RU.Медиаконверторы

(обзор рынка и технологии медиаконверторов)

Введение.

С прибытием в наш мир доступного по цене оптического волокна и поделок на его основе (оптоволоконный кабель, патч-корды внешнего и внутреннего исполнения, пигтейлы и прочие прелести пассивной части оптоволоконной сети) достаточно бодро начала развиваться технология строительства сетей FTTX.

*FTTX (англ. FiberToTheX – Волокно В «Х») – технология физического строительства оптических сетей передачи данных, основной особенностью которой является возможность прокладки оптоволоконного кабеля то потребителя «X». В качестве «Х» может выступать «N», «C», «B», «H»:
•    FTTN (FibertotheNode) — волокно до сетевого узла;
•    FTTC (FibertotheCurb) — волокно до микрорайона, квартала или группы домов;
•    FTTB (Fiber to the Building) — волокно до здания;
•    FTTH (FibertotheHome) — волокно до жилища (квартиры или отдельного коттеджа).*

FTTX в городе (на текущее время это уже FTTB и даже иногда FTTH) традиционно строится с применением оптических свитчей доступа для сбора данных с абонента/группы абонентов (например, D-LinkDES-3200-28Fили D-LinkDGS-2120-24SC).

В такие свитчи устанавливаются SFP модули, работающие на скорости 100Мбит/сили1Гбит/с и обладающие оптическим бюджетом, сопоставимым с бюджетом потерь стандартного волокна G.652 D длиной 3км или 20км.

Приёмной стороной для каждого оптического SFP модуля может являться либо «медный» L2/WebSmart свитч с оптическим аплинком (например, TP-LinkTL-SL2210WEBили D-LinkDES-1210-28), в который вставлен «ответный» SFP модуль, либо (что гораздо чаще) медиаконвертер (для FTTH) или медиаконвертеров связке с «тупым медным» свитчем на 8-16  медных 8P8C портов, работающих на скорости 10/100Мбит/с (для FTTB).

*Преобразование среды распространения сигнала – одна из основных (на текущий момент) задач, стоящих перед любым сетевым оборудованием, ведь почти 100% оконечного оборудования имеет «медный» порт.На любом ПК, ноутбуке, Wi—Fi точке доступа, сетевом принтере или современном телевизоре, на любой ТВ или игровой приставке, SIP-телефоне – везде, где идет работа с современными форматами мультимедиа и просто данными, имеется разъём 8P8Cдля подключения устройства к ЛВС посредством медной витой пары.

Медный кабель по-прежнему остаётся самым эффективным и надёжным средством для прокладки сетевой инфраструктуры в жилом помещении: при относительно небольшом (обычно) периметре среднестатистической квартиры длины без регенерационного участка в 100м, которой ограничен «медный» линк, вполне должно хватить на то, чтобы полностью «укутать» жильё «интернетосодержащим» кабелем. Вместе с тем, плюсов у такой архаичности, как медь, достаточно: медный кабель хорошо гнётся, трудно ломается, его легко разделывать и обжимать (в сравнении с оптическим кабелем на волокне G.657 A, которое хоть и предназначено для прокладки внутри помещений, но реально используется крайне редко).*

Физически медиаконвертер имеет две «стороны», одна из которых отвечает за оптическую линию связи (медиаконвертер имеет встроенный или сменный лазерный приёмопередатчик), а вторая – за электрическую линию связи (один или несколько 8P8Cпортов). Обе стороны связаны между собой чипом-свитчем, который управляет всей этой «кухней», а также (в некоторых случаях) занимается рядом специальных задач. Собственно, про все основные элементы медиаконвертера речь ниже и пойдет.

 1. Оптика в дом или лазерная сторона вопроса.

