采用FPGA實現100G光傳送網

供應商、企業以及服務提供商認為100G系統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不斷的寬帶需求。各種標準組織正在制定傳送網和以太網以及光接口100G標準。對于希望在標準發布之前，先期設計100G系統的開發人員而言，FPGA由于自身的靈活性而發揮了非常重要的作用。Altera的StratixIVGTFPGA在40-nm技術節點提供集成11.3-Gbps收發器，解決了100G傳送網和100G以太網遇到的問題。這些FPGA是設計100G系統的理想平臺，提供高性價比并且有助于產品迅速面市的解決方案。

　　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。總流量分布在城域、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。可以在以太網MAC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。

　　采用40G/100G以太網體系結構來支持OTN

　　IEEE802.3ba是正在為40Gbps和100Gbps開發的標準。現階段的目標是：

■只支持全雙工工作
■保留使用802.3MAC標準的802.3/以太網幀格式
■保留當前802.3標準的最小和最大幀長度
■MAC/PLS業務接口支持優于10-12的BER
■為OTN提供相應的支持
■支持40Gbps的MAC數據速率
■提供支持40-Gbps工作的物理層規范，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數據速率
■提供支持100-Gbps工作的物理層規范，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。業界對于100G的實施工作主要集中在傳送網和以太網上。傳送網和以太網標準在100Gbps速率等級上達成一致，這一過程從10G就開始了。

圖5.以太網和光傳送網從10Gbps就開始了融合

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　StratixIVFPGA為100GbEOTN設計鋪平了道路

　　目前的業界發展趨勢是使用WDM承載以太網進行數據包傳送，通過IP/MPLS/以太網傳送數據。Altera40-nmStratix?IVFPGA系列的定位非常適合滿足100G以太網和傳送系統設計的性能和系統帶寬要求。StratixIVGTFPGA密度非常高，集成了在單片器件中實現100GbE/光纖通道/RPRMAC功能使用的11.3-Gbps收發器，以及OTN數據包前向糾錯(FEC)、映射和成幀等關鍵處理功能。100GbE的OTU-4標準使用增強FEC(EFEC)，必須采用專用算法進行設計才能確保最大限度的發揮光帶寬優勢。由于其優異的架構性能，StratixIVFPGA能夠處理EFEC功能，是OTN系統算法實現和測試的理想平臺。圖6顯示了客戶在設計100GbEOTN設備時怎樣使用StratixIVGTFPGA來實現上面介紹的所有功能。

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圖6.100GOTN應用：LAN到WAN

　　OTN以及對通用客戶端口的需求

　　OTN含有各種光網絡單元，是高效傳送業務的基礎。獨立的語音、視頻、數據和存儲網絡演進構成公共骨干網，由OTN為其提供服務。OTN設備必須能夠將很多不同類型的業務(以太網、SONET/SDH、ESCON、光纖通道和視頻)映射到這一公共骨干網中。

　　光設備生產商不斷降低成本，采用跨平臺元器件，因此，靈活映射各種客戶側端口的解決方案得到了應用。FPGA是實現“通用客戶側端口”的主要元件，可以配置支持各種客戶側接口。這樣，單片器件能夠高效用于多種應用中。

　　為OTN提供靈活的支持

　　Altera提供適用于OTN體系結構的全系列產品，如表2所示。

表2.Altera器件系列產品

　　隨著應用的推廣，OTN1和OTN2對成本和功耗越來越敏感。如表3所示，含有嵌入式收發器的AlteraArria?IIGXFPGA提供實現OTN1和OTN2波長轉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應用提供的AlteraArriaIIGX收發器協議

　　相對于固定標準產品解決方案，靈活的ArriaIIGXFPGA具有以下優點：

■支持新出現的映射技術，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接口，采用同一器件實現多種應用。
■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。

　　在單片FPGA中實現40G波長轉換器設計

　　波長轉換器(復用轉發器)主要用于將多路低速客戶側信號匯集到高速波長上。它避免了為每一路客戶側低速信號分配獨立的波長，因此，大大提高了WDM頻譜效率。

　　業界分析師預測，到2013年，40G光端口應用會急劇增長。40GOTN設備越來越大的吞吐量迫切要求進一步改進FEC技術，以便能夠將信號傳送得更遠。由于實現這些EFEC標準需要很大的邏輯容量，因此，在40Gbps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，AlteraStratixIVGX系列經過規劃，能夠在單片器件中支持40G波長轉換器功能，如圖7所示。StratixIVGXFPGA支持各種數據、存儲、TDM和視頻協議的高效實現，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性能。所有列出的協議由Altera直接提供支持或者通過合作伙伴提供支持。

圖7.使用StratixIVFPGA實現波長轉換器

　　StratixIVGX系列提供32個具有時鐘數據恢復(CDR)電路的收發器，數據速率從600Mbps到8.5Gbps，以及帶有CDR的另外16個收發器，支持從600Mbps到6.5Gbps的數據速率。StratixIVGXFPGA具有530K邏輯單元(LE)，能夠支持40G全波長轉換器應用。表4列出了為OTN數據速率提供的StratixIVGX收發器支持。

表4.為OTN應用提供的StratixIVGX收發器協議數據速率

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采用StratixIVGTFPGA進行100GOTN設計

　　最近制定標準的活動圍繞100G光傳送網OTN-4而進行。這些應用需要結合高速收發器和10G收發器來支持所需的吞吐量以及內核性能和邏輯密度，以便實現管理100G數據流量所需要的復雜處理功能。StratixIVGTFPGA支持客戶側10G光接口的直接連接，還可以直接連接至網絡側的100GCFP或者QSFP模塊。這是非常重要的優點，因為它避免了使用外部PHY器件，大大降低了系統復雜度。表5列出了StratixIVGTFPGA支持的協議。

表5.為OTN應用提供的StratixIVGT收發器協議

　　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的標準還在不斷發展，因此，設備生產商可以先開發早期版本的OTN-4波長轉換器、轉發器和再生器。圖8顯示了怎樣采用StratixIVGT和GX器件實現LANOTN承載100GWAN系統。

圖8.采用StratixIVFPGA實現LANOTN承載100GWAN系統

　　結論

　　Altera目前的40-nmFPGA系列產品結合其合作伙伴支撐系統，非常適合實現新出現的100GOTU4標準以及線路速率從2.5Gbps(OTU1)到10Gbps(OTU4)的傳統OTN解決方案。Altera?FPGA涵蓋了光傳送網的所有應用，例如MSPP、P-OTN和運營商級以太網傳送等。

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　　在這一標準不斷發展，出現OTU4等各種新協議的領域，需要10G數據速率以及高密度器件來實現完整的100G解決方案，AlteraStratixIV器件是目前能夠滿足100G系統需求的唯一FPGA。