智能城域網(wǎng)FlexE 技術(shù)應(yīng)用與探討*

張 嘯，霍 磊，錢永良

（1.華夏郵電咨詢監(jiān)理有限公司，河南 鄭州 450007；2.中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)通信有限公司周口分公司，河南 周口 466000）

0 引言

靈活以太網(wǎng)（FlexE）技術(shù)是基于高速以太網(wǎng)（Ethernet）接口，通過以太網(wǎng) MAC 層與PHY 層之間解耦，可實(shí)現(xiàn)的低成本、高可靠、可動(dòng)態(tài)配置的電信級(jí)的網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)。該技術(shù)利用了業(yè)界最廣泛、最強(qiáng)大的Ethernet 生態(tài)系統(tǒng)，并且契合了視頻、云計(jì)算以及5G 等業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。5G 三大應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時(shí)延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)切片方面提出了要求，5G——FlexE 應(yīng)運(yùn)而生并逐漸被業(yè)界接受。本文主要對(duì)FlexE（Flexi-ble Ethernet）技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行分析與闡述。

1 FlexE 技術(shù)介紹

1.1 FlexE 的需求及產(chǎn)生

靈活以太網(wǎng)技術(shù)是在Ethernet 技術(shù)基礎(chǔ)上，為滿足高速傳送、帶寬配置靈活等需求而發(fā)展的技術(shù)。以太網(wǎng)概念由施樂公司于1972 年首次提出，并基于載波偵聽和沖突檢測(cè)（CSMA/CD）技術(shù)逐步完善。自1980 年代開始，Ethernet 技術(shù)的發(fā)展完全遵循IEEE 802.3/1 所制定的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，并在產(chǎn)業(yè)技術(shù)與業(yè)務(wù)需求的共同驅(qū)動(dòng)下快速發(fā)展，成為目前IT業(yè)界應(yīng)用最為廣泛、生態(tài)系統(tǒng)最為完善的L2 互聯(lián)技術(shù)。Ethernet 技術(shù)在接口層面遵循IEEE 802.3 定義的MAC/PHY 層標(biāo)準(zhǔn)，在2010 年之前，基本按照10 倍速率發(fā)展，從10M-100M-1G-10G -40/100G發(fā)展。2010 年之后，光傳輸設(shè)備的發(fā)展無法跟上業(yè)務(wù)需求。光通信場(chǎng)景較多，UNI（用戶網(wǎng)絡(luò)接口）可能出現(xiàn)多種情況，而底層光傳輸鏈路接口和模塊是固定的，難以應(yīng)對(duì)這些變化。

近年來，云計(jì)算、ARVR 等業(yè)務(wù)的興起，以帶寬為主的網(wǎng)絡(luò)訴求向業(yè)務(wù)體驗(yàn)、服務(wù)質(zhì)量和建網(wǎng)效率上進(jìn)行轉(zhuǎn)變。作為底層連接技術(shù)的Ethernet 在保持既有低成本、高可靠、可運(yùn)維等優(yōu)勢(shì)之外，還需要具備以下能力：

（1）Ethernet 接口速率靈活可變

隨著業(yè)務(wù)與需求場(chǎng)景的多樣化，Ethernet 接口需要提供更加靈活的帶寬顆粒度，而不必受制于IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)所確定的10G-25G-40G-50G-100G-200G-400GE 的階梯型速率體系。業(yè)內(nèi)甚至出現(xiàn)了800G、1.6T 等超高速Ethernet 接口需求，而這些接口標(biāo)準(zhǔn)尚未形成，需要尋求比它小的子速率或是比它大的高速率業(yè)務(wù)，滿足不同高速業(yè)務(wù)需求的接入。

（2）Ethernet 接口與光傳輸能力解耦

Ethernet 接口能力與光傳輸設(shè)備能力發(fā)展不同步。IP 設(shè)備通過高速Ethernet 接口組網(wǎng)時(shí)，經(jīng)常受制于光傳輸網(wǎng)絡(luò)能力。不需要光傳輸網(wǎng)絡(luò)的DWDM鏈路速率與UNI 接口的以太網(wǎng)速率保持嚴(yán)格的匹配，就可以最大限度地利用現(xiàn)有光傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)超大帶寬Ethernet 接口的傳輸。

（3）IP 與光融合組網(wǎng)