Оптическая сторона медиаконвертера обычно представлена трансивером1×9 в пластиковом (реже – в металлическом) корпусе стандартного размера. «1х9» он из-за своих особенностей монтажа на печатную плату: один ряд пинов, состоящий из девяти сигнальных пинов и пинов питания припаивается по сквозной технологии монтажа на печатную плату. Два дополнительных сквозных штыря удерживают корпус, предотвращая перемещение трансивера и увеличивая жесткость конструкции.

Трансиверы 1х9 могут различаются характеристиками:

По количеству используемых волокон:

• Симплексные или WDM (один оптический разъём, в котором находится спаренный приёмопередатчик);
• дуплексные (два оптических разъёма, в один из которых выведен передатчик, в другой – приёмник);

По типу используемых волокон:

• мультимодовые (в качестве среды для передачи оптического сигнала используется многомодовое волокно (MMF); всегда дуплексные);
• одномодовые (в качестве среды для передачи оптического сигнала используется стандартное одномодовое волокно (SMF); могут быть симплексные и дуплексные);

По типу используемого передатчика:

• FP (Fabry-Perot, лазеры Фабри-Перо);
• DFB (DistributedFeedback, лазеры с распределенной обратной связью);
• VCSEL (Vertical-CavitySurface-EmittingLasers, поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором);

По типу используемого приёмника:

• PIN-диод;
• APD-диод (Avalanchephotodiode, лавинный фотодиод);

По дальности работы:

• До двух километров по многомодовому волокну (550м и 2км);
• От 20км до 120км по одномодовому волокну (20км, 40км, 80км, 120км);

По скорости передачи данных (с учётом канального кодирования):

• До 100Мбит/с в стандарте FastEthernet(155Мбит/с);
• До 1Гбит/с GigabitEthernet(1.25Гбит/с);
• Мультискоростные для ATM/SONET/SDH OC1…OC12 (52Мбит/с, 156Мбит/с,  622Мбит/с);
• Мультискоростные для FDDI, FibreChannel (266Мбит/с и 531Мбит/с);

По форм-фактору оптических разъёмов:

• Один или два SC/UPC;
• Один или два FC/UPC;
• Один или два ST/UPC;

По материалу корпуса:

• Пластиковый корпус;
• Металлический корпус;
• Комбинированный корпус;

Комбинаций вышеперечисленных характеристик может быть огромное количество, однако, на просторах стран СНГ прочно укоренилось всего несколько видов трансиверов 1х9, используемых в медиаконвертерах:

 

Кол-во волокон	Тип волокна	Передатчик (TX)	Приёмник (RX)	Дальность	Скорость передачи данных	Разъём	Корпус	Длины волн TX/RX
2	SMF	FP	PIN	20km	1Гбит/с	2хSC/UPC	Пластик	1310нм / 1310нм
2	SMF	FP	PIN	20km	100Мбит/с	2хSC/UPC	Пластик	1310нм / 1310нм
1	SMF	FP	PIN	20km	1Гбит/с	1хSC/UPC	Пластик	1310нм / 1550нм
1	SMF	FP	PIN	20km	100Мбит/с	1хSC/UPC	Пластик	1310нм / 1550нм
1	SMF	DFB	PIN	20km	1Гбит/с	1хSC/UPC	Пластик	1550нм / 1310нм
1	SMF	DFB	PIN	20km	100Мбит/с	1хSC/UPC	Пластик	1550нм / 1310нм

 

Как видно из таблицы, все основные трансиверы 1х9, используемые в медиаконвертерах на территории бывшего СССР, схожи по многим характеристикам:

— Корпус выполнен из пластика. Применение пластика при изготовлении корпуса снижает стоимость трансивера 1х9 и, как следствие, конечную стоимость медиаконвертера;

— Использование одномодового (SMF) волокна в качестве среды для передачи оптического сигнала. Эпоха многомодового волокна завершается, сегодня его используют разве что военные да инженеры датацентров, поэтому найти «многомод» в свободной продаже по адекватной цене крайне сложно. А учитывая специфичность многомодового волокна касательно дальности эффективной работы (550м или 2км для 1Гбит/с) и внутреннего распространения света (в каждом отдельном волокне только один поток в одну сторону), можно даже не задумываться об использовании этого типа волокна в современной связи.

