談銅纜布線系統(tǒng)萬兆應(yīng)用機會與挑戰(zhàn)

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(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)對于帶寬的需求越來越高，尤其在云計算環(huán)境下的數(shù)據(jù)中心將大量采用虛擬化技術(shù)，從而最大化的提高服務(wù)器設(shè)備的利用率，這就需要更高的帶寬來支持云計算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)通信。10G（萬兆以太網(wǎng)）應(yīng)用已經(jīng)成為主流，40G/100G作為云計算數(shù)據(jù)中心主干的發(fā)展也將越來越多的被用戶關(guān)注與應(yīng)用。

隨 著ISO/IEC 11801以 及ANSI/TIA 568C.2等主流標(biāo)準(zhǔn)對萬兆銅纜的性能定義，基于銅纜作為傳輸介質(zhì)的萬兆以太網(wǎng)已經(jīng)大量應(yīng)用于各類數(shù)據(jù)中心布線中，加上銅產(chǎn)品設(shè)備在成本上的絕對優(yōu)勢，與千兆以太網(wǎng)類似的萬兆銅纜（增強型6類銅纜）將在萬兆以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)中占有相當(dāng)大的優(yōu)勢。

圖1 設(shè)備端口類型

2 萬兆以太網(wǎng)的發(fā)展?fàn)顩r

20世紀(jì)70年代提出并實現(xiàn)以來，以太網(wǎng)憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢占據(jù)了全球局域網(wǎng)市場90%以上的份額，從最初的不到10M發(fā)展到了現(xiàn)在的10G。

隨著數(shù)字圖書館、在線影視欣賞、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、視頻會議以及BT下載等新技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，甚至由于病毒導(dǎo)致的帶寬占用，都令用戶的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對于帶寬的需求越來越高，傳統(tǒng)的千兆網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)的需求，不僅僅是數(shù)據(jù)中心的主干網(wǎng)絡(luò)要求使用萬兆以太網(wǎng)，當(dāng)前相當(dāng)多的樓宇布線的數(shù)據(jù)主干網(wǎng)絡(luò)也開始大量采用萬兆以太網(wǎng)。

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

來自數(shù)據(jù)分析研究機構(gòu)的市場分析也表明萬兆以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模應(yīng)用，根據(jù)Crehan Research的市場分析報告，目前全球大約安裝了1.70億個1GbE數(shù)據(jù)中心和服務(wù)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(wǎng)端口的13%。Crehan Research預(yù)計2012年10GbE將增至年度市場總出貨量的37%，到2014年將占據(jù)統(tǒng)治地位；The Linley Group今年1月的分析報告也預(yù)測10GbE將會有很大的增長，預(yù)計到2014年10GbE網(wǎng)卡/LOM（Lan On Motherboard，主板自帶以太網(wǎng)接口）的出貨量將超過1600萬。

為滿足不同領(lǐng)域應(yīng)用以及相關(guān)傳輸條件的要求，自2002年第一個萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3ae發(fā)布以來，IEEE又分別于2004年推出802.3ak，2006年發(fā)布802.3an、802.3aq以及2007年的802.3ap等一系列的萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。再加上其他相關(guān)規(guī)范，萬兆以太網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)超過10個，按照不同的應(yīng)用范圍可以分為三類：基于光纖局域網(wǎng)的萬兆以太網(wǎng)規(guī)范、基于雙絞線局域網(wǎng)的萬兆以太網(wǎng)規(guī)范、基于光纖廣域網(wǎng)的萬兆以太網(wǎng)規(guī)范。各種萬兆以太網(wǎng)傳輸協(xié)議之間的對比關(guān)系如表1所示。

3 萬兆銅纜布線系統(tǒng)的應(yīng)用

2002年頒布的IEEE 802.3ae萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是基于光纖為傳輸介質(zhì)來傳輸10GB的數(shù)據(jù)流，但由于成本的原因，極大地限制了這項技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

為加快萬兆以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用并降低成本，以滿足將來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)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(fā)展基于100m雙絞線應(yīng)用的萬兆以太網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)。在經(jīng)過4年的討論和發(fā)展后，最終在2006年頒布了IEEE 802.3an基于10GBase-T規(guī)范的萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，10GBase-T傳輸協(xié)議下的萬兆以太網(wǎng)成本只有10GBase-SR的60%左右。標(biāo)準(zhǔn)制定者依據(jù)損耗消除、模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換、線纜增強和編碼改進四項技術(shù)構(gòu)件，使10GBase-T變?yōu)楝F(xiàn)實。

