摘要：高效、安全的布线系统是提升数据中心网络通信系统性能的关键。从抗串扰性、散热和节能效果等方面，对万兆屏蔽布线和非屏蔽布线两种方案进行了比较，指出数据中心布线更适合采用万兆屏蔽布线方案。同时，对万兆屏蔽布线系统的性能进行了简要的阐述。

       关键词：数据中心；屏蔽布线；串扰；接地

 

       Analysis of 10Gbps Shielded and Unshielded Cabling in Data Center

       Abstract: High efficient and safety of cabling system is the key to improve the performance of data center network communication. From anti-interference, heat dissipation and energy saving effect, the comparison between the 10Gbps shielded and unshielded cabling was given. It was pointed that 10Gbps shielded cabling was better fit for the data center cabling. At the same time, the performance advantage of 10Gbps shielded cabling system was briefly set forth.

       Key words: data center, shielded cabling, crosstalk, earthing

 

       数据中心是由一个高速度，高需求的网络通信系统组成，能够处理SAN（储存区域网络），NAS（网络附加存储），文件/应用/网络服务器群，和位于受控环境中的其他组成部分间的通讯。对环境的控制涉及湿度、水、电力、温度、消防，当然还有人员出入。数据中心的输入输出由多种不同配置方式的WAN，CAN/MAN和LAN链路提供，这些配置取决于中心的具体需要。一个正常运行的数据中心将提供除去计划维护所需的停机时间以外每年365天，每周7天，每天24小时的可用性、可访问性、可扩展性和可靠性。而这些服务都建立在一套高效安全的布线系统之上。数据中心布线一般具备准确率高，抗干扰能力强，误码率小，安全性好、易于管理等特点。

      

       为了面向未来的网络应用，数据中心内部的网络传输速率需求增长迅速。随着10GBASE-T标准的正式颁布，万兆铜缆成为数据中心的热门首选。而处理芯片技术的发展也使服务器设备变得更小更强大，相当于同样的安装环境里可以容纳更多的设备，需要更高的线缆密度。从而也对高密度环境下如何控制线路间的干扰提出了新的挑战。

 

       万兆应用除了原来六类标准定义的一些性能参数外，还多了一个非常关键的性能参数，即线间串扰，也称外部串扰ANEXT。而且该指标不能通过增加设备的信号处理器等技术来消除，必须在物理层的布线系统上解决。数据中心万兆应用中采用6A屏蔽布线的理由是：

 

       最大的10G性能裕量

       由于绝大多数用户不会在5年内就升级他们的网络基础设施，所以要支持10GBASE-T 应用，正确的选择是采用6A类或者更高级别的布线技术设施。高品质布线提供的性能裕量可以经得起移动、增加、更改等的正常磨损，也可以保证在系统整个生命周期内支持新的应用的升级。由于10GBASE-T 应用对线间串扰（即ANEXT外部串扰）非常敏感，而一些不良的安装和网络维护会使ANEXT加剧，因此拥有足够的ANEXT裕量对未来5年的无故障运行是很有必要的。万兆屏蔽的屏蔽层与身俱来的特点解决了相邻线缆间的外来串扰影响，其优异的外部串扰性能，使得用户无需进行该指标的现场测试。美国西蒙的10G 6A F/UTP 布线系统能够保证提供比568-B.2-10 6A类和11801 EA级规定的综合ANEXT至少10 dB以上的性能裕量。

 

