40&100GE;-以太网承载和传输技术研究.pdf

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本研究报告介绍了 40/100GE 以太网发展历程和最新进展,包括主要的接口技术规范; 研究了 40/100GE 以太网的 OTN 承载技术;特别重点研究分析了相关的光传输技术,包括客户 侧互联技术、线路侧传输技术,并对产业链状况进行了详细介绍。 通过对目前的 40/100GE 以太网承载和传输最新技术的研究分析,建议 CCSA 下一步启动 100G 相关的技术报告立项工作,在继续跟踪 40GE/100GE 标准化进程的同时,加大对 OTN 承载和 100G 长距传输的标准研究力度,促进产业化进程,为今后立项 100G 承载和传输标准奠定坚实的基础。 本研究报告由传送网和接入网技术工作委员会传
40/100GE以太网承载和传输技术研究 简介:木研究报告介绍了40/100GE以太网发展历程和最新进展,包括主要的接技术规范 研究了40100GE以太网的OTN承载技术;特别重点研究分析了相关的光传输技术,包括客户 侧互联技术、线路侧传输技术,并对产业链状况进行了详细介绍。 通过对目前的40/100GE以太网承载和传输最新技术的研究分析,建议CCSA下一步启动00G 相关的技术报告立项工作,在继续跟踪40GE/100GE标准化进程的叵时,加大对OTN承载和100G 长距传输的标准研究力度,促进广业化进程,为今后立项100G承载和传输标准奠定坚实的基础。 本研究报告由传送网和接入网技术工作委员会传送网工作组提出,传送网和接入网技术工作 委员会通过。 1课题背景 随着信息社会的不断发展,人们对带宽的需求越米越多,从而促进了网络技术的巨大 发展。其中以太网技术的发展尤为突出,在10G以太网完成标准化并获得广泛应用后不久 更高速率(10/100G)的以太网技术需求使被提上了议事日程,并且获得了业界的积极响 应,并进而推动相应的承载和传输技术向前发展。 屮国的通信产业经过近20年的发展,在用户数量、网络规模、应用技术水平、网络建 设速度等方面已经处于世界领先水平,跟踪和参与先进通信技术的研究,更好地服务于国 内通信产业的发展,并进而更好地走向世界,已成为国内通信从业者的重要任务之一。作 为国内通信行业标准工作的领导者和组织者,CCSA适时地在TC6WG1提出开展更高速率 以太网承载和传输技术的研究,并批准立项“40/100E以太网承载和传输技术”的硏究 课题(项目编号208B17),由屮兴通讯股你有限公司牵头,联合华为技术有限公司、诺 基亚西门了通信(上海)有限公司、武汉邮电科学院、上海贝尔阿尔卡特股份有限公司等 多家CCSA成员单位,共同参与该研究课题的研究。终过一年多的工作,在所有参与单位 的共同努力下,完成了该课题的研究报告 240/100GE发展历程和最新进展 2.1从HSSG到P802.3ba 以太网技术的发展经历了从低速到高速的多个发展阶段,速率从1M、10M、100M、 1G发展到10G,但更多的需求促使其向更高速率演进,如日益增长的应用推进了带宽汇聚 的需求、而10GbE链路汇聚的能力正在接近极限,进而考虑满足未来(2010年左右)的 需求等这些因素,促使人们考虑制定100G以太网标准 在2006年7月的IEEE802.3会议上,正式表决同意成立高速研究组(HSSG)研究 相关问题,需要考虑的内容有: 1)定义大于10Gb/s的MAC速率和相关PlHY能力问题 2)传统的10倍速率升级 3)成本模犁 4)多种应用距离目标,目标是提出至少1个立项申请。 HSSG组主要评估在IEEE802.3中定义大于10G的MAC速率和相关PHY能力的问题, 目标是提出个或多个立项中请(PAR)。HSG儿个重要的里程碑如卜: 1)2006年11月:同意支持100Gb/s的MAC层数据速率; 2)2007年7月:同意支持40Gb/s和100Gb/s的两种MAC层数据速率,为OTN提供 合适的艾持 3)2007年12月5日:由HSSG提交的P802.3ba立项申请(PAR)获得批准,HSSG 完成了它的使命,相关工作转入到 IEEE P802.3ba40Gb/sand100Gb/ s Ethernet task Force。 P802.3 ba ethernet task force成立以来的几个重要里程碑如下: 1)2008年7月:确定所有基线(除40 GBASE-LR外) 2)2008年9月:完成第一份技术规范草案 Draft1.0 3)2009年1月:输出技术完备的 Draft1.2(已解决和关闭所有开放性问题); 4)2009年34月:完成 Draft2.0,提交WG表决,未获通过; 5)2009年5~6月:完成 Draft2.1,提交WG表决,已经通过 6)2009年7月:会议讨论,准备形成Drat2.2,提交W表决: 7)日标:2010年中正式发布标准。 最新的时问安排如图1所示。 