万兆铜缆布线系统的应用与思考
万兆铜缆布线系统的应用与思考
前言
基于云计算、物联网等新技术的不断发展和应用，网络对于带宽的需求越来越高，尤其在云计算环境下的数据中心将大量基于虚拟化技术，从而最大化的提高服务器设备的利用率，这就需要更高的带宽布线系统来支持云计算数据中心的网络通信，10G（万兆以太网）应用已经成为主流，40G/100G作为云计算数据中心主干的发展也将越来越多的被成为用户关注与试用。
随着ISO/IEC11801以及ANSI/TIA568C.2等主流标准对万兆铜缆性能的定义，基于铜缆作为传输介质的万兆以太网已经大量应用于各类数据中心的布线中，加上铜产品设备在成本上的绝对优势，与千兆以太网类似的、万兆铜缆（超六类铜缆）将在万兆以太网的传输介质上占有相当的优势。
一、万兆以太网的发展状况
自上世纪70年代提出并实现以来，以太网凭借自身的技术优势占据了全球局域网市场90%以上的份额，从最初的不到10M发展到了现在的10G。
随着数字图书馆、在线影视欣赏、网络教学、视频会议以及BT下载等新技术的大规模应用，甚至由于病毒导致的带宽占用，都令用户的网络系统对于带宽的需求越来越高，传统的千兆网络已经无法满足支持现代应用技术的需求，不仅仅数据中心的主干网络要求万兆以太网的支持，当前相当多楼宇布线的数据主干网络也已经开始大量采用万兆以太网。
根据英特尔的预测2011年万兆端口使用量将突破500万，IDC预计到2013年万兆以太网出货量会首次超过千兆网。对于服务器端口方面，根据一份来自Intel & Broadcom在2007年的预测报告可以看出：在未来的5年里，万兆服务器设备将得到大规模的使用，如图1。
图1 设备端口类型
来自数据分析研究机构的市场分析数据也表明万兆以太网在数据中心的大规模应用，根据CrehanResearch的市场分析报告，目前全球大约安装了1.70亿个1GbE数据中心和服务器级端口，大约安装了2500万个10GbE端口、10GbE目前仅占所有已安装的以太网端口的13%。CrehanResearch预计2012年10GbE将增至年度市场总出货量的37%，到2014年它将成为占据统治地位和事实上的数据中心网络连接；TheLinleyGroup今年1月的分析报告也预测10GbE将会有很大的增长，预计到2014年10GbE网卡/LOM（LanOnMotherboard，主板自带以太网接口）的出货量将超过1600万。
为满足不同领域应用以及相关传输条件的要求，自2002年第一个万兆以太网标准IEEE 802.3ae发布以来，IEEE又分别于2004年推出802.3ak，2006年发布802.3an、802.3aq以及2007年的802.3ap等一系列的万兆以太网标准规范。再加上其他相关规范，万兆以太网的相关标准超过10个，按照不同的应用范围可以分为三类：1、基于光纤的局域网万兆以太网规范；2、基于双绞线的局域网万兆以太网规范；3、基于光纤的广域网万兆以太网规范。各种万兆以太网传输协议之间的对比关系见表1。
表1 万兆以太网传输协议对比
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传输协议
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传输介质
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对应标准
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应用领域
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10GBase-SR
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多模光纤
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IEEE 802.3ae
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局域网
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10GBase-LR
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单模光纤
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IEEE 802.3ae
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10GBase-LRM
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多模光纤
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IEEE 802.3aq
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10GBase-ER
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单模光纤
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IEEE 802.3ae
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10GBase-ZR
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单模光纤
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厂商自定义
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10GBase-LX4
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单模、多模光纤
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IEEE 802.3ae
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10GBase-CX4
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屏蔽双绞线
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IEEE 802.3ak
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10GBase-T
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双绞线
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IEEE 802.3an
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10GBase-KX4
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铜线（并行接口）
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IEEE 802.3ap
