万兆以太网，你真正了解了吗？

文┃泰科电子（上海）有限公司

 

       万兆以太网布线标准制定工作于2008年2月于美国加州南部城市圣地亚哥正式划上了圆满的句号。万兆以太网的号角已经吹响，本文就部署万兆以太网时重视的一些问题与各位作一些分享。

       1  为什么要采用万兆以太网
       首先从技术层面来看，今年2月份，万众瞩目的10 G以太网Cat.6A布线标准TIA/EIA 568B.2-10 和ISO/IEC11801 2nd附录1相继颁布，这标志着万兆以太网走出实验室，已经成为成熟可行的技术。
       其次10G以太网设备制造成本的下降，是推动10G以太网应用普及的关键因素。在今年5月份在美国拉斯韦加斯举办的网络通信展 （Interop Las Vegas）上，多家网络设备厂商如Intel、Cisco、Broadcom、Solarflare都展示了最新推出的10GBase-T 网络设备，10GBase-T每端口的价格从最初的2000 美元左右降到1000美元左右。随着电子技术的发展和制造成本的下降，万兆以太网不再是遥不可及的事情。
       最后是市场客观需求，近几年随着千兆网卡的价格大幅下降，（最低的只需50～100元人民币）, 千兆以太网到桌面相当普及，目前大部分的数据中心（IDC）或SAN（存储局域网）采用的是千兆网络做主干, 万兆网络主干面临着传输瓶颈。

       2  万兆以太网采用屏蔽还是非屏蔽
       万兆以太网，采用屏蔽还是非屏蔽? 许多国内的用户可能首先会想到UTP。事实上，目前业界专家普遍认为采用屏蔽系统 (STP) 更适于万兆以太网的传输。或许有人会对这个结论感到惊讶。其实，回顾以太网发展历史，屏蔽系统的应用已经有相当悠久的历史，早在以太网发展的初期屏蔽系统一直是市场的主流。最近随着万兆以太网布线标准的发布，屏蔽系统重新成为人们关注的焦点。
       早在2002年，ISO/IEC 11801 2nd发布了7类即Class F的性能标准，带宽要求至少600MHz，2008年2月ISO/IEC 11801 2nd附录1除发布了超6类 (Cat.6A) 性能标准之外，又加入了超7类即Class FA 的性能标准，带宽要求至少1000MHz，远远超过Cat.6A 500MHz带宽要求。
       其实，屏蔽系统在国内某些特定的行业早已有广泛的应用，比如政府、国防、科研等领域。但是国内许多用户甚至系统集成商仍然对屏蔽系统缺乏足够的认识和了解，行业中流行一种错误的说法：由于屏蔽层是一根长导体，屏蔽系统容易形成“天线”效应，即吸收周围环境中的噪音信号，同时发射噪音信号干扰双绞线中传输的信号。事实上不论是非屏蔽还是屏蔽系统在不同程度上都是“天线”，不同的是，屏蔽系统抵制外界耦合噪音的能力是非屏蔽系统的100～1000倍。另外一种普遍的认识误区是：屏蔽系统如果接地不良，容易引起接地回路，信号传输效果比非屏蔽还要差。第三方实验室的研究结果表明，即使在最差的情况下即屏蔽系统两端没有接地的情况下，两条屏蔽双绞线之间耦合噪音信号仍然低于两条非屏蔽双绞线之间的耦合噪音信号20dB。换言之，即使在屏蔽系统两端没有接地的情况下，屏蔽系统抵制外界耦合噪音的能力仍然是非屏蔽系统的10倍。图1是没有接地的F/UTP双绞线（蓝色）和UTP（黑色）双绞线抵抗外界噪音能力的比较。

图1

       下面我们分别从AXT性能裕量、信道性能裕量、电磁兼容性 (EMC)、安装、测试、接地、价格等几个方面对屏蔽和非屏蔽系统来进行比较和分析。

       2.1  外部串扰余量 （AXT Headroom）
       众所周知，非屏蔽双绞线通过相互扭绞的平衡传输模式（又称为差模模式）传输信号，外界的噪音耦合到双绞线上由于大小相等，相位相反，在接收端相互抵消，但是由于在现实世界中没有完全理想的双绞线，因此6类以上的高性能双绞线只能消除30MHz以下的低频信号干扰。对于100Base-T或1000Base-T工作频率80MHz以下的以太网来说，双绞线本身的“免疫”能力足以应付外界的干扰。但是，10Gbase-T工作频率高达417MHz，双绞线本身的“免疫”能力对于相邻线缆的干扰已经微不足道。
       非屏蔽的Cat.6A 双绞线虽然通过增加线缆直径甚至改变线缆护套内部的构造来减轻外部串扰（AXT）的影响，但不能够消除外部串扰（AXT）。第三方权威实验室测试结果表明非屏蔽的Cat.6A 双绞线无法保证外部串扰 (AXT) 裕量。
       相反，屏蔽系统双绞线由于采用金属箔（Foil）或者金属箔与金属网（Foil+Braid），能够从根本上消除AXT的影响，屏蔽的Cat.6A 双绞线提供更高ANEXT裕量，AMP XG屏蔽双绞线至少提供20dB PSANEXT裕量。
       可以看出采用Cat.6A屏蔽系统比采用Cat.6A非屏蔽系统提供更高的性能余量，因此能够支持未来更高的应用，为用户提供更高的投资回报（ROI）。