ieee P802 3ba Task force Timeline Here Task Force Tomation Baseline Review Ba lpt Last "eatre Tehnical c F A M, 0. FM AM. A0N FMAM』A5:N 2008 2009 2010 PAR w(= Ballots LMSC Ballots ▲EEE82 Plenary Adopted by ieee P8023ba TF at March o8 Plenary QIEEE 802.3 Intern IFF=- A Standards fnarr 图1802.3ba标准进展时间表 P802.3 ba task force最终达成的应川日标如下: )仅支持全双工操作 2)保持802.3的以太网帧格式使用802.3MAC; 3)保持当前802.3标准中的最小和最大帧大小 4)支持在CPLS服务接口的BER大于等于102 5)提供对0N的适当支持 6)支持10Gb/s的MAC速率 7)对于40Gb/s提供下面物理层规范; SMF至少10km、OM3MMF至少100m、同轴电缆至少10m、背板至少1m; )支持40Gb/s的MAC速率; 9)对于400b/s提供下面物理层规范: SMF至少10km和40km、OM3MMF至少100m、同轴电缆至少10m。 未来支持以上应用而制订的接口类型如下,具体的技术规范在下节介绍 10)40G以太网 编码速率为41.25Gbit/s±100ppm 1m背板接口为4x10 GBASE-KR; —10m铜缆为4x10G( based on10 BASE-KR); 100m多模为4x10G(每个方向4光纤); 10km单模为4x10G(1.3CwDM) 11)100G以太网 编码速率为103.125Gbit/s±100ppm -10m铜缆为10x10G( based on10 GBASE-KR) 100m多模为10x10G(每个方向10光纤); 10km单模为4x25G(1.3DWDM,800GHz问隔) 10km单模为4x25G(1.3DWDM,800GHz间隔); 2.240/100GbE接口技术规范介绍 IEEE802.3ba【1】屮划分的40/100GE各分层功能模块如图2(a)所示,作为参考 10GE的各分层功能模块如图2(b)所示。 从图2的参考模型,可以看出层结构分为MAC、PCS、FEC、PMA和PMD。 MAC层是数据链路层中接近物理层的一个子层,完成数据帧的封装、解封、发送和接 收功能。MAC层负责对网络的访问、MAC寻址、帧类型识別等操作。 PCS子层位于RS层和PMA子层之间,主要功能是编解码、冲突检测和串并转换。PCS 子层完成并行二进制数据的编码,并将结果传送到下一个子层。PCS子层和上层的接口由 GMII提供,与下层PMA接口使用PMA服务接口。 LAN CSMACD HIGHER LAYERS LLC OR OTHER MAC CLIENT RETTRNCI MODEL MAC CONTROL(OPTIONAL) LAYERS APPLICATION RECONCILIAT ON PRESENTATION ;t{ ⅪLGM→ CGMII GESGION FEC FEC TRANSPORT NETWORK // PMA > PHY PMA PHY PMD PMD DATA LINK ANT ANT PLYS CAL MDI MEDIUM MEDIUM L0GBAS-R 100GRAST-R AN〓AUTO- NEGOTIATION PHY-PHYSICAL LAYER DEVICE CGMI= 100 Gb/s MEDIA INDEPENDENT INTERFACE PMA= PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENT EC= FORWARD ERROR CORRECTION PMD= PHYSICAL MED IUM DEPENDENT C=LOGICAL LINK CONTROL XLGMIl= 40 Gbs MEDIA INDEPENDENT INTERFACE MAC= MEDIA ACCESS CONTROL MDI= MEDILIM DE P NDI NT INTTRTACI PCS=PHYSICAL CODING SUELAYER NOTE1-CONDITIONAL BASED ON PHY TYPE (a)40GE/100GE层参考模型图 GSMACD LAYERS R三 FERENCE MODE FIG-ER LAYERS LAYERS LLc汇LG|CAL凵 NK CONTROL) ROTHER MAC CLIENT AP=LICATION MAC CONTROL(OPTIONAL) RESENTATION MACMEDIA ACCESS