В свою очередь, одномодовое волокно на сегодняшний день является универсальной средой для передачи оптических сигналов с использованием различных технологий уплотнения (WDM, CWDM, DWDM). Кроме того,в одномодовом волокне гораздо меньшие (в сравнении с многомодовым) погонные затухания на рабочих длинах волн, и, как следствие, большая эффективная дальность распространения светового сигнала … В общем, список достоинств одномодового волокна перед многомодовым достаточно велик и перечислять их все особого смысла не имеет.

— Дальность работы до 20км по SMF. Как известно, эффективность использования оптоволоконной линии связи находится в прямой зависимости от дальности оптического линка и скорости передачи данных по нему. Чем дальше линк, тем скорость должна быть выше (никто не передаёт в одном волокне 100Мбит/с траффик на 80-120 километровую дальность, это слишком дорого!).

В городских же условиях, особенно при строительстве FTTX,линка в 20км для абонентского подключения сможет достичь только самый упорный ИСП, поэтому большей мощности и не надо.

В свою очередь, весь запас мощности (читай как «весь запас оптического бюджета») 20-километрового трансивера может быть растрачен на «последней миле», где всегда возможны перегибы волокна, некачественные сварки, большое количество механических соединений и ряд других факторов, ухудшающих мощность оптического сигнала.

— Разъёмы типа SC/UPC. На сегодняшний день разъём типа SC/UPCявляется самым популярным среди ИСП, строящих FTTX. Этот разъём (равно как и коннектор для него) зарекомендовал себя как достаточно надёжный, вносящий небольшое затухание в линию, удобный для работы и приятный на глаз разъём, используемый повсеместно. Пассивную часть (патч-корды, пигтейлы, адаптеры) для обеспечения линии связи механическими соединениями типа SC/UPCможно найти практически в любой точке географии, что также не может не радовать потребителя.

— Использование FP-лазеров в качестве передатчиков (в основном). Данный тип лазера традиционно имеет невысокую стоимость при относительно небольшой дальности эффективной работы, однако, для технологии FTTX и максимального линка в 20км (а реального – менее двух километров) этот тип лазера подходит как нельзя лучше.

— Использование практически повсеместно PIN-фотодиодов в качестве приёмника. P-I-N фотодиоды являются достаточно бюджетным средством для детектирования оптического излучения.При этом их эффективное применение в СПД ограничивается дальностью работы линка в 40км, а неоспоримое достоинство PIN фотодиодов перед их более «дорогими» собратьями APD в том, что их достаточно сложно «ослепить» высоким уровнем входящего сигнала. Поэтому PIN фотодиоды можно использовать в качестве универсальных приёмников на дальностях от 3-10 метров до 20км.

Отдельно стоит отметить медиаконвертеры «корзинного» типа – медиаконвертеры, имеющие вместо трансивера 1х9 порт для загрузки оптического трансивера типа SFP. Такие медиаконвертеры характеризуются, в первую очередь, высокой степенью мобильности, так как оптический линк, поддерживаемый таким устройством, полностью зависит от приёмопередатчика трансивера

Так, «корзина» может содержать в себе 120-километровый CWDM модуль или двухволоконный модуль для работы с мультимодовым волокном, WDM3-хкилометровый модуль или даже являться частью DWDM системы – всё зависит от фантазии проектировщика/инсталлятора и ограничения по скорости оптического линка в 1Гбит/с.

 

2.Волоконность и эффективность, или как сэкономить деньги на волокне.

Как известно, современная связь – дуплексная. Дуплексный способ связи предполагает, что передача и приём ведется одновременно каждым участником связи, причем потоки данных на передачу и на приём для каждого конкретного устройства должны быть физически разделены между собой.

