем;
• 19-дюймовый монтажный конструктив входил в состав системы в качестве одного из компонентов структуры горячих и холодных коридоров.

Иными словами, коммутационное оборудование оптической подсистемы информационной проводки ЦОД должно иметь увеличенную плотность конструкции. Оборотной стороной такого подхода является возникновение определенных проблем с коммутацией.

Оптический интерфейс двухволоконных модулей SFP, SFP+ и аналогичных им выполнен в форм-факторе LC. Чтобы сохранить удобное для эксплуатации симметричное исполнение различных шнуровых изделий, компоненты оптического разъема LC целесообразно доработать с учетом высокой плотности конструкции коммутационной техники. Модернизированные варианты LC:

• по-прежнему относятся к группе малогабаритных, или SFF-коннекторов (от англ. Small Form Factor);
• сохраняют полную или обеспечивают очень высокую степень совместимости с традиционными изделиями;
• имеют только дуплексную форму исполнения;
• снабжены элементами, облегчающими отключение от розеток даже при условии их плотного многорядного расположения на лицевой пластине оптических полок;
• позволяют легко, без использования специальных инструментов, менять полярность в процессе эксплуатации оборудования.

При реализации специализированных конструкций дополнительно учитываются следующие факторы:

• пользователи не заинтересованы в изменении процесса подключения существующих вилок LC;
• предельная простота дизайна розеток не позволяет радикальным образом улучшить их конструкцию;
• площадь миделя вилок типового LC намного превышает сечение даже 32-волоконного ленточного кабеля (максимальное количество волокон в схеме параллельной передачи);
• для отключения вилки от розетки не обязательно иметь прямой доступ к фиксатору;
• конфигурация СКС в ЦОД меняется довольно редко.

Таким образом, основные усилия разработчиков сосредоточиваются на изменении конструкции дуплексной вилки. Более того, конструктивным доработкам подвергаются преимущественно средняя и отчасти задняя части ее корпуса.

Рабочую часть элемента отключения фиксатора вилки в розетке можно отодвинуть от передней панели оптического кросса без ухудшения потребительских качеств разъема. Для этого в конструкцию вилки вводится механизм, позволяющий менять направление воздействия на рычаг фиксатора защелки: осевое тянущее усилие преобразуется в вертикальное. Сам же механизм фиксации остается неизменным или перерабатывается незначительно.

При отключающем воздействии рычаг защелки перемещается в направлении корпуса. Оно может быть создано за счет давления на рычаг сверху или же путем нижнего тянущего усилия.

Рис. 1. Варианты исполнения дуплексных вилок LC для подключения к панелям высокой плотности: а — верхняя стержневая тяга; б — нижняя ленточная тяга; в — внешняя обойма

Реализация первого подхода в большинстве случаев предполагает использование верхней длинной жесткой стержневой тяги (рис. 1, а). Второй (рис. 1, б) основан на тяге с мягким окончанием, прижатой вплотную к корпусу вилки. Сама тяга может быть жесткой стержневой (этот подход реализован в изделиях LC-HD японской компании Senko) или выполненной по мягкой схеме — в виде ленты.

Для удобства работы свободный конец рычага снабжается навершием шарообразной, цилиндрической, конусообразной или иной формы, удобной для захвата двумя пальцами.

Еще один способ повышения удобства работы — применение съемной тяги, которая подключается к вилке только в момент отключения. Рабочий конец такой тяги имеет T-образную форму, а на движке механизма отключения предусмотрено два выступа, за которые цепляются отгибы тяги. Съемная тяга имеет ту же длину, что и типовой ключ, поэтому их можно носить в одной связке — для этого на втором конце тяги предусмотрено кольцо. Данное решение применяется в серийной продукции американской компании Sanwa.

Наряду с механизмами стержневого типа возможна их реализация по обойменной схеме. В этом случае отключение вилки происходит по классической схеме push-pull (рис. 1, в). Суть решения состоит в применении подпружиненной подвижной обоймы, которая полностью охватывает корпус и при линейном перемещении воздействует на рычаг защелки. Такой механизм отключения применяется по крайней мере в двух серийных разъемах (BladePatch компании Siemon и LX-HD компании Huber + Suhner). Основные отличия — длина и форма движка.

Движок обойменного механизма обычно воздействует непосредственно на рычаг защелки. Однако жестких ограничений на длину его хода нет, что дает возможность ввести в кинематическую схему промежуточный элемент, который оттягивает вниз заднюю часть рычага защелки. Преимуществом такого подхода становится увеличение плеча силы, что несколько облегчает отключение.

Известно еще одно решение, в основу которого положен отказ от тянущего усилия в пользу нажатия. Реализующий его механизм представляет собой длинный рычаг, связанный с толкателем защелки через промежуточный шарнир. Для отключения вилки рабочий конец рычага следует поднять, а не давить на него вниз. Возможность применения такого подхода доказана его внедрением в некоторые образцы сходных по дизайну разъемов LX.5 и F-3000. О его использовании в разъемах LC ничего неизвестно.