CONTROL SESSION REC飞CL|AT|N TRANSPORT,/ XGMII XGM|一鲁 XGMII- NE TWORK 64B/ 66B PCS MIS T4BGGB PCE RB 10R PCS PHY DATA LINK PMA PHY FMD I PMD PMD PHYSICAL MDI MDI MEDIUM Z MEDIUM MEDIUM 10G三AsE1 1OGBASER 10GBASE.X MDI=MEDIUM DEPENDENT INTERFAC- PMD=PHYSICAL MEDIUM DEPENDENT PCS= PHYSICAL CODING SUBLAYER WIS=WAN INTERFACE SUBLAYER PHY= PHYSICAL LAYER DEVICE XGMI=10 GIGABIT MEDIA INDEPENDENT INTERACE PMA= PHYSICAl MDILIM ATTACHMENT b)10GE分层参考模型图 图210GE与40GE/100GE参考模型对比图 FC子层位于PCS和PMA之间,是指信号在被传输之前预先对其进行按一定的格式处 理,在接牧端则按规定的算法进行解码以达到找出错码并纠错的目的。该了层为可选 PMA子层将PCS子层的编码结果向各种物理媒体传送,主要完成并行到串行(中PCS 到PⅧD层)和串行到并行(PM到PCS层)的转换。PMA子层提供了PCS和PMD层之间的 串并转换服务,完成链路监测、编译码等功能。对于从PMD层收到的串行数据流,要转换 为并行信号送到PCS层。 在PMA子层内可提供ⅫLAUI/CAUI接口,为40/100G组件芯片之间以及芯片与光模块 之间提供灵活的互连手段,可允许约25cm的PCB连接距离(包含一个接头)。例如,CAUI 接口可提供10总线100Gb/sPMA与10:4PMA映射器件之间的物理链接,而XAUI接口可 延长40Gb/s以太网系统屮MAC和PIY器件之问接口总线的距离。 ⅪLAUI/CAUI接凵有下列特性: 1)独立的发送和接收数据通道; 2)差分交流耦合低电压摆幅信号 3)自定时接口; 4)与其他40Gb/s和100Gb/s接口共享同样的技术; 5)与其他40Gb/s和100Gb/s以太网功能块共享同样的功能定义: 6)使用64B/6B编码。 图3显示了XAU和CAUI在分层结构中的位置关系。 MAC AND HIGHE LEYERS RECONCILATION XLGM→ CMI 40GEASE-RPCS 100GBASE-R PCS FEC1 三c PMA(4:4) FMA(20:10) XLAUIT CAUlT PMA(441 PMA(10: 10 PMDSERVCE PMA(10-47 NTERFAc PMD SERVIC三 INTERFACE PMC PlD MED LM NED UM 40GBASE-R 101GBASE-R CAUl= 100 Gbis ATTACHMENT UNT INTERFACE PMD= PHYSICAL MEDIUM DEPENDENT CGM= 100 GbsNEDA NDEPENDENT NTERFACEXLA=40 3bs ATTACHMENT UNITNTERFAC FEC= FORWARD ERROR CORRECTION XLGMII= 40 Gbs MEDIA INDEPENDENT INTERFACE MAC= MEDIA ACCESS CONTROL MD=M三 DIUM DEPENDENT NTERFAC三 NOTE.-OPTONAL OR OMITTED DEPENDING ON PHY TYPE PCS=PHYSICAL CODING SUBLAYER NOTE2-CONDITIONAL BASED ON PMD TYPE PMA= PHYSCAL MEDIUM AT TACHMENT 图 和位置关系图 物理层负责从介质上发送和接收信号,PMD是物理层的最低子层。PMD子层完成数据 流的扰码、解扰,将电信号转換成适合于在某种特定介质上传输的形式。PM子层的功能 是支持在PMA子层和介质之间交换串行化的符号代码位,对各种实际的物理媒体完成接 凵,完成真正的物理连接 慨括来说,RS层是MAC层和物理层之间的通路。PCS主要负责对来自MAC层数据的编 码和解码。PMA负责把编码转换为适应物理层传输的比特流,同时完成数据解码的同步。 PD负责信号的传送包括信号的放大、调制和波的整形。不同的PMD设备支持不同的物理 介质。MD定义了对应于不同的物理介质和PMD设备所采用的接口类型。 与10GbE相比,40GbE/100GbE的MAC与PHY的接口由原来的 XGMIL接口演变成XGMI 接口(40GbE)和 CGMII(100GbE),同时PHY的层次结构上多了FEC功能层。 