基于FPGA的100G光傳送網設計摘要供應商、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"^K。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。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。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。圖1OTN層和網絡組成根據G.872建議要求，OTN包括由光纖鏈路連接的光網絡單元（圖1所示）圖1OTN層和網絡組成!J|PHItsfEibiarnEi!J|PHItsfEibiarnEi-Jorptr>ia*hinnrihOTN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2所示。Trn4MraiT：l!librtt少沖r> -俱中日TMil慝r^uLw^rh■■啊Mi圖2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1OTN數據速率G.709接線路速率（Gbps）SONETJSDH速率鼓路退率-（Gbps）OTLF12JG?(oc-48/srM-ie248610,709QC-T92/STM-640530TJ343.彌脂OC-763JSTM-25&34.813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nx(n-1)/2路鏈接。如圖3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。Pur*Ethtrntt圖3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OTNIEEE802.3ba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4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4以太網和光傳送網從10Gbps就開始了融合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-nmStratixIVFPGA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5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。圖5100GOTN應用：LAN到WANOTN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2Altera器件系列產品QUT史特垂霧戶期按曰AhsrajK<■QTWI^t?EXT冉或頃AirlandIQ倡bfSlO&bEWAN.lOfibELAN.SFM.I.SFM-.2AritaIIWSlirtlrivGX.641UGFibiEClwirwifi皈心py貴■07W40SFkS.LSFI-5.2SIMbMGRIV.SiraihIV咨T■07UJI0DOb網10G4E,ICRMSFI-i.MLDglH17QT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AlteraArriaIIGXFPGA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收發器協議標準以Gbg表示的敦供速率SCMII1,25GbEl,2S軒mi(X.AUI)3.IS5SCNETIKISM皿SMS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6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6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數據津率GF任k&S4.W6Sbps-6.37**bpshMvktn]0-GbEXAUI3_12ftGbpsKJGlti5祠IM贈信叩XMWSGtipEGbE1.2BGbp?SDHrSCNETQC-12eftsutptSDHfS6NETOe-t&2"fibpsChanntlI.M26-SOp>.2,125 4.2$Cbps.M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