Другими словами, к каждому сетевому устройству должно подходить минимум две независимые линии связи: одна на передачу данных, вторая – на приём.

Дуплексная связь в рамках оптических систем передачи данных стала использоваться еще на этапе первых испытаний этих самых систем. Для организации полного дуплекса использовались два независимых оптических волокна, по одному из которых сигнал поступал в одну сторону, а по другому двигался обратно.Именно тогда начали впервые употреблять в качестве синонима к дуплексной оптической связи термин «двухволоконная связь», что на сегодняшний день абсолютно неверно.

*Естественно, в разных волокнах, иначе возникнет коллизия (в данном случае, столкновение световых сигналов и их взаимное разрушение).*

В итоге, мы имеем на рынке неинтересную (читай как дорогую) с точки зрения эксплуатациипозицию среди достаточно широкого ассортимента медиаконвертеров. Основными потребителями двухволоконных медиаконвертеров сейчас являются либо особо зажиточные ИСП, которым не жалко волокон, либо государственные структуры, у которых двухволоконная связь «по стандарту». Для остальных же человечество уже давно придумало WDM технологию.

Как уже было отмечено ранее, для полноценной дуплексной связи потоки данных «туда» и «обратно» должны быть физически разделены между собой. Но физика – штука упрямая, и она утверждает, что не обязательно использовать разные волноводы для передачи светового сигнала! Достаточно в одном и том же волноводе использовать два встречных световых потока, отличающихся физическими свойствами (в частности, длиной волны). Проще говоря, надо «светить» в волокно с разных сторон лазерами разного цвета – и всё будет хорошо.

WDM (англ. WavelengthDivisionMultiplexing – мультиплексирование с разделением по длине волны) – частный случай частотного мультиплексирования. Применительно к оптическим системам связи – основной вид мультиплексирования (на сегодняшний день), применяемый повсеместно, в том числе и в технологии FTTX.

Особенностью оптических WDM систем связи является наличие пары «зеркальных» приёмопередатчиков, расположенных на разных концах одноволоконной оптической линии связи.

«Зеркальность» заключается в том, что один из пары приёмопередатчиков содержит в себе передатчик, излучающий на одной длине волны λ₁, и приёмник, способный детектировать сигнал на другой длине волны λ₂, а в парном ему приёмопередатчике всё наоборот. И всё это в одном корпусе. И этот корпус имеет в себе всего одно отверстие для ввода/вывода сигнала в волокно/из волокна.

Каждый WDM приёмо-передатчик имеет в своём корпусе (помимо, собственно, приёмника и передатчика) сложную систему, состоящую из фильтра и зеркала. Эта система пропускает прямой сигнал из передатчика в оптический волновод, а обратный сигнал (распространяющийся на отличной от прямого длине волны) отфильтровывает в приёмник.

Стандартные длины волн, на которых работают практически все двадцати километровые WDM медиаконвертеры, неизменны для 100Мбит/с и 1Гбит/с: 1310нм и 1550нм. Соответственно, на рынке всегда представлены «пары» этих устройств: один медиаконвертер с излучателем на длине волны 1310нм и приёмником на длину волны 1550нм, второй – на 1550нм и 1310нм соответственно.

Достоинства WDMсистем перед двухволоконными сформулировать несложно: использование всего одного волокна для передачи полного дуплекса на любой скорости вплоть до 10Гбит/с (для медиаконвертеров, правда, эта планка опущена до 100Мбит/с – 1Гбит/с, но есть и исключения).

Из недостатков WDM систем можно отметить, в первую очередь, необходимость держать в резерве сразу пару устройств на случай выхода из строя какого-либо WDM медиаконвертера на рабочем линке.

Кроме того, обычно WDM модуль 1х9 с передатчиком на длине волны 1550нм содержит в себе DFB лазер, который дороже, чем FP лазер, работающий в WDM 1×9 модуле с передатчиком на 1310. Покупая медиаконвертеры «парами», ИСП обычно не замечает разницы в цене, но некоторые продавцы при продаже «распаровки» применяют правило: «медик на 1550 дороже медика на 1310», что не совсем удобно и сложно чем-либо компенсировать.