Ⅺ LGMII/CGI接口具有下列特性: 1)具有升级功能,支持速率为40Gb/s和100Gb/s; 2)数据和分隔符与参考始终同步; 3)提供独立的61bit宽的发送和接收数据通道; 4)仅针对全双工操作 相比较10G的 XGMIL接口,Ⅺ LGMII/ CGMII接口速率由10Gb/s提高到40Gb/s和 I00Gb/s,同时数据通道由32bit增加到64bit 同时IEE802.3采纳MLD作为40GE/100GE架构方式,该架构在对MAC数据流进行PCS 层64B/66B编码后,按照66B块进行分发。40GE则分发刭4路虚通道上,100GE则分发到 20路虚通道上。针对不冋的物理通道数量,再对虚通道进行比特复用。例如,20路虚通 道通过2:1比特复用器复用成10路物理通道,通过5:1比特复用器复用成4路物理通道, 如图4所示。为了能够在接收段对齐多路虚通道,需要在虚通道上插入66B对齐码块。 对齐码块并不占用额外的带宽空间,而是采用删除IPG空间的方法获得。 Striping Sublayer PMA(10:4) 100G CTR1 20 Lanes 温三)平甲圈m1 Ncf l CTBI 6 WLL 郾→ P心D4 Tel 10 VL 10 single bit 40G Striping sublayer PMA(4: 4) (4 Lanes PCs Distributer PMD. (dr64B/663 CTIA PMD 21 门3 CTBI nMD斗 图440GE/100GEMD架构 IEEE802.3b标准主要包括下面几种应用场景: 1) 40Gbase KR4 2)40Gbase-CR4/100Gbase-CR10 3) 10Gbase-SR1/100Gbase-SR10 4)40Gbase-LR4/100Gbase-LR4 5)100Gbase-ER4 不同场景的规范可参见附录A 2.3最新进展 2009年3月全会后, IEEE P802.3ba发布了草案D2.0版本。在2009年4月份的WG Ballot阶段,由于反刈者比较多,导致WG投票同意率小于75%,因此D2.0版木没有通 过,需要继续修改。 209年5月4日~5月7日在加拿大 Quebec举行中间会议,主要解决D2.0版本的 comments,以形成D2.1版本。本次会议的修改主要包括:根据40G和100G应用场景,将 PPI(平行物理接口)扩展为XLPPⅠ和CPPI两种;修改了 Annex83A关于 XLAUI/CAUI驱动 端和接收端的SDD21参数:完善了 Clause85关丁40 Gbase-CR4和00 Gbase-CR10的测试 规范;修改了 Clause86的FEXT参数定义 209年5月15日,P802.3ba发布了 Broadcom、 MC Communications、FCI等成员单 位提供的nAUI、40 GBASE-CR4(采用QsFP连接器)、40 GBASE-CR4(采用IEC61076-3定义 的连接器)的通道模型。 2009年5月中间会议后发布了D2.1版本,并在进行 WG Ballot通过后,在2009年7 月全会上对D2.1版本进行了讨论,技术上遗留问趣是40GE/100E的铜缆应用日标传输距 离由10m修改为7m。会后形成D2.2版本。 该标准预计2010年6月发布。 340/100GE以太网0TN承载技术 以太网信号0NN承载采用的映射复用方式如图5所示。其中40以太网信号经过编 码转换后映射至ODU3净荷的方式在3.3节描述。100GE以太网信号映射至0DU4净荷的方 式在3.4节描述。4路10 GE LAN以太网信号映射至ODU2(L)净荷后复用至ODU3(H)的 方式在3.5.1和3.5.2节描述。3路10 GE LAN以太网信号映射至ODU2e(L)净荷后复用 至ODU3(H)的方式在3.5.3节描述。4路10 GE LAN以太网信号映射至ODU2e(L)净荷 后复用至oD3e1/3e2(H)的方式在3.6节描述。 ODU OFU4 } 100GE oTUBe1/3 e ODU 编码 OTU3 40GE 转换 ODU 10GE LAN ODU2 OTU2 10GE LAN 图510GE/400E/100GE以太网信号映射复用的方式 3.10NN介绍 3.1.10IN概述 40GE/100GE客户信号承载和传输通过0NN的OTM-3/0M-4进行,承载谷器主要是ODU3 ODU4。如果将OM-n分为光层和电层,则OTU层及其以上属于电层,OCh层及其以下属 于光层。求载则焦OTN电层部分,即OTM-n的0TU3/0T4及其以上的层网络。 3.1.20N层网终模型 按照G.872的定义【2】,ON的光层网终包括0Ch、OMS、OTS层。各层的客户、服务 关系如图6 数字0IN层网终包括OD和OTU两层,具有ODU复用功能的数字OTN层网络客户、服 务关系如图7

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