采用FPGA实现100G光传送网.docx
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采用FPGA实现100G光传送网
采用FPGA实现100G光传送网
技术分类：
可编程器件 通信 |2009-12-14
Altera公司
供应商、企业以及服务提供商认为100G系统最终会在市场上得到真正实施。
推动其实施的主要力量是用户持续不断的宽带需求。
各种标准组织正在制定传送网和以太网以及光接口100G标准。
对于希望在标准发布之前，先期设计100G系统的开发人员而言，FPGA由于自身的灵活性而发挥了非常重要的作用。
Altera的StraTIxIVGTFPGA在40-nm技术节点提供集成11.3-Gbps收发器，解决了100G传送网和100G以太网遇到的问题。
这些FPGA是设计100G系统的理想平台，提供高性价比并且有助于产品迅速面市的解决方案。
引言
目前的网络载荷不断增大，供应商很难实施并管理他们的高级系统。
为适应对带宽不断增长的需求，光传送网（OTN）成为下一代骨干网络。
光纤迅速替代了铜线和其他介质，成为最快、最可靠的传输介质。
网络最重要的两方面是速度和可靠性。
网络必须一直保持畅通，必须很快。
然而，网络载荷一直在急速增长。
数据是网络承载的一小部分业务。
语音和多媒体现在是网络承载的主要业务。
如图1所示，从2007年到2012年，IP总流量将增加6倍，几乎每两年就翻倍。
2012年之前，流量每年增长522exabytes（1018，即zettabyte的一半）。
这种指数增长的主要推动力量是高清晰视频和高速宽带消费类应用。
图1.总流量带宽增长
满足宽带需求
最终用户不希望他们的网络服务出现任何中断。
他们希望视频会议有流畅的画面和声音，就像电视和电话一样。
OTN是唯一能够支持100G以太网（GbE）LANPHY的骨干网传送层技术，是下一代以太网标准，也是满足速度和可靠性要求的唯一标准。
在出现新技术之前，OTN将一直是主流标准，因为它速度最快，效率最高。
OTN支持非常高的传输速度，而且还能够灵活的扩容，以满足未来的需求。
任何形式的电子通信都包括数据包或者分组数据流、用户要发送的信息、传输介质，以及承载数据包所使用的传送方式等。
传送速度越快，数据包到达越快。
但是，问题出现在发送端和接收端，数据包到达太快，以至于来不及转发出去。
因此，为提高效率，通信企业采用了OTN。
100GOTN（OTU4）简介
根据定义，由光传送设备承载的100G传送数据包能够迅速完成任何类型100G数据的传输，其封装格式是OTN或者以太网。
总流量分布在城域、局域以及长途密集波分复用（DWDM）
网络上。
目前ITU组织研究的重点是利用现有100G以太网规范，IEEE802.3ba，在现有40G和10G基础设备上实现100GOTN。
这能够满足越来越高的带宽需求，降低系统复杂度，减少了用于管理的波长，提高了频谱总效率，最终降低了成本。
根据定义，目前实现的100G以太网覆盖距离比100G传送网要短一些，一般为40km。
100G以太网和100G传送网有相似的目标，即，寻找以低成本实现高性能快速链接的方法。
OTN含有的网络功能和协议要求能够满足这些需求，以系统方式在光介质上传输信息。
本文重点介绍通过光纤承载传送网和以太网载荷。
建立同步数字体系（SDH）等OTN机制也在这一定义范围之内，但是我们主要关注LAN到WAN的应用，特别是40GbE和100GbE应用（802.3ba）。
出于这一标准化以及工作规划的目的，所有OTN新功能以及相关技术都被认为是电信标准局（ITU-T标准）的工作范畴。
根据G.872建议要求，OTN包括由光纤链路连接的光网络单元（图2所示），能够提供光通道承载客户信号的传送、复用、路由、管理、控制和生存等功能。
图2.OTN层和网络组成
OTN一个独特的特性是它支持任何数字信号的传输，与具体客户业务无关（即，客户业务无关性）。
