Veri Merkezlerinde Bakır Çağının Sonu – ELVEDA RJ45

Celal Ünalp 

Ethernet’in mucidi Robert Metcalfe, 1995 yılında internetin bir sene içinde çökeceğine dair sözlerini, 1997 yılında düzenlenen bir konferansta kağıda yazıp, blender ile suya karıştırıp katılımcıların önünde içmek zorunda kaldı.
 

Son 25 yılda Ethernet, Token Ring, ATM, FDDI ve diğer rakip LAN teknolojilerini geride bırakarak sektöre hakim oldu ve ardından anahtarlama ve QoS kontrolleri gibi teknolojiler sayesinde yerel ağlardan (LAN) geniş alana (WAN) ve kablosuz ağlara (WLAN) genişlemesini tamamlayarak veri merkezleri iletişimi için tek ve en temel teknoloji haline geldi. Gelişen fotonik teknolojilerle, optik sinyallerin doğrudan silikon yonga içinde sonlanmasına yarayan Co-Packed Optics ve fiziksel erişim katmanını ayrıştırarak daha esnek kullanım senaryolarına imkan tanıyan FlexEthernet (FlexE) yük devredici/hızlandırıcı Veri İşleme Üniteleri (DPU)   devrimleriyle 2030 Ethernet yol haritası şimdiden heyecan yaratıyor.

Endüstriyel nesnelerin internetine (IIoT) giden yolculukta ise Tesla otomobillerden, F-35 uçaklarına, yörüngedeki uydulardan, yerin derinliklerindeki maden ocaklarına, okyanus altında ve üstünde gezen taşıtlara, güvenlik kameralarından, tren sinyalizasyon sistemlerine kadar akla hayale gelmeyecek milyarlarca noktada mutlaka bir RJ45 soketi bulunuyor ve her an aktif olarak kullanılıyor.

RJ45'teki “RJ”, 1970'lerde telefon arayüzleri için Bell firmasının Evrensel Servis Sipariş Kodu (USOC) şemasından kaynaklanan standart bir atama olan Registered Jack anlamına gelir. Veri merkezi endüstrisi yaygın olarak "RJ45" terimini bakır bükümlü çift ağ kablolaması üzerinden Ethernet (Ethernet over copper twisted-pair) için kullanılan modüler 8 konumlu, 8 temaslı (8P8C) arabirime atıfta bulunmak için kullanır, ancak bu neredeyse ağ bağlantısı bulunan her nesne için “Ethernet Bağlantı Noktası (portu)” şeklinde ezberlenmiş bir isimdir.


IEEE 802.3, kablolu Ethernet'in fiziksel katmanını ve veri bağlantısı katmanının medya erişim kontrolünü (MAC) tanımlayan standartları geliştiren bir çalışma grubudur ve aynı zamanda Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü (IEEE) standartlarının bir koleksiyonunun adıdır. Grup tarafından konumuzla ilgili olarak;

-1990 tarihli ve 802.3i adlı 10BASE-T 10 Mbit/s (1.25 MB/s) bakır bükümlü çift ağ kablosuyla ethernet standardı yayımlanmıştır.

-1995 tarihli ve 802.3u adlı 100BASE-TX 100 Mbit/s (12.5 MB/s) bakır bükümlü çift ağ kablosuyla hızlı ethernet (Fast Ethernet) standardı yayımlanmıştır.

-1999 tarihli ve 802.3ab adlı 1000BASE-T 1 Gbit/s (125 MB/s) bakır bükümlü çift ağ kablosuyla ethernet (Gigabit Ethernet) standardı yayımlanmıştır.

-2006 tarihli ve 802.3an adlı 10GBASE-T 10 Gbit/s (1250 MB/s) bakır bükümlü çift ağ kablosuyla ethernet standardı yayımlanmıştır.

-2016 tarihli ve 802.3bz adlı 2.5GBASE-T/5GBASE-T 2.5 Gbit/s Cat5e bakır bükümlü çift ağ kablosuyla ethernet / 5 Gbit/s Cat6 bakır bükümlü çift ağ kablosuyla ethernet standardı yayımlanmıştır. (NBASE-T veya MGBASE-T olarak da anılır)

-2016 tarihli ve 802.3bq adlı 25GBASE-T/40GBASE-T 25 Gbit/s ve 40 Gbit/s Cat8 bakır bükümlü dengeli çift ağ kablosuyla (4 per ve 2 konnektör) 30 metre mesafe sınırında ethernet standardı yayımlanmıştır.

