摘要:急速增加的帶寬需求驅動100G以太網盡快地投入應用,支撐100G以太網接口的關鍵技術,主要包含物理層通道匯聚技術、多光纖通道及波分復用(WDM)技術。接口部分的高速光器件關鍵技術需要突破,接口速率提高帶來的高帶寬需求對包處理和存儲、系統(tǒng)交換、背板技術等都提出了新要求。另外,網絡需要解決新接口的傳輸問題,包括新接口傳輸標準定義和傳輸技術解決。就目前的成本和需求來看,100G以太網的商用在城域網先行是比較可行的方案。

關鍵詞:100G以太網;IEEE802.3ba;100GE傳輸

Abstract: The rapidly increasing requirement of bandwidth drives the 100G Ethernet into use as quickly as possible. The key technologies supporting 100G Ethernet interface include the physical layer channel convergence technology, multi-fiber channel and Wavelength Division Multiplexing (WDM) technology. The high speed fiber device needs to be resolved, and the higher bandwidth requirements by higher interface speed demands more packet processing and storage, system switching, and the backplane design. Besides, the network needs to solve the issue of the transport for the new interface, including defining new transport standard and resolving the key transport technologies. Considering current cost and requirements, the commercial service of

100 Gbit/s Ethernet is viable in metropolitan area network.

Key words:100G Ethernet;IEEE802.3ba;100GE transport

推動以太網接口速率升級到100 Gbit/s的根本需求是帶寬增加,其中最主要的因素就是視頻等帶寬密集應用,另外以太網的電信化應用也導致匯聚帶寬需求增速加劇。從以太網用戶接入、企業(yè)到主干在內的每一級網絡都在逼近著其當前的速度極限。

推廣100G以太網應用的前提是相關標準的制定。100 Gbit/s以太網接口對應的標準是IEEE802.3ba[1],目前處于草案2.1階段[2],標準已經確定了各種接口介質、速率和物理編碼子層(PCS)、媒體接入控制(MAC)層架構定義。標準在2009年7月會議后停止所有技術變更,2009年11月標準會議將產生草案3.0,預計于2010年6月前發(fā)布。此外,和100GE相關的標準組織還包括國際電信聯(lián)盟遠程通信標準組(ITU-T)和光互聯(lián)論壇(OIF),其關注的側重點不同,ITU-T主要制定100G傳輸光轉換單元(OTU)幀結構和編碼、容錯技術;OIF主要研究物理層高速通道規(guī)范、定義電接口標準。

以太網升級到100 Gbit/s接口離不開關鍵技術支撐,關鍵技術的成熟和商用化也都還需要時間。從芯片、系統(tǒng)、網絡各個層面包括標準研究都還需要技術突破和時間。

1 100 G以太網技術及標準

支撐100G以太網接口的關鍵技術,主要包含物理層(PHY)通道匯聚技術、多光纖通道及波分復用(WDM)技術。物理介質相關(PMD)子層滿足100 Gbti/s速率帶寬,新的芯片技術支持到40 nm工藝,這些提供了開發(fā)下一代高速接口的可能。對應于接口部分,光纖接口PMD的并行多模接口存在著封裝密度大和功耗問題需要解決,單模4×25 Gbit/s的WDM接口存在25 Gbit/s串行并行轉換電路(SERDES)技術和非冷卻光器件的技術需要突破;對應于系統(tǒng)部分,接口速率提高帶來的高帶寬給包處理、存儲,系統(tǒng)交換,背板技術都提出了新的門檻;對應于網絡,需要解決新接口的傳輸問題,不光需要定義新的OTU幀結構,對于如此超高速傳輸,需要解決電子線路極限情況下的信號處理、光信號的調制、物理編碼、色散補償、非線性處理、與FE/GE/10GE幀結構和PHY內各子層的兼容性和一致性問題等,還需要使100G傳輸特性能夠滿足現(xiàn)有10G傳輸網的相關特性,否則帶來的網絡重建必將影響新技術的推進。

下一代以太網技術標準包含了40 Gbit/s和100 Gbit/s兩種速度,主要針對服務器和網絡方面不同的需求。40 Gbit/s主要針對計算應用,而100 Gbit/s則主要針對核心和匯接應用。提供兩種速度,IEEE意在保證以太網能夠更高效更經濟地滿足不同應用的需要,進一步推動基于以太網技術的網絡會聚。標準規(guī)定了物理編碼子層(PCS)、物理介質接入(PMA)子層、物理介質相關(PMD)子層、轉發(fā)錯誤糾正(FEC)各模塊及連接接口總線,MAC、PHY間的片間總線使用XLAUI(40 Gbit/s)、CAUI(100 Gbit/s),片內總線用XLGMII(40 Gbit/s)、CGMII(100 Gbit/s),各種介質的架構如圖1所示[3]。

