100G Ethernet Technologies and Applications
2009-09-25
作者:张远望
摘要:急速增加的带宽需求驱动100G以太网尽快地投入应用，支撑100G以太网接口的关键技术，主要包含物理层通道汇聚技术、多光纤通道及波分复用(WDM)技术。接口部分的高速光器件关键技术需要突破，接口速率提高带来的高带宽需求对包处理和存储、系统交换、背板技术等都提出了新要求。另外，网络需要解决新接口的传输问题，包括新接口传输标准定义和传输技术解决。就目前的成本和需求来看，100G以太网的商用在城域网先行是比较可行的方案。关键字:100G以太网；IEEE802.3ba；100GE传输 英文摘要:The rapidly increasing requirement of bandwidth drives the 100G Ethernet into us
e as quickly as possible. The key technologies supporting 100G Ethernet interface include the physical layer channel convergence technology, multi-fiber channel and Wavelength Division Multiplexing (WDM) technology. The high speed fiber device needs to be resolved, and the higher bandwidth requirements by higher interface speed demands more packet processing and storage, system switching, and the backplane design. Besides, the network needs to solve the issue of the transport for the new interface, including defining new transport standard and resolving the key transport technologies. Considering current cost and requirements, the commercial service of 100 Gbit/s Ethernet is viable in metropolitan area network.
英文关键字:100G Ethernet；IEEE802.3ba；100GE transport
无线存储 推动以太网接口速率升级到100 Gbit/s的根本需求是带宽增加，其中最主要的因素就是视频等带宽密集应用，另外以太网的电信化应用也导致汇聚带宽需求增速加剧。从以太网用户接入、企业到主干在内的每一级网络都在逼近着其当前的速度极限。
推广100G以太网应用的前提是相关标准的制定。100 Gbit/s以太网接口对应的标准是IE
EE802.3ba[1]，目前处于草案2.1阶段[2]，标准已经确定了各种接口介质、速率和物理编码子层(PCS)、媒体接入控制(MAC)层架构定义。标准在2009年7月会议后停止所有技术变更，2009年11月标准会议将产生草案3.0，预计于2010年6月前发布。此外，和100GE相关的标准组织还包括国际电信联盟远程通信标准组(ITU-T)和光互联论坛(OIF)，其关注的侧重点不同，ITU-T主要制定100G传输光转换单元(OTU)帧结构和编码、容错技术；OIF主要研究物理层高速通道规范、定义电接口标准。
烷基叔丁基醚 以太网升级到100 Gbit/s接口离不开关键技术支撑，关键技术的成熟和商用化也都还需要时间。从芯片、系统、网络各个层面包括标准研究都还需要技术突破和时间。
1 100 G以太网技术及标准
支撑100G以太网接口的关键技术，主要包含物理层(PHY)通道汇聚技术、多光纤通道及波分复用(WDM)技术。物理介质相关(PMD)子层满足100 Gbti/s速率带宽，新的芯片技术支持到40 nm工艺，这些提供了开发下一代高速接口的可能。对应于接口部分，光纤接口PMD的并行多模接口存在着封装密度大和功耗问题需要解决，单模4×25 Gbit/s的WDM接口存在25 Gbit/s串行并行转换电路(SERDES)技术和非冷却光器件的技术需要突破；对应
于系统部分，接口速率提高带来的高带宽给包处理、存储，系统交换，背板技术都提出了新的门槛；对应于网络，需要解决新接口的传输问题，不光需要定义新的OTU帧结构，对于如此超高速传输，需要解决电子线路极限情况下的信号处理、光信号的调制、物理编码、散补偿、非线性处理、与FE/GE/10GE帧结构和PHY内各子层的兼容性和一致性问题等，还需要使100G传输特性能够满足现有10G传输网的相关特性，否则带来的网络重建必将影响新技术的推进。
探空气球
下一代以太网技术标准包含了40 Gbit/s和100 Gbit/s两种速度，主要针对服务器和网络方面不同的需求。40 Gbit/s主要针对计算应用，而100 Gbit/s则主要针对核心和汇接应用。提供两种速度，IEEE意在保证以太网能够更高效更经济地满足不同应用的需要，进一步推动基于以太网技术的网络会聚。标准规定了物理编码子层(PCS)、物理介质接入(PMA)子层、物理介质相关(PMD)子层、转发错误纠正(FEC)各模块及连接接口总线，MAC、PHY间的片间总线使用XLAUI(40 Gbit/s)、CAUI(100 Gbit/s)，片内总线用XLGMII(40 Gbit/s)、CGMII(100 Gbit/s)，各种介质的架构如图1所示[3]。
标准仅支持全双工操作，保留了802.3MAC的以太网帧格式；定义了多种物理介质接口规范，其中有1 m背板连接(100GE接口无背板连接定义)、7 m铜缆线、100 m并行多模光纤和10 km单模光纤(基于WDM技术)，100 Gbit/s接口最大定义了40 km传输距离。标准定义了PCS的多通道分发(MLD)协议架构，标准还定义了用于片间连接的电接口规范，40 Gb
