FPGA實(shí)現(xiàn)100G光傳送網(wǎng)的設(shè)計(jì)

IEEE802.3ba是正在為40Gbps和100Gbps開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段的目標(biāo)是：

■只支持全雙工工作
■保留使用802.3MAC標(biāo)準(zhǔn)的802.3/以太網(wǎng)幀格式
■保留當(dāng)前802.3標(biāo)準(zhǔn)的最小和最大幀長度
■MAC/PLS業(yè)務(wù)接口支持優(yōu)于10-12的BER
■為OTN提供相應(yīng)的支持
■支持40Gbps的MAC數(shù)據(jù)速率
■提供支持40-Gbps工作的物理層規(guī)范，包括：
●在SMF上大于10km
●在OM3MMF上大于100m
●在銅纜上大于10m
●在背板上大于1m
■支持100Gbps的MAC數(shù)據(jù)速率
■提供支持100-Gbps工作的物理層規(guī)范，包括：
●在SMF上大于40km
●在SMF上大于10km
●在OM3MMF上大于100m
●在銅纜上大于10m

如圖5所示，該工程要在2010年中完成。業(yè)界對(duì)于100G的實(shí)施工作主要集中在傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)上。傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在100Gbps速率等級(jí)上達(dá)成一致，這一過程從10G就開始了。

圖5 以太網(wǎng)和光傳送網(wǎng)從10Gbps就開始了融合

StratixIVFPGA為100GbEOTN設(shè)計(jì)鋪平了道路

目前的業(yè)界發(fā)展趨勢是使用WDM承載以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳送，通過IP/MPLS/以太網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)。Altera40-nmStratix®IVFPGA系列的定位非常適合滿足100G以太網(wǎng)和傳送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能和系統(tǒng)帶寬要求。StratixIVGTFPGA密度非常高，集成了在單片器件中實(shí)現(xiàn)100GbE/光纖通道/RPRMAC功能使用的11.3-Gbps收發(fā)器，以及OTN數(shù)據(jù)包前向糾錯(cuò)(FEC)、映射和成幀等關(guān)鍵處理功能。100GbE的OTU-4標(biāo)準(zhǔn)使用增強(qiáng)FEC(EFEC)，必須采用專用算法進(jìn)行設(shè)計(jì)才能確保最大限度的發(fā)揮光帶寬優(yōu)勢。由于其優(yōu)異的架構(gòu)性能，StratixIVFPGA能夠處理EFEC功能，是OTN系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)和測試的理想平臺(tái)。圖6顯示了客戶在設(shè)計(jì)100GbEOTN設(shè)備時(shí)怎樣使用StratixIVGTFPGA來實(shí)現(xiàn)上面介紹的所有功能。

圖6 100GOTN應(yīng)用：LAN到WAN

OTN以及對(duì)通用客戶端口的需求

OTN含有各種光網(wǎng)絡(luò)單元，是高效傳送業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。獨(dú)立的語音、視頻、數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)構(gòu)成公共骨干網(wǎng)，由OTN為其提供服務(wù)。OTN設(shè)備必須能夠?qū)⒑芏嗖煌愋偷臉I(yè)務(wù)(以太網(wǎng)、SONET/SDH、ESCON、光纖通道和視頻)映射到這一公共骨干網(wǎng)中。

光設(shè)備生產(chǎn)商不斷降低成本，采用跨平臺(tái)元器件，因此，靈活映射各種客戶側(cè)端口的解決方案得到了應(yīng)用。FPGA是實(shí)現(xiàn)“通用客戶側(cè)端口”的主要元件，可以配置支持各種客戶側(cè)接口。這樣，單片器件能夠高效用于多種應(yīng)用中。

為OTN提供靈活的支持

Altera提供適用于OTN體系結(jié)構(gòu)的全系列產(chǎn)品，如表2所示。

表2 Altera器件系列產(chǎn)品

隨著應(yīng)用的推廣，OTN1和OTN2對(duì)成本和功耗越來越敏感。如表3所示，含有嵌入式收發(fā)器的AlteraArria®IIGXFPGA提供實(shí)現(xiàn)OTN1和OTN2波長轉(zhuǎn)換器和交叉連接所需要的功能，具有很高的性價(jià)比和功效。

表3 為OTN應(yīng)用提供的AlteraArriaIIGX收發(fā)器協(xié)議

相對(duì)于固定標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品解決方案，靈活的ArriaIIGXFPGA具有以下優(yōu)點(diǎn)：

