FPGA實(shí)現100G光傳送網(wǎng)的設計

引言

目前的網(wǎng)絡(luò )載荷不斷增大，供應商很難實(shí)施并管理他們的高級系統。為適應對帶寬不斷增長(cháng)的需求，光傳送網(wǎng)(OTN)成為下一代骨干網(wǎng)絡(luò )。光纖迅速替代了銅線(xiàn)和其他介質(zhì)，成為最快、最可靠的傳輸介質(zhì)。

網(wǎng)絡(luò )最重要的兩方面是速度和可靠性。網(wǎng)絡(luò )必須一直保持暢通，必須很快。然而，網(wǎng)絡(luò )載荷一直在急速增長(cháng)。數據是網(wǎng)絡(luò )承載的一小部分業(yè)務(wù)。語(yǔ)音和多媒體現在是網(wǎng)絡(luò )承載的主要業(yè)務(wù)。

如圖1所示，從2007年到2012年，IP總流量將增加6倍，幾乎每?jì)赡昃头丁?012年之前，流量每年增長(cháng)522exabytes(1018，即zettabyte的一半)。這種指數增長(cháng)的主要推動(dòng)力量是高清晰視頻和高速寬帶消費類(lèi)應用。

圖1 總流量帶寬增長(cháng)

滿(mǎn)足寬帶需求

最終用戶(hù)不希望他們的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)出現任何中斷。他們希望視頻會(huì )議有流暢的畫(huà)面和聲音，就像電視和電話(huà)一樣。OTN是唯一能夠支持100G以太網(wǎng)(GbE)LANPHY的骨干網(wǎng)傳送層技術(shù)，是下一代以太網(wǎng)標準，也是滿(mǎn)足速度和可靠性要求的唯一標準。在出現新技術(shù)之前，OTN將一直是主流標準，因為它速度最快，效率最高。OTN支持非常高的傳輸速度，而且還能夠靈活的擴容，以滿(mǎn)足未來(lái)的需求。

任何形式的電子通信都包括數據包或者分組數據流、用戶(hù)要發(fā)送的信息、傳輸介質(zhì)，以及承載數據包所使用的傳送方式等。傳送速度越快，數據包到達越快。但是，問(wèn)題出現在發(fā)送端和接收端，數據包到達太快，以至于來(lái)不及轉發(fā)出去。因此，為提高效率，通信企業(yè)采用了OTN。

100GOTN(OTU4)簡(jiǎn)介

根據定義，由光傳送設備承載的100G傳送數據包能夠迅速完成任何類(lèi)型100G數據的傳輸，其封裝格式是OTN或者以太網(wǎng)?？偭髁糠植荚诔怯?、局域以及長(cháng)途密集波分復用(DWDM)網(wǎng)絡(luò )上。目前ITU組織研究的重點(diǎn)是利用現有100G以太網(wǎng)規范，IEEE802.3ba，在現有40G和10G基礎設備上實(shí)現100GOTN。這能夠滿(mǎn)足越來(lái)越高的帶寬需求，降低系統復雜度，減少了用于管理的波長(cháng)，提高了頻譜總效率，最終降低了成本。根據定義，目前實(shí)現的100G以太網(wǎng)覆蓋距離比100G傳送網(wǎng)要短一些，一般為40km。100G以太網(wǎng)和100G傳送網(wǎng)有相似的目標，即，尋找以低成本實(shí)現高性能快速鏈接的方法。

OTN含有的網(wǎng)絡(luò )功能和協(xié)議要求能夠滿(mǎn)足這些需求，以系統方式在光介質(zhì)上傳輸信息。本文重點(diǎn)介紹通過(guò)光纖承載傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)載荷。建立同步數字體系(SDH)等OTN機制也在這一定義范圍之內，但是我們主要關(guān)注LAN到WAN的應用，特別是40GbE和100GbE應用(802.3ba)。出于這一標準化以及工作規劃的目的，所有OTN新功能以及相關(guān)技術(shù)都被認為是電信標準局(ITU-T標準)的工作范疇。

根據G.872建議要求，OTN包括由光纖鏈路連接的光網(wǎng)絡(luò )單元(圖2所示)，能夠提供光通道承載客戶(hù)信號的傳送、復用、路由、管理、控制和生存等功能。

圖2 OTN層和網(wǎng)絡(luò )組成

OTN一個(gè)獨特的特性是它支持任何數字信號的傳輸，與具體客戶(hù)業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)(即，客戶(hù)業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)性)。根據G.805建議對通用功能模型的描述，OTN邊界位于光通道/客戶(hù)側適配層之間，包括具體服務(wù)處理，不包括具體客戶(hù)處理，如圖3所示。

圖3 客戶(hù)側匯集的各種協(xié)議使得OTN成為高性?xún)r(jià)比通用基本結構

在光通道上實(shí)現這一靈活的客戶(hù)應用系統時(shí)，FPGA扮演了重要角色。從OTN實(shí)施的角度看，它匯集各種獨立端口的數據，提供所需要的帶寬。表1所示為當前OTN標準所支持的數據速率。OTU4將增加100G的線(xiàn)路速率。