在Ethernet 與傳輸能力解耦基礎(chǔ)上，通過Ethernet 與光傳輸網(wǎng)絡(luò)之間的簡(jiǎn)單映射承載，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，提高靈活性（這種場(chǎng)景可應(yīng)用于大型IDC 之間跨地域組網(wǎng)，也是FlexE 技術(shù)最初提出的應(yīng)用場(chǎng)景），并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流量靈活疏導(dǎo)與調(diào)度優(yōu)化。

（4）面向多業(yè)務(wù)承載的增強(qiáng)QoS 能力

多業(yè)務(wù)承載條件下增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，支持對(duì)不同業(yè)務(wù)提供專用通道，是Ethernet 技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。Ethernet 如果在物理層接口上提供通道化的硬件隔離功能，就需要在物理層對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分片隔離，進(jìn)一步與上層網(wǎng)絡(luò)配合，結(jié)合高性能可編程轉(zhuǎn)發(fā)以及層次化QoS 調(diào)度等功能，即可滿足多業(yè)務(wù)通道化隔離的QOS[1]。

1.2 FlexE 技術(shù)架構(gòu)

FlexE 是在Ethernet 技術(shù)基礎(chǔ)上，為滿足高速傳送、帶寬配置靈活等需求而發(fā)展的技術(shù)。通過引入FlexE Shim 層實(shí)現(xiàn)了MAC（介質(zhì)訪問控制子層，屬于數(shù)據(jù)鏈路層）與PHY 層（物理層）解耦，上層和下層的數(shù)據(jù)流速率，不再強(qiáng)制綁定，從而實(shí)現(xiàn)了靈活的速率匹配。

FlexE 技術(shù)通過在IEEE802.3 基礎(chǔ)上引入FlexE Shim 層從而實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)MAC 與PHY 層面的解耦（見圖1 所示），從而實(shí)現(xiàn)了靈活的速率匹配。靈活以太網(wǎng)基于Client/Group 架構(gòu)（如圖2）定義，可以支持任意多個(gè)不同子接口（FlexE Client）在任意一組PHY（FlexE Group）上的映射和傳輸，從而實(shí)現(xiàn)上述捆綁、通道化及子速率等功能。其中 FlexE Client：對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)的各種用戶接口，與現(xiàn)有IP/Ethernet 網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)接口一致。

圖1 Ethernet 與FlexE 結(jié)構(gòu)

圖2 FlexE 架構(gòu)

FlexE Client 可根據(jù)帶寬需求靈活配置，支持各種速率的以太網(wǎng)MAC 數(shù)據(jù)流（如10G、40G、n*25G 數(shù)據(jù)流，甚至非標(biāo)準(zhǔn)速率數(shù)據(jù)流），并通過64B/66B的編碼的方式將數(shù)據(jù)流傳遞至FlexE Shim 層。

FlexE Shim：插入以太網(wǎng)架構(gòu)IEEE802.3 的MAC 與PHY（PCS 子層）中間的一個(gè)邏輯層，通過Calendar 的Slot 分發(fā)機(jī)制從而實(shí)現(xiàn)FlexE 技術(shù)的核心架構(gòu)。

FlexE Group：本質(zhì)上是IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)定義的PHY 層。由于重用了現(xiàn)有IEEE 802.3 定義的以太網(wǎng)技術(shù)，使得FlexE 架構(gòu)得以在現(xiàn)有以太網(wǎng)MAC/PHY基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)。以FlexE 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接場(chǎng)景為例，多路以太網(wǎng)PHY 組合在一起成為FlexE Group，并承載通過FlexE Shim 分發(fā)、映射來的一路/多路FlexE Client 數(shù)據(jù)流[2]。

