万兆铜缆布线系统及跳线探讨
罗森伯格亚太电子有限公司施瑜陈凤霞
前言
当一些用户还在担心云计算数据中心是否安全时，计算机网络世界已经悄然进入大数据时代，大数据时代不仅仅拥有数不胜数的海量数据，更重要的是要在海量数据里面找到数据之间的内在相关性，通过分析数据的相关性来对各类事件进行预测。要在全球庞大的数据体系内发现某些数据的内在相关性，这就要求服务器具有更强大的处理能力，同时需要更高的网络带宽来支持。因此充分利用云计算技术的大数据时代对于网络带宽提出更高要求：接入将以万兆为主、主干也将更多采用40G/100G，服务器将进入万兆时代。
随着Intel在2012年推出的万兆服务器平台Romley以及10GBase-T单芯片网络控制器以来，万兆以太网在服务器端的部署和应用进入了快速发展的轨道。根据Intel的市场预测，2013年10GBase-T在万兆以太网中所占的比例将达到44%。Netgear推出的全新万兆铜缆10GBase-T交换机，其在能耗和价格方面的优势为中小型网络实现万兆接入成为可能。咨询公司Crehan Research认为，价格实惠、低能耗产品的出现将促进10GBase-T的应用，10GBase-T万兆铜缆交换机的出货量预计在未来的五年内将有四十倍的增长。
Cat6A铜缆布线系统性能特征
采用Cat6A铜缆布线系统作为传输介质的10GBase-T以太网，因其在技术方面承袭了以往的各类以太网，具有向下兼容1000Base-Tx、100Base-T等以太网的特点，用户在升级网络时无需担心既有的程序或者服务是否会收到影响，极大的保护了用户的前提投资，同时其设备端口仍然采用RJ45连接器进行系统的连接，在安装和维护方面具有非常明显的优势，因而被认为将是主要的万兆以太网传输方式。
对于铜缆布线系统来说，万兆布线系统与以往各类布线系统相比，一方面其工作频率达到500MHz，相邻线缆间带来的外部串扰（主要是ANEXT近端外部串扰和AFEXT远端外部串扰）等是不可忽视的，尤其对于非屏蔽Cat6A系统的影响非常明显。因此Cat6A铜缆在设计时就需要考虑复杂的外部串扰问题，如水平电缆方面，Cat6A铜缆尤其是非屏蔽产品采用了各种方式来解决外部串扰：如改善隔离骨架的结构、优化电缆外护套等，如图一。
图一超六类非屏蔽电缆结构示意图
万兆铜缆布线系统的现场测试与验收也与以往铜缆布线系统相差很大，比如除需要测试并记录以往单一链路的传输性能外，还需要增加“6+1”外部串扰的测试。在当前状况下，外部串扰测试需要采用专门的测试模块、且测试时间很长（一个完整的双向测试需近20分钟），同时要求测试人员具有更高的专业技能，因此多采用抽测的方式完成，即在项目中选取一定量的最差线对（最差线对的选择本文不作介绍）来进行测试，从而判断整个项目所有链路的性能是否合格。由于施工过程中存在诸多不可控因素，测试时选定的最差线对有时并不是真正的最差线对，因此不能和以往的铜缆布线系统一样准确判断整个项目中所有链路的性能状况。鉴于此，在对综合布线系统要求较高的万兆铜缆布线中，建议优先采用屏蔽铜缆布线系统，通过实验验证，屏蔽铜缆在抗击外部串扰方面的性能比标准要求最少多出10~20dB的余量。以FLUKE为例的外部串扰测试模型如图二。
图二外部串扰测试模型
除Cat6A铜缆可以支持万兆传输外，Cat6、Cat7等布线系统都可以支持万兆以太网的应用。Cat6布线系统根据目前的测试支持万兆传输的距离仅能达到37米，很难满足传统数据中心EOR网络架构及大多数楼宇水平布线的距离要求，因此不适合用作万兆以太网的物理传输介质；Cat7布线系统目前ISO/IEC标准承认的接口（GG45、Tera）与RJ45不能兼容，在网络升级时无法确保用户的前期投资得到保护，将以ANSI/TIA-568-C.2-1标准号发布、支持40GBase-T传输协议的Cat8布线系统仍然采用RJ45连接器，导致Cat7布线系统处于一个比较尴尬的位置，目前也较少被用作为万兆以太网的传输介质。因此Cat6A布线系统是当前10GBase-T最为理想的传输介质，可充分满足数据中心EOR、TOR等不同网络架构以及传统楼宇水平布线的需求。
