网线带宽在数据中心万兆铜缆布线中的标准要求

万兆以太网在数据中心的服务器接入层使用得相当普遍，10GBASE-T让万兆速率可以沿用RJ45接口和双绞线缆，线缆的敷设方式、接口形式与千兆网络基本相同，便于升级。不过万兆速率对线缆的高频性能提出了明确的要求，网线的带宽、串扰和传输损耗等参数，都需要满足标准的规定。下面从万兆以太网对带宽的需求、相关标准的规定、信道参数、布线设计与验收几个方面做一个梳理。

一、万兆以太网对铜缆带宽的基本要求

IEEE 802.3an定义了10GBASE-T，在四对双绞线上同时进行双向传输，每对线承担2.5Gbps左右的数据量。每个线对的符号速率是800Mbaud，调制方式为PAM-16，信号的主要能量集中在400MHz以内。为了分析各项参数，标准把测试频率延伸到了500MHz，也就是说，线缆要在500MHz的范围内保持稳定的传输性能。

作为对比，1000BASE-T的符号速率是125Mbaud，信号带宽在100MHz以内，Cat5e线缆的100MHz带宽就足够了。万兆速率把对带宽的需求提高到了五倍，这是Cat6A线缆在万兆应用中成为主流选择的原因。线缆带宽越宽，高频端的衰减和串扰控制越严格，线缆结构、绞距和导体的一致性也都有了更高的要求。

另外，万兆传输采用了较为复杂的信号处理技术，接收端依靠回波消除、串扰消除和均衡，把信号从噪声里还原出来。链路参数越优异，信号处理需要付出的代价就越低，系统的余量也越多。

二、Cat6A与相关标准对带宽的规定

ANSI/TIA-568.2-D把Cat6A定义为500MHz带宽的线缆，ISO/IEC 11801对应的是EA级，同样是500MHz。Cat6的带宽是250MHz，在万兆应用中使用受到限制，通常在37m到55m以内，具体长度要根据外部串扰的情况评估。TSB-155-A对Cat6线缆在万兆应用中的使用，给出了详细的指导。Cat7属于ISO/IEC体系里的F级，带宽600MHz，Cat7A是FA级，带宽1000MHz，更高的Cat8则达到2000MHz。

数据中心布线标准ANSI/TIA-942和ISO/IEC 11801-5，推荐水平铜缆布线采用Cat6A或更高级别。信道的最大长度是100m，由90m的永久链路和总长不超过10m的跳线构成，信道内最多包含四个连接点。万兆应用里，布线的各个环节，从线缆、插座到跳线，都需要满足Cat6A的指标要求，任何一个环节的性能偏低，都会拉低整个信道的性能。

从插入损耗的数值上也能看出差别，信道在100MHz处的插入损耗，Cat5e为24.0dB，Cat6为21.3dB，Cat6A为20.9dB，等级越高，线缆自身的衰减越小。到了500MHz，Cat6A信道的插入损耗会明显增大，这就需要线缆在导体直径、绝缘材料上都保持较好的一致性。

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三、信道参数与外部串扰要求

评价万兆铜缆信道的参数有很多项，包括插入损耗、近端串扰、功率和近端串扰、等电平远端串扰、回波损耗、传输延迟和延迟偏差等。传输延迟方面，信道的传输延迟不超过555ns，延迟偏差不超过50ns。延迟偏差指四个线对之间到达时间的差异，线对的绞距不同，实际长度也有差异，万兆接收端的处理能力有限，所以标准对它做了上限规定。

外部串扰，指的是相邻线缆之间的串扰，它是万兆应用特有的关注点。万兆信号占用的频谱宽，线缆成束敷设的时候，相邻线缆之间的耦合会成为噪声的一部分，而接收端的信号处理没法消除这一部分噪声。标准里相应地规定了功率和外部近端串扰、功率和外部等电平远端串扰这几项指标，测试频率到500MHz。非屏蔽线缆的外部串扰，可以通过增大线缆外径、加入十字骨架或者使用隔离结构来改善，屏蔽线缆则靠屏蔽层来抑制，外部串扰的余量比较大。

