FPGA實現(xiàn)100G光傳送網(wǎng)的設計

引言

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

網(wǎng)絡最重要的兩方面是速度和可靠性。網(wǎng)絡必須一直保持暢通，必須很快。然而，網(wǎng)絡載荷一直在急速增長。數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡承載的一小部分業(yè)務。語音和多媒體現(xiàn)在是網(wǎng)絡承載的主要業(yè)務。

如圖1所示，從2007年到2012年，IP總流量將增加6倍，幾乎每兩年就翻倍。2012年之前，流量每年增長522exabytes(1018，即zettabyte的一半)。這種指數(shù)增長的主要推動力量是高清晰視頻和高速寬帶消費類應用。

圖1 總流量帶寬增長

滿足寬帶需求

最終用戶不希望他們的網(wǎng)絡服務出現(xiàn)任何中斷。他們希望視頻會議有流暢的畫面和聲音，就像電視和電話一樣。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，是下一代以太網(wǎng)標準，也是滿足速度和可靠性要求的唯一標準。在出現(xiàn)新技術之前，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，以滿足未來的需求。

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

100GOTN(OTU4)簡介

根據(jù)定義，由光傳送設備承載的100G傳送數(shù)據(jù)包能夠迅速完成任何類型100G數(shù)據(jù)的傳輸，其封裝格式是OTN或者以太網(wǎng)。總流量分布在城域、局域以及長途密集波分復用(DWDM)網(wǎng)絡上。目前ITU組織研究的重點是利用現(xiàn)有100G以太網(wǎng)規(guī)范，IEEE802.3ba，在現(xiàn)有40G和10G基礎設備上實現(xiàn)100GOTN。這能夠滿足越來越高的帶寬需求，降低系統(tǒng)復雜度，減少了用于管理的波長，提高了頻譜總效率，最終降低了成本。根據(jù)定義，目前實現(xiàn)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，尋找以低成本實現(xiàn)高性能快速鏈接的方法。

OTN含有的網(wǎng)絡功能和協(xié)議要求能夠滿足這些需求，以系統(tǒng)方式在光介質(zhì)上傳輸信息。本文重點介紹通過光纖承載傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)載荷。建立同步數(shù)字體系(SDH)等OTN機制也在這一定義范圍之內(nèi)，但是我們主要關注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(guī)劃的目的，所有OTN新功能以及相關技術都被認為是電信標準局(ITU-T標準)的工作范疇。

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

圖2 OTN層和網(wǎng)絡組成

OTN一個獨特的特性是它支持任何數(shù)字信號的傳輸，與具體客戶業(yè)務無關(即，客戶業(yè)務無關性)。根據(jù)G.805建議對通用功能模型的描述，OTN邊界位于光通道/客戶側適配層之間，包括具體服務處理，不包括具體客戶處理，如圖3所示。

圖3 客戶側匯集的各種協(xié)議使得OTN成為高性價比通用基本結構

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

表1 OTN數(shù)據(jù)速率

傳送網(wǎng)承載以太網(wǎng)幀

目前，以太網(wǎng)是專網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)絡的主要LAN技術，公共傳送網(wǎng)也支持新出現(xiàn)的多協(xié)議/多業(yè)務以太網(wǎng)。從IEEE802的一系列標準來看，ITU-T和其他組織還在討論公共以太網(wǎng)業(yè)務和幀傳送標準及其實施協(xié)議。以太網(wǎng)的主要構成是業(yè)務層、網(wǎng)絡層和物理層。

業(yè)務層

公共以太網(wǎng)業(yè)務層(對于業(yè)務供應商)包括不同的業(yè)務市場，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型定義了公共以太網(wǎng)業(yè)務。

根據(jù)所支持的三類業(yè)務，對拓撲選擇進行了分類，即線路業(yè)務、LAN業(yè)務和接入業(yè)務。線路業(yè)務本質(zhì)上是點對點的，包括以太網(wǎng)專用和虛擬線路等業(yè)務。LAN業(yè)務本質(zhì)上是多點對多點，包括虛擬LAN業(yè)務。接入業(yè)務本質(zhì)上是分散式結構，支持一個ISP/ASP為多個客戶提供服務。(從公共網(wǎng)絡角度看，由于其相似性，線路和接入業(yè)務本來就是一樣的)。

業(yè)務層提供不同的服務質(zhì)量。SDH等電路交換技術提供有保證的比特率，而MPLS等包交換技術提供各種服務質(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。

網(wǎng)絡層

以太網(wǎng)網(wǎng)絡層支持以太網(wǎng)業(yè)務端之間以太網(wǎng)MAC幀的端到端傳輸，由MAC地址區(qū)分業(yè)務端具體業(yè)務。以太網(wǎng)MAC層業(yè)務能夠以線路、LAN和接入業(yè)務的形式，通過SDHVC和OTNODU等電路交換技術，或者MPLS和RPR等包交換技術來實現(xiàn)。對于以太網(wǎng)LAN業(yè)務，可以在公共傳送網(wǎng)內(nèi)部實現(xiàn)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)務不限于IEEE標準定義的物理數(shù)據(jù)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。

物理層

IEEE為以太網(wǎng)定義了一組明確的物理層數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，使用透明GFP映射技術，將10GbEWAN等信號通過OTN傳送，或者將1GbE信號通過SDH傳送。以太網(wǎng)物理層業(yè)務是點對點的，總是采用標準數(shù)據(jù)速率。與以太網(wǎng)MAC層業(yè)務相比，它不夠靈活，但是延時很低。

采用運營商級以太網(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(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)(MAN)中。以太網(wǎng)在多方面進行了改進，包括更高的比特率和長距離接口、基于以太網(wǎng)的接入網(wǎng)、虛擬網(wǎng)絡、更新能力、骨干網(wǎng)供應商橋接、可靠的保護技術、QoS流量控制和流量調(diào)理等，因此，它能夠作為網(wǎng)絡運營商的承載網(wǎng)。此外，以太網(wǎng)很容易實現(xiàn)多點對多點鏈接，在現(xiàn)有點對點傳送技術下，需要n×(n-1)/2路鏈接。

如圖4所示，運營商級以太網(wǎng)將以太網(wǎng)從LAN擴展到WAN，嘗試進入整個通信支撐系統(tǒng)中。其目的是為用戶提供WAN技術將站點鏈接起來，其方式與運營商以前采用的ATM、幀中繼和X.25技術相似。運營商級以太網(wǎng)不是LAN采用的以太網(wǎng)，例如，客戶在桌面以及服務器房間中使用的以太網(wǎng)。

圖4 運營商級以太網(wǎng)多協(xié)議標簽

不久前剛開始從以太網(wǎng)向運營商級以太網(wǎng)傳送技術的過渡。目前為止，ITU-T提供了構建基于以太網(wǎng)業(yè)務的運營商網(wǎng)絡系統(tǒng)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(tǒng)的承載技術來進行傳送。