談銅纜布線系統萬兆應用機會與挑戰

文｜羅森伯格亞太電子有限公司 陳鳳霞

1 前言

基于云計算、物聯網等新技術的不斷發展和應用，網絡對于帶寬的需求越來越高，尤其在云計算環境下的數據中心將大量采用虛擬化技術，從而最大化的提高服務器設備的利用率，這就需要更高的帶寬來支持云計算數據中心的網絡通信。10G（萬兆以太網）應用已經成為主流，40G/100G作為云計算數據中心主干的發展也將越來越多的被用戶關注與應用。

隨 著ISO/IEC 11801以 及ANSI/TIA 568C.2等主流標準對萬兆銅纜的性能定義，基于銅纜作為傳輸介質的萬兆以太網已經大量應用于各類數據中心布線中，加上銅產品設備在成本上的絕對優勢，與千兆以太網類似的萬兆銅纜（增強型6類銅纜）將在萬兆以太網的傳輸介質中占有相當大的優勢。

圖1 設備端口類型

2 萬兆以太網的發展狀況

20世紀70年代提出并實現以來，以太網憑借自身的技術優勢占據了全球局域網市場90%以上的份額，從最初的不到10M發展到了現在的10G。

隨著數字圖書館、在線影視欣賞、網絡教學、視頻會議以及BT下載等新技術的大規模應用，甚至由于病毒導致的帶寬占用，都令用戶的網絡系統對于帶寬的需求越來越高，傳統的千兆網絡已經無法滿足現代應用技術的需求，不僅僅是數據中心的主干網絡要求使用萬兆以太網，當前相當多的樓宇布線的數據主干網絡也開始大量采用萬兆以太網。

根據英特爾的預測，2011年萬兆端口使用量將突破500萬，IDC預計到2013年萬兆以太網出貨量會首次超過千兆網。對于服務器端口方面，根據一份來自Intel &Broadcom在2007年的預測報告可以看出：在未來的5年里，萬兆服務器設備將得到大規模的使用，如圖1所示。

來自數據分析研究機構的市場分析也表明萬兆以太網在數據中心的大規模應用，根據Crehan Research的市場分析報告，目前全球大約安裝了1.70億個1GbE數據中心和服務器級端口，大約安裝了2500萬個10GbE端口，10GbE目前僅占所有已安裝的以太網端口的13%。Crehan Research預計2012年10GbE將增至年度市場總出貨量的37%，到2014年將占據統治地位；The Linley Group今年1月的分析報告也預測10GbE將會有很大的增長，預計到2014年10GbE網卡/LOM（Lan On Motherboard，主板自帶以太網接口）的出貨量將超過1600萬。

為滿足不同領域應用以及相關傳輸條件的要求，自2002年第一個萬兆以太網標準IEEE 802.3ae發布以來，IEEE又分別于2004年推出802.3ak，2006年發布802.3an、802.3aq以及2007年的802.3ap等一系列的萬兆以太網標準規范。再加上其他相關規范，萬兆以太網的相關標準超過10個，按照不同的應用范圍可以分為三類：基于光纖局域網的萬兆以太網規范、基于雙絞線局域網的萬兆以太網規范、基于光纖廣域網的萬兆以太網規范。各種萬兆以太網傳輸協議之間的對比關系如表1所示。

3 萬兆銅纜布線系統的應用

2002年頒布的IEEE 802.3ae萬兆以太網標準是基于光纖為傳輸介質來傳輸10GB的數據流，但由于成本的原因，極大地限制了這項技術的發展和應用。

為加快萬兆以太網技術的應用并降低成本，以滿足將來網絡技術及應用的發展需求，在2002年末，10GBase-T委員會主席Mr.Brad Booth召開了一次會議，提出了發展基于100m雙絞線應用的萬兆以太網新標準。在經過4年的討論和發展后，最終在2006年頒布了IEEE 802.3an基于10GBase-T規范的萬兆以太網標準，10GBase-T傳輸協議下的萬兆以太網成本只有10GBase-SR的60%左右。標準制定者依據損耗消除、模擬到數字轉換、線纜增強和編碼改進四項技術構件，使10GBase-T變為現實。

