萬兆銅纜佈線系統及跳線探討

羅森伯格亞太電子有限公司施瑜陳鳳霞

前言

當一些用戶還在擔憂雲計算數據中心是否安全時，計算機網絡世界已經悄然進入大數據時代，大數據時代不只僅擁有數不勝數的海量數據，更重要的是要在海量數據裏面找到數據之間的內在相關性，經過分析數據的相關性來對各種事件進行預測。要在全球龐大的數據體系內發現某些數據的內在相關性，這就要求服務器具備更強大的處理能力，同時須要更高的網絡帶寬來支持。所以充分利用雲計算技術的大數據時代對於網絡帶寬提出更高要求：接入將以萬兆爲主、主幹也將更多采用40G/100G，服務器將進入萬兆時代。

隨着Intel在2012年推出的萬兆服務器平臺Romley以及10GBase-T單芯片網絡控制器以來，萬兆以太網在服務器端的部署和應用進入了快速發展的軌道。根據Intel的市場預測，2013年10GBase-T在萬兆以太網中所佔的比例將達到44%。Netgear推出的全新萬兆銅纜10GBase-T交換機，其在能耗和價格方面的優點爲中小型網絡實現萬兆接入成爲可能。諮詢公司Crehan Research認爲，價格實惠、低能耗產品的出現將促進10GBase-T的應用，10GBase-T萬兆銅纜交換機的出貨量預計在將來的五年內將有四十倍的增加。

Cat6A銅纜佈線系統性能特徵

採用Cat6A銅纜佈線系統做爲傳輸介質的10GBase-T以太網，因其在技術方面承襲了以往的各種以太網，具備向下兼容1000Base-Tx、100Base-T等以太網的特色，用戶在升級網絡時無需擔憂既有的程序或者服務是否會收到影響，極大的保護了用戶的前提投資，同時其設備端口仍然採用RJ45鏈接器進行系統的鏈接，在安裝和維護方面具備很是明顯的優點，於是被認爲將是主要的萬兆以太網傳輸方式。

對於銅纜佈線系統來講，萬兆佈線系統與以往各種佈線系統相比，一方面其工做頻率達到500MHz，相鄰線纜間帶來的外部串擾（主要是ANEXT近端外部串擾和AFEXT遠端外部串擾）等是不可忽視的，尤爲對於非屏蔽Cat6A系統的影響很是明顯。所以Cat6A銅纜在設計時就須要考慮複雜的外部串擾問題，如水平電纜方面，Cat6A銅纜尤爲是非屏蔽產品採用了各類方式來解決外部串擾：如改善隔離骨架的結構、優化電纜外護套等，如圖一。

 

 

圖一超六類非屏蔽電纜結構示意圖

 

萬兆銅纜佈線系統的現場測試與驗收也與以往銅纜佈線系統相差很大，好比除須要測試並記錄以往單一鏈路的傳輸性能外，還須要增長「6+1」外部串擾的測試。在當前情況下，外部串擾測試須要採用專門的測試模塊、且測試時間很長（一個完整的雙向測試需近20分鐘），同時要求測試人員具備更高的專業技能，所以多采用抽測的方式完成，即在項目中選取必定量的最差線對（最差線對的選擇本文不做介紹）來進行測試，從而判斷整個項目全部鏈路的性能是否合格。因爲施工過程當中存在諸多不可控因素，測試時選定的最差線對有時並非真正的最差線對，所以不能和以往的銅纜佈線系統同樣準確判斷整個項目中全部鏈路的性能情況。鑑於此，在對綜合佈線系統要求較高的萬兆銅纜佈線中，建議優先採用屏蔽銅纜佈線系統，經過實驗驗證，屏蔽銅纜在抗擊外部串擾方面的性能比標準要求最少多出10~20dB的餘量。以FLUKE爲例的外部串擾測試模型如圖二。

 

 

 

 

圖二外部串擾測試模型

 

除Cat6A銅纜能夠支持萬兆傳輸外，Cat6、Cat7等佈線系統均可以支持萬兆以太網的應用。Cat6佈線系統根據目前的測試支持萬兆傳輸的距離僅能達到37米，很難知足傳統數據中心EOR網絡架構及大多數樓宇水平佈線的距離要求，所以不適合用做萬兆以太網的物理傳輸介質；Cat7佈線系統目前ISO/IEC標準認可的接口（GG45、Tera）與RJ45不能兼容，在網絡升級時沒法確保用戶的前期投資獲得保護，將以ANSI/TIA-568-C.2-1標準號發佈、支持40GBase-T傳輸協議的Cat8佈線系統仍然採用RJ45鏈接器，致使Cat7佈線系統處於一個比較尷尬的位置，目前也較少被用做爲萬兆以太網的傳輸介質。所以Cat6A佈線系統是當前10GBase-T最爲理想的傳輸介質，可充分知足數據中心EOR、TOR等不一樣網絡架構以及傳統樓宇水平佈線的需求。