       稳健强壮的安装

       即使使用很有技能的安装队，要维护好所有的线缆拉力、弯曲半径、管道填充率，并使线缆在安装过程中免受挤压或打结，也是非常富有挑战性的。在初始安装完成后，不合规范的移动、增加、更改等操作，比如为了容纳增长而超越最大的管道填充率，在重新管理路由时使跳线打结，在移除废弃线缆时损伤了邻近信道，管道底端的线缆受到挤压等都会引起传输性能降低。不像 F/UTP 系统，当6A类 UTP 系统遭受到不良安装和不规范的移动、增加和更改后很容易引起外来串扰（ANEXT）性能的降低。而且，由于6A类 UTP 系统不能保证ANEXT性能，所以需要进行极其复杂的现场ANEXT测试认证。这个ANEXT测试非常耗时，每个24端口配线架需要增加3.5－4个小时。由于外部串扰需要考虑6包1的测试环境。在实际布线工程中，要求对每条非屏蔽链路都进行100％外部串扰测试是不切实际的。在大多数情况下，测试所有可能的线对组合的外部串扰从经济角度讲并不可行或者难以承受。即使是抽样测试，也需要大量的人力和时间投入，这对用户来说难以得到足够的保障。（对UTP 和 F/UTP来说，虽然不良的安装也会引起除ANEXT之外其他性能指标的下降，但是这些指标可以很容易通过现场测试得到识别认证）。美国西蒙的 10G 6A F/UTP具有良好的屏蔽特性，使得外部串扰ANEXT被消除，从而无需进行现场测试，另外由于没有UTP系统严格的安装限制，使得F/UTP系统的移动、增加、更改更加人性化，因此能节约珍贵的安装和纠错的时间。

 

       在基础设施升级时通过共享管道节省成本

       把6A类 UTP线缆与其他类别的 UTP 线缆捆绑在一起，将导致外部串扰，并影响到6A类 UTP线缆上的 10GBASE-T 应用。因此，绝大多数厂家不允许用户把6A类 UTP线缆与其他类别的 UTP 线缆绑在一起，或者共享一个管道。另外，根据TSB-155规范，在短距离范围内支持10GBASE-T的6类线缆也不可以与6A类UTP线缆混用一个管道。这些严格的安装限制使得6A类UTP线缆缺少吸引力。美国西蒙的10G 6A F/UTP 线缆可以与任何其他类别的线缆（语音的，楼宇自控的等）绑在一起或者共享管道，所以有更好的成本效益。

 

       使密度最大

       从目前市场上发布的万兆非屏蔽来看，为了达到ANEXT的指标，一般通过增加线缆外径来加大线缆之间的实际距离来实现，但过粗的外径使得万兆非屏蔽需要更多更大的管槽，同时需要更大的弯曲半径，受限制的线缆绑扎等。而6A F/UTP万兆屏蔽系统则没有这些捆绑或共享的安装限制，其比万兆非屏蔽更细的线缆外径可以提高管槽的容积利用率，降低对弯曲半径的要求，使得管道中的线缆数量和配线架端口数量都可最大化（切记：除了外部串扰性能外，决定配线架端口最大数量的还有垂直配线管理器中能容纳的最大的跳线数量）。高于非屏蔽20dB的ANEXT性能余量不仅提高了线路和端口的使用密度，同时保证了信号传输的稳定高效。美国西蒙的10G 6A F/UTP布线系统 能够在老楼改造的设计中避免更换已有的管道，并在全新的设计中使用更小的管道和更少的机架空间，从而节省费用。

 

       出色的 EMC性能

       电磁兼容性 (EMC) 描写了系统免受外界干扰（免疫）和可能对外界产生干扰（辐射）的程度，是能否与其他电子/电气设备共存的一个重要指标。

 

       通常认为,屏蔽层是很长的金属,所以可以看作是天线。因此有人担心的是屏蔽层会吸收环境中的信号或双绞线上的辐射信号。事实上，在某种程度上看，屏蔽层以及在UTP线缆上的铜平衡双绞线都可作为天线。不同的是,从简易环形天线上表现出的结果来看,在同样环境下，耦合在屏蔽层上的噪声强度要比非屏蔽双绞线小100到1000倍.这是由于内部良好的设计以及屏蔽装置能将共模阻抗接地。以下是对两种不同类型的信号干扰的分析，它们可以作用于平衡双绞线布线的抗噪声干扰性能：低于30MHz及高于30MHz。

 

       在频率低于30 MHz的情况下，环境中的噪声电流可以穿透屏蔽层，作用于双绞线。然而，简化的环形天线显示，这些信号的强度是比较小的（大部分衰减是由于铝箔的吸收损失），即同样环境下，非屏蔽双绞线受到的电场强度更高。

 

       庆幸的是，线缆本身的平衡性能足以达到30MHZ，以确保无论是否整体屏蔽，都能从干扰源得到最小的感应。因为趋肤作用，以及内部绞对结构是完全抗干扰的，在频率超过30MHz时，环境噪声电流无法穿透屏蔽层。但对于UTP系统，在频率较高时，平衡性能已不足以确保足够的抗噪性能。这会对布线系统中DSP技术要求的信噪比水平的保持产生负面影响。

