引言

目前的網(wǎng)絡(luò)載荷不斷增大,，供應(yīng)商很難實施并管理他們的高級系統(tǒng),。為適應(yīng)對帶寬不斷增長的需求,，光傳送網(wǎng)(OTN)成為下一代骨干網(wǎng)絡(luò),。光纖迅速替代了銅線和其他介質(zhì)，成為最快,、最可靠的傳輸介質(zhì),。

網(wǎng)絡(luò)最重要的兩方面是速度和可靠性,。網(wǎng)絡(luò)必須一直保持暢通，必須很快,。然而，網(wǎng)絡(luò)載荷一直在急速增長,。數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)承載的一小部分業(yè)務(wù),。語音和多媒體現(xiàn)在是網(wǎng)絡(luò)承載的主要業(yè)務(wù),。

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(shù)增長的主要推動力量是高清晰視頻和高速寬帶消費(fèi)類應(yīng)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(wǎng)絡(luò)服務(wù)出現(xiàn)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(wǎng)(GbE)LANPHY的骨干網(wǎng)傳送層技術(shù),，是下一代以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，也是滿足速度和可靠性要求的唯一標(biāo)準(zhǔn),。在出現(xiàn)新技術(shù)之前,，OTN將一直是主流標(biāo)準(zhǔn)，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(kuò)容,，以滿足未來的需求,。

任何形式的電子通信都包括數(shù)據(jù)包或者分組數(shù)據(jù)流、用戶要發(fā)送的信息,、傳輸介質(zhì),，以及承載數(shù)據(jù)包所使用的傳送方式等。傳送速度越快,，數(shù)據(jù)包到達(dá)越快,。但是，問題出現(xiàn)在發(fā)送端和接收端,，數(shù)據(jù)包到達(dá)太快,，以至于來不及轉(zhuǎn)發(fā)出去。因此,，為提高效率,，通信企業(yè)采用了OTN。

100GOTN(OTU4)簡介

根據(jù)定義,，由光傳送設(shè)備承載的100G傳送數(shù)據(jù)包能夠迅速完成任何類型100G數(shù)據(jù)的傳輸,，其封裝格式是OTN或者以太網(wǎng)。總流量分布在城域,、局域以及長途密集波分復(fù)用(DWDM)網(wǎng)絡(luò)上,。目前ITU組織研究的重點是利用現(xiàn)有100G以太網(wǎng)規(guī)范，IEEE802.3ba,，在現(xiàn)有40G和10G基礎(chǔ)設(shè)備上實現(xiàn)100GOTN,。這能夠滿足越來越高的帶寬需求，降低系統(tǒng)復(fù)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(jù)定義,，目前實現(xiàn)的100G以太網(wǎng)覆蓋距離比100G傳送網(wǎng)要短一些，一般為40km,。100G以太網(wǎng)和100G傳送網(wǎng)有相似的目標(biāo),，即，尋找以低成本實現(xiàn)高性能快速鏈接的方法,。

OTN含有的網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議要求能夠滿足這些需求,，以系統(tǒng)方式在光介質(zhì)上傳輸信息。本文重點介紹通過光纖承載傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)載荷,。建立同步數(shù)字體系(SDH)等OTN機(jī)制也在這一定義范圍之內(nèi),，但是我們主要關(guān)注LAN到WAN的應(yīng)用，特別是40GbE和100GbE應(yīng)用(802.3ba),。出于這一標(biāo)準(zhǔn)化以及工作規(guī)劃的目的,，所有OTN新功能以及相關(guān)技術(shù)都被認(rèn)為是電信標(biāo)準(zhǔn)局(ITU-T標(biāo)準(zhǔn))的工作范疇。

根據(jù)G.872建議要求,，OTN包括由光纖鏈路連接的光網(wǎng)絡(luò)單元(圖2所示),，能夠提供光通道承載客戶信號的傳送、復(fù)用,、路由,、管理、控制和生存等功能,。

圖2 OTN層和網(wǎng)絡(luò)組成

OTN一個獨(dú)特的特性是它支持任何數(shù)字信號的傳輸,，與具體客戶業(yè)務(wù)無關(guān)(即，客戶業(yè)務(wù)無關(guān)性),。根據(jù)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(cè)適配層之間,，包括具體服務(wù)處理,，不包括具體客戶處理，如圖3所示,。

圖3 客戶側(cè)匯集的各種協(xié)議使得OTN成為高性價比通用基本結(jié)構(gòu)

