采用FPGA實(shí)現(xiàn)100G光傳送網(wǎng)

供應(yīng)商、企業(yè)以及服務(wù)提供商認(rèn)為100G系統(tǒng)最終會(huì)在市場(chǎng)上得到真正實(shí)施。推動(dòng)其實(shí)施的主要力量是用戶(hù)持續(xù)不斷的寬帶需求。各種標(biāo)準(zhǔn)組織正在制定傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)以及光接口100G標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于希望在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之前，先期設(shè)計(jì)100G系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員而言，FPGA由于自身的靈活性而發(fā)揮了非常重要的作用。Altera的Stratix IV GT FPGA在40-nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)提供集成11.3-Gbps收發(fā)器，解決了100G傳送網(wǎng)和100G以太網(wǎng)遇到的問(wèn)題。這些FPGA是設(shè)計(jì)100G系統(tǒng)的理想平臺(tái)，提供高性?xún)r(jià)比并且有助于產(chǎn)品迅速面市的解決方案。
引言
目前的網(wǎng)絡(luò)載荷不斷增大，供應(yīng)商很難實(shí)施并管理他們的高級(jí)系統(tǒng)。為適應(yīng)對(duì)帶寬不斷增長(zhǎng)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(zhǎng)。數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)承載的一小部分業(yè)務(wù)。語(yǔ)音和多媒體現(xiàn)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?jī)赡昃头丁?012年之前，流量每年增長(zhǎng)522 exabytes (1018，即zettabyte的一半)。這種指數(shù)增長(zhǎng)的主要推動(dòng)力量是高清晰視頻和高速寬帶消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用。
圖1.總流量帶寬增長(zhǎng)

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(xiàn)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) LAN PHY的骨干網(wǎng)傳送層技術(shù)，是下一代以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，也是滿(mǎn)足速度和可靠性要求的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在出現(xiàn)新技術(shù)之前，OTN將一直是主流標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗俣茸羁欤首罡?。OTN支持非常高的傳輸速度，而且還能夠靈活的擴(kuò)容，以滿(mǎn)足未來(lái)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(hù)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(dá)越快。但是，問(wèn)題出現(xiàn)在發(fā)送端和接收端，數(shù)據(jù)包到達(dá)太快，以至于來(lái)不及轉(zhuǎn)發(fā)出去。因此，為提高效率，通信企業(yè)采用了OTN。

100G OTN (OTU4)簡(jiǎn)介
根據(jù)定義，由光傳送設(shè)備承載的100G傳送數(shù)據(jù)包能夠迅速完成任何類(lèi)型100G數(shù)據(jù)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(zhǎng)途密集波分復(fù)用(DWDM)網(wǎng)絡(luò)上。目前ITU組織研究的重點(diǎn)是利用現(xiàn)有100G以太網(wǎng)規(guī)范，IEEE 802.3ba，在現(xiàn)有40G和10G基礎(chǔ)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)100G OTN。這能夠滿(mǎn)足越來(lái)越高的帶寬需求，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減少了用于管理的波長(zhǎng)，提高了頻譜總效率，最終降低了成本。根據(jù)定義，目前實(shí)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40 km。100G以太網(wǎng)和100G傳送網(wǎng)有相似的目標(biāo)，即，尋找以低成本實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(shù)字體系(SDH)等OTN機(jī)制也在這一定義范圍之內(nèi)，但是我們主要關(guān)注LAN到WAN的應(yīng)用，特別是40GbE和100GbE應(yīng)用(802.3ba)。出于這一標(biāo)準(zhǔn)化以及工作規(guī)劃的目的，所有OTN新功能以及相關(guān)技術(shù)都被認(rèn)為是電信標(biāo)準(zhǔn)局(ITU-T標(biāo)準(zhǔn))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(luò)單元(圖2所示)，能夠提供光通道承載客戶(hù)信號(hào)的傳送、復(fù)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(dú)特的特性是它支持任何數(shù)字信號(hào)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(jù)G.805建議對(duì)通用功能模型的描述，OTN邊界位于光通道/客戶(hù)側(cè)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(cè)匯集的各種協(xié)議使得OTN成為高性?xún)r(jià)比通用基本結(jié)構(gòu)

在光通道上實(shí)現(xiàn)這一靈活的客戶(hù)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，F(xiàn)PGA扮演了重要角色。從OTN實(shí)施的角度看，它匯集各種獨(dú)立端口的數(shù)據(jù)，提供所需要的帶寬。表1所示為當(dāng)前OTN標(biāo)準(zhǔn)所支持的數(shù)據(jù)速率。OTU4將增加100G的線(xiàn)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(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(xiàn)的多協(xié)議/多業(yè)務(wù)以太網(wǎng)。從IEEE 802的一系列標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)及其實(shí)施協(xié)議。以太網(wǎng)的主要構(gòu)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(duì)于業(yè)務(wù)供應(yīng)商)包括不同的業(yè)務(wù)市場(chǎng)，拓?fù)溥x擇以及持有模型等。所采用的持有模型以及使用的拓?fù)漕?lèi)型定義了公共以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。
根據(jù)所支持的三類(lèi)業(yè)務(wù)，對(duì)拓?fù)溥x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(duì)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(duì)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(jié)構(gòu)，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)。