表1 OTN數據速率

傳送網(wǎng)承載以太網(wǎng)幀

目前，以太網(wǎng)是專(zhuān)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò )的主要LAN技術(shù)，公共傳送網(wǎng)也支持新出現的多協(xié)議/多業(yè)務(wù)以太網(wǎng)。從IEEE802的一系列標準來(lái)看，ITU-T和其他組織還在討論公共以太網(wǎng)業(yè)務(wù)和幀傳送標準及其實(shí)施協(xié)議。以太網(wǎng)的主要構成是業(yè)務(wù)層、網(wǎng)絡(luò )層和物理層。

業(yè)務(wù)層

公共以太網(wǎng)業(yè)務(wù)層(對于業(yè)務(wù)供應商)包括不同的業(yè)務(wù)市場(chǎng)，拓撲選擇以及持有模型等。所采用的持有模型以及使用的拓撲類(lèi)型定義了公共以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。

根據所支持的三類(lèi)業(yè)務(wù)，對拓撲選擇進(jìn)行了分類(lèi)，即線(xiàn)路業(yè)務(wù)、LAN業(yè)務(wù)和接入業(yè)務(wù)。線(xiàn)路業(yè)務(wù)本質(zhì)上是點(diǎn)對點(diǎn)的，包括以太網(wǎng)專(zhuān)用和虛擬線(xiàn)路等業(yè)務(wù)。LAN業(yè)務(wù)本質(zhì)上是多點(diǎn)對多點(diǎn)，包括虛擬LAN業(yè)務(wù)。接入業(yè)務(wù)本質(zhì)上是分散式結構，支持一個(gè)ISP/ASP為多個(gè)客戶(hù)提供服務(wù)。(從公共網(wǎng)絡(luò )角度看，由于其相似性，線(xiàn)路和接入業(yè)務(wù)本來(lái)就是一樣的)。

業(yè)務(wù)層提供不同的服務(wù)質(zhì)量。SDH等電路交換技術(shù)提供有保證的比特率，而MPLS等包交換技術(shù)提供各種服務(wù)質(zhì)量，從盡力而為到有保證的比特率?？梢栽谝蕴W(wǎng)MAC層以及以太網(wǎng)物理層提供以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。

網(wǎng)絡(luò )層

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )層支持以太網(wǎng)業(yè)務(wù)端之間以太網(wǎng)MAC幀的端到端傳輸，由MAC地址區分業(yè)務(wù)端具體業(yè)務(wù)。以太網(wǎng)MAC層業(yè)務(wù)能夠以線(xiàn)路、LAN和接入業(yè)務(wù)的形式，通過(guò)SDHVC和OTNODU等電路交換技術(shù)，或者M(jìn)PLS和RPR等包交換技術(shù)來(lái)實(shí)現。對于以太網(wǎng)LAN業(yè)務(wù)，可以在公共傳送網(wǎng)內部實(shí)現以太網(wǎng)MAC橋接，將MAC幀轉發(fā)到正確的目的地址。以太網(wǎng)MAC業(yè)務(wù)不限于IEEE標準定義的物理數據速率(例如，10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps、100Gbps)，因此，能夠以任意比特率提供以太網(wǎng)MAC業(yè)務(wù)。

物理層

IEEE為以太網(wǎng)定義了一組明確的物理層數據速率，并提供一組接口選擇(電或者光)。以太網(wǎng)物理層在公共傳送網(wǎng)上透明傳輸數據，使用透明GFP映射技術(shù)，將10GbEWAN等信號通過(guò)OTN傳送，或者將1GbE信號通過(guò)SDH傳送。以太網(wǎng)物理層業(yè)務(wù)是點(diǎn)對點(diǎn)的，總是采用標準數據速率。與以太網(wǎng)MAC層業(yè)務(wù)相比，它不夠靈活，但是延時(shí)很低。

采用運營(yíng)商級以太網(wǎng)標準支持OTN

以太網(wǎng)最初雖然是設計用在LAN環(huán)境中，但現在已經(jīng)廣泛應用在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)(MAN)中。以太網(wǎng)在多方面進(jìn)行了改進(jìn)，包括更高的比特率和長(cháng)距離接口、基于以太網(wǎng)的接入網(wǎng)、虛擬網(wǎng)絡(luò )、更新能力、骨干網(wǎng)供應商橋接、可靠的保護技術(shù)、QoS流量控制和流量調理等，因此，它能夠作為網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的承載網(wǎng)。此外，以太網(wǎng)很容易實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)鏈接，在現有點(diǎn)對點(diǎn)傳送技術(shù)下，需要n×(n-1)/2路鏈接。

如圖4所示，運營(yíng)商級以太網(wǎng)將以太網(wǎng)從LAN擴展到WAN，嘗試進(jìn)入整個(gè)通信支撐系統中。其目的是為用戶(hù)提供WAN技術(shù)將站點(diǎn)鏈接起來(lái)，其方式與運營(yíng)商以前采用的ATM、幀中繼和X.25技術(shù)相似。運營(yíng)商級以太網(wǎng)不是LAN采用的以太網(wǎng)，例如，客戶(hù)在桌面以及服務(wù)器房間中使用的以太網(wǎng)。

圖4 運營(yíng)商級以太網(wǎng)多協(xié)議標簽

不久前剛開(kāi)始從以太網(wǎng)向運營(yíng)商級以太網(wǎng)傳送技術(shù)的過(guò)渡。目前為止，ITU-T提供了構建基于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )系統選擇。ITU-T建議由傳送承載以太網(wǎng)(EoT)，采用PDH、SDH或者OTN等傳統的承載技術(shù)來(lái)進(jìn)行傳送。