it/s和100 Gbit/s分别使用4个和10个10.312 5 Gbit/s通道，采用轮询机制进行数据分配获得40G和100G的速率，另通过虚拟通道的定义解决了适配不同物理通道或光波长问题；明确了物理层编码采用64B/66B。
标准虽然给出了100 Gbit/s以太网的架构、接口定义，但目前尚有诸多待解决的问题。首先，PMD是802.3ba的一个关键部分，40G/100G光模块包含短波长的并行接口，对应40GBASE-4SR和100GBASE-10SR，主要的技术难点在于封装密度大；长波长的波分接口，难度在于PMA对应的25 Gbit/s的SERDES和封装技术，对于100G的WDM光模块非制冷激光器技术是标准相关的关键技术，封装形式由CFP多源协议(MSA)规定为CFP[4]；对应的铜缆介质有关接口(MDI)标准的定义采用SFF-8436和SFF-8642，具体的结构尺寸和引脚分配已经给出。据了解目前主要供应商提供100G WDM光模块要到2010年。
100G接口对应的相关芯片在MAC层已经没有问题，PMA业务接口电接口规范要求每个通道工作在10.312 5 Gbit/s速率，除了标准成熟后使用专用集成电路(ASIC)实现，前期基
于现场可编程门阵列(FPGA)实现的MAC则需要支持到10.312 5 Gbit/s速率，仅有少数FPGA公司支持[5]。之前的评估系统采用的是增加SERDES Mux器件[6]，由8/20个5.156 25 Gbit/s的通道转换到4/10个10.312 5 Gbit/s的标准接口的过渡措施[7]。
对于100G以太网设备系统，除了以上100G以太网接口相关技术难点需要克服，还需要配套的包处理器，对于分布式大容量交换系统还需要大容量的分组交换系统套片等系统级的困难需要解决。
高频预热机 对于100G的包处理能力，目前业界还没有通用可选方案，开发中的几个方案都还待评估；对于网络处理器的内容可寻址存储器(CAM)等查接口带宽最少要增加2倍以上，数据总线宽度、速率也都存在瓶颈，催生了Interlaken LA等串行高速总线接口投入使用。由于单片处理能力限制及总线接口转换等导致存在和多片堆砌的情况，至使单板面积、功耗等都难接受。基于FPGA定制开发的解决方案需要企业具备全面的技术，往往提供的业务处理能力受限。
分组交换系统套片，包括交换网和交换网接口芯片，或含流量管理(TM)芯片，以前大多数系统都难于支持每线卡大于100 Gbit/s的有效数据带宽，目前新方案每线卡背板接口带宽最大约为100～200 Gbit/s，背板SERDES总线速率支持到6.5 Gbit/s左右；支持100 Gbit/s接口每线卡带宽需要升级到200～500 Gbit/s带宽，背板SERDES速率甚至要达到10.312 5 Gbit/s以上，对于背板设计、工艺要求、材料、总线长度满足等都比以前要苛刻的多；对于满足电信级要求的系统，还需要满足虚拟队列(VoQ)、层次化服务质量(HQoS)等流管理特性，这就要求更大的处理带宽需求、更多的队列支持能力、更大的缓冲等提升系统设计难度。
移动商铺随着系统要求的提升，系统功率也在提高。100 Gbit/s长波长PMD需要4个25 Gbit/s通道，SERDES速率和通道数的增加需要更大电源；100 Gbit/s处理器需要更大量的存储器，当然也需要更大功率；微处理技术也需要更大功率。对此，需要寻解决方案。功率事关未来，同时功率也是重大的障碍，不仅要为电路板供电，还需要控制如此大的功率并保证系统冷却。随着我们转向速度更快的以太网，这些都是业界面对的主要问题。
高速以太网要想真正给用户带来实际的科技效益，必须将传送网业务承载到传送网上，
而不能仅仅用在大型数据中心或者小范围局域网内。所以除了调制技术之外，高速以太网如何在光传送网上传输以及操作维护管理(OAM)等特性也是决定其成败的关键技术。ITU-T SG15 Q11济州岛中间会议已经达成了40G/100G以太网接口的OTU映射定义[8]：G.709中给出40GE映射到OPU3，使用1 024B/1 027B传输编码；100GE映射到ODU4/OTU4，比特率为111.809 973 Gbit/s(=255/227×2.488 320 Gbit/s×40)。标准的成熟预计要到2011/2012年左右。对100 Gbit/s以太网等高速业务而言，虚级联技术可以实现适配，但是要提高光纤的利用率，虚级联并不是高效的技术，而只能提高每个波长的比特率。
采用串行100G的密集波分复用(DWDM)传输技术，将10×10GE/4×25GE的100GE业务通过ODU4适配到111.809 973 Gbit/s的OTU4中。由于单波100G速率非常高，对于各种物理损伤容限，如光信噪比(OSNR)、偏振膜散(PMD)等提出了更高要求，需要使用特殊技术来降低传输光纤线路上传输光信号的波特率来提升损伤容限。例如，采用高阶的编码调制技术如正交相移键控(QPSK)、8相移相键控(8PSK)、正交幅度调制(QAM)、正交频分复用(OFDM)等，并结合偏振复用解复用技术。由于单波传输100GE对偏振膜散(PMD)、度散(CD)有更严格的要求，因此，未来在接收端可能采用相干接收/电处理的方式，来
提升对物理损伤的容限，包括非线性效应抑制、PMD、CD补偿等，从而使单波100GE能够在10G/40G网络中混合传送、平滑升级。
从长期来看，100GE DWDM传输将采用偏振复用、高阶编码调制、相干接收/电处理、超强FEC等技术的组合解决方案，从而可以平滑的将40G光网络升级到100G系统。由于100G传输需要高速光电器件的支撑，预计2012年，这些高速光电器件将会趋于成熟。
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