FPGA實現100G光傳送網的設計

引言

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

網絡最重要的兩方面是速度和可靠性。網絡必須一直保持暢通，必須很快。然而，網絡載荷一直在急速增長。數據是網絡承載的一小部分業務。語音和多媒體現在是網絡承載的主要業務。

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絡服務出現任何中斷。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(GbE)LANPHY的骨干網傳送層技術，是下一代以太網標準，也是滿足速度和可靠性要求的唯一標準。在出現新技術之前，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據包或者分組數據流、用戶要發送的信息、傳輸介質，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，問題出現在發送端和接收端，數據包到達太快，以至于來不及轉發出去。因此，為提高效率，通信企業采用了OTN。

100GOTN(OTU4)簡介

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型100G數據的傳輸，其封裝格式是OTN或者以太網?？偭髁糠植荚诔怯?、局域以及長途密集波分復用(DWDM)網絡上。目前ITU組織研究的重點是利用現有100G以太網規范，IEEE802.3ba，在現有40G和10G基礎設備上實現100GOTN。這能夠滿足越來越高的帶寬需求，降低系統復雜度，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。根據定義，目前實現的100G以太網覆蓋距離比100G傳送網要短一些，一般為40km。100G以太網和100G傳送網有相似的目標，即，尋找以低成本實現高性能快速鏈接的方法。

OTN含有的網絡功能和協議要求能夠滿足這些需求，以系統方式在光介質上傳輸信息。本文重點介紹通過光纖承載傳送網和以太網載荷。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新功能以及相關技術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層和網絡組成

OTN一個獨特的特性是它支持任何數字信號的傳輸，與具體客戶業務無關(即，客戶業務無關性)。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議使得OTN成為高性價比通用基本結構

在光通道上實現這一靈活的客戶應用系統時，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的線路速率。

表1 OTN數據速率

傳送網承載以太網幀

目前，以太網是專網和企業網絡的主要LAN技術，公共傳送網也支持新出現的多協議/多業務以太網。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業務和幀傳送標準及其實施協議。以太網的主要構成是業務層、網絡層和物理層。

業務層

公共以太網業務層(對于業務供應商)包括不同的業務市場，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業務。

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

業務層提供不同的服務質量。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量，從盡力而為到有保證的比特率?？梢栽谝蕴WMAC層以及以太網物理層提供以太網業務。

網絡層

以太網網絡層支持以太網業務端之間以太網MAC幀的端到端傳輸，由MAC地址區分業務端具體業務。以太網MAC層業務能夠以線路、LAN和接入業務的形式，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。對于以太網LAN業務，可以在公共傳送網內部實現以太網MAC橋接，將MAC幀轉發到正確的目的地址。以太網MAC業務不限于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MAC業務。

物理層

IEEE為以太網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)。以太網物理層在公共傳送網上透明傳輸數據，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。以太網物理層業務是點對點的，總是采用標準數據速率。與以太網MAC層業務相比，它不夠靈活，但是延時很低。

采用運營商級以太網標準支持OTN

以太網最初雖然是設計用在LAN環境中，但現在已經廣泛應用在骨干網和城域網(MAN)中。以太網在多方面進行了改進，包括更高的比特率和長距離接口、基于以太網的接入網、虛擬網絡、更新能力、骨干網供應商橋接、可靠的保護技術、QoS流量控制和流量調理等，因此，它能夠作為網絡運營商的承載網。此外，以太網很容易實現多點對多點鏈接，在現有點對點傳送技術下，需要n×(n-1)/2路鏈接。

如圖4所示，運營商級以太網將以太網從LAN擴展到WAN，嘗試進入整個通信支撐系統中。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。運營商級以太網不是LAN采用的以太網，例如，客戶在桌面以及服務器房間中使用的以太網。

圖4 運營商級以太網多協議標簽

不久前剛開始從以太網向運營商級以太網傳送技術的過渡。目前為止，ITU-T提供了構建基于以太網業務的運營商網絡系統選擇。ITU-T建議由傳送承載以太網(EoT)，采用PDH、SDH或者OTN等傳統的承載技術來進行傳送。