400G DAC 电缆指南：深入解析类型、原理、比较与选型

400G DAC 电缆全面指南：类型、原理、与 AOC 比较及选型建议

一、引言

随着数据中心规模和网络带宽需求不断攀升，400Gbps 互连已成为主流方向。对于短距离、高带宽、低延迟场景，400G Direct Attach Copper（DAC）电缆以其超低时延、低功耗和成本优势，广泛用于机架内及相邻机架的交换机、服务器、存储等设备互连。本文面向网络工程师，详尽讲解 400G DAC 电缆的定义与类型、结构与工作原理、关键性能、与 AOC（Active Optical Cable）比较、典型部署场景及选型要点，帮助在设计和运维中快速做出最优决策。

二、什么是 400G DAC 电缆？

1. 定义

400G DAC 电缆是一种集成两端 400GbE 接口（如 QSFP-DD、OSFP）的双轴铜缆，直接插入设备端口实现 400Gbps 链路，无需单独光学模块。
适合机架内或毗邻机架的短距离高带宽链路，例如交换机上行/汇聚、服务器到存储节点、HPC 节点互联、金融低延迟链路等。

2. 主要类型

分类	说明
被动 DAC	仅含高品质双绞铜导体与屏蔽层，无信号调理电路。优点：成本低、几乎无功耗；缺点：传输距离一般 ≤3 米。
主动 DAC	在两端或线缆内集成信号均衡、预加重、放大或电光转换等电路。可延长至约 5–10 米，需额外供电，成本和功耗均上升。
QSFP-DD/OSFP	常见 400G 接口形态。设备需支持相应模块规格，选择与硬件兼容的接口类型。
Breakout	一端为 400G 接口，另一端分出多组低速接口（如 4×100G、8×50G 等），便于与旧设备或多链路并行连接。

三、结构与工作原理

1. 物理构造

屏蔽双轴铜对（Shielded Twinax）：通常包含 8 对差分通道，每对负责 50Gbps PAM4 信号传输，两根铜线绞合并包裹金属屏蔽层，以抑制串扰与电磁干扰。
接口模块外壳：形似光模块外壳，内部直接连接铜线。主动 DAC 模块内集成均衡或电光转换芯片；被动 DAC 则仅靠设备端 PHY 驱动信号。

2. 信号传输

PAM4 调制：为实现单通道 50Gbps，采用 4 电平脉幅调制，倍增比特密度，但对信号完整性和信噪比要求更高。
阻抗与损耗控制：全链路保持约 100Ω 差分阻抗，使用高纯度铜材、精确绞合和多层屏蔽，降低插损、串扰与反射。被动 DAC 在 ≤3 米范围内可满足 BER 要求；超距需主动均衡或电光转换。
功耗和散热：
- 被动 DAC：本身无活动电子电路，功耗可忽略，仅来自设备 PHY 驱动。
- 主动 DAC：须供电支持信号调理或光电转换，功耗数瓦，应在机柜功耗预算与散热设计中考虑。

3. 标准与兼容性

IEEE 规范：符合 IEEE 802.3bs/802.3cd 等 400GbE 电气规范，保证链路速率与电性能达标。
MSA（Multi-Source Agreement）：QSFP-DD/OSFP DAC 产品遵循尺寸、引脚定义、信号特性等多源协议，实现跨厂商互通。
测试与认证：厂商对插损、回损、串扰、耐插拔次数等指标做实验室测试；设备厂商通过兼容性测试，验证与特定交换机/网卡在高负载和冗余协议条件下的链路稳定性和 BER 水平（通常 ≤1e-15）。

四、关键性能与特征

特性	说明
带宽	400Gbps 聚合带宽（8×50Gbps PAM4），满足大规模南北向、东西向流量需求。
时延	极低时延，铜缆传输约 4–5ns/米，无光电转换开销，适合对延迟敏感的场景（如金融 HFT、实时分析）。
功耗	被动 DAC 几乎无额外功耗（<0.2W）；主动 DAC 需几瓦；相比光缆或离散光模块更节能（特别是被动方案）。
成本	单价低于光学方案；大规模部署时可显著降低 CAPEX 和 OPEX。
物理尺寸与重量	铜缆较粗较重，但接口兼容光模块端口。大批量布线时需注意最小弯曲半径和理线支撑。
可靠性	高质量 DAC 支持多次插拔，铜缆在短距离内部署环境下机械强度高；但避免过度弯折和屏蔽层受损。
EMI 免疫	虽有屏蔽，但铜本质仍有 EMI 风险；在短距离和良好屏蔽下通常足够。对高 EMI 环境可考虑 AOC。
适用距离	被动 DAC 约 1–3 米（理想环境可达 5–7 米，但建议不超规范）；主动 DAC 可达 ~5–10 米；超过需 AOC 或离散光纤方案。

五、与 400G AOC 的对比

参数	400G DAC	400G AOC
传输介质	铜缆（双轴）；被动无光学、主动含信号调理电路	光纤；两端含激光、光电转换及驱动电路
可达距离	被动：≤3米；主动：≈5–10米	多模光纤可达几十米（例如70–100米）；更远需离散光模块+光纤
时延	极低：仅铜缆传播延迟（≈4–5ns/米），无光电转换开销	较高：含电光/光电转换和光纤传播，较 DAC 多几纳秒至数十纳秒
功耗	被动：接近0；主动：数瓦	一般数瓦至更高，依赖激光器和光模块设计
成本	单价低、总体拥有成本低	光学组件和组装成本高；运维时需光纤端面清洁
物理特性	较粗较重，柔韧性低于光纤；接口形式兼容光模块端口	纤细轻便，最小弯曲半径小；布线更灵活，但需避免过度弯折及保持端面清洁
EMI 免疫	屏蔽较好但铜缆易受 EMI 影响；短距离良好屏蔽通常足够	光纤为介电材料，本质不受 EMI 干扰；适合 EMI 严苛环境
机械强度	抗拉扯、耐插拔性好；但需避免剧烈弯折或屏蔽损伤	纤维更脆弱，需谨慎处理，避免折损和端面污染
适用场景	机架内或相邻机架超短距离高带宽、低延迟场景	中短距离（几十米）需求轻便布线或高 EMI 抗扰场景；超长距需离散光学方案