为解决与ANSI/TIA-568-C.2-1标准定义用于传输40G的RJ45连接器兼容，ISO/IEC JTC1 SC25 WG3于2013年2月底在墨西哥伊斯坦帕召开的第54次会议上，其中ISO/IEC11801-99-1“平衡双绞线支持40G传输规范”技术报告草案定义了两种信道模型来支持40G传输规范，包括IEC60607-3-81定义的、带宽扩展到2GHz的新型RJ45连接器和IEC61076-3-104定义的、带宽扩展到2GHz的Cat7A Tera连接器。
Cat6A跳线在万兆铜缆布线系统中的作用
作为10GBase-T主要传输介质的万兆铜缆（以下称Cat6A）布线系统，组成整个传输通道的所有组件性能都将对传输质量带来极大的影响，比如：水平线缆、模块、配线架以及跳线等。作为综合布线系统直接连接终端设备与交换机的跳线，对整个万兆传输链路具有极大的影响。与水平线缆需要预先敷设与线槽、管道、桥架等区域不同，跳线一般情况下只在同一机柜内或墙面与桌面之间进行跳接，安装、维护相对要简单的多。因此在千兆及以下以太网的综合布线系统中，跳线常被置于次要的位置。
与我们所知道的木桶短板效应类似，综合布线整条物理链路的传输性能也取决于整条链路中的最差组件性能。综合布线项目中铜缆布线系统的验收测试包括两种方法：Perm. Link永久链路测试、Channel 信道测试。由于信道测试的结果中包含2条测试跳线的性能（测试跳线与工作跳线的性能可能会有差异），而Perm. Link永久链路测试的是水平链路模块至模块之间的性能、测试中未引入任何可能影响链路的测试跳线，其更能真实的反应水平线缆和模块组成的链路性能水平，因此当前项目验收更多选用Perm. Link测试模型。为确保端到端网络设备通讯链路的性能良好（即标准中定义的Channel信道），除水平链路采用永久链路“Perm. Link”测试模型外，用户跳线应采用跳线单体“Patch cord”模型测试并满足标准的要求。
Perm. Link 永久链路测试模型
Channel 信道测试模型
在实际项目的验收测试中，以选择FLUKE DTX1800测试仪为例，不同测试模型对应FLUKE的测试适配器如表1。
表1 FLUKE不同测试模型适配器（Cat6A）
测试模型 |
Perm. Link |
Channel |
Patch Cord |
|
适配器 |
DTX-PLA002 |
DTX-CHA002 |
DTX-PC6A/MN |
DTX-PC6A/SR |
备注 |
外加2条测试跳线 |
主机端 |
远端 |
|
跳线性能的好坏除将影响综合布线整条链路的传输性能外，不合格的跳线在使用中还可能对设备端口造成极大的损害。如接口类型为RJ45的以太网NIC（即服务器和PC 机上的以太网适配器），当用于连接的跳线RJ45水晶头在物理尺寸上存在缺陷时，一方面可能损坏服务器/PC机等设备的NIC网卡，另一方面也会损坏水平链路上的RJ45模块。
在已经使用10GBase-T以太网的部分云计算数据中心，除采用了传统的EOR网络架构外，部分区域也采用了EOR+TOR的新型网络架构，这一网路架构将列头柜HDA分散到各个机柜的顶端，网络跳线直接在接入交换机与服务器设备之间进行跳接，这对跳线的传输性能及RJ45水晶头的安装质量等提出了更高的要求。
Cat6A铜缆跳线的特点
除传输性能必须符合标准规定的“Patch Cord”性能外，跳线同时要求具有更好的柔软性，要获得更好的传输性能需要考虑增加导体的线径，线径越大线缆的柔软性将会越差。因此跳线线缆的导体一般采用比对应类别水平线缆线径更小、多股绞合的铜丝，根据TIA-568-C.2的相关规定，环境温度在20度的情况下，水平线缆部分要求直流电阻不得大于93.8Ω/km、而跳线线缆的直流电阻值则为不大于140Ω/km，这也就从标准方面为跳线采用更细的导体提供了依据。