爲解決與ANSI/TIA-568-C.2-1標準定義用於傳輸40G的RJ45鏈接器兼容，ISO/IEC JTC1 SC25 WG3於2013年2月底在墨西哥伊斯坦帕召開的第54次會議上，其中ISO/IEC11801-99-1「平衡雙絞線支持40G傳輸規範」技術報告草案定義了兩種信道模型來支持40G傳輸規範，包括IEC60607-3-81定義的、帶寬擴展到2GHz的新型RJ45鏈接器和IEC61076-3-104定義的、帶寬擴展到2GHz的Cat7A Tera鏈接器。

Cat6A跳線在萬兆銅纜佈線系統中的做用

做爲10GBase-T主要傳輸介質的萬兆銅纜（如下稱Cat6A）佈線系統，組成整個傳輸通道的全部組件性能都將對傳輸質量帶來極大的影響，好比：水平線纜、模塊、配線架以及跳線等。做爲綜合佈線系統直接鏈接終端設備與交換機的跳線，對整個萬兆傳輸鏈路具備極大的影響。與水平線纜須要預先敷設與線槽、管道、橋架等區域不一樣，跳線通常狀況下只在同一機櫃內或牆面與桌面之間進行跳接，安裝、維護相對要簡單的多。所以在千兆及如下以太網的綜合佈線系統中，跳線常被置於次要的位置。

與咱們所知道的木桶短板效應相似，綜合佈線整條物理鏈路的傳輸性能也取決於整條鏈路中的最差組件性能。綜合佈線項目中銅纜佈線系統的驗收測試包括兩種方法：Perm. Link永久鏈路測試、Channel 信道測試。因爲信道測試的結果中包含2條測試跳線的性能（測試跳線與工做跳線的性能可能會有差別），而Perm. Link永久鏈路測試的是水平鏈路模塊至模塊之間的性能、測試中未引入任何可能影響鏈路的測試跳線，其更能真實的反應水平線纜和模塊組成的鏈路性能水平，所以當前項目驗收更多選用Perm. Link測試模型。爲確保端到端網絡設備通信鏈路的性能良好（即標準中定義的Channel信道），除水平鏈路採用永久鏈路「Perm. Link」測試模型外，用戶跳線應採用跳線單體「Patch cord」模型測試並知足標準的要求。

 

 

Perm. Link 永久鏈路測試模型

 

 

Channel 信道測試模型

在實際項目的驗收測試中，以選擇FLUKE DTX1800測試儀爲例，不一樣測試模型對應FLUKE的測試適配器如表1。

表1 FLUKE不一樣測試模型適配器（Cat6A）

測試模型	Perm. Link	Channel	Patch Cord
適配器	DTX-PLA002	DTX-CHA002	DTX-PC6A/MN	DTX-PC6A/SR
備註	外加2條測試跳線	主機端	遠端	​

 

跳線性能的好壞除將影響綜合佈線整條鏈路的傳輸性能外，不合格的跳線在使用中還可能對設備端口形成極大的損害。如接口類型爲RJ45的以太網NIC（即服務器和PC 機上的以太網適配器），當用於鏈接的跳線RJ45水晶頭在物理尺寸上存在缺陷時，一方面可能損壞服務器/PC機等設備的NIC網卡，另外一方面也會損壞水平鏈路上的RJ45模塊。

在已經使用10GBase-T以太網的部分雲計算數據中心，除採用了傳統的EOR網絡架構外，部分區域也採用了EOR+TOR的新型網絡架構，這一網路架構將列頭櫃HDA分散到各個機櫃的頂端，網絡跳線直接在接入交換機與服務器設備之間進行跳接，這對跳線的傳輸性能及RJ45水晶頭的安裝質量等提出了更高的要求。

Cat6A銅纜跳線的特色

除傳輸性能必須符合標準規定的「Patch Cord」性能外，跳線同時要求具備更好的柔軟性，要得到更好的傳輸性能須要考慮增長導體的線徑，線徑越大線纜的柔軟性將會越差。所以跳線線纜的導體通常採用比對應類別水平線纜線徑更小、多股絞合的銅絲，根據TIA-568-C.2的相關規定，環境溫度在20度的狀況下，水平線纜部分要求直流電阻不得大於93.8Ω/km、而跳線線纜的直流電阻值則爲不大於140Ω/km，這也就從標準方面爲跳線採用更細的導體提供了依據。