表1 萬兆以太網傳輸協議對比

10GBase-T萬兆以太網可提供10倍于千兆以太網的傳輸帶寬，也提供了諸多面向虛擬機的傳輸特性，此外10GBase-T依然采用傳統的RJ45作為其連接器，連接器的安裝和維護都非常方便，同時又很好的兼容了以往的千兆、百兆以太網絡，因此10GBase-T被認為是未來市場上最有可能大規模采用的萬兆技術。因此對于10GBase-T采用的RJ45接口方式，萬兆銅纜（水平雙絞線）在萬兆以太網傳輸介質中所占的比例將大大增加。根據Intel的市場預測在2012年10GBase-T在萬兆以太網中所占的比例將達到36%，2013年這一比例將會擴大到44%。

一份來自FTM咨詢公司發布的數據也說明：在數據中心布線中，銅纜布線相對于光纜布線所占比例更高。報道稱：中小型數據中心以銅纜布線為主，只有大型數據中心才選擇光纜布線，通過分析到2015年：中小型數據中心布線將達到58億美元，而大型數據中心的布線投資額只有約26億美元。

另外還有來自相關標準方面的要求，萬兆銅纜（Cat.6A）已經是數據中心銅纜布線系統的首要選擇。表2是數據中心布線系統傳輸介質選擇等級要求。

無論是來自設備廠家如Intel的市場預測、專業咨詢機構如FTM的市場分析數據，還是根據相關國內外標準對傳輸介質的要求，萬兆銅纜在萬兆以太網應用中將占有相當大的比例，萬兆銅纜的應用前景依然樂觀。

4 萬兆銅纜布線系統的思考

作為萬兆以太網傳輸介質之一的萬兆銅纜，和以往雙絞線最大的區別就在于需要解決外部串擾（AXT）的影響，外部串擾被認為是萬兆以太網最重要的噪聲來源，具有統計隨機性，其引起的危害無法通過網絡設備上的DSP（數字信號處理器）來消除。隨著萬兆端口出貨量的上升，相應的端口成本也將得到大幅度的下降，導致10GBase-T和10GBase-SR之間的成本優勢越來越低。再加上由于銅資源的緊缺、光進銅退的呼聲不斷以及數據中心網絡需求和架構的變化等因素，萬兆銅纜布線系統的應用也存在相當多的挑戰，這些挑戰主要來自于三個方面：銅纜本身、設備因素以及網絡應用和架構因素。

（1）萬兆銅纜本身的影響因素

銅纜在傳輸萬兆數據時所對應的頻率達到500MHz，在如此高頻率下的傳輸性能對于外界干擾非常敏感，因此萬兆銅纜需要解決的問題必須包含兩部分：線纜本身線對間的串擾（NEXT）、來自相鄰線纜線對間的串擾（AXT）。NEXT可以通過對不同線對設計合適的絞距加以消除，這一技術已經非常成熟。AXT來自于不同線纜間的相同線對，僅僅通過設計合適的絞距無法消除這類干擾，這就需要對布線結構進行特殊的設計，比如通過增大線纜直徑、增加配線架模塊間隔或采用屏蔽技術等消除。圖2是萬兆銅纜結構。

圖2 萬兆銅纜的兩種結構

根據相同外徑圓的層絞特點，在每根線纜的周圍有6根其他線纜對它的影響最為嚴重（一般也只需要考慮周圍6根線纜的影響），如圖3所示。因此測試方面也和傳統的測試方法有所不同，當選擇非屏蔽萬兆銅纜布線系統時，必須要通過“6+1”的測試才能確保整個系統滿足萬兆傳輸的要求，“6+1”相關實驗室測試方法，如圖4所示。

圖3 外部串繞原理圖

在施工方面，萬兆銅纜尤其是非屏蔽銅纜的外徑較大，施工中對線纜的捆扎要求也較高，在填充率相對固定的情況下，線槽或橋架的走線密度無疑將會大大下降。一根144芯的預連接光纜的直徑約15mm，其傳輸容量相當于72根直徑約8.0mm的萬兆銅纜，如圖5所示。對于要求高密度布線的數據中心來說，選擇萬兆銅纜布線系統將面臨極大的挑戰。

圖4 外部串繞實驗室測試圖

圖5 預連接光纜與萬兆銅纜施工密度對比

（2）設備因素

綜合布線系統在整個弱電項目中所占比例只有5%～10%，因此是選擇萬兆銅纜布線系統還是光纜布線系統取決于項目所選擇的設備端口。然而設備采用何種端口，取決于多方面的因素，其中最重要的兩點就是成本和能耗。