標準僅支持全雙工操作,保留了802.3MAC的以太網幀格式;定義了多種物理介質接口規(guī)范,其中有1 m背板連接(100GE接口無背板連接定義)、7 m銅纜線、100 m并行多模光纖和10 km單模光纖(基于WDM技術),100 Gbit/s接口最大定義了40 km傳輸距離。標準定義了PCS的多通道分發(fā)(MLD)協(xié)議架構,標準還定義了用于片間連接的電接口規(guī)范,40 Gbit/s和100 Gbit/s分別使用4個和10個10.312 5 Gbit/s通道,采用輪詢機制進行數(shù)據分配獲得40G和100G的速率,另通過虛擬通道的定義解決了適配不同物理通道或光波長問題;明確了物理層編碼采用64B/66B。

標準雖然給出了100 Gbit/s以太網的架構、接口定義,但目前尚有諸多待解決的問題。首先,PMD是802.3ba的一個關鍵部分,40G/100G光模塊包含短波長的并行接口,對應40GBASE-4SR和100GBASE-10SR,主要的技術難點在于封裝密度大;長波長的波分接口,難度在于PMA對應的25 Gbit/s的SERDES和封裝技術,對于100G的WDM光模塊非制冷激光器技術是標準相關的關鍵技術,封裝形式由CFP多源協(xié)議(MSA)規(guī)定為CFP[4];對應的銅纜介質有關接口(MDI)標準的定義采用SFF-8436和SFF-8642,具體的結構尺寸和引腳分配已經給出。據了解目前主要供應商提供100G WDM光模塊要到2010年。

100G接口對應的相關芯片在MAC層已經沒有問題,PMA業(yè)務接口電接口規(guī)范要求每個通道工作在10.312 5 Gbit/s速率,除了標準成熟后使用專用集成電路(ASIC)實現(xiàn),前期基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實現(xiàn)的MAC則需要支持到10.312 5 Gbit/s速率,僅有少數(shù)FPGA公司支持[5]。之前的評估系統(tǒng)采用的是增加SERDES Mux器件[6],由8/20個5.156 25 Gbit/s的通道轉換到4/10個10.312 5 Gbit/s的標準接口的過渡措施[7]。

對于100G以太網設備系統(tǒng),除了以上100G以太網接口相關技術難點需要克服,還需要配套的包處理器,對于分布式大容量交換系統(tǒng)還需要大容量的分組交換系統(tǒng)套片等系統(tǒng)級的困難需要解決。

對于100G的包處理能力,目前業(yè)界還沒有通用可選方案,開發(fā)中的幾個方案都還待評估;對于網絡處理器的內容可尋址存儲器(CAM)等查找接口帶寬最少要增加2倍以上,數(shù)據總線寬度、速率也都存在瓶頸,催生了Interlaken LA等串行高速總線接口投入使用。由于單片處理能力限制及總線接口轉換等導致存在和多片堆砌的情況,至使單板面積、功耗等都難接受?；贔PGA定制開發(fā)的解決方案需要企業(yè)具備全面的技術,往往提供的業(yè)務處理能力受限。

分組交換系統(tǒng)套片,包括交換網和交換網接口芯片,或含流量管理(TM)芯片,以前大多數(shù)系統(tǒng)都難于支持每線卡大于100 Gbit/s的有效數(shù)據帶寬,目前新方案每線卡背板接口帶寬最大約為100～200 Gbit/s,背板SERDES總線速率支持到6.5 Gbit/s左右;支持100 Gbit/s接口每線卡帶寬需要升級到200～500 Gbit/s帶寬,背板SERDES速率甚至要達到10.312 5 Gbit/s以上,對于背板設計、工藝要求、材料、總線長度滿足等都比以前要苛刻的多;對于滿足電信級要求的系統(tǒng),還需要滿足虛擬隊列(VoQ)、層次化服務質量(HQoS)等流管理特性,這就要求更大的處理帶寬需求、更多的隊列支持能力、更大的緩沖等提升系統(tǒng)設計難度。

隨著系統(tǒng)要求的提升,系統(tǒng)功率也在提高。100 Gbit/s長波長PMD需要4個25 Gbit/s通道,SERDES速率和通道數(shù)的增加需要更大電源;100 Gbit/s處理器需要更大量的存儲器,當然也需要更大功率;微處理技術也需要更大功率。對此,需要尋找解決方案。功率事關未來,同時功率也是重大的障礙,不僅要為電路板供電,還需要控制如此大的功率并保證系統(tǒng)冷卻。隨著我們轉向速度更快的以太網,這些都是業(yè)界面對的主要問題。

