一场关于介质的争论

      作者：王剑春

 

     自IEEE 802.3an工作组成立之日起，围绕下一代网络协议（万兆）应用的争论就从来没有停止过。

      1  历史回顾
      此前，行业内已经确定了利用OM3多模光纤传输万兆的标准，不少人质疑是否有必要研究和颁布万兆标准的铜缆版本。这些人持有的观点是，光缆作为最理想的信息传输介质，制造不受的原材料的限制，完全取代铜缆只是时间问题。唯一困扰光纤全面普及的因素就是有源设备价格的高居不下。如果在下一代协议完全采用光纤介质，将使设备的用量大幅增长，从而降低设备的价格。即使一段时间内无法解决价格矛盾，也可以采用媒体转换器这一过度方案。但遗憾的是，直到今天，光/铜设备间的价格差距依然巨大。由此可以看出，设备制造厂商们好像并不买账，他们并不乐忠于缩短从铜介质过度到光介质的时间间隔。因此，制定用铜缆支持万兆传输的标准和协议也就势在必行。
      IEEE802.3an这个万兆以太网协议工作组成立之初，对于万兆铜缆传输的门槛要求极高，带宽达到625MHz，信道上的香农容量达到18Gbps，传输所用的编码方式为PAM5。当时业内普遍认为的观点是，由于外部串扰的影响，当传输频率达到625MHz，传输速率超过1G，要想分离有效信号和噪音信号并不是一件容易的事情，单纯依靠设备芯片的编码和解码无法完全解决这一难题，必须要求布线介质本身具有抑制噪音的能力，尤其是外部串扰。而非屏蔽系统要想在100m距离内达到万兆传输要求仅通过对现有6类系统的有限改进和升级是无法满足要求的。由此，屏蔽这个在千兆应用时全世界普及率不足5％的布线系统开始被许多人看好。但是，人们往往忽视了，对于双绞线而言，无论屏蔽系统还是非屏蔽系统，都具有共模抑制和差模抑制能力，以减少外来噪音对双绞线上传输信号的干扰。诚然，屏蔽系统在抵抗电磁和噪音干扰方面，确实比非屏蔽系统具有更强的能力。可喜的是一些布线系统的制造商，并没有放弃对于研发非屏蔽万兆系统的努力。这些厂商通过制造特殊结构和填充物的非屏蔽线缆有效降低了噪音干扰的影响。这些线缆就制造工艺的复杂性而言，比6类线缆要高出许多，其性能也远优于6类线缆。最终，IEEE 802.3an工作组于2003年底，在美国新墨西哥州年会上，全票通过了将非屏蔽系统列入万兆标准的可行性论证。之后在2004年9月，IEEE 802.3工作组采用PAM12编码方式替代原有的PAM5，并且将带宽的上限由625MHz下调到500MHz，从而形成了现在我们所熟知的增强型6类标准的框架。

      2  屏蔽和非屏蔽之争
      既然屏蔽系统和非屏蔽系统都可以支持万兆以太网应用，围绕着这两套系统到底孰优孰劣的争论就此展开。分别支持两套系统的阵营据理力争，从国外一直吵到了国内。对于这场争论，可能最为困惑的就要数用户了。到底选择那一套系统？
      这里通过从用户选择介质时几方面最关键点来比较非屏蔽和屏蔽系统各自的优点和不足。

      2.1  研发制造
      前面已经提到，增强型6类非屏蔽线缆已经不能够仅通过对现有6类系统的有限改进和升级来满足万兆传输的要求。增强型6类非屏蔽线缆的制造商们使出浑身解数，对于线缆设计的想象力发挥到了极致，各自拿出了独特设计的产品。这种特殊设计的产品反映在制造上，也比原先的6类产品要困难的多。
      反观屏蔽厂商，真可谓以逸待劳。原有的6类屏蔽产品和7类产品就可以满足万兆标准要求了，基本不需要额外的产品设计和制造工艺改进。这也是许多在增强型6类非屏蔽产品研发和制造上处于劣式的厂商乐衷于推广屏蔽系统的重要原因之一。

      2.2  性能
      许多人概念上的误区是屏蔽系统的整体性能都优于非屏蔽系统。其实，并不尽然。如果对比屏蔽系统和非屏蔽系统抵抗噪音干扰的性能，比如ANEXT参数，屏蔽系统自然高出一筹。但是，如果对比两种线缆的插入损耗，在导体线径相同的情况下，非屏蔽线缆反而更为出色。而对于回波损耗性能，这两种线缆基本上是没有差别的。
      值得注意的是，要想获得最佳的屏蔽效果，必须要保证整个通道上所有产品360°连续的屏蔽接触并且良好接地。否则的话，则失去了选择使用屏蔽系统的意义。

