Deset puta brža mreža

Da li su naš računar i naša mreža dovoljno brzi? Nije lako odgovoriti na to pitanje - iz godine u godinu smo ulagali u nove generacije procesora, povećavali memoriju, zamenjivali hard diskove najpre bržim i većim diskovima, a kasnije i SSD uređajima... i uvek imali utisak da previše čekamo na završetak nekog posla. Istine radi, poslovi koje poveravamo računaru su sve komplikovaniji, operiše se sa mnogo više podataka, a potrebe i performanse se utrkuju na sve višem nivou. Dođemo do suštinskog ubrzanja, i odmah stigne sledeća generacija softvera koja to ubrzanje poništi. Što se mreže tiče, bežični uređaji su poslednjih godina značajno ubrzani, ali je stara dobra žičana mreža i dalje na gigabitnoj crti. Krenimo dalje...

Kako do 10 GbE?

Kako osmisliti i instalirati lokalnu Ethernet mrežu koja će omogućiti prenos podataka brzinom 10 Gbps (ili više). Kada sve stavite na konceptualni nivo, zvuči sasvim jednostavno - kupite 10 GbE switch, u nekoliko računara ugradite 10 GbE mrežne kartice, eventualno instalirate adekvatne Windows drajvere, povežete računare sa switch om kvalitetnim kablovima i... sve radi, samo što je brzina prenosa podataka bitno veća. O čemu onda dalje da pričamo? Kako to obično biva s novim tehnologijama, đavo je u detaljima...

Počnimo od switch a, reklo bi se neophodne ali nažalost i prilično skupe komponente. Doskora su se cene 10 GbE switch eva izražavale u hiljadama, pa i desetinama hiljada dolara; Cisco Meraki MS425 i danas košta oko 14.000 dolara. Takav switch ima 16 portova brzine 10 GbE, a za dalje povezivanje u mrežu se koriste dva 40 GbE porta (obično ćete pročitati izraz uplink/stacking port), što ima smisla - lepo je što računari međusobno komuniciraju velikom brzinom, ali šta će se desiti kada nekoliko njih istovremeno požele da takvom brzinom "izađe u svet"?

Kada se "spustimo na Zemlju", videćemo da nam u realnoj mreži ne treba toliko 10 GbE portova a da link prema Internetu nije ni blizu 10 Gbps. Potrebno nam je da nekoliko ključnih radnih stanica može brzo da komunicira međusobno i sa serverom, dok će za većinu uređaja i stari 1 Gbps Ethernet biti sasvim dovoljan; razne televizore, kamere, laptope, access point e i druge uređaje ne možete ni povezati na 10 GbE mrežu, barem za sada. Dakle, dobar kompromis je switch sa četiri 10 GbE porta, dok ostali portovi mogu sasvim lepo biti i 1 Gbps. Cena takvih uređaja je dostižna - nedavno je sišla ispod 1000, pa i ispod 500 evra. Sama deklaracija na switch u nije uvek dovoljna i realne brzine kod jeftinijih modela mogu da budu manje nego što očekujete.

Malo koja matična ploča za desktop PC ima 10 GbE port, pa ćete morati da dokupite odgovarajući PCI Express adapter koji se ugrađuje u kućište. To su male i naoko jednostavne kartice sa jednim ili dva mrežna porta, čija se cena kreće od nekoliko desetina do par stotina dolara. Povezivanje laptopa u 10 GbE mrežu nije jednostavno; vlasnici Mac ova i veoma novih PC ja za par stotina dolara mogu da kupe Thunderbolt 3 Dock.

Za šta god da se odlučite, realne performanse zavise od korišćenih čipova ali i od drajvera, pa treba proveriti da li za izabranu karticu postoje kvalitetni drajveri za verziju Windows a, MacOS a ili Linux a koju koristite. Dodatni problem je u tome što su na našem tržištu, koje uglavnom nudi najjeftiniju "konfekciju", ovakve kartice retke ili se nabavljaju po porudžbini; mi smo kartice koje su nam bile potrebne za test umesto obećanih 10, čekali preko mesec dana.

Ako imate mrežne kartice a (još) nemate switch, možete se poslužiti malim trikom i direktno povezati dva računara. To je ujedno i način da testirate granice uspostavljene veze; uz switch sve može samo da bude sporije. Direktnom vezom se brzo i lako uspostavlja komunikacija PC ja i servera, što je za mnoge početnike u ovoj oblasti sasvim dovoljno.