高速以太網要想真正給用戶帶來實際的科技效益,必須將傳送網業(yè)務承載到傳送網上,而不能僅僅用在大型數(shù)據中心或者小范圍局域網內。所以除了調制技術之外,高速以太網如何在光傳送網上傳輸以及操作維護管理(OAM)等特性也是決定其成敗的關鍵技術。ITU-T SG15 Q11濟州島中間會議已經達成了40G/100G以太網接口的OTU映射定義[8]:G.709中給出40GE映射到OPU3,使用1 024B/1 027B傳輸編碼;100GE映射到ODU4/OTU4,比特率為111.809 973 Gbit/s

(=255/227×2.488 320 Gbit/s×40)。標準的成熟預計要到2011/2012年左右。對100 Gbit/s以太網等高速業(yè)務而言,虛級聯(lián)技術可以實現(xiàn)適配,但是要提高光纖的利用率,虛級聯(lián)并不是高效的技術,而只能提高每個波長的比特率。

采用串行100G的密集波分復用(DWDM)傳輸技術,將10×10GE/4×25GE的100GE業(yè)務通過ODU4適配到111.809 973 Gbit/s的OTU4中。由于單波100G速率非常高,對于各種物理損傷容限,如光信噪比(OSNR)、偏振膜色散(PMD)等提出了更高要求,需要使用特殊技術來降低傳輸光纖線路上傳輸光信號的波特率來提升損傷容限。例如,采用高階的編碼調制技術如正交相移鍵控(QPSK)、8相移相鍵控(8PSK)、正交幅度調制(QAM)、正交頻分復用(OFDM)等,并結合偏振復用解復用技術。由于單波傳輸100GE對偏振膜色散(PMD)、色度色散(CD)有更嚴格的要求,因此,未來在接收端可能采用相干接收/電處理的方式,來提升對物理損傷的容限,包括非線性效應抑制、PMD、CD補償?shù)?從而使單波100GE能夠在10G/40G網絡中混合傳送、平滑升級。

從長期來看,100GE DWDM傳輸將采用偏振復用、高階編碼調制、相干接收/電處理、超強FEC等技術的組合解決方案,從而可以平滑的將40G光網絡升級到100G系統(tǒng)。由于100G傳輸需要高速光電器件的支撐,預計2012年,這些高速光電器件將會趨于成熟。

對應于以上介紹的關鍵技術,100 Gbit/s以太網不單單是解決接口構建的技術,更需要同步提升系統(tǒng)的處理能力,對應大容量的交換系統(tǒng),高帶寬的流管理和包處理能力,才能提供線速的處理和轉發(fā),提供電信級的特色功能。類似中興通訊新開發(fā)的ZXCME 9500城域以太系列硬件平臺目前就可以支持到100 Gbit/s接口帶寬,還保留有足夠的冗余和加速比,可以支持單個100 Gbit/s接口真正的線速轉發(fā),不需要更換交換網,系統(tǒng)散熱也完全支持,只需要增加新線卡就可以。系統(tǒng)升級后,可以支持到單線卡雙向400 Gbit/s以上的帶寬。與此同時,解決了單機系統(tǒng)的問題100G以太網接口的應用還受制于傳輸網絡的技術提升,100GE走向商用還有待時日。

2 100G以太網的應用

100 Gbit/s以太網標準和技術的開發(fā)是基于需求的驅動,但卻是超前的,根據IEEE802.3ba任務組(TF)的計劃預計到2010年中間可以完成標準制定,但真正的商用時間卻取決于更多的因素。

首先,在標準成熟的前提下,還需要實實在在的網絡需求驅動,并符合運營商的利益。帶寬需求的主要因素包含:不斷增加的業(yè)務都是基于IP的,就像現(xiàn)在ALL IP所描述的;幾乎所有的IP分組從源發(fā)送到宿的全過程都是封裝在以太網幀中;時分復用在以太網中透傳(TDM over Ethernet)的技術已經成熟,傳統(tǒng)語音的兼容已經不是問題;以太網封裝比同步光網絡/同步數(shù)字體系(SONET/SDH)封裝更簡單而且成本更低。這些決定以太網接口速率升級到100 Gbit/s的需求是客觀和迫切的,在100 Gbit/s以太網上可以實現(xiàn)“網絡通信加速、應用效能提升”的網絡通信境界,能夠快速存取儲存于數(shù)據中心的種種應用,執(zhí)行頻寬管理、快取、壓縮、路徑最佳化及協(xié)議加速等功能。具體參見圖2的應用場景[9],對于匯聚層的應用,下行端口正在切換到10 Gbit/s,上行只能采用10 Gbit/s端口的鏈路聚合,如果使用100 Gbit/s以太網接口則可以在數(shù)據流的管理、分配及效率上得到改善;對于數(shù)據中心,隨著10 Gbit/s接口增加也同樣存在上行及內部互聯(lián)高速接口的需求;對于骨干網的高效傳輸也期待著100G高速接口和傳輸?shù)某墒臁?/p>