-Bakır bükümlü çift ağ kablolamasında kategori TIA/EIA tarafından belirlenen ve kablonun iletim performansını gösteren bir değerdir. Yerel ağ (LAN) kabloları, dahili tesisat veri iletim kabloları olarak tanımlanmış, ANSI/TIA/EIA, ISO/IEC 11801, IEC 61156-5:2020 gibi uluslararası standartlarda azami çalışma frekanslarına göre Cat3, Cat4, Cat5, Cat6, Cat7, Cat8 olarak sınıflandırılmıştır. Tipik olarak, her sınıf önceki sürümden daha iyi koruma ve daha yüksek veri aktarım hızı sunar. (Cat7, GG45 ve TERA gibi yeni bağlantı noktalarına ihtiyaç duyulduğu için telekomünikasyon için bir kablo standardı olarak değerlendirilmemektedir.)

Bakır bükümlü çift ağ kablolamasında en son önemli güncelleme 2016 yılında iki yeni performans kategorisinin kurulmasıdır: Kategori 8.1 ve Kategori 8.2. Her iki sınıfta da 2 GHz bant genişliği gereklidir ve her iki kategori de Ethernet 25GBASE-T ve Ethernet 40GBASE-T iletim protokollerini destekler.

CAT8.2 Özellikle veri merkezlerinde Rack-Sonu (End-of-Rack, EoR), Sıra-Ortası (Middle of the Row, MoR) ve Kabin-Üstü (Top-of-Rack, ToR) uygulamalarında 30 metreye kadar uzunluklarda 40 GBASE-T iletim için geliştirilmiştir. Elektriksel ve mekanik olarak üstün kalite CAT8.2 veri kabloları, ayrı ayrı ekranlanmış çiftler ve genel bakır örgü sayesinde mükemmel koruma etkisiyle ISO / IEC 11801, IEC 61156-5, EN 50173-1, EN 50288-12-1 ve IEC 61156-9 gerekliliklerini aşar. Kompakt kablo tasarımı EN 50173 ve ISO / IEC 11801 uyarınca mevcut tüm bağlantı donanımlarıyla uyumludur.

Aşılamayan Engeller : Enerji Tüketimi ve Mesafe

Fiber kablolar için 40G Ethernet standartları halihazırda mevcutken, standart kuruluşları son anda bakır bükümlü çift ağ kablolaması sistemleri üzerinden 40GBASE-T Ethernet geliştirme kararı almışlardır. Bu kadar yüksek ağ hızı, kablo bileşenleri ve kablolama sistemleri için katı performans gereksinimleri getirmiştir. Son gelişmeler, bakır yapılı kablolama sistemlerinin bir süre daha sınırlı kullanım alanlarında kalıcı olduğunu ve 40G Ethernet için fiber bağlantılara kısmi bir alternatif oluşturacağını gösteriyor.

Bakır kabloların kurulumu ve bakımı, uzun yıllardır eğitimli ve deneyimli kadroların elinde daha kolay olarak algılanmaktadır. Daha da önemlisi, bakır bükümlü çift ağ kablolaması üzerinden BASE-T ağ standartları, otomatik anlaşma (auto-negotiation) özelliği ile geriye dönük olarak uyumludur. Böylece kuruluşların kademeli olarak daha yüksek hızlara geçişlerini sağlayarak mevcut altyapı yatırımları üzerinde daha iyi kontrol sağlamaktadır.

Ethernet standartlarını tanımlamadaki kilit görevlerden biri, iletişim için uygun RF bant genişliğini belirlemektir. Örneğin, 10GBASE-T 400 MHz bant genişliği kullanır, bu da kabaca RF spektrumunun her Hz ile 25 bit ikili veri taşıdığı anlamına gelir veya başka bir deyişle, kanal kapasite kullanımının 25 bit/Hz olduğu anlamına gelir. Bu durumda daha yüksek dereceli ve daha karmaşık modülasyon şemaları kapasite kullanımını artırabilir. Ancak, Shannon Kapasitesi olarak bilinen kanal kapasitesinin bir maksimum sınırı vardır. Bu sınır, kanalın maruz kaldığı elektromanyetik gürültü ile belirlenir. Gürültü dış ve iç kaynaklardan gelebilir (cross-talk ve return-loss). Ethernet fiziksel katman cihazları, dahili gürültü kaynaklarının etkilerini tahmin etmek ve iptal etmek için gelişmiş sinyal işleme teknikleri kullanır, böylece kanalın kapasitesini artırır. Bu noktada, ödenmesi gereken bir bedel vardır: ısı üretimine yol açan daha yüksek güç tüketimleri…

Yüksek güç tüketimi, standart 2006'da yayınlandığında 10GBASE-T'nin benimsenmesini oldukça geciktirdi. Bu sorun, günümüzde yenilikçi tasarımlar ve yarı iletken teknolojisindeki gelişmeler sayesinde büyük ölçüde aşılmıştır. Yine de 40GBASE-T standardını geliştiren uzmanlar, kapasite kullanım hedefini önemli ölçüde artırmayı tercih etmemişlerdir.