 

3. «На медной стороне силы».

Собственно, в этом разделе и говорить-то практически не о чем: у каждого медиаконвертера есть «медные» порты, они же 8P8C, они же RJ45, они же «под витую пару», они же «обычные компьютерные для интернета» — в общем, медные.

Обычно у медиаконвертера один оптический порт и один порт медный. Такой минимализм в большинстве случаев оправдан: весь траффик, выходящий в оптический порт, образующий оптический канал связи на определенной скорости, так или иначе можно «засунуть» в медный порт и наоборот.

Сославшись на написанное в предыдущем разделе, отметим еще раз: скоростей у оптического порта две (у самых распространенных медиаконвертеров) – 100Мбит/с и 1Гбит/с.

У медного порта скоростей обычно три: 10Мбит/с, 100Мбит/с и 1Гбит/с.

Максимально возможная скорость работы медного порта ограничена скоростью работы оптики – и никак иначе (в противном случае, получился бы эффект «бутылочного горлышка», где самое узкое место – оптический порт).

Медные порты медиаконвертеров часто «мультискоростные»: при максимальной скорости работы оптического порта 100Мбит/с, медный порт «умеет» работать в режимах 10Мбит/с или 100Мбит/с, а при 1Гбит/с по оптике – на скорости 10/100 или 1000Мбит/с. При этом абсолютно неважно, какой поток данных передаётся из меди в оптику: медиаконвертер «поднимает по оптике то, что умеет», используя для 100Мбит/с канальное кодирование 4B/5B, а для 1Гбит/с – 8В/10В.

*Важно, чтобы оптическое устройство на противоположной стороне использовало то же канальное кодирование, что и медиаконвертер, иначе связи не будет!*

Однако, на рынке существует ряд устройств от достаточно известных брэндов, медные порты которых не поддерживают «мультискоростной» режим работы. Для таких медиаконвертеров скорость на медном порте (а значит и его кодирование) должно быть обязательно равно скорости оптического порта, и никак иначе. Это крайне неудобно, но с этим поделать ничего нельзя: всё зависит от установленного микрочипа, который умеет/не умеет работать в разных режимах по меди. Физический медный порт же лишь расширение для PHY-интерфейса микрочипа, подключенное через трансформатор и горсть резисторов/конденсаторов.

Микровопрос или что же у них внутри?

4.1. 100-мегабитные «мозги».

Любой медиаконвертер по своей сути является специализированным микрочипом, выполняющим роль «тупого» свитча, размещенным на одной печатной плате с физическими портами ввода/вывода, выполненными в виде модуля(-ей) 1х9 и медного порта(-ов). Чип занимается всем, включая управление питанием лазера и пересчет контрольных сумм пакетов перед отправкой дальше.

Собственно, от того, какой установлен чип и зависит 90% параметров медиаконвертера: скорость передачи данных по оптике/меди, количество поддерживаемых медных/оптических портов, разнообразный дополнительный функционал, включая работу с PVLAN, LFP + FEFи даже WEB-интерфейс (правда, малофункциональный, но всё-таки!).

В большинстве недорогих «рабочих лошадках», выполняющих преобразование среды для передачи данных, установлены микрочипы от компании-производителя IC+. Чипы от этого производителя стали чуть ли не самыми распространенными для коммутационных Low-Costустройств (читай как «тупых свитчей»).

В 100 Мбит/с медиаконвертерах испокон веков и до сегодня всё еще используются чипы старого образца IC+ IP175CHLF.

По сути, этот чип – ни что иное, как пятипортовый медный свитч, который умеет одним портом (конкретно – вторым) управлять лазерным приёмопередатчиком.