在光通道上實現(xiàn)這一靈活的客戶應(yīng)用系統(tǒng)時,，F(xiàn)PGA扮演了重要角色,。從OTN實施的角度看，它匯集各種獨(dú)立端口的數(shù)據(jù),，提供所需要的帶寬,。表1所示為當(dāng)前OTN標(biāo)準(zhǔn)所支持的數(shù)據(jù)速率。OTU4將增加100G的線路速率,。

表1 OTN數(shù)據(jù)速率

傳送網(wǎng)承載以太網(wǎng)幀

目前,，以太網(wǎng)是專網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主要LAN技術(shù)，公共傳送網(wǎng)也支持新出現(xiàn)的多協(xié)議/多業(yè)務(wù)以太網(wǎng),。從IEEE802的一系列標(biāo)準(zhǔn)來看,，ITU-T和其他組織還在討論公共以太網(wǎng)業(yè)務(wù)和幀傳送標(biāo)準(zhǔn)及其實施協(xié)議。以太網(wǎng)的主要構(gòu)成是業(yè)務(wù)層,、網(wǎng)絡(luò)層和物理層,。

業(yè)務(wù)層

公共以太網(wǎng)業(yè)務(wù)層(對于業(yè)務(wù)供應(yīng)商)包括不同的業(yè)務(wù)市場，拓?fù)溥x擇以及持有模型等,。所采用的持有模型以及使用的拓?fù)漕愋投x了公共以太網(wǎng)業(yè)務(wù),。

根據(jù)所支持的三類業(yè)務(wù)，對拓?fù)溥x擇進(jìn)行了分類,，即線路業(yè)務(wù),、LAN業(yè)務(wù)和接入業(yè)務(wù)。線路業(yè)務(wù)本質(zhì)上是點對點的,，包括以太網(wǎng)專用和虛擬線路等業(yè)務(wù),。LAN業(yè)務(wù)本質(zhì)上是多點對多點，包括虛擬LAN業(yè)務(wù),。接入業(yè)務(wù)本質(zhì)上是分散式結(jié)構(gòu),，支持一個ISP/ASP為多個客戶提供服務(wù)。(從公共網(wǎng)絡(luò)角度看,，由于其相似性,，線路和接入業(yè)務(wù)本來就是一樣的)。

業(yè)務(wù)層提供不同的服務(wù)質(zhì)量,。SDH等電路交換技術(shù)提供有保證的比特率,，而MPLS等包交換技術(shù)提供各種服務(wù)質(zhì)量，從盡力而為到有保證的比特率,?？梢栽谝蕴W(wǎng)MAC層以及以太網(wǎng)物理層提供以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)層

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層支持以太網(wǎng)業(yè)務(wù)端之間以太網(wǎng)MAC幀的端到端傳輸,，由MAC地址區(qū)分業(yè)務(wù)端具體業(yè)務(wù),。以太網(wǎng)MAC層業(yè)務(wù)能夠以線路、LAN和接入業(yè)務(wù)的形式，通過SDHVC和OTNODU等電路交換技術(shù),，或者M(jìn)PLS和RPR等包交換技術(shù)來實現(xiàn),。對于以太網(wǎng)LAN業(yè)務(wù)，可以在公共傳送網(wǎng)內(nèi)部實現(xiàn)以太網(wǎng)MAC橋接,，將MAC幀轉(zhuǎn)發(fā)到正確的目的地址,。以太網(wǎng)MAC業(yè)務(wù)不限于IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義的物理數(shù)據(jù)速率(例如，10Mbps,、100Mbps,、1Gbps、10Gbps,、100Gbps),，因此，能夠以任意比特率提供以太網(wǎng)MAC業(yè)務(wù),。

物理層

IEEE為以太網(wǎng)定義了一組明確的物理層數(shù)據(jù)速率,，并提供一組接口選擇(電或者光)。以太網(wǎng)物理層在公共傳送網(wǎng)上透明傳輸數(shù)據(jù),，使用透明GFP映射技術(shù),，將10GbEWAN等信號通過OTN傳送，或者將1GbE信號通過SDH傳送,。以太網(wǎng)物理層業(yè)務(wù)是點對點的,，總是采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)速率。與以太網(wǎng)MAC層業(yè)務(wù)相比,，它不夠靈活,，但是延時很低。

采用運(yùn)營商級以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)支持OTN

以太網(wǎng)最初雖然是設(shè)計用在LAN環(huán)境中,，但現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)(MAN)中,。以太網(wǎng)在多方面進(jìn)行了改進(jìn)，包括更高的比特率和長距離接口,、基于以太網(wǎng)的接入網(wǎng),、虛擬網(wǎng)絡(luò)、更新能力,、骨干網(wǎng)供應(yīng)商橋接,、可靠的保護(hù)技術(shù)、QoS流量控制和流量調(diào)理等,，因此,，它能夠作為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的承載網(wǎng)。此外,，以太網(wǎng)很容易實現(xiàn)多點對多點鏈接,，在現(xiàn)有點對點傳送技術(shù)下,，需要n×(n-1)/2路鏈接。