■支持新出現(xiàn)的映射技術(shù)，例如，用于將GE映射到OTN所需要的ODU0等。
■可以配置支持各種客戶側(cè)接口，采用同一器件實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用。
■只需要重新配置FPGA就可以在同一器件中支持多種FEC和EFEC技術(shù)。

在單片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)40G波長轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

波長轉(zhuǎn)換器(復(fù)用轉(zhuǎn)發(fā)器)主要用于將多路低速客戶側(cè)信號(hào)匯集到高速波長上。它避免了為每一路客戶側(cè)低速信號(hào)分配獨(dú)立的波長，因此，大大提高了WDM頻譜效率。

業(yè)界分析師預(yù)測，到2013年，40G光端口應(yīng)用會(huì)急劇增長。40GOTN設(shè)備越來越大的吞吐量迫切要求進(jìn)一步改進(jìn)FEC技術(shù)，以便能夠?qū)⑿盘?hào)傳送得更遠(yuǎn)。由于實(shí)現(xiàn)這些EFEC標(biāo)準(zhǔn)需要很大的邏輯容量，因此，在40Gbps速率時(shí)將通用客戶端口、映射器、成幀器和EFEC集成到單片器件中難度很大。

然而，AlteraStratixIVGX系列經(jīng)過規(guī)劃，能夠在單片器件中支持40G波長轉(zhuǎn)換器功能，如圖7所示。StratixIVGXFPGA支持各種數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)、TDM和視頻協(xié)議的高效實(shí)現(xiàn)，包括GbE、光纖通道(1G、2G、4G)、SONET(OC-N)和SDH(STM-N)等，為這些需求提供所需要的邏輯密度和架構(gòu)性能。所有列出的協(xié)議由Altera直接提供支持或者通過合作伙伴提供支持。

圖7 使用StratixIVFPGA實(shí)現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換器

StratixIVGX系列提供32個(gè)具有時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路的收發(fā)器，數(shù)據(jù)速率從600Mbps到8.5Gbps，以及帶有CDR的另外16個(gè)收發(fā)器，支持從600Mbps到6.5Gbps的數(shù)據(jù)速率。StratixIVGXFPGA具有530K邏輯單元(LE)，能夠支持40G全波長轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。表4列出了為OTN數(shù)據(jù)速率提供的StratixIVGX收發(fā)器支持。

表4 為OTN應(yīng)用提供的StratixIVGX收發(fā)器協(xié)議數(shù)據(jù)速率

采用StratixIVGTFPGA進(jìn)行100GOTN設(shè)計(jì)

最近制定標(biāo)準(zhǔn)的活動(dòng)圍繞100G光傳送網(wǎng)OTN-4而進(jìn)行。這些應(yīng)用需要結(jié)合高速收發(fā)器和10G收發(fā)器來支持所需的吞吐量以及內(nèi)核性能和邏輯密度，以便實(shí)現(xiàn)管理100G數(shù)據(jù)流量所需要的復(fù)雜處理功能。StratixIVGTFPGA支持客戶側(cè)10G光接口的直接連接，還可以直接連接至網(wǎng)絡(luò)側(cè)的100GCFP或者QSFP模塊。這是非常重要的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗苊饬耸褂猛獠縋HY器件，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。表5列出了StratixIVGTFPGA支持的協(xié)議。

表5 為OTN應(yīng)用提供的StratixIVGT收發(fā)器協(xié)議

而且，器件支持綁定接口，例如芯片至模塊和芯片至芯片連接的MLD和SFI-S。因?yàn)镮TU和OIF的標(biāo)準(zhǔn)還在不斷發(fā)展，因此，設(shè)備生產(chǎn)商可以先開發(fā)早期版本的OTN-4波長轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)發(fā)器和再生器。圖8顯示了怎樣采用StratixIVGT和GX器件實(shí)現(xiàn)LANOTN承載100GWAN系統(tǒng)。

圖8 采用StratixIVFPGA實(shí)現(xiàn)LANOTN承載100GWAN系統(tǒng)

結(jié)論

Altera目前的40-nmFPGA系列產(chǎn)品結(jié)合其合作伙伴支撐系統(tǒng)，非常適合實(shí)現(xiàn)新出現(xiàn)的100GOTU4標(biāo)準(zhǔn)以及線路速率從2.5Gbps(OTU1)到10Gbps(OTU4)的傳統(tǒng)OTN解決方案。Altera®FPGA涵蓋了光傳送網(wǎng)的所有應(yīng)用，例如MSPP、P-OTN和運(yùn)營商級(jí)以太網(wǎng)傳送等。