Optički kablovi i konektori

Osnovni tipovi optičkih kablova su monomodni (OS - Optical Single mode) i multimodni (OM - Optical Multimode). OM kablovi se uglavnom koriste u lokalnim mrežama. Debljina im je 50 mikrometara i obezbeđuju brz prenos podataka (mogli bi biti osnova i za 1000 Gbps Ethernet) ali samo do rastojanja oko 900 metara. OM kablovi se dalje dele na OM1, OM2, OM3 i OM4. OM1 i OM2 kablovi su standardno obavijeni narandžastim omotačem, i danas se smatraju pomalo zastarelim. Za 10 GbE mreže daleko su značajniji OM3 i OM4 (aqua boja omotača, plavo zelena) koji su optimizovani za veće udaljenosti. OM4 vlakna se naročito primenjuju u data centrima jer obezbeđuju brzine do 100 Gbps na rastojanjima do 150 metara. Kod ovih vlakana koriste se diodni izvori svetlosti (VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser).

OS kabl je tanji (prečnik 8.5 do 10 mikrometara) i znatno jeftiniji, ali je aktivna oprema potrebna za njegovo korišćenje značajno skuplja, jer se zahteva veoma precizan izvor svetlosti (laser). Podaci se prenose na daljine od stotinak kilometara pa i više, zbog čega se OS kablovi prvenstveno koriste za broadband mreže. Dele se na OS1 i OS2, pri čemu je OS1 uglavnom prevaziđen, i dizajniran za rastojanja do oko 2 kilometra. OS2 je u širokoj upotrebi i koristi se za rastojanja 5.000 10.000 metara. Brzina prenosa podataka je u oba slučaja između 1 i 10 Gbps.

Konektori su najčešće tipa SC ili LC. SC je starija i znatno rasprostranjenija verzija keramičkog konektora koja je razvijena sredinom osamdesetih godina prošlog veka. LC konektor je napravljen da bi nasledio SC, ali nije baš uspešan na tržištu, prvenstveno zbog visoke cene licence koja se plaća kompaniji Lucent. LC konektor je znatno manjih dimenzija i spada u Small Form Factor konektore pogodne za rack ove sa gustim pakovanjem komponenti.

Pomenimo najzad i SFP (small form factor pluggable) konektore koji nisu vezani samo s optikom, ali se često koriste u brzim mrežama. Postoji nekoliko varijanti ovih konektora, a mi smo za povezivanje mreže koristili SFP+ koji podržavaju brzine do 16 Gbps. Za veće brzine, do 200 Gbps, koriste se QSFP56 konektori.

Nastavljanje optičkih kablova i montaža konektora nisu jednostavne operacije i zahtevaju preciznu i skupu opremu. Popularno ime za nastavljanje kablova je "splajsovanje", što zahteva vreme i iskustvo montera. Ako na terenu treba raditi brže, koriste se field mount konektori koji sadrže fabrički postavljeno vlakno u cilindru koji je ispunjen gelom (Index Matching Gel); oni mogu da se finalizuju i bez splajsovanja.

Za merenje i dijagnostiku koriste se PM (Power Meter) i OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) uređaji koji ponekad zvuče kao čarolija. Recimo, ako vaš optički priključak na Internet u nekom trenutku ne radi, serviser poveže OTDR uređaj na njega i očita kolika je precizna udaljenost do tačke prekida. Ako ima dobre podatke o tome kuda kabl ide, precizno će odrediti u kom je šahtu došlo do prekida što je odličan početak za otklanjanje problema.

Bakar ili optika?

Važno je i pitanje kablova kojima ćete povezati vaše računare. Kada već prelazite na novu generaciju mreže, prirodna je želja da koristite i novi medijum, dakle optički kabl koji je po mnogo čemu superioran u odnosu na bakar. Najzad, kad već trošite pare i provlačite instalaciju, zašto se ne biste spremili za još brže mreže, možda 20 GbE, jednog dana 100 GbE ili više...

Kako kabl provodi svetlost?

Prenos podataka kroz optički kabl zasniva se na elementarnoj fizici, odnosno na fenomenu totalne refleksije. Kada svetlosni zrak ide iz gušće sredine u ređu, na primer iz vode u vazduh, on se prelama "od normale": upadni ugao je manji od izlaznog. Kako upadni ugao raste, doći će do trenutka kada zrak uopšte ne napušta gušću sredinu, nego se kreće po njenoj površini. Daljim povećanjem upadnog ugla svetlost se vraća u gušću sredinu, pa se odgovarajućim izborom parametara može postići da se ona "odbija" duž kabla i tu u beskonačnost (javlja se, naravno, i izvesno slabljenje).