Этот чип относительно недорогой и стал широко распространен благодаря большому количеству проектов печатных плат медиаконвертеров, разработанных по всему миру, а также благодаря своей доступности (его можно приобрести даже на Почте России в любом достаточно крупном магазине микроэлектроники).

Недостаток этого чипа в том, что он достаточно «прожорлив» по питанию из-за своих пяти портов, и даже его размеры (которые, надо сказать, далеко не самые маленькие) и большая площадь поверхности не всегда способны полноценно отвести тепло (использование радиатора повышает стоимость устройства, при этом радиатор требуется только в «особо жарких» местах, а такие места у ИСП – явление хоть и постоянное, но встречаются не так часто, чтобы тратить дополнительные средства).

А учитывая тот факт, что эти чипы обычно используют в качестве базы для медиаконвертеров, имеющих всего два порта (один – медный, второй – оптический), использование этих чипов частично неоправданно (3 порта чипа просто не используются).

Вместе с тем, использование этого чипа для создания медиаконвертера, имеющего 1 оптический порт и 4 медных, на сегодняшний день экономически невыгодно: из-за того, что этим чипом практически невозможно управлять, покупать «тупой» медиаконвертер-свитч просто никто не будет (для этих целей используются более современные чипы, речь о которых пойдет ниже).

Из достоинств можно отметить (как это ни парадоксально!) большой размер чипа в корпусе 128pinPQFP, который удобно перепаивать при ремонте или в случае сборки из всякой нерабочей рухляди полноценного рабочего устройства.

Разработкой IP175CHLF компания IC+ не завершила свою деятельность, и, вскоре после появления на рынке пятипортового чипа-свитча и роста его популярности, компания IC+ представила разработчикам новый чип, «заточенный» под медиаконвертеры: IP113CLF.

Несмотря на то, что этот чип получился дороже своего прямого конкурента, он обладает рядом ключевых достоинств:

• Узкая специализация. Чип разработан специально для медиаконвертеров и имеет всего один оптический и один медный порт;
• Малые габариты. За счет малого числа портов чип имеет небольшое число «ног» (48 штук в корпусе QFP). Какследствие, чип небольшой, потребляет мало и греется, соответственно, не сильно;
• Специальные функции. Чип научили работать в режиме LFP (об этом режиме будет подробно описано ниже), а также вывели на корпус элементы управления (в виде DIP переключателей), отвечающие за режимы работы медного порта:
• 10Мбит/с в полудуплексе;
• 10Мбит/с в полном дуплексе;
• 100Мбит/с в полудуплексе;
• 100Мбит/с в полном дуплексе.

Кроме того, чип можно принудительно заставить работать в двух режимах коммутации:

— Режим коммутации Store-and-Forward (медиаконвертер передает кадры только после того, как они полностью получены и проверена их целостность);

— Режим коммутации StraightForward (медиаконвертер начинает передачу кадра через противоположенный порт после того, как получены первые 64 байта кадра. Целостность не проверяется).

Но, как показала практика, такой набор функций никому не нужен, большинству же нужна «коробочка, которую поставил и забыл», да к тому же еще и дешевая. Компания IC+ достаточно неплохо отслеживает настроения на рынке, и поэтому совсем недавно выпустила дешевый и сердитый и в то же время удовлетворяющий потребности почти всех клиентов чип: IP175GH LF.

Ничего лишнего:

• Один порт под оптический трансивер, один – под медный 10/100-мегабитный порт;
• Маленький корпус «почти без ножек» (48pinQFN);
• Автоматическое определение режимов работы медного порта;
• Требует минимум «обвязки» для стабильной работы;
• Дешевый и массово производимый (чуть ли не по 100 долларов за ведро).

Медиаконвертеры на базе IP175GH LF имеют характерную особенность: за счёт минимального количество необходимой для работы «рассыпухи» у производителей печатных плат имеется возможность сэкономить на текстолите, поэтому печатная плата с установленным на ней GH чипе имеет очень примечательный вид: