FlexE技術(shù)及其在5G承載網(wǎng)中的應(yīng)用探析

段 宏，郭昌華，劉文釗（.中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.烽火通信科技股份有限公司，湖北武漢 40000；.鄭州市公安局網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)察處，河南鄭州 450000）

0 引言

隨著3GPP組織對5G NR SA（獨(dú)立組網(wǎng)）功能的正式凍結(jié)，5G 已經(jīng)完成第1 階段全功能標(biāo)準(zhǔn)化工作，國內(nèi)外設(shè)備商、運(yùn)營商也在加速5G 相關(guān)研發(fā)、試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)，全面推進(jìn)5G 網(wǎng)絡(luò)部署。2018 年底，國內(nèi)三大運(yùn)營商已經(jīng)從工信部獲得全國范圍5G 中低段試驗(yàn)頻率的使用許可，5G 商用步伐進(jìn)一步加快。5G 的三大應(yīng)用場景eMBB、uRLLC、mMTC，對5G 承載網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時延、高可靠性、海量連接、網(wǎng)絡(luò)切片等方面提出了更高的承載需求，5G 承載網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)——FlexE（Flexible Ethernet）、SR（Segment Routing）、EVPN（Ethernet Virtual Private Network）等應(yīng)運(yùn)而生并逐漸被業(yè)界接受。本文主要對FlexE 技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)地分析與闡述。

1 FlexE技術(shù)簡介

1.1 FlexE技術(shù)起源

FlexE 英文全稱為Flexible Ethernet，譯為“靈活以太網(wǎng)”。自2010年起，國內(nèi)外的通信、互聯(lián)網(wǎng)廠商就針對網(wǎng)絡(luò)逐步提出“可變”“靈活”的應(yīng)用訴求。

國外互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)Google 從DCI 應(yīng)用出發(fā)，早在2010年IEEE/ITU Beyond 100G討論中就提出1TE及可變速率以太網(wǎng)需求；國外設(shè)備商Cisco 在2015 年Live 365 提出“Flex-modulation”“Flex-rate”的需求，并進(jìn)一步提出基于Flex MAC（電層）、Flex Mod（彩光模塊）、Flex ROADM 結(jié)合IP 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)Flexible Network；國內(nèi)設(shè)備商華為在2012 年啟動研究項(xiàng)目，明確提出“Flexible Ethernet”的概念和方案，并在Layer123/BBF 2015會議上介紹Flexible Ethernet 技術(shù)并進(jìn)行原型樣機(jī)演示。

1.2 FlexE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2015 年OIF（Optical Interworking Forum）提 出FlexE 標(biāo)準(zhǔn)，并于2016 年3 月發(fā)布了FlexE 1.0 標(biāo)準(zhǔn)。FlexE 1.0 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)架構(gòu)比較清晰，支持100GE PHY。2017 年1 月OIF 啟動FlexE 2.0 標(biāo)準(zhǔn)，并于2018 年發(fā)布FlexE 2.0 標(biāo)準(zhǔn)，從兼顧DCI 和移動承載應(yīng)用等方面完善FlexE 1.0 標(biāo)準(zhǔn)，增加了200GE/400GE PHY 的支持，保持了與FlexE 1.0 兼容的復(fù)用幀格式，并且基于移動回傳應(yīng)用場景增加了對IEEE 1588V2 時間同步的支持。

隨著FlexE 技術(shù)的發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布，F(xiàn)lexE技術(shù)在通信領(lǐng)域逐漸引起芯片商、設(shè)備商和運(yùn)營商的廣泛關(guān)注，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈也逐漸成熟。

2 FlexE技術(shù)原理

基于IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)lexE 技術(shù)在MAC 層和PHY層之間引入FlexE Shim 層，對MAC層與PHY層進(jìn)行解耦，從而實(shí)現(xiàn)靈活的速率匹配。相比MPLS 技術(shù)，F(xiàn)lexE 技術(shù)更接近物理層比特流傳輸，因此FlexE 技術(shù)更易實(shí)現(xiàn)超低時延轉(zhuǎn)發(fā)，使其能滿足5G 承載網(wǎng)絡(luò)需求。

2.1 FlexE 通用架構(gòu)

FlexE 通用架構(gòu)包括FlexE Client、FlexE Shim 和FlexE Group（見圖1）。

圖1 FlexE通用架構(gòu)示意圖

FlexE Client是基于MAC層數(shù)據(jù)速率的以太網(wǎng)流，與PHY 層速率不直接相關(guān)，通過64b/66b 的編碼方式將數(shù)據(jù)流傳遞至FlexE Shim 層。目前，F(xiàn)lexE Client 速率可支持10 Gbit/s、40 Gbit/s、n×25 Gbit/s 的粒度，后期粒度有望進(jìn)一步降低。

FlexE Shim 是插入傳統(tǒng)以太網(wǎng)架構(gòu)的MAC 層與PHY 層之間的一個額外邏輯層，通過基于Calendar 的Slot分發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)FlexE技術(shù)的核心架構(gòu)。

FlexE Group 是IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)定義的以太網(wǎng)PHY 層，它由多個以太網(wǎng)PHY 層實(shí)例綁定而成，可實(shí)現(xiàn)帶寬綁定進(jìn)而提升端到端的帶寬容量。

FlexE 技術(shù)通過FlexE Shim 層實(shí)現(xiàn)FlexE Client 數(shù)據(jù)流在FlexE Group 中的映射、承載與帶寬分配等功能。

2.2 FlexE 幀結(jié)構(gòu)

FlexE幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

a）將比特流層面以66 bit 為單位進(jìn)行劃分，1 個66 bit單位稱為一個數(shù)據(jù)塊。

b）該數(shù)據(jù)塊承載在block中，將block以20個為單位進(jìn)行分組（對應(yīng)block 0～block 19）稱為“20 blocks”，將這“20 blocks”作為1個邏輯單元。

圖2 FlexE幀結(jié)構(gòu)示意圖

c）每1 023 個邏輯單元作為一個calendar 組件，calendar組件循環(huán)往復(fù)最終形成了數(shù)據(jù)承載通道。

d）每個邏輯單元前有1 個block——FlexE overhead 作為開銷block，每8 個開銷block 組成1 個開銷幀，每32 個開銷幀組成1 個開銷復(fù)幀，進(jìn)而形成FlexE帶內(nèi)管理通道，在對接的2 個FlexE 接口之間交互配置、管理、鏈路狀態(tài)等OAM信息。

2.3 FlexE 工作機(jī)制

2.3.1 FlexE工作原理

FlexE 的核心功能主要通過FlexE Shim 層實(shí)現(xiàn)，通過calendar工作機(jī)制實(shí)現(xiàn)多個不同速率FlexE Client數(shù)據(jù)流在FlexE Group 中的映射、承載與帶寬分配。它的主要功能通過以下方式實(shí)現(xiàn)。

a）FlexE Client 的原始數(shù)據(jù)流，由FlexE Shim 以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行切分，這些數(shù)據(jù)塊可以在FlexE Group的多個PHY之間分發(fā)。

b）FlexE Shim 層 把FlexE Group 中 的PHY 以100GE 為單位進(jìn)行劃分（FlexE 2.0 標(biāo)準(zhǔn)還支持200GE、400GE，此處以FlexE 1.0 標(biāo)準(zhǔn)的100GE 為例，本文下同），每份PHY（大小為100GE）再劃分為20 個Slot（時隙）的數(shù)據(jù)承載通道，每個PHY所對應(yīng)的這一組Slot被稱為一個sub-calendar，其中每個時隙（Slot）所對應(yīng)的帶寬為5 Gbit/s。

c）按照每個FlexE Client 數(shù)據(jù)流所需帶寬以及FlexE Shim 中對應(yīng)每個PHY 的Slot（帶寬為5 Gbit/s）分布情況，計(jì)算、分配FlexE Group 中可用的Slot，形成1個FlexE Client 到1個或多個Slot的映射，再結(jié)合calendar 機(jī)制實(shí)現(xiàn)全部FlexE Client 數(shù)據(jù)流在Group 中的承載。

2.3.2 FlexE典型的工作機(jī)制

圖3所示為FlexE 典型的工作機(jī)制示意圖，沿著數(shù)據(jù)的傳輸方向（由右向左），4 個100GE PHY（FlexE A、FlexE B、FlexE C、FlexE D）首先按照5 Gbit/s 帶寬劃分Slot，然后全部Slot 按照FlexE A～FlexE D 的整體順序進(jìn)行傳輸，傳輸速率為400GE。

圖3 FlexE典型的工作機(jī)制示意圖

2.3.3 FlexE復(fù)用/解復(fù)用的工作機(jī)制

圖4為FlexE 復(fù)用工作機(jī)制示意圖，將不同帶寬的FlexE Client 插入calendar，歸屬于同一FlexE Client 的Slot，可以被分配至相同F(xiàn)lexE Group 的同一sub-calendar 或不同sub-calendar。只要有足夠多的空余Slot，就可以傳輸更多的FlexE Client 數(shù)據(jù)。如圖4 所示，10G/25G FlexE Client數(shù)據(jù)流按照5 Gbit/s帶寬，分別被劃分為2 個或5 個Slot，然后被分配至不同的sub-calendar（藍(lán)色、綠色、紅色）進(jìn)行傳輸。