P802.3ba標準在制訂時,已經充分考慮了電接口相關標準和技術的成熟情況,采用了10.312 5 Gbit/s的片間互聯(lián)傳輸通道,多模的并行光纖接口可以支持在OM3光纖滿足100 m甚至更遠的距離;單模的40GB ASE-LR4使用粗波分復用(CWDM)經濟可行,100GB ASE-LR4使用DWDM,每波長傳25.781 25 Gbit/s,使用1 295~1 310 nm波長,完全可以使用原有光纖,綜合技術和成本,標準選用的技術都是實用可行的,有助于促進100G接口在局部和城域網范圍內商用。

對于全網范圍的使用,串行100GE傳輸標準和技術成熟前,可采用反向復用技術。將10×10GE或者4×25GE接口的100GE業(yè)務經ODU2/

ODU3適配到OTU2/OTU3,在10G/40G光網絡中通過多個波長進行傳輸?？梢圆恍鑼ΜF(xiàn)存的10G/40G DWDM光網絡進行重新設計與改動,傳輸碼型仍然為光雙二進制編碼(ODB)/差分歸零碼(DRZ)/電歸零碼-差分正交相移鍵控(eRZ-DQPSK)。這種模式可以采用10G/40G現(xiàn)有的成熟光電器件,并且整個系統(tǒng)的性能指標和10G/40G系統(tǒng)一致。這一方案可實現(xiàn)網絡平滑升級,滿足運營商的成本期望,并且器件成熟[10]。

所以就目前的成本和需求來看,100 Gbit/s以太網的商用在城域網先行是比較可行的方案,因為在城域網中,大量的數(shù)據需要隨時的上下路,一個無需各種補償器件的傳輸系統(tǒng)將會大大簡化網絡設計,100 Gbit/s以太網剛好可以滿足這一需求, 同時高帶寬滿足了城域網每年40%的流量增長。總之,100 Gbit/s以太網的發(fā)展需求已經很明顯,成本優(yōu)勢也會不斷加強,但是100 Gbit/s以太網傳輸從調制方式到運營管理維護都需要不斷的技術完善,真正大規(guī)模的商用還需時日。

此外,對這次技術升級,除100 Gbit/s以太網之外,包括光纖通道、Infiniband和SONET在內的其他協(xié)議也將現(xiàn)身40/100 Gbit/s網絡,在90年代末,以太網端口設備的價格下降速度比競爭對手異步傳輸模式(ATM)和光纖分布式數(shù)據接口(FDDI)要快兩倍以上。然而,40 Gbit/s和更快速度網絡共享很多相似的FPGA、SERDES和編碼技術,使任何協(xié)議所對應的設備都很難通過量產來獲得成本優(yōu)勢。100 Gbit/s以太網也許不會像之前那樣占據絕對的優(yōu)勢地位。

3 結束語

通過前面對100 Gbit/s以太網技術的介紹,和對關鍵技術及系統(tǒng)設計帶來的困難分析,以及100GE傳輸網絡的討論,總的來說,100 Gbit/s以太網技術是很有生命力、備受關注的技術,大家都在熱心參與,但標準和技術本身也都還有待成熟,商用試點會在2009年底啟動,但成熟商用預計要到2012年以后。除了技術和商用的挑戰(zhàn),給各方面帶來的機遇也是巨大的,首先給研究機構帶來了研究發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新的機會;對于元件和模塊供應商帶來了新的高回報的市場(但也需要高投資);對于系統(tǒng)供應商是一次翻盤和藉此引領市場的機會。雖然目前正面臨全球性的金融危機,我們樂觀的相信,就像1994年至2002年在全球市場低迷情況下,以太網一支獨秀,這次經濟低迷也無礙100G以太網發(fā)展。

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收稿日期:2008-12-12

張遠望,工作于中興通訊股份有限公司,從事電信級以太網交換機的系統(tǒng)設計工作,研究方向為100G以太網。曾代表中興通訊參加IEEE802.3ba標準起草,已發(fā)表論文5篇。