РЕШЕНИЯ ПО ИЗМЕНЕНИЮ ПОЛЯРНОСТИ ВИЛОК

Проблема полярности оптических трактов рассматривалась нами ранее (см. статьи автора «Проблема полярности оптических трактов передачи» в «Журнале сетевых решений/LAN», № 11, 2005, и «Полярность многомодовых оптических трактов для параллельной передачи» в «Журнале сетевых решений/LAN», № 1, 2014). Из-за сравнительно малых объемов использования волоконной оптики на уровне горизонтальной подсистемы вероятность выполнения процедуры изменения полярности в офисных СКС исчезающе мала. Иначе обстоит дело в ЦОД, где линейная часть стационарной линии реализуется на основе ленточного кабеля.

Необходимость изменения полярности элементов оптического разъема часто возникает при формировании на их базе дуплексных трактов передачи. Изменение полярности дуплексных разъемов может выполняться как на вилке, так и в розетке. С точки зрения форм-фактора вилка LC обладает несимметричной структурой. Поэтому переход на другую полярность при неизменном положении фиксирующей защелки может быть реализован в соответствии с двумя основными схемами: перестановка вилок или различные виды их поворота.

Рис. 2. Варианты изменения полярности дуплексных вилок: а — перестановка вилок; б — поворот отдельных вилок на 180°; в — символьная маркировка вилки механизма с индивидуальным вращением; г — перемещение защелки на противоположную сторону

Первый прием (рис. 2, а) широко практиковался в отношении вилок, которые собираются в дуплексную конструкцию с помощью многоразовой пружинящей крепежной обоймы.

Решения второй группы более удобны, но для их реализации требуется усложнение конструкции вилок. Один из вариантов этой схемы основан на том, что передняя часть корпуса вилок допускает независимое вращение вокруг наконечника при открытом держателе (рис. 2, б). В этом случае корпус вращается вместе с рычагом защелки, а в завершение процедуры требуется перевернуть защитную крышку на 180°. Для обозначения отдельных вилок, помимо их окраски в различные цвета, используется символьная маркировка А и В, которая наносится на разные стороны корпуса (рис. 2, в).

Оригинальный способ изменения полярности этой группы предложен тайваньской компанией JYH ENG TECHNOLOGY. Он применим к моноблочной дуплексной вилке, у которой, в отличие от традиционных конструкций, верхняя часть корпуса отдельных вилок имеет гладкую поверхность. Фиксатор реализован по схеме с прямой ориентацией рычага защелки (рис. 2, г) и кольцевой державкой в виде осесимметричной обоймы, надеваемой на заднюю часть корпуса. Для изменения полярности обойму сдвигают назад до выхода на кабель, переворачивают на 180° и вновь надвигают на штатное место.

ЗАЩИТА РЫЧАГА ЗАЩЕЛКИ

В качестве прототипа корпуса вилок LC был выбран аналогичный элемент модульного разъема для витопарных кабелей. Однако в случае применения такого решения высока вероятность повреждения рычага фиксирующей защелки при отключении шнура от пассивного коммутационного и активного сетевого оборудования. Риск механического повреждения вилки заметно возрастает при большом количестве шнуровых изделий. На сильно загруженном коммутационном поле системный администратор, отключив вилку, зачастую просто вытаскивает кабель из пучка таких же (рис. 3). При таком обращении со шнуром свободный конец рычага защелки (см. рис. 3, а), выступающий над корпусом, цепляется за другие кабели и легко обламывается.

Рис. 3. Исполнение фиксирующих защелок вилок LC: а — традиционное с задней ориентацией рычага; б — с защитным козырьком; в — с задним дизайном рычага и его инверсной ориентацией; г — по предложению Fluke

Наиболее часто проблема недостаточной механической эксплуатационной надежности защелки устраняется путем установки упругого защитного козырька, нависающего над свободным концом рычага защелки (рис. 3, б). Обычно этот дополнительный конструктивный элемент монтируется на наделке, находящейся на задней части корпуса. Такой подход удобен тем, что защитный козырек, на который можно нажать большим пальцем, заметно облегчает отключение вилки.

Другие решения по защите — например, довольно популярные в медножильной подсистеме вилки с двумя дополнительными выступами («рысьи уши») — встречаются на практике в единичных случаях.

Известно также изменение классического дизайна вилки и переход на так называемое заднее исполнение рычага (англ. rear pivot latch), которое впервые было предложено компанией Panduit. Суть решения заключается в том, что рычаг прикреплен к задней части корпуса вилки и направлен своей рабочей частью вперед. От традиционной защелки оставлен только небольшой передний направляющий носик, который задает ориентацию вилки и позволяет вставить ее в розетку только в правильном положении (рис. 3, б).

Отдельно укажем на то, что применение в конструкции вилки механизма вида push-pull частично решает проблему защиты рычага защелки от механических повреждений. Это связано с естественным уменьшением величины или полным устранением «ступеньки», которую рычажная защелка образует в задней части корпуса вилки.