圖5所示為FlexE 解復(fù)用工作機(jī)制示意圖，對于從FlexE Group 接收到的比特流，按照FEC 糾錯、FEC 移除、解碼為64b/66b 數(shù)據(jù)塊，以及PCS 或FEC 調(diào)整校正、重新交叉、刪除調(diào)整校正標(biāo)志等步驟進(jìn)行解復(fù)用，并根據(jù)FlexE 開銷序列恢復(fù)數(shù)據(jù)塊、Slot、sub-calendar的序列，最終還原FlexE Client數(shù)據(jù)。

2.3.4 FlexE帶寬調(diào)整機(jī)制

FlexE 通過為每個Flex Client 提供Slot/calendar 配置可更改機(jī)制，實(shí)現(xiàn)所需帶寬的動態(tài)調(diào)整。對接的2個接口之間，通過帶內(nèi)管理通道實(shí)現(xiàn)各個子接口配置信息的協(xié)商及交互。通過帶內(nèi)管理通道內(nèi)嵌的Request/Acknowledge 機(jī)制切換功能，實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)管理通道動態(tài)傳輸calendar A/B（分別由開銷中對應(yīng)bit 位的“0”或“1”表示）2 組配置信息，進(jìn)而使得任意一個FlexE Client 的帶寬分配，在2 組calendar 之間可按需進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)一步結(jié)合系統(tǒng)應(yīng)用控制可以實(shí)現(xiàn)無損帶寬調(diào)整。

例如，圖6 所示的calendar 配置了2 組配置信息：calendar A 和calendar B。calendar A 配置的FlexE Client 數(shù)據(jù)速率分別為10G、25G。若客戶的帶寬需求有變化，分別由10G、25G 變更為15G、20G，則通過Request/Acknowledge 機(jī)制，將承載客戶數(shù)據(jù)的calendar配置方式由calendar A 切換為calendar B，實(shí)現(xiàn)FlexE Client數(shù)據(jù)速率調(diào)整為15G、20G，進(jìn)而滿足客戶數(shù)據(jù)的承載需求。

圖6 FlexE帶寬調(diào)整示意圖

3 FlexE主要功能及在5G承載網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

3.1 FlexE主要功能

根據(jù)FlexE 的技術(shù)原理，F(xiàn)lexE 可以通過Flex Shim層實(shí)現(xiàn)客戶帶寬（MAC層）與FlexE Group帶寬解耦，可向上層應(yīng)用提供各種靈活的帶寬而不拘泥于物理PHY 帶寬，主要包括以下3 種功能：捆綁（Bonding）、通道化（Channelization）、子速率（Sub-Rate）。

3.1.1 捆綁（Bonding）

如圖7 所示，通過捆綁可將更高速率的MAC 層帶寬需求，經(jīng)FlexE Shim 層轉(zhuǎn)化為多路FlexE PHY 共同承載，提升端到端的傳輸帶寬。例如，可將200G 的MAC 層帶寬轉(zhuǎn)化為2 路100GE PHY 共同承載，實(shí)現(xiàn)端到端200G的傳輸帶寬。

圖7 FlexE捆綁功能示意圖

3.1.2 通道化（Channelization）

通道化（Channelization）可以使得多路低速率MAC 層數(shù)據(jù)流共享1 路或者多路PHY，且物理隔離、互不干擾。例如，可將2 路50G MAC 層帶寬在同一路PHY（100G）上承載（見圖8），也可將25G、50G、75G、150G 共計(jì)4路MAC 層帶寬在4路PHY（100G）上承載，不同的MAC層客戶業(yè)務(wù)物理隔離、互不干擾。

圖8 FlexE通道化功能示意圖

3.1.3 子速率（Sub-Rate）

單一低速率MAC 層帶寬（低于100G）共享1 路或者多路PHY 時，F(xiàn)lexE 開銷幀將未使用的時隙標(biāo)記為unavailable slots，并填充Error Control Block 實(shí)現(xiàn)降速。如圖9 所示，在1 路PHY（100G）上僅承載1 路25G MAC層數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)對客戶帶寬的降速。