      2.3  设计
      两种产品在系统配置方法和数量上并无差别，只是在设计屏蔽系统时要考虑配线架和机柜/机架，机柜/机架和接地网络之间的电气连接。由于机架/机柜通常带有喷漆，指望施工人员将与配线架想连部位的油漆挨个刮除是不现实的。所以，最好在设计屏蔽系统时配置专用的接地安装螺丝和垫圈。这些螺丝和垫圈可以免去刮除机架/机柜上的喷漆，在全金属配线架和机柜/机架之间形成良好的电气链接。
      在设计时，必须保证整个传输信道中所有的产品都是屏蔽产品。在用户现场，曾经看到使用者使用非屏蔽跳线连接屏蔽链路。这样做，屏蔽效果荡然无存。

      2.4  安装
      由于金属屏蔽层的存在，屏蔽系统在安装时确实不如非屏蔽系统方便简单。同时由于大多数的施工人员都更不熟悉屏蔽系统的安装，光就线缆、信息插座和配线架而言，安装时就需要更多的时间。有些厂商宣称自己的屏蔽产品安装时间只比非屏蔽产品多20％。笔者认为，这只是对于熟练安装者在理想状态下的时间对比，并且在这一比较过程中并未考虑安装屏蔽系统接地连接的时间。平均来说，端接屏蔽插座模块，要比非屏蔽插座大约多花费50％时间。
      屏蔽系统获得出色的外部串扰性能，具有优异的电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）抑制性能的前提是正确安装和接地连接质量。由于施工人员不熟悉，并且安装技能的参差不起，屏蔽系统在安装前和安装过程中，需要投入更多的时间和精力用于人员培训和现场督导，才能保证屏蔽系统的实施结果。

      2.5  现场测试
      由于屏蔽系统优异的抗干扰能力，现场安装结束后，几乎不用进行外部串扰性能测试。单这一点，每条链路就将节省20～40分钟的测试时间。

      2.6  成本
      由于增强型6类非屏蔽线缆在结构和工艺上的重大改进，在万兆以太网环境中，屏蔽和非屏蔽系统的材料成本基本相近。在安装过程中，显然屏蔽系统需要更多的安装时间和成本进行接地。但是另一方面，相比屏蔽系统，由于非屏蔽系统需要进行外部串扰性能的现场测试，非屏蔽系统的成本也将会上升。
对PoE技术支持的考虑
      以太网供电技术（PoE）越来越成为IT终端设备的潮流，大量的设备，如IP电话，无线接入点，IP摄像机都开始摒弃对于现场电源的依赖，转而投入PoE的怀抱。
      当前，IEEE 802.3af已经将PoE Plus标准所支持的设备功率提高到30W。可以预示的潮流是，将有越来越多的设备通过PoE这种方式获取电源，功率消耗也将不断上升。在不久的将来，PoE就将可以支持笔记本电脑这样的设备。
      布线系统，在提供数据传输平台的同时充当电力系统的一部分。支持越大的功率，也必将在线缆上产生更多的热量。屏蔽系统由于存在金属屏蔽层，供电时产生的热量将无法有效释放。行业内已经有人开始担忧，屏蔽系统支持高功率PoE应用时的性能。

      3  未来会怎样
      在千兆标准颁布之前，行业内许多人认为千兆将是铜缆系统的终结。之后更高带宽，更快传输速率的任务将全部由光纤系统来完成。今天，铜缆系统同样走到了万兆。这也表明，在今后的若干年中，铜缆系统还将和光纤系统并存。虽然，光纤终将取代铜缆，但恐怕谁也无法说出确切的时间点。很大程度上，这要取决于终端设备光纤端口的普及程度以及网络设备的价格等因素。
      回顾历史，1999年超5类这一支持千兆应用的布线介质标准颁布。今天，我们迎来了支持万兆应用的增强型6类系统。可以看到，从千兆到万兆，花了差不多10年时间。目前，有一些厂商已经开始提供更高的分类产品（7类和8类），宣称可以支持未来的下一代协议。但是，铜缆的下一代网络协议标准何时能够颁布，是否能够得到网络设备的支持，这些都还是未知数。也许万兆真将是铜缆系统的终结，到100G时代所有传输介质都将是光纤。

      4  结束语
      当前，全世界超过95％的布线系统都采用了安装非屏蔽系统，而那剩下的5％大多集中在西欧的几个德语系国家。屏蔽系统的普及，相关人员的培训，还有大量的工作需要完成。
      通过对比可以发现，屏蔽系统和非屏蔽系统各有优缺点。用户在选择的时候，应当根据自己的需求出发，选择最适合自身要求的系统。总的来说，如果需要更强的抗干扰能力，推荐安装屏蔽布线系统。如果担心安装质量，追求低成本，并且通过熟悉的平台支持万兆，那么非屏蔽系统是最佳选择。