Компания Fluke предложила необычное и остроумное решение: эксплуатационная надежность симплексной вилки повышается за счет перехода на ремонтопригодный дизайн фиксатора. Рычаг защелки выполнен в виде отдельного компонента, который вставлен в гнездо переднего направляющего выступа и удерживается в рабочем положении только прижимающим усилием пружины. Разборная конструкция фиксатора допускает замену рычага в случае его механического повреждения (рис. 3, г).

Главным недостатком подхода Fluke является наличие сразу двух малогабаритных пружин, что ограничивает область применения модернизированной вилки: она подходит лишь для измерительной техники.

РОЗЕТКА С ПЕРЕМЕННОЙ ПОЛЯРНОСТЬЮ

Конструкция по крайней мере одной розетки позволяет менять полярность в процессе эксплуатации СКС. Суть нововведений заключается в том, что в лицевой пластине корпуса изделия выполнен второй, противоположный основному, вырез для рычага защелки (рис. 4). Благодаря этой особенности вилку можно вставлять в розетку в двух положениях: прямом и обратном.

Рис. 4. Конструкция розеток в схематическом представлении: а — обычная; б — с переменной полярностью (без заглушки)

Рис. 4. Конструкция розеток в схематическом представлении:

а — обычная; б — с переменной полярностью (без заглушки)Для устранения неопределенности относительно ориентации вилки ненужный вырез можно закрыть съемной заглушкой. Для ее установки предусмотрены монтажные гнезда на передней поверхности корпуса.

ПЕРЕХОДНАЯ РОЗЕТКА

Японская компания Senko предложила оригинальное решение по улучшению массогабаритных характеристик модулей, предназначенных для типовых слотовых оптических полок СКС для ЦОД. Суть подхода состоит в том, что для оконцевания волокон внутри корпуса панели используется не стандартный LC, а коннектор Micro-LC. Несмотря на название, у него очень мало общего с прототипом, от которого фактически заимствован только центрирующий наконечник. В качестве фиксатора используется байонетная гайка, а благодаря отсутствию хвостовика общая длина вилки сократилась на 31 мм. Возможность установки только на волокна в буферном покрытии 900 мкм некритична из-за специализированного характера изделия. Взаимодействие с вилкой LC шнурового кабеля происходит через переходную розетку.

МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КРЕПЛЕНИЯ РОЗЕТОК

Модернизация розеток осуществляется с целью экономии площади, занимаемой ими на лицевой панели группового коммутационного оборудования.

Основным средством такой экономии является уменьшение количества точек крепления, что позволяет максимально сблизить отдельные розетки и добиться большей плотности портов.

В случае перехода на трехрядную схему установки розеток плотность портов увеличивается до 72/1U.

Следует отметить, что не все разновидности вилок LC совместимы с высокоплотным коммутационным полем на основе модернизированных розеток. Наиболее универсальными в данном случае являются вилки с длинной тягой, которая взаимодействует с рычагом защелки по нижней схеме. Сокращение высоты разъема позволяет сблизить ряды розеток по вертикали и до 40% увеличить плотность конструкции при условии применения полок высотой 2U.

Модернизация розеточных модулей осуществляется с применением двух различных подходов. В первом случае розеточный модуль представляет собой моноблочное изделие, а увеличение плотности конструкции достигается наращиванием количества одиночных розеточных гнезд без изменения числа точек крепления. Набольшую популярность получили счетверенные варианты (CommScope, Leviton). Обращение к ним дает возможность довести плотность дуплексных портов до 72/1U.

Что касается количества отдельных точек подключения в многоволоконной розетке и направления ориентации (прямая и угловая), то несколько большую гибкость дают конструктивно более сложные наборные варианты, предлагаемые, например, японской компанией Senko. Такие изделия относятся к группе стековых (stackable) решений: они представляют собой конструктор, в котором имеются внутренний или центральный, а также два внешних (левый и правый) варианта розеток. Последние отличаются наличием выступа под крепежные винты.

Формирование группы розеток осуществляется по образцу системы «Лего», для чего предусмотрены специальные выступы и отверстия. Механическая стабильность достигается путем установки розеток «в стек» одна на другую длинной стороной корпуса. Линейка выступов-отверстий ориентирована перпендикулярно по отношению к продольной розетке (прямая установка) или под углом 45° (угловая установка).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Специфические условия эксплуатации оптической коммутационной техники в ЦОД повлияли на характер изменений, внесенных в конструкцию соединителя. Из-за более высокой сложности дизайна оптических вилок именно они чаще всего модернизируются с целью улучшения потребительских качеств коммутационного оборудования для ЦОД.

Разъем LC позволяет формировать тракты передачи со скоростью до 200 Гбит/с и в обозримой перспективе будет, как прежде, широко использоваться при построении инфраструктуры ЦОД. Современные оптические полки на его основе легко обеспечивают плотность портов 72/1U.

Андрей Семенов, директор по развитию СУПР, профессор МТУСИ