线缆的外径也随着带宽升级而变化，Cat6A非屏蔽线缆的外径一般在7.2mm到9.0mm，比Cat6线缆粗一些，屏蔽结构的Cat6A线缆外径常见在7.5mm到8.5mm。外径变大以后，桥架的容量和弯曲半径也要重新核算，桥架的填充率一般控制在40%到50%以内，给后续扩容留出余量。

四、数据中心布线设计与测试验收

设计阶段，先确认服务器接入层的速率规划，再确定线缆等级。新建的数据中心，水平布线直接选用Cat6A，既满足当下万兆的应用，也为后续升级留出空间。线缆从机柜内的配线架，经桥架，到达服务器机柜，永久链路长度控制在90m以内，跳线的长度也要符合标准，多股导体的跳线，衰减比实心导体高，累计长度不要超过10m。

验收阶段，采用认证级测试仪，按照Cat6A的标准进行测试。仪器的精度等级需要覆盖500MHz，TIA对应的是Level IIIe，IEC对应的是Level 2G。测试项目包括插入损耗、串扰、回波损耗、延迟等，非屏蔽布线还要按TSB-155-A的要求，抽样测试外部串扰，屏蔽布线则关注屏蔽层的连通性。测试数据保存下来，作为竣工资料。

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五、快问快答

Q：10GBASE-T与直连铜缆DAC、光纤相比，在机房里各适用于什么场合？

A：无源DAC适用于机柜内部的短距离连接，SFF-8431规范里无源DAC的长度最大到7m，功耗低，延迟小，成本也低。光纤配合光模块，适合跨机柜、跨机房的较长距离，带宽扩展的空间大。10GBASE-T的优势在于，它使用的是标准的RJ45接口，最长支持100m，布线形式灵活，既可以连接机柜列头的交换机，也可以延伸到较远的服务器，还能与千兆设备自适应兼容。端口功耗和延迟比前两种略高，所以对延迟特别敏感的应用，常选择DAC或光纤，一般服务器接入和管理网络，10GBASE-T使用得比较广泛。

Q：Cat8线缆和25G与40GBASE-T在数据中心里有什么定位？

A：IEEE 802.3bq定义了25GBASE-T和40GBASE-T，采用Cat8线缆，带宽2000MHz，信道的最大长度是30m，最多包含两个连接点。这样的长度，适合机柜顶部的交换机与机柜内服务器之间的连接，或者同一排机柜之间的连接。Cat8线缆通常采用屏蔽结构，接口形式是RJ45，与前面各级线缆保持兼容。需要注意的是，30m的距离限制，布线设计时要按交换机和服务器的相对位置，核算信道的长度，不要沿用100m信道的设计思路。

Q：为什么万兆的测试频率要延伸到500MHz，而信号的符号速率只有800Mbaud？

A：800Mbaud的符号速率，对应的奈奎斯特频率是400MHz，信号的主要能量都在这个范围以内。但实际信号的频谱并没有在400MHz处戛然而止，在400MHz以上还存在边带分量，串扰与回波等噪声的评估，也需要把这部分一并考虑进来。标准把线缆测试的频率定在500MHz，给信号处理留出了裕量，也让线缆的指标与接收端的补偿能力相互匹配。线缆的参数在500MHz内都达标，万兆接收器工作时的信噪比才有保障。

Q：延迟偏差是什么，为什么标准要对它做限制？

A：万兆传输使用四对线同时传输数据，接收端把四个线对的数据重新合并成一个完整的数据流。四个线对的绞距不相同，实际导体长度有差异，信号到达接收端的时间也有先后，这个时间差就是延迟偏差。接收端有一定的缓冲和对齐能力，可是范围有限，标准规定信道的延迟偏差不超过50ns，让这个差值保持在接收器能够处理的范围里。线缆制造时，通过控制各线对的绞距和导体长度，使延迟偏差稳定在较小的数值，水平线缆的永久链路，延迟偏差的限值更小，大约是44ns。

审核编辑 黄宇