       2.2  电磁兼容性（EMC）
       电磁兼容性（EMC）描述了系统或设备对抗外界“噪音”的能力，同时也是描述系统对外界电磁辐射强度的重要参数。10GBase-T由于工作频率高达417MHz, 对周围环境“噪音”极为敏感，同时，由于它较高的工作频率，网络中传输的数据容易被外界“窃听”。 10GBase-T的网络误码率（BER）要求 <10～12。
       屏蔽系统由于采用金属箔（一般为铝箔，厚度0.038～0.051mm之间）屏蔽，隔离外界的“噪音”的“隔音”效果是非屏蔽系统的100～1000倍，同时因为外面包裹的屏蔽层，网络中传输的信息不容易泄漏。因此Cat.6A屏蔽系统更能够保证网络传输误码率；同时能够防止网络信息被窃取，确保网络信息安全。这也是为什么交换机的RJ45插座及高质量的语音或视频传输电缆都采用屏蔽的原因。实验室测试结果显示， S/FTP 结构的屏蔽双绞线比普通的非屏蔽双绞线在消除外界噪音干扰方面高出40dB性能余量如图2、表1所示。

图2

表1

       2.3  安装比较
       有些人或许认为Cat.6A STP直径比Cat.6A UTP线缆直径粗，其实不然，为了消除AXT的影响，Cat.6A非屏蔽双绞线只能通过增大线缆直径来增加线缆之间的物理间隔。为了规范Cat.6A双绞线的直径，TIA/EIA 568B.2-11规定Cat.6A 线缆直径不能超过8.99mm。目前市场上推出的Cat.6A非屏蔽双绞线其直径比Cat.6非屏蔽双绞线直径至少增加30%，比Cat.6A屏蔽双绞线直径至少增加10%。
       图3是不同双绞线线缆直径的对比：

图3

       线缆直径的增大意味着线槽/线管成本的提高，使用同样的线槽、同样的填充比的情况下，Cat.6A屏蔽线缆数量比Cat.6A非屏蔽线缆的数量至少高出30%（如图4所示）。

图4

       EN50174-2《信息技术�C一般布线系统�C第2部分：办公楼》明确规定：不同用途的线缆在同一线槽内必须采用金属隔板进行隔离。由于AXT 的影响, Cat.6A UTP将无法与其他线缆如 CATV 等弱电线缆或者电缆在同一线槽中混合安装, 必须采用金属隔板（铝板或者钢板）隔离。Cat.6A STP 屏蔽系统由于有屏蔽层的保护可以与其他弱电线缆混合安装。图5是 EN50174-2 对于非屏蔽系统的安装建议。

图5

       由于10G以太网布线传输的是高速的网络信号，因此对于布线施工人员的技术要求也比较高。采用Cat.6A UTP布线时，为了减少线缆之间的外部串扰 (AXT)，线缆必须进行捆扎，线束中线缆数量越小意味着外部串扰 (AXT) 越小。TSB155建议：Cat.6A UTP线缆安装时须进行捆扎，捆扎不宜太紧，一捆最理想不超过12根，如果采用屏蔽系统则不必进行捆扎。
       10G以太网传输时，从配线架开始20m距离之内外部串扰 (AXT)最为明显，同时，配线架上的跳线之间也会发生强烈的外部串扰（AXT）。为了消除配线架上的外部串扰（AXT），Cat.6A非屏蔽配线架必须增加插座之间的物理间隔，这意味着配线架端口密度将会减少。此外，Cat.6A非屏蔽配线架为了减少跳线之间的串扰，必须采用直径更粗的跳线或者采用屏蔽跳线。

       2.4  测试比较
       万兆以太网的现场测试需要购买专门测试外部串扰（AXT）的测试适配器，另外万兆以太网的现场测试时间成本和人力成本也远远高过千兆以太网的测试。
       万兆以太网平均测试每条受干扰链路的外部串扰（AXT）大约要花费20～30分钟。如果安装时线束捆扎的数量超过12根，则测试的时间需要多一倍。
       通过前面的介绍我们已经了解到 Cat.6A 屏蔽系统由于采用金属屏蔽层来消除外部串扰（AXT），提供足够的外部串扰（AXT）性能余量，因此在现场验收测试时不必进行外部串扰（AXT）测试，只需进行信道内部测试。

       2.5  成本比较
       万兆以太网出现之前，人们普遍人为屏蔽布线系统的价格高于非屏蔽布线系统的价格。随着屏蔽产品制造技术的发展及万兆以太网络的出现，这一现象成为历史，采用Cat.6A屏蔽系统在布线材料成本、线槽成本、测试成本，综合拥有成本（TCO），投资回报（ROI）等方面均优越于Cat.6A非屏蔽系统。下面表2是Cat.6A STP与Cat.6A UTP的总体比较（如表2所示）。

       3  结束语
       随着新技术的不断发展，层出不穷的应用诸如IP网络传输语音（VoiP）、企业资源规划（ERP）、客户关系管理（CRM）、视频会议（video conference）对网络主干带宽提出了严峻的挑战，越来越多的数据中心（IDC）、存储局域网（SAN）在未来几年内将会大量部署万兆以太网。用户在部属万兆以太网时，首先需要保证网络的物理层基础必须能够提供足够的性能余量，屏蔽系统是万兆水平布线的明智选择。