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背板以太网
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10GBase-KR
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铜线（串行接口）
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IEEE 802.3ap
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10GBase-SW
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多模光纤
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IEEE 802.3ae
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广域网
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10GBase-LW
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单模光纤
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IEEE 802.3ae
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10GBase-EW
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单模光纤
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IEEE 802.3ae
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10GBase-ZW
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单模光纤
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厂商自定义
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二、万兆铜缆布线系统的应用
2002年颁布的IEEE 802.3ae万兆以太网标准是基于以光纤为传输介质传输10Gb的数据流，但由于成本的原因极大地限制了这项技术的发展和应用。在2006年万兆的光交换机端口的发货量只有30万，相比同时期1000Base-T每个月就有5-6百万端口的发货量。
为加快万兆以太网技术的应用并降低成本，以满足将来网络技术及应用的发展需求，在2002年末，10GBase-T委员会主席Mr. Brad Booth召集了一次会议，提出了发展基于100米双绞线应用的万兆以太网新标准。在经过4年的讨论和发展后，最终在2006年颁布了IEEE 802.3an基于10GBase-T规范的万兆以太网新标准，10GBase-T传输协议下的万兆以太网成本只有10GBase-SR的60%左右、得到了非常明显的降低。标准制定者依靠：损耗消除、模拟到数字转换、线缆增强和编码改进4项技术构件使10GBase-T变为现实。
10GBase-T万兆以太网可提供10倍于千兆以太网的传输带宽，也提供了诸多面向虚拟机的传输特性，此外10GBase-T依然采用传统的RJ45作为其连接器，连接器的安装和维护都非常方便，同时又很好的兼容了以往的千兆、百兆以太网络，因此10GBase-T被认为是未来市场上最有可能大规模采用的万兆技术。因此对应于10GBase-T采用的RJ45接口方式，万兆铜缆（水平双绞线）在万兆以太网传输介质中所占的比例将大大增加，根据Intel的市场预测在2012年10GBase-T在万兆以太网中所占的比例将达到36%、2013年这一比例还会进一步扩大到44%。
一份基于数据中心应用的、来自FTM咨询公司发布的数据也说明：在数据中心布线中，铜缆布线相对于光缆布线所占比例更高。报道称：中小型数据中心以铜缆布线为主，只有大型数据中心才主要选择光缆布线，通过分析发现到2015年：中小型数据中心布线将达到58亿美元的投资额，而大型数据中心的布线投资额只有约26亿美元。
另外还有来自相关标准方面的要求，目前主要针对数据中心设计的相关标准对于传输介质方面的选择，万兆铜缆（Cat6A）也已经是数据中心铜缆布线系统的首要选择。
表2 数据中心布线系统传输介质选择等级要求
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ANSI/TIA 942A
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EN 50173-5
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ISO/IEC 24764
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GB 50174-2008
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铜缆
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对绞电缆
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6A类（Class E
A）
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推荐6A类（Class E
A）
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至少6A类（Class E
A）
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6类（Class E）
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同轴电缆
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75欧姆
同轴电缆
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—
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—
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—
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多模光缆
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OM3
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OM2/OM3
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OM3
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OM2/OM3