根据对称电缆特性阻抗ZC的计算公式
（此公式适用于非屏蔽）
或
（此公式适用于屏蔽）
ZC―特性阻抗
α―对绞芯线两导体中心间距
d ―导体外径
DS―屏蔽层内径
要使跳线线缆的特性阻抗保持不变，在导体线径更小的情况下，可以通过降低电缆的等效介电常数来获得这一目标。而降低等效介电常数最常用的方法之一就是采用绝缘发泡技术。
εe ―等效介电常数
ε―材料介电常数
P ―发泡度%，它表示泡沫介质内所有小气泡的体积与绝缘总体积之比
由于Cat6A跳线的工作频率要达到500MHz，用于制作跳线的线缆衰减值相比较六类在相同频率（100~250MHz）下要求降低4~5%，绝缘发泡技术恰恰是降低线缆衰减常数的理想手段之一。
外部串扰问题不仅仅存在于水平线缆部分，跳线同样也需要考虑来自相邻跳线的外部串扰。跳线线缆设计时除应考虑衰减常数更低外，同时还应采用合适的方案来消除相邻跳线引起的外部串扰。由于要确保成品跳线的柔软性，因此屏蔽和非屏蔽Cat6A跳线线缆都应尽量不采用增加线缆硬度的填充骨架，如通过采用线对屏蔽的方式来消除相邻跳线的影响等，见图三。
图三跳线线缆结构图
10GBase-T因其可以兼容之前的以太网、快速以太网以及千兆以太网，对应连接跳线的另一关键部件RJ45水晶头、其外形尺寸与普通水晶头必须完全兼容。这就要求Cat6A水晶头在设计时需要考虑：在有限空间内实现性能至少提升至在500MHz频率下实现万兆传输，同时解决高频下线对间以及来自外部线缆的串扰。因此水晶头除结构尺寸设计要求更加精确外，对其塑体材料的可塑性、韧性、强度、耐磨性等也提出了更高的要求。内部塑体经过改良后的RJ45水晶头可以在500MHz频率下实现更加安全可靠的万兆传输，如图四。
图四改良后的RJ45水晶头内部塑体
在确保用于跳线的线缆和水晶头性能良好的前提下，并不意味着就一定能获得性能良好的Cat6A跳线。跳线制作过程中线对绞距松开的长度、压接工装的稳定性、水晶头金片预埋深度以及金片刺破芯线的均匀性等，不仅对Cat6A跳线的性能具有很大的影响，还会对跳线的接触可靠性产生很大的影响。除此之外，尾套注胶压力、制作人员的技术熟练度也会对跳线的质量产生一定的影响。良好跳线的线对安装以及金片刺破芯线效果，如图五。
图五线对安装及金片刺破芯线效果图
跳线的在线检测也是确保成品质量的重要手段之一，根据统计在工装设备良好的状态下，一个熟练技术人员的一次通过率也仅在85%左右（采用跳线单体Patch Cord测试标准），换句话说如果不采用Patch Cord在线监测跳线的性能状态，最起码将有15%左右的跳线不良品被使用到综合布线链路中去。
结束语
在千兆以太网以及之前，几乎每个网络管理人员都拥有现场自制跳线的技能（所有自制跳线几乎都会忽略测试的过程）。在网络接线正确就能正常使用的网络系统中，自制跳线的确为用户节省了一些采购成品跳线的费用，然而却为网络系统安全可靠的运行埋下了隐患：性能较差的自制跳线导致部分具有自适应功能的网络设备在千兆和百兆之间来回切换，机械压接不到位的自制跳线更是令网络出现时断时续的致命故障。根据市场统计，网络系统由于物理链路引起故障中，其中的75%是来自于跳线。
作为万兆铜缆布线系统重要组成部分的Cat6A跳线，在万兆以太网的传输过程中起着举足轻重的作用。其不仅要求组成跳线的线缆和水晶头具有更好性能和精度，同时用于加工压接工装、操作人员的技术熟练度、过程监测等等都提出了更高的要求，因此Cat6A跳线应避免采用现场制作，不要因为小小跳线而给昂贵的网络设备造成极大的影响。
参考文件：
[1] 陈凤霞.谈铜缆布线系统万兆应用机会与挑战[J].智能建筑与城市信息，2012.03
[2] 综合布线工作组.万兆铜缆系统工程设计、施工与检测技术白皮书[M]，2011.11
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