3.2 FlexE在5G承載網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

圖9 FlexE子速率（Sub-Rate）功能示意圖

FlexE 技術(shù)的自身特點(diǎn)及其捆綁、通道化、子速率的主要功能，可以實(shí)現(xiàn)超大帶寬接口、帶寬按需分配、硬管道物理隔離、網(wǎng)絡(luò)分片、低時延保障等應(yīng)用。同時，結(jié)合SDN/NFV、云技術(shù)，可以更好地滿足5G 網(wǎng)絡(luò)切片、硬管道大客戶專線、物聯(lián)網(wǎng)、VR/AR 等業(yè)務(wù)發(fā)展需求。

3.2.1 FlexE實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)切片承載

5G 網(wǎng)絡(luò)需要通過網(wǎng)絡(luò)資源的分割、切片，來保障eMBB、uRLLC、mMTC 等不同業(yè)務(wù)的SLA，保障不同業(yè)務(wù)承載的隔離性、安全性和可靠性。

FlexE 通道化功能，可以實(shí)現(xiàn)不同的FlexE Client的物理切片和物理隔離，使得網(wǎng)絡(luò)可以通過FlexE（硬隔離）、VPN（軟隔離）相結(jié)合的方式，更好地滿足5G網(wǎng)絡(luò)切片需求（見圖10）。

圖10 FlexE網(wǎng)絡(luò)切片功能示意圖

3.2.2 FlexE實(shí)現(xiàn)5G超大帶寬傳輸

業(yè)界普遍認(rèn)為，相比4G 網(wǎng)絡(luò)，5G 網(wǎng)絡(luò)的帶寬至少提升十幾倍甚至幾十倍。對于承載網(wǎng)絡(luò)，5G 成熟期的接入層帶寬將由GE、10GE 提升至n×25GE，匯聚層、核心層帶寬將由10GE、n×10GE 直接提升至n×100GE，端口和端到端傳輸?shù)膸捫枨笠矔眲≡鲩L。

FlexE 的捆綁功能，可以以現(xiàn)有IEEE 802.3定義的端口速率為基礎(chǔ)，通過捆綁端口的方式快速構(gòu)建更大帶 寬（例 如 25G→50G→100G→200G→400G→1T……），可以結(jié)合DWDM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)端到端的超大帶寬傳輸（見圖11），也可以實(shí)現(xiàn)帶寬分配均衡、鏈路帶寬利用率達(dá)到100%的優(yōu)勢，更好地滿足5G 業(yè)務(wù)帶寬爆炸式增長的需求。

圖11 FlexE實(shí)現(xiàn)5G超大帶寬傳輸示意圖

3.2.3 FlexE助推5G uRLLC應(yīng)用

uRLLC 作為5G 三大應(yīng)用場景之一，具有超低時延、超高可靠性的特點(diǎn)，將在車聯(lián)網(wǎng)（自動駕駛、遠(yuǎn)程駕駛）、工業(yè)制造（實(shí)時生產(chǎn)監(jiān)控、云機(jī)器人控制）等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

FlexE 技術(shù)介于MAC 層、PCS 層之間，端到端傳輸過程不必繞經(jīng)上層網(wǎng)絡(luò)，使其傳輸時延大大降低，并且FlexE 構(gòu)建的管道為硬管道，可以大大提升傳輸?shù)目煽啃?。因此，在VPN 技術(shù)構(gòu)建軟管道的基礎(chǔ)上，通過FlexE 技術(shù)構(gòu)建端到端的硬管道，實(shí)現(xiàn)“軟管道+硬管道”相結(jié)合的方式（見圖12），為不同重要等級、不同業(yè)務(wù)需求的應(yīng)用提供差異化的服務(wù)，既能最大限度利用網(wǎng)絡(luò)資源，又能為uRLLC 等高價值應(yīng)用提供可靠保障。

圖12 “VPN+FlexE”實(shí)現(xiàn)“軟管道+硬管道”功能示意圖

4 結(jié)論及展望

5G 技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用場景，對其承載網(wǎng)絡(luò)提出了大帶寬、網(wǎng)絡(luò)切片、端到端硬管道物理隔離、超低時延、超高可靠性等傳輸需求。FlexE 技術(shù)重用現(xiàn)有IEEE 802.3 以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，在MAC 層與PCS 層中新增Flex Shim 層，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活性、多速率、剛性接口等特性，通過捆綁、通道化、子速率等功能，與IP/Ethernet技術(shù)良好對接，極有利地助推5G 技術(shù)及5G 承載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及演進(jìn)。隨著5G產(chǎn)業(yè)鏈、FlexE產(chǎn)業(yè)鏈、新興業(yè)務(wù)的不斷成熟與完善，F(xiàn)lexE技術(shù)必將得到廣泛的應(yīng)用。