如圖4所示,，運(yùn)營商級以太網(wǎng)將以太網(wǎng)從LAN擴(kuò)展到WAN，嘗試進(jìn)入整個通信支撐系統(tǒng)中,。其目的是為用戶提供WAN技術(shù)將站點鏈接起來,，其方式與運(yùn)營商以前采用的ATM、幀中繼和X.25技術(shù)相似,。運(yùn)營商級以太網(wǎng)不是LAN采用的以太網(wǎng),，例如，客戶在桌面以及服務(wù)器房間中使用的以太網(wǎng),。

圖4 運(yùn)營商級以太網(wǎng)多協(xié)議標(biāo)簽

不久前剛開始從以太網(wǎng)向運(yùn)營商級以太網(wǎng)傳送技術(shù)的過渡,。目前為止，ITU-T提供了構(gòu)建基于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)選擇,。ITU-T建議由傳送承載以太網(wǎng)(EoT),，采用PDH、SDH或者OTN等傳統(tǒng)的承載技術(shù)來進(jìn)行傳送,。

采用40G/100G以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)來支持OTN

IEEE802.3ba是正在為40Gbps和100Gbps開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段的目標(biāo)是：

■只支持全雙工工作
     ■保留使用802.3MAC標(biāo)準(zhǔn)的802.3/以太網(wǎng)幀格式
     ■保留當(dāng)前802.3標(biāo)準(zhǔn)的最小和最大幀長度
     ■MAC/PLS業(yè)務(wù)接口支持優(yōu)于10-12的BER
     ■為OTN提供相應(yīng)的支持
     ■支持40Gbps的MAC數(shù)據(jù)速率
     ■提供支持40-Gbps工作的物理層規(guī)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(shù)據(jù)速率
     ■提供支持100-Gbps工作的物理層規(guī)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(yè)界對于100G的實施工作主要集中在傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)上,。傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在100Gbps速率等級上達(dá)成一致,，這一過程從10G就開始了。

圖5 以太網(wǎng)和光傳送網(wǎng)從10Gbps就開始了融合

StratixIV FPGA為100GbEOTN設(shè)計鋪平了道路

目前的業(yè)界發(fā)展趨勢是使用WDM承載以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳送,，通過IP/MPLS/以太網(wǎng)傳送數(shù)據(jù),。Altera40-nmStratix®IVFPGA系列的定位非常適合滿足100G以太網(wǎng)和傳送系統(tǒng)設(shè)計的性能和系統(tǒng)帶寬要求。StratixIVGTFPGA密度非常高,，集成了在單片器件中實現(xiàn)100GbE/光纖通道/RPRMAC功能使用的11.3-Gbps收發(fā)器,，以及OTN數(shù)據(jù)包前向糾錯(FEC)、映射和成幀等關(guān)鍵處理功能,。100GbE的OTU-4標(biāo)準(zhǔn)使用增強(qiáng)FEC(EFEC),，必須采用專用算法進(jìn)行設(shè)計才能確保最大限度的發(fā)揮光帶寬優(yōu)勢。由于其優(yōu)異的架構(gòu)性能,，StratixIVFPGA能夠處理EFEC功能,，是OTN系統(tǒng)算法實現(xiàn)和測試的理想平臺。圖6顯示了客戶在設(shè)計100GbEOTN設(shè)備時怎樣使用StratixIVGTFPGA來實現(xiàn)上面介紹的所有功能,。

圖6 100GOTN應(yīng)用：LAN到WAN

OTN以及對通用客戶端口的需求

OTN含有各種光網(wǎng)絡(luò)單元,，是高效傳送業(yè)務(wù)的基礎(chǔ),。獨(dú)立的語音、視頻,、數(shù)據(jù)和存儲網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)構(gòu)成公共骨干網(wǎng),，由OTN為其提供服務(wù)。OTN設(shè)備必須能夠?qū)⒑芏嗖煌愋偷臉I(yè)務(wù)(以太網(wǎng),、SONET/SDH,、ESCON、光纖通道和視頻)映射到這一公共骨干網(wǎng)中,。

光設(shè)備生產(chǎn)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(cè)端口的解決方案得到了應(yīng)用,。FPGA是實現(xiàn)“通用客戶側(cè)端口”的主要元件，可以配置支持各種客戶側(cè)接口,。這樣,，單片器件能夠高效用于多種應(yīng)用中。

