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    科偉奇論壇 » CPLD/FPGA綜合論壇 » 采用FPGA實現100G光傳送網


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    清風細雨 (附小一年級)
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    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。

    .總流量帶寬增長

    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?偭髁糠植荚诔怯、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。

    OTN層和網絡組成

    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。

    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

    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

    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?梢栽谝蕴WMAC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。

    運營商級以太網多協議標簽

    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,F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。

    以太網和光傳送網從10Gbps就開始了融合

    圖5.以太網和光傳送網從10Gbps就開始了融合 StratixIVFPGA100GbEOTN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。

     

    100GOTN應用

    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

    表2

      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

    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。

    使用StratixIVFPGA實現波長轉換器

    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

    .為OTN應用提供的StratixIVGX收發器協議數據速率

     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

    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。

    采用StratixIVFPGA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。

     

      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。





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