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

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。數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)承載的一小部分業(yè)務(wù)。語音和多媒體現(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(dòng)力量是高清晰視頻和高速寬帶消費(fèi)類應(yīng)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(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(shù)，是下一代以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，也是滿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?，效率最高。OTN支持非常高的傳輸速度，而且還能夠靈活的擴(kuò)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(dá)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(dá)太快，以至于來不及轉(zhuǎn)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(shè)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(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，IEEE802.3ba，在現(xiàn)有40G和10G基礎(chǔ)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)100GOTN。這能夠滿足越來越高的帶寬需求，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減少了用于管理的波長，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40km。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，與具體客戶業(yè)務(wù)無關(guān)(即，客戶業(yè)務(wù)無關(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/客戶側(cè)適配層之間，包括具體服務(wù)處理，不包括具體客戶處理，如圖3所示。

圖3 客戶側(cè)匯集的各種協(xié)議使得OTN成為高性價(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(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IEEE802的一系列標(biāo)準(zhǔn)來看，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，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)漕愋投x了公共以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。

根據(jù)所支持的三類業(yè)務(wù)，對(duì)拓?fù)溥x擇進(jìn)行了分類，即線路業(yè)務(wù)、LAN業(yè)務(wù)和接入業(yè)務(wù)。線路業(yè)務(wù)本質(zhì)上是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，包括以太網(wǎng)專用和虛擬線路等業(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)客戶提供服務(wù)。(從公共網(wǎng)絡(luò)角度看，由于其相似性，線路和接入業(yè)務(wù)本來就是一樣的)。

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(qū)分業(yè)務(wù)端具體業(yè)務(wù)。以太網(wǎng)MAC層業(yè)務(wù)能夠以線路、LAN和接入業(yè)務(wù)的形式，通過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)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于以太網(wǎng)LAN業(yè)務(wù)，可以在公共傳送網(wǎng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)MAC橋接，將MAC幀轉(zhuǎn)發(fā)到正確的目的地址。以太網(wǎng)MAC業(yè)務(wù)不限于IEEE標(biāo)準(zhǔn)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(wù)。

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(shù)，將10GbEWAN等信號(hào)通過OTN傳送，或者將1GbE信號(hào)通過SDH傳送。以太網(wǎng)物理層業(yè)務(wù)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，總是采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)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(yùn)營商級(jí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)支持OTN

以太網(wǎng)最初雖然是設(shè)計(jì)用在LAN環(huán)境中，但現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)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(yīng)商橋接、可靠的保護(hù)技術(shù)、QoS流量控制和流量調(diào)理等，因此，它能夠作為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的承載網(wǎng)。此外，以太網(wǎng)很容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)鏈接，在現(xiàn)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳送技術(shù)下，需要n×(n-1)/2路鏈接。

如圖4所示，運(yùn)營商級(jí)以太網(wǎng)將以太網(wǎng)從LAN擴(kuò)展到WAN，嘗試進(jìn)入整個(gè)通信支撐系統(tǒng)中。其目的是為用戶提供WAN技術(shù)將站點(diǎn)鏈接起來，其方式與運(yùn)營商以前采用的ATM、幀中繼和X.25技術(shù)相似。運(yùn)營商級(jí)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(wù)器房間中使用的以太網(wǎng)。

圖4 運(yùn)營商級(jí)以太網(wǎng)多協(xié)議標(biāo)簽

不久前剛開始從以太網(wǎng)向運(yùn)營商級(jí)以太網(wǎng)傳送技術(shù)的過渡。目前為止，ITU-T提供了構(gòu)建基于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)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(shù)來進(jìn)行傳送。采用40G/100G以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)來支持OTN#e#采用40G/100G以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)來支持OTN

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。