表1 萬兆以太網(wǎng)傳輸協(xié)議對比

10GBase-T萬兆以太網(wǎng)可提供10倍于千兆以太網(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)絡(luò)，因此10GBase-T被認(rèn)為是未來市場上最有可能大規(guī)模采用的萬兆技術(shù)。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(wǎng)傳輸介質(zhì)中所占的比例將大大增加。根據(jù)Intel的市場預(yù)測在2012年10GBase-T在萬兆以太網(wǎng)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(fā)布的數(shù)據(jù)也說明：在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心以銅纜布線為主，只有大型數(shù)據(jù)中心才選擇光纜布線，通過分析到2015年：中小型數(shù)據(jù)中心布線將達到58億美元，而大型數(shù)據(jù)中心的布線投資額只有約26億美元。

另外還有來自相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方面的要求，萬兆銅纜（Cat.6A）已經(jīng)是數(shù)據(jù)中心銅纜布線系統(tǒng)的首要選擇。表2是數(shù)據(jù)中心布線系統(tǒng)傳輸介質(zhì)選擇等級要求。

無論是來自設(shè)備廠家如Intel的市場預(yù)測、專業(yè)咨詢機構(gòu)如FTM的市場分析數(shù)據(jù)，還是根據(jù)相關(guān)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對傳輸介質(zhì)的要求，萬兆銅纜在萬兆以太網(wǎng)應(yīng)用中將占有相當(dāng)大的比例，萬兆銅纜的應(yīng)用前景依然樂觀。

4 萬兆銅纜布線系統(tǒng)的思考

作為萬兆以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)之一的萬兆銅纜，和以往雙絞線最大的區(qū)別就在于需要解決外部串?dāng)_（AXT）的影響，外部串?dāng)_被認(rèn)為是萬兆以太網(wǎng)最重要的噪聲來源，具有統(tǒng)計隨機性，其引起的危害無法通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的DSP（數(shù)字信號處理器）來消除。隨著萬兆端口出貨量的上升，相應(yīng)的端口成本也將得到大幅度的下降，導(dǎo)致10GBase-T和10GBase-SR之間的成本優(yōu)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(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需求和架構(gòu)的變化等因素，萬兆銅纜布線系統(tǒng)的應(yīng)用也存在相當(dāng)多的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)主要來自于三個方面：銅纜本身、設(shè)備因素以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和架構(gòu)因素。

（1）萬兆銅纜本身的影響因素

銅纜在傳輸萬兆數(shù)據(jù)時所對應(yīng)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?dāng)_（NEXT）、來自相鄰線纜線對間的串?dāng)_（AXT）。NEXT可以通過對不同線對設(shè)計合適的絞距加以消除，這一技術(shù)已經(jīng)非常成熟。AXT來自于不同線纜間的相同線對，僅僅通過設(shè)計合適的絞距無法消除這類干擾，這就需要對布線結(jié)構(gòu)進行特殊的設(shè)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(shù)等消除。圖2是萬兆銅纜結(jié)構(gòu)。

圖2 萬兆銅纜的兩種結(jié)構(gòu)

根據(jù)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(yán)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(tǒng)的測試方法有所不同，當(dāng)選擇非屏蔽萬兆銅纜布線系統(tǒng)時，必須要通過“6+1”的測試才能確保整個系統(tǒng)滿足萬兆傳輸?shù)囊?，?+1”相關(guān)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(yù)連接光纜的直徑約15mm，其傳輸容量相當(dāng)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(shù)據(jù)中心來說，選擇萬兆銅纜布線系統(tǒng)將面臨極大的挑戰(zhàn)。

圖4 外部串繞實驗室測試圖

圖5 預(yù)連接光纜與萬兆銅纜施工密度對比

（2）設(shè)備因素

綜合布線系統(tǒng)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(tǒng)還是光纜布線系統(tǒng)取決于項目所選擇的設(shè)備端口。然而設(shè)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(dāng)前情況下，基于10GBase-T的10GbE端口仍然具有相當(dāng)大的成本優(yōu)勢，然而隨著萬兆光端口出貨量的大幅度上升以及技術(shù)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(jīng)下降到了188美元/每端口，由此萬兆銅纜作為傳輸介質(zhì)的成本優(yōu)勢也將逐漸削弱。