 

 图 1

 

       线缆成为天线的可能性可以通过实验验证，安排两个平衡线缆线路，将一个信号输入线缆，对传输天线的扫频范围进行仿真，并测量相邻线缆的干扰。作为一个经验法则：噪声源频率越高，干扰的电势也就越高。如图1所示，两个UTP线缆之间的耦合（用黑色表示）比两个正确接地的F/UTP线缆（用兰色表示）要差最少40分贝。应当指出，40分贝的幅度相当于100倍的电压耦合，从而确定了模拟预测结果。显然，UTP线缆的辐射和接收（作为天线）比F/UTP 线缆大得多！

 

  

 图 2

 

       第二个误区是关于屏蔽层中的共模信号只能通过一个低阻抗接地路径耗散的错误观念。有人担心一个不接地的屏蔽装置将辐射信号，这些信号在屏蔽层中“前后反射”和“增大”。事实是，即使没有接地，一个屏蔽装置还将使高频率的信号大幅衰减，这是因为由电阻、分布式并联电容和电感组成的低通滤波器。双绞线线缆两端不接地的结果，也可以用以前的实验方法验证。如图2所示，两个UTP线缆之间的耦合（用黑色表示）比两个未接地的F/UTP线缆（用兰色表示）要差最少20分贝。应当指出的是，20分贝的幅度相当于10倍的电压耦合。即使是在最恶劣的情况下，无接地条件，UTP线缆也比F/UTP起到有更强天线作用。

 

       模拟与实验结果表明。屏蔽系统甚至是不当接地，相比于非屏蔽系统，针对30MHz以上的抗噪性能也有很大改善。

 

       当然，完善的接地系统是屏蔽系统的基本要求，相关的布线标准都要求对屏蔽系统实施可靠的接地以确保其优异的EMI特性。美国西蒙的10G 6A F/UTP 布线系统有很强的EMC性能。其屏蔽层对噪声的免疫性能够免受高频传输和无线设备的干扰，可以为高速率信号传输提供更好的保证，更能胜任噪音环境下的无故障运行，是制造业、工业，和其他有干扰环境的理想传输媒介。另外屏蔽系统可以排除外界辐射，从而提高信号的安全性。

 

       更好地支持 PoE/PoE Plus应用——更好的散热和节能

       由于数据中心的高密度，还需要考虑非常重要的散热和节能。万兆屏蔽系统拥有更好的散热功能。根据最近来自TIA和ISO/IEC标准委员会的理论和实验数据显示：在同样的直流电穿过线对时（比如PoE/PoE Plus应用），UTP非屏蔽系统会比F/UTP屏蔽系统升高两倍的温度。原因是因为金属的屏蔽层的导电性和散热能力比起护套材料高很多。而且当温度升高时，屏蔽系统表现出比非屏蔽系统更小的插入损耗增加。另外，万兆屏蔽更细的外径也使得线缆占用空间大大减小，增强了空气的流通性，利于数据中心的散热和节能。美国西蒙的 10G 6A F/UTP 布线系统是支持未来PoE Plus应用的理想媒介，确保最佳的散热效能。

 

       不断增长的屏蔽市场份额

       屏蔽布线系统的使用得到 TIA，ISO 和其他标准委员会的赏识已经多年，而且在世界上绝大多数市场，6A F/UTP布线的增长速度已远超 6A UTP布线。事实上，根据 BSRIA 的报告，“在所有的计划选择10G铜揽链路的用户中，有75%都计划采用屏蔽的布线解决方案。” 美国西蒙的10G 6A F/UTP 布线系统是外径更小，性能更高的支持10Gb/s的布线解决方案。

 

       结论

       美国西蒙的10G 6A F/UTP 屏蔽布线系统具有最大的线槽填充率，线缆外皮不易受挤压变形，而且具有外来串扰接近零、支持高密度安装的特点，支持10G Base-T应用，适用于数据中心应用环境。其端接和接地工艺快速、简单，线缆可以堆叠，跳线可以集束，对于线缆捆绑固定没有严格限制。市场方面具有很强的竞争优势，能够保证投资回报最大化，是 10GBASE-T用户的最佳选择。