Ancak 40G, 10G'den dört kat daha fazla veri taşıyacaktır. Modülasyon yoğunluğunu (kapasite kullanımı) önemli ölçüde değiştirmeden daha fazla veri sıkıştırmanın tek yolu bant genişliğini artırmaktır. Bu da 400MHz'den 1.600MHz'e dört kat artış anlamına gelir. Bakır bükümlü çift ağ kablolamasında bant genişliğinin artmasıyla ilgili bir sorun bulunmaktadır. Bükümlü çift kablolarda, sinyal artan frekansla hızla zayıflayacaktır. Bu da 1.600 MHz'de alınan sinyalin 100 MHz'de alınan sinyalden önemli ölçüde daha küçük olduğu anlamına gelir.

Bu fenomen ise, kablonun boyunu kısıtlama yoluna giderek çözümlenebilir. 100m'lik bir kablo ile yüksek frekanslarda alınan sinyal gürültüyle anlamsız hale gelecektir. Bu nedenle, maksimum desteklenebilir bağlantı mesafesi üzerinde bir fedakarlık yapılmalıdır.

Tüm bu değerlendirmelerin neticesinde :

EN 50600 Veri Merkezi Fiziksel Katman ve Yapısal Kablolama Uygulamaları

Bilgi toplumunun talep ettiği internet tabanlı bilgiye sınırsız erişim, hem internet trafiğinin hem de depolanan/alınan veri hacminin katlanarak büyümesine yol açmıştır. Veri merkezleri, veri işleme, veri depolama ve veri taşıma için bilgi teknolojisi ve ağ telekomünikasyon donanımını  barındırır ve destekler. Hem ağ operatörleri (bu hizmetleri müşteri tesislerine teslim eden) hem de bu müşteri tesisleri içindeki işletmeler için gereklidir. Veri merkezlerinin, pazarın hızla değişen gereksinimlerine kolayca uyum sağlamak için modüler, ölçeklenebilir ve esnek tesisler ve altyapılar sağlaması gerekir. Ek olarak, veri merkezlerinin enerji tüketimi, veri merkezi operatörü için hem çevresel (karbon ayak izinin azaltılması) hem de ekonomik hususlar (enerji maliyeti) açısından kritik hale gelmiştir.

EN50600 standardı veri merkezlerinin Avrupa normlarına uyumunun sağlanması, veri merkezlerindeki tesislerin ve altyapıların tasarımı, planlaması, satın alınması, entegrasyonu, kurulumu, işletimi ve bakımına dahil olan çeşitli tarafları desteklemek için gereksinimleri ve önerileri belirtir. Bu standardın EN 50600-2-4 adlı bölümü, Bilgi teknolojisi – Veri merkezi tesisleri ve altyapıları – Bölüm 2-4: Telekomünikasyon kablolama altyapısı detaylarını içerir.

EN 50600-2-4 ayrıca bir dizi benzersiz özellik sağlar. Bilgisayar odası alanında telekomünikasyon kablolaması için Kullanılabilirlik Sınıflarını destekleyen mimarilere ve gereksinimlere ek olarak EN 50600-2-4'ün ana odak noktası geçiş ve büyümedir.

BT kapasitesinin büyümesi ve ağ oluşturma/depolama uygulamalarının daha yüksek hızlara geçişi, veri merkezlerinde çok dinamiktir. Bir veri merkezinin kablolama altyapısı, veri merkezinin hızlı ve kolay bir şekilde genişletilmesini (örneğin ek donanımın  devreye alınması) sağlayarak ve bilgisayar odası alanındaki ağ ve depolama uygulamaları için geçiş yolları sunarak bu dinamikleri destekleyebilmelidir. Seçilen Kullanılabilirlik Sınıfına uyulmasını sağlamanın tek yolu budur.

Veri merkezlerinde yer alan merkezi dağıtım panelleri ve sabit kablolar tekrar yapılandırılarak çalışma süresi boyunca sistemlerin aktif sistemlere bağlanabilmesini sağlar. Sabit kablolama uygulamaları daha az riskli olan kablolama yöntemidir. Değişim yönetimi ve ömür devri yönetimi yaklaşımıyla genel sistem işletiminin iyileştirilebilmesini de sağlayan bu yöntem hızlı değişikliklerle sonuçlanabilecek sistem değişiklerinin güvenilir olabilmesini sağlar.

Modern veri merkezlerinde yapısal kablolamadan farklı olarak BT donanımının  doğrudan birbirine bağlanmaları, noktadan noktaya iletişim yöntemi ve aktif ekipmanın doğrudan bağlanabilmesini sağlayan ayrık kablolar (break-out) da kullanılabilmektedir. Eş seviyede ve hiyerarşik yapıda da olabilen sabit kablolar, salonlar arasında çapraz bağlantı, aynalama veya ara bağlantı kurulabilmesini de sağlar.