根据G.805建议对通用功能模型的描述，OTN边界位于光通道/客户侧适配层之间，包括具体服务处理，不包括具体客户处理，如图3所示。
图3.客户侧汇集的各种协议使得OTN成为高性价比通用基本结构
在光通道上实现这一灵活的客户应用系统时，FPGA扮演了重要角色。
从OTN实施的角度看，它汇集各种独立端口的数据，提供所需要的带宽。
表1所示为当前OTN标准所支持的数据速率。
OTU4将增加100G的线路速率。
表1.OTN数据速率
传送网承载以太网帧
目前，以太网是专网和企业网络的主要LAN技术，公共传送网也支持新出现的多协议/多业务以太网。
从IEEE802的一系列标准来看，ITU-T和其他组织还在讨论公共以太网业务和帧传送标准及其实施协议。
以太网的主要构成是业务层、网络层和物理层。
业务层
公共以太网业务层（对于业务供应商）包括不同的业务市场，拓扑选择以及持有模型等。
所采用的持有模型以及使用的拓扑类型定义了公共以太网业务。
根据所支持的三类业务，对拓扑选择进行了分类，即线路业务、LAN业务和接入业务。
线路业务本质上是点对点的，包括以太网专用和虚拟线路等业务。
LAN业务本质上是多点对多点，包括虚拟LAN业务。
接入业务本质上是分散式结构，支持一个ISP/ASP为多个客户提供服务。
（从公共网络角度看，由于其相似性，线路和接入业务本来就是一样的）。
业务层提供不同的服务质量。
SDH等电路交换技术提供有保证的比特率，而MPLS等包交换技术提供各种服务质量，从尽力而为到有保证的比特率。
可以在以太网MAC层以及以太网物理层提供以太网业务。
网络层
以太网网络层支持以太网业务端之间以太网MAC帧的端到端传输，由MAC地址区分业务端具体业务。
以太网MAC层业务能够以线路、LAN和接入业务的形式，通过SDHVC和OTNODU等电路交换技术，或者MPLS和RPR等包交换技术来实现。
对于以太网LAN业务，可以在公共传送网内部实现以太网MAC桥接，将MAC帧转发到正确的目的地址。
以太网MAC业务不限于IEEE标准定义的物理数据速率（例如，10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps、100Gbps），因此，能够以任意比特率提供以太网MAC业务。
物理层
IEEE为以太网定义了一组明确的物理层数据速率，并提供一组接口选择（电或者光）。
以太网物理层在公共传送网上透明传输数据，使用透明GFP映射技术，将10GbEWAN等信号通过OTN传送，或者将1GbE信号通过SDH传送。
以太网物理层业务是点对点的，总是采用标准数据速率。
与以太网MAC层业务相比，它不够灵活，但是延时很低。
采用运营商级以太网标准支持OTN
以太网最初虽然是设计用在LAN环境中，但现在已经广泛应用在骨干网和城域网（MAN）中。
以太网在多方面进行了改进，包括更高的比特率和长距离接口、基于以太网的接入网、虚拟网络、更新能力、骨干网供应商桥接、可靠的保护技术、QoS流量控制和流量调理等，因此，它能够作为网络运营商的承载网。
此外，以太网很容易实现多点对多点链接，在现有点对点传送技术下，需要n×（n-1）/2路链接。
如图4所示，运营商级以太网将以太网从LAN扩展到WAN，尝试进入整个通信支撑系统中。
其目的是为用户提供WAN技术将站点链接起来，其方式与运营商以前采用的ATM、帧中继和X.25技术相似。
运营商级以太网不是LAN采用的以太网，例如，客户在桌面以及服务器房间中使用的以太网。
图4.运营商级以太网多协议标签
不久前刚开始从以太网向运营商级以太网传送技术的过渡。
目前为止，ITU-T提供了构建基于以太网业务的运营商网络系统选择。
ITU-T建议由传送承载以太网（EoT），采用PDH、SDH或者OTN等传统的承载技术来进行传送。
采用40G/100G以太网体系结构来支持OTN
IEEE802.3ba是正在为40Gbps和100Gbps开发的标准。
现阶段的目标是：