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单模光缆
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OS1
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OS1/OS2
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OS1
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OS1
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无论是来自设备厂家如Intel等的市场预测、专业咨询机构如FTM的市场分析数据，还是根据相关国内外标准对传输介质的要求，我们都能看出万兆铜缆在万兆以太网应用中都将占有相当大的比例，万兆铜缆的应用前景依然非常乐观。
三、万兆铜缆布线系统的思考
作为万兆以太网传输介质之一的万兆铜缆，和以往双绞线最大的区别就在于需要解决外部串扰（AXT）的影响，外部串扰被认为是万兆以太网最重要的噪声来源、具有统计随机性，其引起的危害无法通过网络设备上的DSP（数字信号处理器）得以消除。随着万兆端口出货量的上升，相应的端口成本也将得到大幅度的下降，导致10GBase-T和10GBase-SR之间的成本优势越来越低。再加上由于铜资源的紧缺、光进铜退的呼声不断，以及数据中心网络需求和架构的变化等因素，因此万兆铜缆布线系统的应用也存在相当多的挑战，这些挑战主要来自于三个方面：铜缆本身的、设备因素以及网络应用和架构因素。
1、
万兆铜缆本身的影响因素
铜缆在传输万兆数据时所对应的频率达到500MHz，在如此高频率下的传输性能对于外界干扰非常敏感，因此万兆铜缆需要解决的问题必须包含两部分：线缆本身线对间的串扰（NEXT）；来自相邻线缆线对间的串扰（AXT）。NEXT可以通过对不同线对设计合适的绞距加以消除，这一技术已经非常成熟。AXT则主要是来自于不同线缆间的相同线对，仅仅通过设计合适的绞距无法消除这类干扰，这就需要对布线结构进行特殊的设计，比如通过增大线缆直径、增加配线架模块间隔或采用屏蔽技术等消除，如图2的万兆铜缆结构。
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图2 万兆铜缆的两种结构
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根据相同外径圆的层绞特点，在每根线缆的周围有6根其他线缆对它的影响最为严重（一般也只需要考虑周围6根线缆的影响），如图3所示。因此测试方面也和传统的测试方法有所不同。当选择非屏蔽万兆铜缆布线系统时，必须要通过6+1的测试才能确保整个系统满足万兆传输的要求，6+1相关实验室测试方法如图4。
图3 外部串绕原理图
图4 外部串绕实验室测试图
在施工方面，由于万兆铜缆尤其是非屏蔽铜缆的外径较大，施工中对线缆的捆扎要求也较高，在填充率相对固定的情况下，线槽或桥架的走线密度无疑将会大大下降。一根144芯的预连接光缆的直径约15mm，其传输容量相当于72根直径约8.0mm的万兆铜缆，如图5。对于要求高密度布线的数据中心来说，选择万兆铜缆布线系统将面临极大的挑战。
图5 预连接光缆与万兆铜缆施工密度对比
2、
设备因素
综合布线系统在整个弱电项目中的占比只有5~10%，因此是选择万兆铜缆布线系统还是光缆布线系统取决于项目所选择的设备端口。然而设备采用何种端口，取决于多方面的因素，其中最重要的两点就是成本和能耗。
在当前情况下，基于10GBase-T的10GbE端口仍然具有相当大的成本优势，然而随着万兆光端口出货量的大幅度上升、技术的不断成熟和完善，其价格将会有一个显著的下降，比如Mellanox公布的最新价格中MellanoxSX1016，1U 64端口10GbE交换机成本已经下降到了188美元每端口，由此万兆铜缆作为传输介质的成本优势也将逐渐削弱。
一份来自IT168网站有关《2010年绿色数据中心应用及发展调查报告》显示，对于机房来说除了空间紧张就是能源消耗最为头疼，如图6，如何降低能源消耗是目前数据中心设计时必须要考虑的问题。
图6 数据中心面临问题调查
基于10GBase-T的万兆铜缆连接器10G-T的端口能耗达到了5W/端口，而相同传输容量下的光端口SFP+的能耗只有1.5W/端口，光端口的能耗只有铜端口的30%，如图7。根据经验每节约1单位的端口能源消耗、将为整个数据中心带来2.6单位的其他配套能源消耗。一个端口数量为1万的数据中心，每年节省的电力费用就达到87万元之多。在端口能耗方面，就目前的端口能耗状况，SFP+有着绝对的优势。
图7 不同端口能耗对比
3、
网络应用及架构因素
随着云计算、虚拟化等新技术的应用逐渐商业化，网络应用对于数据流量的速度要求越来越高，下一代数据中心的布线系统将主要围绕40G/100G展开，目前正式发布的标准IEEE802.3ba中规定了几种不同的接口模式，但基于多模光纤的方式在局域网与数据中心中将逐步成为主流，万兆铜缆目前还没有标准可以支持40G/100G的应用。虽然ISO 11801的一个工作组正在讨论利用铜缆支持40G/100G网络的可行性，但是否采纳这一观点预计要到2014年才会有明确结果。
随着数据中心单柜密度越来越高，云计算数据中心将普遍采用TOR（Top of Rack）的网络架构，而云计算数据中心以机柜为单位的产业化理念方式，意味着水平链路中的铜缆布线将大大缩减，数据中心内布线系统将主要由光缆组成，而预连接光缆与快速部署的数据中心产业化理念相一致，将得到更加广泛的应用。
另外一项新兴数据中心——集装箱数据中心的出现也将会对万兆铜缆的应用产生相当大的冲击，集装箱式数据中心对布线系统的一大特点：快速部署，要求用于柜内的布线系统能快速安装，具备即插即用特点的预连接光纤系统是理想的选择。它的另一个特点：高密度，用于安装数据中心的集装箱容量有限，为了将更多的空间留给网络和服务设备，高密度的光纤布线系统更加节约内部空间。
四、结束语
随着TIA568B.2-10和ISO/IEC11801等万兆铜缆（Cat6A、Class E
A）标准的颁布，万兆铜缆已经越来越多的被应用于各类数据中心的布线系统中，由于万兆铜缆对应的设备端口成本相对较低，同时设备端口连接器的安装和维护都比较简单和方便，再加上万兆以太网应用的持续增加，因此万兆铜缆在相当长的一段时间内都将成为综合布线系统的主要传输介质。
然而，随着网络应用对带宽需求的进一步提高，数据中心布线TOR架构和集装箱数据中心的大量被采用，万兆铜缆将面临严峻的挑战。万兆端口出货量的增加，一方面可以增加万兆铜缆的需求，另一方面随之带来的万兆光纤端口成本下降也将逐步减少10GBase-T在成本方面的优势，从而影响万兆铜缆的可持续需求增长。
总而言之，万兆铜缆的机会和挑战并存，相信当其他技术在发展的时候，以万兆铜缆作为传输介质的10GBase-T相关技术也会不断地得到发展，其应用前景的机会将大于挑战。
参考文献：
[1] 王达.金牌网管师（初级）职业指南与网络基础[M].北京：中国水利水电出版社，2009.06
[2] 孙慧永.新一代数据中心光纤布线技术发展趋势[J].智能建筑与城市信息，2011.03
[3] 布线工作组.万兆铜缆系统工程的设计与施工检测技术白皮书[M].北京：清华大学出版社，2011
[4] 罗森伯格.集装箱式数据中心对布线系统的影响
[J].51CTO技术博客，2011
罗森伯格亚太电子有限公司 陈凤霞