在當前情況下，基于10GBase-T的10GbE端口仍然具有相當大的成本優勢，然而隨著萬兆光端口出貨量的大幅度上升以及技術的不斷成熟和完善，其價格將會有一個顯著的下降。比如Mellanox公布的最新價格中MellanoxSX1016，1U 64端口10GbE交換機成本已經下降到了188美元/每端口，由此萬兆銅纜作為傳輸介質的成本優勢也將逐漸削弱。

一份來自IT168網站有關《2010年綠色數據中心應用及發展調查報告》顯示，對于機房來說，除了空間緊張就是能源消耗最為頭疼，如圖6所示，如何降低能源消耗是目前數據中心設計時必須要考慮的問題。

圖6 數據中心面臨問題調查

基于10GBase-T的萬兆銅纜連接器10G-T的端口能耗達到了5W/端口，而相同傳輸容量下的光端口SFP+的能耗只有1.5W/端口，光端口的能耗只有銅端口的30%，如圖7所示。根據經驗每節約1單位的端口能源消耗，將為整個數據中心帶來2.6單位的其他配套能源消耗。一個端口數量為1萬的數據中心，每年節省的電力費用就達到87萬元之多。在端口能耗方面，就目前的端口能耗狀況，SFP+有著絕對的優勢。

圖7 不同端口能耗對比

（3）網絡應用及架構因素

隨著云計算、虛擬化等新技術的應用逐漸商業化，網絡應用對于數據流量的速度要求越來越高，下一代數據中心的布線系統將主要圍繞40G/100G展開，目前正式發布的標準IEEE 802.3ba中規定了幾種不同的接口模式，但基于多模光纖的方式在局域網與數據中心中將逐步成為主流，萬兆銅纜目前還沒有標準可以支持40G/100G的應用。雖然ISO 11801的一個工作組正在討論利用銅纜支持40G/100G網絡的可行性，但是否采納這一觀點預計要到2014年才會有明確的結果。

隨著數據中心單柜密度越來越高，云計算數據中心將普遍采用ToR（Top of Rack）的網絡架構，而云計算數據中心以機柜為單位的產業化理念方式，意味著水平鏈路中的銅纜布線將大大縮減，數據中心布線系統將主要由光纜組成，而預連接光纜與快速部署的數據中心產業化理念相一致，將得到更加廣泛的應用。

另外一項新興數據中心——集裝箱式數據中心的出現也將會對萬兆銅纜的應用產生相當大的沖擊。集裝箱式數據中心對布線系統的一大特點：快速部署，要求用于柜內的布線系統能快速安裝，具備即插即用特點的預連接光纖系統是理想的選擇。它的另一個特點：高密度，用于安裝數據中心的集裝箱容量有限，為了將更多的空間留給網絡和服務設備，高密度的光纖布線系統更加節約內部空間。

5 結束語

隨著TIA 568B.2-10和ISO/IEC 11801等萬兆銅纜（Cat.6A、Class EA）標準的頒布，萬兆銅纜已經越來越多的被應用于各類數據中心的布線系統中，由于萬兆銅纜對應的設備端口成本相對較低，同時設備端口連接器的安裝和維護都比較簡單和方便，再加上萬兆以太網應用的持續增加，因此萬兆銅纜在相當長的一段時間內將成為綜合布線系統的主要傳輸介質。

然而，隨著網絡應用對帶寬需求的進一步提高，數據中心布線ToR架構和集裝箱數據中心的大量被應用，萬兆銅纜將面臨嚴峻的挑戰。萬兆端口出貨量的增加，一方面可以增加萬兆銅纜的需求，另一方面隨之帶來的萬兆光纖端口成本下降也將逐步減少10GBase-T在成本方面的優勢，從而影響萬兆銅纜的可持續需求增長。

總而言之，萬兆銅纜的機會和挑戰并存，相信當其他技術在發展的時候，以萬兆銅纜作為傳輸介質的10GBase-T相關技術也會不斷地得到發展，其應用前景的機會將大于挑戰。

1 王達.金牌網管師（初級）職業指南與網絡基礎[M].北京：中國水利水電出版社，2009.06

2 孫慧永.新一代數據中心光纖布線技術發展趨勢[J].智能建筑與城市信息，2011.03

3 綜合布線布線工作組.萬兆銅纜系統工程的設計與施工檢測技術白皮書[M].北京：清華大學出版社，2011

4 羅森伯格.集裝箱式數據中心對布線系統的影響[J].51CTO技術博客，2011