采用FPGA實現(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)最終會在市場上得到真正實施。推動其實施的主要力量是用戶持續(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)。對于希望在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之前，先期設(shè)計100G系統(tǒng)的開發(fā)人員而言，F(xiàn)PGA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)遇到的問題。這些FPGA是設(shè)計100G系統(tǒng)的理想平臺，提供高性價比并且有助于產(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)商很難實施并管理他們的高級系統(tǒng)。為適應(yīng)對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522 exabytes (1018，即zettabyte的一半)。這種指數(shù)增長的主要推動力量是高清晰視頻和高速寬帶消費類應(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) 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(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。

100G OTN (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)?？偭髁糠植荚诔怯?、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)備上實現(xiàn)100G OTN。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一個獨特的特性是它支持任何數(shù)字信號的傳輸，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成為高性價比通用基本結(jié)構(gòu)

在光通道上實現(xiàn)這一靈活的客戶應(yīng)用系統(tǒng)時，F(xiàn)PGA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(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IEEE 802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)上是點對點的，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)上是多點對多點，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ISP/ASP為多個客戶提供服務(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SDH VC和OTN ODU等電路交換技術(shù)，或者M(jìn)PLS和RPR等包交換技術(shù)來實現(xiàn)。對于以太網(wǎng)LAN業(yè)務(wù)，可以在公共傳送網(wǎng)內(nèi)部實現(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，10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps、10 Gbps、100 Gbps)，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10GbE WAN等信號通過OTN傳送，或者將1GbE信號通過SDH傳送。以太網(wǎng)物理層業(yè)務(wù)是點對點的，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，但是延時很低。

采用運(yùn)營商級以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)支持OTN
以太網(wǎng)最初雖然是設(shè)計用在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)很容易實現(xiàn)多點對多點鏈接，在現(xiàn)有點對點傳送技術(shù)下，需要n × (n - 1) / 2路鏈接。
如圖4所示，運(yùn)營商級以太網(wǎng)將以太網(wǎng)從LAN擴(kuò)展到WAN，嘗試進(jìn)入整個通信支撐系統(tǒng)中。其目的是為用戶提供WAN技術(shù)將站點鏈接起來，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
IEEE 802.3ba是正在為40 Gbps和100 Gbps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802.3 MAC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40 Gbps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10 km
● 在OM3 MMF上大于100 m
● 在銅纜上大于10 m
● 在背板上大于1 m
■ 支持100 Gbps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40 km
● 在SMF上大于10 km
● 在OM3 MMF上大于100 m
● 在銅纜上大于10 m

如圖5所示，該工程要在2010年中完成。業(yè)界對于100G的實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100 Gbps速率等級上達(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10 Gbps就開始了融合

Stratix IV FPGA為100GbE OTN設(shè)計鋪平了道路
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)。Altera 40-nm Stratix® IV FPGA系列的定位非常適合滿足100G以太網(wǎng)和傳送系統(tǒng)設(shè)計的性能和系統(tǒng)帶寬要求。Stratix IV GT FPGA密度非常高，集成了在單片器件中實現(xiàn)100 GbE/光纖通道/RPR MAC功能使用的11.3-Gbps收發(fā)器，以及OTN數(shù)據(jù)包前向糾錯(FEC)、映射和成幀等關(guān)鍵處理功能。100 GbE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，Stratix IV FPGA能夠處理EFEC功能，是OTN系統(tǒng)算法實現(xiàn)和測試的理想平臺。圖6顯示了客戶在設(shè)計100GbE OTN設(shè)備時怎樣使用Stratix IV GT FPGA來實現(xiàn)上面介紹的所有功能。
圖6.100G OTN應(yīng)用：LAN到WAN

OTN以及對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)。獨立的語音、視頻、數(shù)據(jù)和存儲網(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Altera Arria® II GX FPGA提供實現(xiàn)OTN1和OTN2波長轉(zhuǎn)換器和交叉連接所需要的功能，具有很高的性價比和功效。
表3.為OTN應(yīng)用提供的Altera Arria II GX收發(fā)器協(xié)議

相對于固定標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品解決方案，靈活的Arria II GX FPGA具有以下優(yōu)點：
■ 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中實現(xiàn)40G波長轉(zhuǎn)換器設(shè)計
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)信號匯集到高速波長上。它避免了為每一路客戶側(cè)低速信號分配獨立的波長，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)用會急劇增長。40G OTN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盘杺魉偷酶h(yuǎn)。由于實現(xiàn)這些EFEC標(biāo)準(zhǔn)需要很大的邏輯容量，因此，在40 Gbps速率時將通用客戶端口、映射器、成幀器和EFEC集成到單片器件中難度很大。
然而，Altera Stratix IV GX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。Stratix IV GX FPGA支持各種數(shù)據(jù)、存儲、TDM和視頻協(xié)議的高效實現(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Stratix IV FPGA實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換器

Stratix IV GX系列提供32個具有時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路的收發(fā)器，數(shù)據(jù)速率從600 Mbps到8.5 Gbps，以及帶有CDR的另外16個收發(fā)器，支持從600 Mbps到6.5 Gbps的數(shù)據(jù)速率。Stratix IV GX FPGA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Stratix IV GX收發(fā)器支持。
表4.為OTN應(yīng)用提供的Stratix IV GX收發(fā)器協(xié)議
 協(xié)議 數(shù)據(jù)速率
 

采用Stratix IV GT FPGA進(jìn)行100G OTN設(shè)計
最近制定標(biāo)準(zhǔn)的活動圍繞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，以便實現(xiàn)管理100G數(shù)據(jù)流量所需要的復(fù)雜處理功能。Stratix IV GT FPGA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100G CFP或者QSFP模塊。這是非常重要的優(yōu)點，因為它避免了使用外部PHY器件，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。表5列出了Stratix IV GT FPGA支持的協(xié)議。
表5.為OTN應(yīng)用提供的Stratix IV GT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。因為ITU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Stratix IV GT和GX器件實現(xiàn)LAN OTN承載100G WAN系統(tǒng)。
圖8.采用Stratix IV FPGA實現(xiàn)LAN OTN承載100G WAN系統(tǒng)

結(jié)論
Altera目前的40-nm FPGA系列產(chǎn)品結(jié)合其合作伙伴支撐系統(tǒng)，非常適合實現(xiàn)新出現(xiàn)的100G OTU4標(biāo)準(zhǔn)以及線路速率從2.5 Gbps (OTU1)到10 Gbps (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)營商級以太網(wǎng)傳送等。
在這一標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展，出現(xiàn)OTU4等各種新協(xié)議的領(lǐng)域，需要10G數(shù)據(jù)速率以及高密度器件來實現(xiàn)完整的100G解決方案，Altera Stratix IV器件是目前能夠滿足100G系統(tǒng)需求的唯一FPGA。