Noktadan noktaya kablolama işlemi, kablolama işlemleri içerisindeki en basit ve en ekonomik yöntemdir. Ancak pek çok riskinden dolayı bu kablo türü yalnızca aynı ya da iki bitişik olan kabin içerisindeki bağlantılar için kullanılmalıdır.

Noktadan noktaya kablolama, veri merkezinin gelişebilmesi ve donanım türleri ile birlikte yerlerinin de değişmesi gibi detaylar göz önünde bulundurularak uygulanmalıdır. Noktadan noktaya kablolamada kullanım ömrü kısadır. Bu bağlantı türü tekrar kullanılamaz. Gerekli ara bağlantıların sürekli değişmesi ve her bir değişikliğin son derece zor olabilmesi riski mevcuttur. Noktadan noktaya kablolama yönteminde planlama ve operasyonel kaynaklar yönetilemeyecek kadar artmaya başlar. Çevresel kontrol için uygun olmayan bu kablolama türünde altyapılara müdahale riski doğabilir. Bu sebeple, yer değişikliği ya da büyüme, gelişme gibi durumlar söz konusu ise bu kablolama türü uygun değildir.

50G ve Sonrası için Ethernet Fiziksel Katman Alternatifleri

Veri merkezinde yüksek hızlı noktadan-noktaya veya ara bağlantılarda, üç seçenek bulunmaktadır :

1)     Doğrudan Bağlantılı Twinax Bakır Kablolar (DAC)

7m uzunluğa kadar kısa erişimli kanallar için 100G standardı QSFP28 twinax bakır kablo düzeninin  kullanımını belirtir. Tipik kullanım, fiziksel olarak birbirine bitişik olarak yerleştirilmiş ağ bağlantılı cihazları birbirine bağlamaktır.
Enerji tüketimi ve dönüşüm kayıpları çok düşüktür.

Sahada işlem yapılamayacak şekilde önceden sonlandırılmış ve sabit uzunluktadırlar.

Aktif DAC'ın sinyal koşullandırma için elektronikler içerirken, Pasif DAC'ın sinyal koşullandırma için elektronik bileşenleri bulunmaz. Pasif DAC kabloları, bir bağlantı noktasına entegre sinyal koşullandırma bir ağ anahtarı tarafından sağlandığında kullanılır. Aktif DAC'den daha düşük maliyetlidir, ancak daha yüksek bir ağ anahtarı ön maliyetine sahiptir. Aktif DAC kabloları, bir bağlantı noktasına entegre sinyal koşullandırma bir ağ anahtar tarafından sağlanmadığında kullanılır. Aktif DAC genellikle Pasif DAC'den daha pahalıdır, ancak Aktif DAC ile birlikte gelen ağ anahtarın maliyeti daha düşüktür.

2)     Aktif Optik Kablolar (AOC)

30m uzunluğa kadar orta erişimli kanallar için.

AOC Kablosu, geleneksel bakır kablolarda olduğu gibi aynı elektriksel girdiyi fiber optik kablo kullanarak konnektörler arasında iletmeyi sağlayan yeni teknoloji bir kablo tipidir.

Sahada işlem yapılamayacak şekilde önceden sonlandırılmış ve sabit uzunluktadırlar.

Aktif Optik Kablo, elektriksel girdinin optik veriye dönüşümünü kablonun iki uç noktasında yapmaktadır. Bu sayede, mesafeden dolayı oluşabilecek performans kayıplarını düşürür ve iletim hızını iyileştirir. Bu işlem esnasında elektriksel arayüzle uyumluluk sağlamak için herhangi bir veri kaybına da sebebiyet vermez. AOC kabloları veri merkezi, ağ iletişimi ve yüksek performans gerektiren bilgi işlem uygulamalarında gerekli olan yüksek yoğunluklu ver transferi ihtiyaçlarını karşılamak için tasarlanmıştır.

3)     Aktif Donanımı Bağlayan Alıcı-Verici/Dönüştürücü/Çevirici Fiber Kablo  Düzenleri

SM fiber ve MPO tabanlı MM fiber kablolar.

QSFP+, QSFP28, QSFP56 ve QSFP-DD form faktörleri.

Nihayetinde 100 Gbit/s Ethernet, 400G'nin artan şekilde benimsenmesiyle günümüzün veri merkezlerinde fiili standart halini almış, 800 Gbit/s ve 1.6 Tbit/s tartışılırken SM fiber ve MPO tabanlı MM fiber kablolamalar alternatifsiz konuma yükselmiştir.