一份來自IT168網(wǎng)站有關(guān)《2010年綠色數(shù)據(jù)中心應(yīng)用及發(fā)展調(diào)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(shù)據(jù)中心設(shè)計時必須要考慮的問題。

圖6 數(shù)據(jù)中心面臨問題調(diào)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(jù)經(jīng)驗每節(jié)約1單位的端口能源消耗，將為整個數(shù)據(jù)中心帶來2.6單位的其他配套能源消耗。一個端口數(shù)量為1萬的數(shù)據(jù)中心，每年節(jié)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(yōu)勢。

圖7 不同端口能耗對比

（3）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及架構(gòu)因素

隨著云計算、虛擬化等新技術(shù)的應(yīng)用逐漸商業(yè)化，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對于數(shù)據(jù)流量的速度要求越來越高，下一代數(shù)據(jù)中心的布線系統(tǒng)將主要圍繞40G/100G展開，目前正式發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3ba中規(guī)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(wǎng)與數(shù)據(jù)中心中將逐步成為主流，萬兆銅纜目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)可以支持40G/100G的應(yīng)用。雖然ISO 11801的一個工作組正在討論利用銅纜支持40G/100G網(wǎng)絡(luò)的可行性，但是否采納這一觀點預(yù)計要到2014年才會有明確的結(jié)果。

隨著數(shù)據(jù)中心單柜密度越來越高，云計算數(shù)據(jù)中心將普遍采用ToR（Top of Rack）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而云計算數(shù)據(jù)中心以機柜為單位的產(chǎn)業(yè)化理念方式，意味著水平鏈路中的銅纜布線將大大縮減，數(shù)據(jù)中心布線系統(tǒng)將主要由光纜組成，而預(yù)連接光纜與快速部署的數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)化理念相一致，將得到更加廣泛的應(yīng)用。

另外一項新興數(shù)據(jù)中心——集裝箱式數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)也將會對萬兆銅纜的應(yīng)用產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊。集裝箱式數(shù)據(jù)中心對布線系統(tǒng)的一大特點：快速部署，要求用于柜內(nèi)的布線系統(tǒng)能快速安裝，具備即插即用特點的預(yù)連接光纖系統(tǒng)是理想的選擇。它的另一個特點：高密度，用于安裝數(shù)據(jù)中心的集裝箱容量有限，為了將更多的空間留給網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)設(shè)備，高密度的光纖布線系統(tǒng)更加節(jié)約內(nèi)部空間。

5 結(jié)束語

隨著TIA 568B.2-10和ISO/IEC 11801等萬兆銅纜（Cat.6A、Class EA）標(biāo)準(zhǔn)的頒布，萬兆銅纜已經(jīng)越來越多的被應(yīng)用于各類數(shù)據(jù)中心的布線系統(tǒng)中，由于萬兆銅纜對應(yīng)的設(shè)備端口成本相對較低，同時設(shè)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(wǎng)應(yīng)用的持續(xù)增加，因此萬兆銅纜在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)將成為綜合布線系統(tǒng)的主要傳輸介質(zhì)。

然而，隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對帶寬需求的進一步提高，數(shù)據(jù)中心布線ToR架構(gòu)和集裝箱數(shù)據(jù)中心的大量被應(yīng)用，萬兆銅纜將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。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(yōu)勢，從而影響萬兆銅纜的可持續(xù)需求增長。

總而言之，萬兆銅纜的機會和挑戰(zhàn)并存，相信當(dāng)其他技術(shù)在發(fā)展的時候，以萬兆銅纜作為傳輸介質(zhì)的10GBase-T相關(guān)技術(shù)也會不斷地得到發(fā)展，其應(yīng)用前景的機會將大于挑戰(zhàn)。

1 王達.金牌網(wǎng)管師（初級）職業(yè)指南與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)[M].北京：中國水利水電出版社，2009.06

2 孫慧永.新一代數(shù)據(jù)中心光纖布線技術(shù)發(fā)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(tǒng)工程的設(shè)計與施工檢測技術(shù)白皮書[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011

4 羅森伯格.集裝箱式數(shù)據(jù)中心對布線系統(tǒng)的影響[J].51CTO技術(shù)博客，2011