■只支持全双工工作
■保留使用802.3MAC标准的802.3/以太网帧格式
■保留当前802.3标准的最小和最大帧长度
■MAC/PLS业务接口支持优于10-12的BER
■为OTN提供相应的支持
■支持40Gbps的MAC数据速率
■提供支持40-Gbps工作的物理层规范，包括：
●在SMF上大于10km
●在OM3MMF上大于100m
●在铜缆上大于10m
●在背板上大于1m
■支持100Gbps的MAC数据速率
■提供支持100-Gbps工作的物理层规范，包括：
●在SMF上大于40km
●在SMF上大于10km
●在OM3MMF上大于100m
●在铜缆上大于10m
如图5所示，该工程要在2010年中完成。
业界对于100G的实施工作主要集中在传送网和以太网上。
传送网和以太网标准在100Gbps速率等级上达成一致，这一过程从10G就开始了。
图5.以太网和光传送网从10Gbps就开始了融合
StraTIxIVFPGA为100GbEOTN设计铺平了道路
目前的业界发展趋势是使用WDM承载以太网进行数据包传送，通过IP/MPLS/以太网传送数据。
Altera40-nmStratix®IVFPGA系列的定位非常适合满足100G以太网和传送系统设计的性能和系统带宽要求。
StratixIVGTFPGA密度非常高，集成了在单片器件中实现100GbE/光纤通道/RPRMAC功能使用的11.3-Gbps收发器，以及OTN数据包前向纠错（FEC）、映射和成帧等关键处理功能。
100GbE的OTU-4标准使用增强FEC（EFEC），必须采用专用算法进行设计才能确保最大限度的发挥光带宽优势。
由于其优异的架构性能，StratixIVFPGA能够处理EFEC功能，是OTN系统算法实现和测试的理想平台。
图6显示了客户在设计100GbEOTN设备时怎样使用StratixIVGTFPGA来实现上面介绍的所有功能。
图6.100GOTN应用：
LAN到WAN
OTN以及对通用客户端口的需求
OTN含有各种光网络单元，是高效传送业务的基础。
独立的语音、视频、数据和存储网络演进构成公共骨干网，由OTN为其提供服务。
OTN设备必须能够将很多不同类型的业务（以太网、SONET/SDH、ESCON、光纤通道和视频）映射到这一公共骨干网中。
光设备生产商不断降低成本，采用跨平台元器件，因此，灵活映射各种客户侧端口的解决方案得到了应用。
FPGA是实现“通用客户侧端口”的主要元件，可以配置支持各种客户侧接口。
这样，单片器件能够高效用于多种应用中。
为OTN提供灵活的支持
Altera提供适用于OTN体系结构的全系列产品，如表2所示。
表2.Altera器件系列产品
随着应用的推广，OTN1和OTN2对成本和功耗越来越敏感。
如表3所示，含有嵌入式收发器的AlteraArria®IIGXFPGA提供实现OTN1和OTN2波长转换器和交叉连接所需要的功能，具有很高的性价比和功效。
表3.为OTN应用提供的AlteraArriaIIGX收发器协议
相对于固定标准产品解决方案，灵活的ArriaIIGXFPGA具有以下优点：
■支持新出现的映射技术，例如，用于将GE映射到OTN所需要的ODU0等。
■可以配置支持各种客户侧接口，采用同一器件实现多种应用。
■只需要重新配置FPGA就可以在同一器件中支持多种FEC和EFEC技术。
在单片FPGA中实现40G波长转换器设计
波长转换器（复用转发器）主要用于将多路低速客户侧信号汇集到高速波长上。
它避免了为每一路客户侧低速信号分配独立的波长，因此，大大提高了WDM频谱效率。
业界分析师预测，到2013年，40G光端口应用会急剧增长。
40GOTN设备越来越大的吞吐量迫切要求进一步改进FEC技术，以便能够将信号传送得更远。
由于实现这些EFEC标准需要很大的逻辑容量，因此，在40G
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