建议：若设备距离在机架或邻机架范围内，且以最低延迟、最低功耗和最低成本为目标，优先选用 400G DAC；若需稍长距离、轻量化布线或对 EMI 抗扰更高要求，则选 400G AOC 或离散光模块加光纤方案。

六、典型部署场景与选型建议

1. 典型部署场景

场景	说明
机架内互连	ToR 交换机到服务器/存储节点，同一机架内高带宽互连（<3米）。
相邻机架互连	邻近机架之间直接连接；若距离略超被动 DAC 范围，可用主动 DAC 或 AOC。
高性能计算集群 (HPC)	计算节点或 I/O 节点间低延迟、高带宽链路，常在同机架或相邻机架内部署。
金融交易环境	机架或同机房内超低延迟链路，采用被动 DAC 以最大程度减少传播时延。
混合速率互连 (Breakout)	升级过程中，一端为 400G，另一端分为 4×100G、8×50G 等，与旧设备混合互联。
边缘或小型机房	空间受限但需高带宽；被动/主动 DAC 降低成本、简化维护，相比光纤更易部署。

2. 选型建议

考虑要素	建议
设备间距离	≤3m：优选被动 DAC；5–10m：评估主动 DAC（注成本、功耗）；>10m：选 AOC 或离散光方案。
接口类型	根据交换机/网卡支持，选用 QSFP-DD、OSFP 等兼容规格。
功耗与散热	被动 DAC 几乎无耗；主动 DAC/AOC 需预算数瓦功耗，注意机柜电源和散热能力。
布线与理线	提前规划路径，遵守最小弯曲半径；大量并行时使用理线架或支架，保证通风和后期维护方便。
EMI 环境	若环境 EMI 严重，优先 AOC；若短距离屏蔽良好，DAC 通常足够。
成本	被动 DAC 单价低、大规模部署时优势明显；综合考虑兼容性、功耗、维护等因素评估 TCO。
可靠性与维护	选择正规厂商产品，关注耐插拔次数；DAC 维护少，避免弯折损伤；AOC/光纤需定期清洁端面、检查纤维状况。
测试验证	部署前后均需测试：链路状态、吞吐与时延（ping、iperf）、BER、眼图/jitter 等；多厂商环境下做互通测试。
未来可扩展	规划可能调整机架布局带来的距离变化；若需 breakout 功能，提前选支持所需拆分形式的 DAC。
运营管理	建立性能监控和日志记录，包括错误计数、温度/功耗（对主动元件）；保持测试与更换记录，用于容量规划和故障趋势分析。

七、安装、测试与运维

1. 安装流程

检查与准备：确认线缆及接口无可见损伤；若设备支持热插拔，可在线插拔，否则在关机环境下操作。
插入连接：将 DAC 插头与设备端口对准，垂直插入至卡扣到位，无需额外工具。
理线固定：使用理线架、扎带等固定电缆，避免折曲超出最小弯曲半径；保持良好机柜通风。
上电与链路检测：上电后查看交换机/服务器端口状态，确认链路协商为 400GbE 并能正常传输流量。

2. 链路测试

基本连通性：使用 ping、iperf 等工具测量吞吐与时延，确认链路性能。
信号完整性：若有测试设备或设备自带诊断，可测 BER、眼图、抖动等，确保符合规范。
互通验证：在多厂商环境下测试不同品牌 DAC 与交换机/网卡组合，验证在高负载、冗余协议（如 LACP、MLAG）下链路稳定性。

3. 故障排查与维护

常见问题
- 物理连接松动或屏蔽层损伤：检查并重新插拔。
- 超出距离或电气不符：确认实际距离及线缆规格，必要时更换主动 DAC 或 AOC。
- 端口配置错误：检查交换机/网卡速率、FEC、聚合等设置。
排查流程
1. 查看端口指示灯、设备日志或告警；
2. 物理检查电缆弯折、受压或屏蔽损伤；
3. 监测交换机/网卡错误计数（CRC 错误、丢包等）；
4. 在已知正常端口或设备测试同根线缆，以排除端口问题；
5. 如需深入，使用示波器或信号分析仪测量眼图、抖动；
6. 最后更换线缆或模块，确认故障是否随线缆迁移。
日常维护
- 被动 DAC：关注插拔状态，避免过度弯折；无需频繁维护；
- 主动 DAC/AOC：监控功耗和温度，若厂商提供固件升级，可定期更新；
- 定期检查链路性能指标，记录测试结果与更换记录，便于容量规划与故障分析。

八、结论

400G DAC 电缆在短距离高带宽场景中具备显著优势：极低延迟、低功耗、成本效益和简单部署。网络工程师在设计数据中心互连或高性能网络时，应优先考虑被动 DAC；如距离略超规范，可选主动 DAC；如需更长距离或更轻便布线、或对 EMI 免疫要求更高，则应转向 AOC 或离散光模块+光纤方案。

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DAC