采用FPGA实现100G光传送网

 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Stratix IV GT FPGA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522 exabytes (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) LAN PHY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。

100G OTN (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，IEEE 802.3ba，在现有40G和10G基础设备上实现100G OTN。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40 km。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IEEE 802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SDH VC和OTN ODU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，10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps、10 Gbps、100 Gbps)，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10GbE WAN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
IEEE 802.3ba是正在为40 Gbps和100 Gbps开发的标准。现阶段的目标是：
■ 只支持全双工工作
■ 保留使用802.3 MAC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40 Gbps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10 km
● 在OM3 MMF上大于100 m
● 在铜缆上大于10 m
● 在背板上大于1 m
■ 支持100 Gbps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40 km
● 在SMF上大于10 km
● 在OM3 MMF上大于100 m
● 在铜缆上大于10 m

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100 Gbps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10 Gbps就开始了融合

Stratix IV FPGA为100GbE OTN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。Altera 40-nm Stratix® IV FPGA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。Stratix IV GT FPGA密度非常高，集成了在单片器件中实现100 GbE/光纤通道/RPR MAC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。100 GbE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，Stratix IV FPGA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100GbE OTN设备时怎样使用Stratix IV GT FPGA来实现上面介绍的所有功能。
图6.100G OTN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Altera Arria® II GX FPGA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Altera Arria II GX收发器协议

相对于固定标准产品解决方案，灵活的Arria II GX FPGA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。40G OTN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40 Gbps速率时将通用客户端口、映射器、成帧器和EFEC集成到单片器件中难度很大。
然而，Altera Stratix IV GX系列经过规划，能够在单片器件中支持40G波长转换器功能，如图7所示。Stratix IV GX FPGA支持各种数据、存储、TDM和视频协议的高效实现，包括GbE、光纤通道(1G、2G、4G)、SONET (OC-N)和SDH (STM-N)等，为这些需求提供所需要的逻辑密度和架构性能。所有列出的协议由Altera直接提供支持或者通过合作伙伴提供支持。
图7.使用Stratix IV FPGA实现波长转换器

Stratix IV GX系列提供32个具有时钟数据恢复(CDR)电路的收发器，数据速率从600 Mbps到8.5 Gbps，以及带有CDR的另外16个收发器，支持从600 Mbps到6.5 Gbps的数据速率。Stratix IV GX FPGA具有530K逻辑单元(LE)，能够支持40G全波长转换器应用。表4列出了为OTN数据速率提供的Stratix IV GX收发器支持。
表4.为OTN应用提供的Stratix IV GX收发器协议
 协议 数据速率
 

采用Stratix IV GT FPGA进行100G OTN设计
最近制定标准的活动围绕100G光传送网OTN-4而进行。这些应用需要结合高速收发器和10G收发器来支持所需的吞吐量以及内核性能和逻辑密度，以便实现管理100G数据流量所需要的复杂处理功能。Stratix IV GT FPGA支持客户侧10G光接口的直接连接，还可以直接连接至网络侧的100G CFP或者QSFP模块。这是非常重要的优点，因为它避免了使用外部PHY器件，大大降低了系统复杂度。表5列出了Stratix IV GT FPGA支持的协议。
表5.为OTN应用提供的Stratix IV GT收发器协议
 

而且，器件支持绑定接口，例如芯片至模块和芯片至芯片连接的MLD和SFI-S。因为ITU和OIF的标准还在不断发展，因此，设备生产商可以先开发早期版本的OTN-4波长转换器、转发器和再生器。图8显示了怎样采用Stratix IV GT和GX器件实现LAN OTN承载100G WAN系统。
图8.采用Stratix IV FPGA实现LAN OTN承载100G WAN系统

结论
Altera目前的40-nm FPGA系列产品结合其合作伙伴支撑系统，非常适合实现新出现的100G OTU4标准以及线路速率从2.5 Gbps (OTU1)到10 Gbps (OTU4)的传统OTN解决方案。Altera® FPGA涵盖了光传送网的所有应用，例如MSPP、P-OTN和运营商级以太网传送等。
在这一标准不断发展，出现OTU4等各种新协议的领域，需要10G数据速率以及高密度器件来实现完整的100G解决方案，Altera Stratix IV器件是目前能够满足100G系统需求的唯一FPGA。