為OTN提供靈活的支持

Altera提供適用于OTN體系結(jié)構(gòu)的全系列產(chǎn)品,，如表2所示,。

表2 Altera器件系列產(chǎn)品

隨著應(yīng)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(fā)器的AlteraArria®IIGXFPGA提供實現(xiàn)OTN1和OTN2波長轉(zhuǎn)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(yīng)用提供的AlteraArriaIIGX收發(fā)器協(xié)議

相對于固定標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品解決方案,，靈活的ArriaIIGXFPGA具有以下優(yōu)點：

■支持新出現(xiàn)的映射技術(shù)，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(cè)接口，采用同一器件實現(xiàn)多種應(yīng)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(shù),。

在單片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)40G波長轉(zhuǎn)換器設(shè)計

波長轉(zhuǎn)換器(復(fù)用轉(zhuǎn)發(fā)器)主要用于將多路低速客戶側(cè)信號匯集到高速波長上。它避免了為每一路客戶側(cè)低速信號分配獨(dú)立的波長,，因此,，大大提高了WDM頻譜效率。

業(yè)界分析師預(yù)測,，到2013年,，40G光端口應(yīng)用會急劇增長。40GOTN設(shè)備越來越大的吞吐量迫切要求進(jìn)一步改進(jìn)FEC技術(shù),，以便能夠?qū)⑿盘杺魉偷酶h(yuǎn),。由于實現(xiàn)這些EFEC標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)過規(guī)劃,，能夠在單片器件中支持40G波長轉(zhuǎn)換器功能，如圖7所示,。StratixIVGXFPGA支持各種數(shù)據(jù)、存儲,、TDM和視頻協(xié)議的高效實現(xiàn),，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(gòu)性能,。所有列出的協(xié)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(xiàn)波長轉(zhuǎn)換器

StratixIVGX系列提供32個具有時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路的收發(fā)器,，數(shù)據(jù)速率從600Mbps到8.5Gbps,，以及帶有CDR的另外16個收發(fā)器，支持從600Mbps到6.5Gbps的數(shù)據(jù)速率,。StratixIVGXFPGA具有530K邏輯單元(LE),，能夠支持40G全波長轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。表4列出了為OTN數(shù)據(jù)速率提供的StratixIVGX收發(fā)器支持,。

表4 為OTN應(yīng)用提供的StratixIVGX收發(fā)器協(xié)議數(shù)據(jù)速率

采用StratixIVGTFPGA進(jìn)行100GOTN設(shè)計

最近制定標(biāo)準(zhǔn)的活動圍繞100G光傳送網(wǎng)OTN-4而進(jìn)行,。這些應(yīng)用需要結(jié)合高速收發(fā)器和10G收發(fā)器來支持所需的吞吐量以及內(nèi)核性能和邏輯密度，以便實現(xiàn)管理100G數(shù)據(jù)流量所需要的復(fù)雜處理功能,。StratixIVGTFPGA支持客戶側(cè)10G光接口的直接連接,，還可以直接連接至網(wǎng)絡(luò)側(cè)的100GCFP或者QSFP模塊。這是非常重要的優(yōu)點,，因為它避免了使用外部PHY器件,，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。表5列出了StratixIVGTFPGA支持的協(xié)議,。

表5 為OTN應(yīng)用提供的StratixIVGT收發(fā)器協(xié)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(biāo)準(zhǔn)還在不斷發(fā)展,，因此,，設(shè)備生產(chǎn)商可以先開發(fā)早期版本的OTN-4波長轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)發(fā)器和再生器,。圖8顯示了怎樣采用StratixIVGT和GX器件實現(xiàn)LANOTN承載100GWAN系統(tǒng),。

圖8 采用StratixIVFPGA實現(xiàn)LANOTN承載100GWAN系統(tǒng)

結(jié)論

Altera目前的40-nmFPGA系列產(chǎn)品結(jié)合其合作伙伴支撐系統(tǒng)，非常適合實現(xiàn)新出現(xiàn)的100GOTU4標(biāo)準(zhǔn)以及線路速率從2.5Gbps(OTU1)到10Gbps(OTU4)的傳統(tǒng)OTN解決方案,。Altera®FPGA涵蓋了光傳送網(wǎng)的所有應(yīng)用,，例如MSPP、P-OTN和運(yùn)營商級以太網(wǎng)傳送等,。

在這一標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展,，出現(xiàn)OTU4等各種新協(xié)議的領(lǐng)域，需要10G數(shù)據(jù)速率以及高密度器件來實現(xiàn)完整的100G解決方案,，AlteraStratixIV器件是目前能夠滿足100G系統(tǒng)需求的唯一FPGA,。