根據對稱電纜特性阻抗Z_C的計算公式

（此公式適用於非屏蔽）

或

（此公式適用於屏蔽）

Z_C—特性阻抗

α—對絞芯線兩導體中心間距

d —導體外徑

D_S—屏蔽層內徑

要使跳線線纜的特性阻抗保持不變，在導體線徑更小的狀況下，能夠經過下降電纜的等效介電常數來得到這一目標。而下降等效介電常數最經常使用的方法之一就是採用絕緣發泡技術。

ε_e —等效介電常數

ε—材料介電常數

P —發泡度%，它表示泡沫介質內全部小氣泡的體積與絕緣整體積之比

因爲Cat6A跳線的工做頻率要達到500MHz，用於製做跳線的線纜衰減值相比較六類在相同頻率（100~250MHz）下要求下降4~5%，絕緣發泡技術偏偏是下降線纜衰減常數的理想手段之一。

外部串擾問題不只僅存在於水平線纜部分，跳線一樣也須要考慮來自相鄰跳線的外部串擾。跳線線纜設計時除應考慮衰減常數更低外，同時還應採用合適的方案來消除相鄰跳線引發的外部串擾。因爲要確保成品跳線的柔軟性，所以屏蔽和非屏蔽Cat6A跳線線纜都應儘可能不採用增長線纜硬度的填充骨架，如經過採用線對屏蔽的方式來消除相鄰跳線的影響等，見圖三。

 

 

圖三跳線線纜結構圖

 

10GBase-T因其能夠兼容以前的以太網、快速以太網以及千兆以太網，對應鏈接跳線的另外一關鍵部件RJ45水晶頭、其外形尺寸與普通水晶頭必須徹底兼容。這就要求Cat6A水晶頭在設計時須要考慮：在有限空間內實現性能至少提高至在500MHz頻率下實現萬兆傳輸，同時解決高頻下線對間以及來自外部線纜的串擾。所以水晶頭除結構尺寸設計要求更加精確外，對其塑體材料的可塑性、韌性、強度、耐磨性等也提出了更高的要求。內部塑體通過改良後的RJ45水晶頭能夠在500MHz頻率下實現更加安全可靠的萬兆傳輸，如圖四。

 

 

圖四改良後的RJ45水晶頭內部塑體

 

在確保用於跳線的線纜和水晶頭性能良好的前提下，並不意味着就必定能得到性能良好的Cat6A跳線。跳線製做過程當中線對絞距鬆開的長度、壓接工裝的穩定性、水晶頭金片預埋深度以及金片刺破芯線的均勻性等，不只對Cat6A跳線的性能具備很大的影響，還會對跳線的接觸可靠性產生很大的影響。除此以外，尾套注膠壓力、製做人員的技術熟練度也會對跳線的質量產生必定的影響。良好跳線的線對安裝以及金片刺破芯線效果，如圖五。

 

 

圖五線對安裝及金片刺破芯線效果圖

 

跳線的在線檢測也是確保成品質量的重要手段之一，根據統計在工裝設備良好的狀態下，一個熟練技術人員的一次經過率也僅在85%左右（採用跳線單體Patch Cord測試標準），換句話說若是不採用Patch Cord在線監測跳線的性能狀態，最起碼將有15%左右的跳線不良品被使用到綜合佈線鏈路中去。

結束語

在千兆以太網以及以前，幾乎每一個網絡管理人員都擁有現場自制跳線的技能（全部自制跳線幾乎都會忽略測試的過程）。在網絡接線正確就能正常使用的網絡系統中，自制跳線的確爲用戶節省了一些採購成品跳線的費用，然而卻爲網絡系統安全可靠的運行埋下了隱患：性能較差的自制跳線致使部分具備自適應功能的網絡設備在千兆和百兆之間來回切換，機械壓接不到位的自制跳線更是令網絡出現時斷時續的致命故障。根據市場統計，網絡系統因爲物理鏈路引發故障中，其中的75%是來自於跳線。

做爲萬兆銅纜佈線系統重要組成部分的Cat6A跳線，在萬兆以太網的傳輸過程當中起着舉足輕重的做用。其不只要求組成跳線的線纜和水晶頭具備更好性能和精度，同時用於加工壓接工裝、操做人員的技術熟練度、過程監測等等都提出了更高的要求，所以Cat6A跳線應避免採用現場製做，不要由於小小跳線而給昂貴的網絡設備形成極大的影響。

 

 

 

參考文件：

[1] 陳鳳霞.談銅纜佈線系統萬兆應用機會與挑戰[J].智能建築與城市信息，2012.03

[2] 綜合佈線工做組.萬兆銅纜系統工程設計、施工與檢測技術白皮書[M]，2011.11