Priča o totalnoj refleksiji je zgodan način da se objasni fenomen fatamorgane, pa bih se tu mogao pozvati na tekst koji sam napisao dok sam bio u osmom razredu osnovne škole i koji je objavio časopis "Mladi fizičar". Vazduh u pustinji je topliji (a samim tim i ređi) blizu peska nego u većim visinama, pa se svetlost prelama na razne načine i nastaju gornja, donja, bočna fatamorgana... uostalom, pročitajte tekst - dejanristanovic.com/refer/fatamorgana.pdf.

U modernija vremena totalnoj refleksiji je nađena znatno korisnija primena i danas je ona "odgovorna" za komunikacije na globalnom nivou. Uz lasere koji generišu impulse svetlosti i foto diode koje ih ponovo pretvaraju u električne impulse, realizovan je prenos podataka velikom brzinom na ogromnim udaljenostima.

Mada je veza optičkim kablovima sasvim legitimno i moguće rešenje, Fiber to the Desk (FTTD) se i dalje prilično retko koristi, pre svega zbog cene i zbog toga što standardizacija u ovoj oblasti još nije zaokružena. Dominantan medij za 10 GbE Ethernet je i dalje bakar, kada se radi o rastojanjima do 100 metara (horizontalno kabliranje). Za udaljenosti do oko 500 metara, recimo kod okosnica u objektima i interkonekcije u data centrima, koriste se MM ili, sve češće (naročito u data centrima) SM optička vlakna, a za još veće rastojanja (desetine kilometara) koristi se isključivo SM optika. Za 10 Gbps brzine o kojima govorimo sasvim su, dakle, dovoljni kvalitetni bakarni kablovi kategorije 6A sertifikovani po TIA/EIA 568 standardu. Mogu se koristiti i ISO/IEC 11801 i EN 50173 standardi (SRPS EN 50173), pa je tada kabl deklarisan kao klasa EA. Pomenućemo da specifikacije Ethernet a propisuje IEEE (npr. 802.3ae 2002), dok CENELEC CEN ETSI EIA pripremaju specifikacije kablova, koji obično mogu da prenose podatke znatno većom brzinom nego što to može aktivna oprema. Taj "jaz" se u poslednjih nekoliko godina polako smanjuje.

Kada budete odlučivali između bakra i optike, uzmite u obzir još jedan parametar - napajanje. Optički kablovi prenose podatke, ali ne mogu da provode struju, dakle bilo kakvo napajanje uređaja PoE protokolima je nemoguće, osim ako koristite neki preskupi hibridni kabl. Znajući koliko su danas zanimljivi IoT uređaji i koliko je jednostavnije napajati ih i komunicirati s njima istom žicom, Power over Ethernet rešenja ne treba olako odbaciti. Znajući da PoE nije potreban desktop računarima, serverima i raznim mrežnim uređajima smeštenim u rack, zgodno je podeliti mrežu u dva segmenta - jedan se realizuje optikom, a drugi klasičnim UTP kablovima. Switch će obezbediti da ti segmenti mreže pouzdano komuniciraju.

Pomenimo najzad i pitanje bezbednosti, pošto se na mnogo mesta može pročitati da je optika znatno sigurnija od bakra i da je gotovo nemoguće prisluškivati saobraćaj koji teče kroz optička vlakna. Na žalost nije tako, a prisluškivanje tog saobraćaja se, ako postoji fizički pristup kablu, organizuje čak i lakše nego kod bakarnih kablova. To nije tema ovog teksta, ali možete potražiti po Mreži termin fiber tapping - videćete kako se komunikacija prisluškuje, ali i kako se možete boriti protiv prisluškivanja.

Naša 10 GbE mreža

Za potrebe ovog teksta realizovali smo malu 10 GbE mrežu u kojoj se nalaze jedan moderan desktop PC, jedan server i jedan QNAP TVS872XU NAS. U startu je jedino QNAP imao SFP+ portove, pa je trebalo osmisliti način da se takvi portovi dodaju PC ju i serveru, a onda da se sve to poveže optičkim kablovima na switch.

O toku čitavog projekta i rezultatima čitajte u PC#269.