1.3 FlexE 技術(shù)原理

FlexE 的主要功能通過FlexE Shim 層實(shí)現(xiàn)，把FlexE Group 中的每個(gè)100GE PHY 劃分為以5Gbps為單元的 20 個(gè)Slot 時(shí)隙數(shù)據(jù)承載通道，每個(gè)PHY所對(duì)應(yīng)的這一組Slot 稱為一個(gè)Sub-calendar。FlexE Client 原始數(shù)據(jù)流中的以太網(wǎng)幀以Block（原子數(shù)據(jù)塊以64/66B 編碼的數(shù)據(jù)塊）為單位進(jìn)行切分，這些數(shù)據(jù)塊可通過FlexE Shim 實(shí)現(xiàn)在FlexE Group 中的多個(gè)PHY 與時(shí)隙之間的分發(fā)。FlexE 幀結(jié)構(gòu)如圖3 所示。每個(gè)64/66B 數(shù)據(jù)塊承載在一個(gè)Slot 時(shí)隙中，Slot 作為承載數(shù)據(jù)塊的基本邏輯單元。FlexE在Calendar 機(jī)制中，將slot0 到slot19 對(duì)應(yīng)“20blocks”作為一個(gè)邏輯單元，并進(jìn)一步將1023 個(gè)“20blocks”作為Calendar 組件。

圖3 FlexE 幀結(jié)構(gòu)示意

FlexE Shim 層通過定義Overhead Frame/Multi Frame 的方式體現(xiàn)Client 與Group 中的Slot 映射關(guān)系以及Calendar 工作機(jī)制。FlexE Shim 層帶內(nèi)管理通道通過Overhead 進(jìn)行提供，支持在兩個(gè)對(duì)接的FlexE 接口之間傳遞配置和管理等信息，從而實(shí)現(xiàn)鏈路的自動(dòng)協(xié)商建立。

按照OIF FlexE 標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)FlexE Client 的數(shù)據(jù)流帶寬可以設(shè)置為10、40 或者n×25Gbps。由于FlexE Group 的100GE PHY 中每個(gè)Slot 數(shù)據(jù)承載通道的帶寬為5Gbps 粒度，F(xiàn)lexE Client 理論上可以按照5Gbps 顆粒度進(jìn)行任意數(shù)量組合，支持更靈活的多速率承載。FlexE Shim 可以通過Calendar 網(wǎng)絡(luò)機(jī)制實(shí)現(xiàn)不同速率的FlexE Client 客戶數(shù)據(jù)流在FlexE Group 中映射、傳送與帶寬分配。FlexE 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按照每個(gè)Client 客戶數(shù)據(jù)流所需帶寬資源以及Shim層中對(duì)應(yīng)每個(gè)PHY 的5G 顆粒度的Slot 進(jìn)行分布情況，計(jì)算、分配FlexE Group 中可用的Slot 時(shí)隙，形成Client 數(shù)據(jù)量到一個(gè)或多個(gè)Slot 時(shí)隙的映射，再結(jié)合FlexE Calendar 機(jī)制實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)Client數(shù)據(jù)流在FlexE Group 中的傳送承載。

FlexE 技術(shù)為每一個(gè)Client 數(shù)據(jù)流提供可更改的Slot/Calendar 配置機(jī)制，實(shí)現(xiàn)帶寬的動(dòng)態(tài)調(diào)整。在FlexE 技術(shù)中通過兩個(gè)對(duì)接接口之間的開銷管理通道,通過實(shí)時(shí)傳遞體現(xiàn)Client 在Group 中映射關(guān)系的兩種不同Calendar 配置信息：A 和B（分別由“0”或“1”bit 表示）。兩組Calendar A/B 可以動(dòng)態(tài)切換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)Client 的帶寬可調(diào)整。任意一個(gè)Client 數(shù)據(jù)的帶寬映射在兩組Calendar A/B 之間可以是不同的，通過切換，結(jié)合系統(tǒng)應(yīng)用控制可實(shí)現(xiàn)無損帶寬調(diào)整。Calendar A/B 的切換通過開銷管理通道內(nèi)嵌的Request/Acknowledge 機(jī)制實(shí)現(xiàn)[3]。

如圖4 所示配置了2 組信息：calendar A 與calendar B。calendar A 配 置 的FlexE Client 數(shù) 據(jù)帶寬分別為15G、20G。若客戶帶寬需求變化，由15G、20G 變?yōu)?0G、25G，通過更改機(jī)制Request/Acknowledge，將承載傳送的客戶數(shù)據(jù)配置由calendar A 切換到calendar B，實(shí)現(xiàn)FlexE Client 客戶數(shù)據(jù)的帶寬調(diào)整，滿足客戶帶寬業(yè)務(wù)多變的需求。

2 FlexE 的主要功能及應(yīng)用

FlexE 包括捆綁（Bonding）、通道化（Channelization）、子速率（Sub-Rate）[4]3 種功能。

圖4 FlexE 幀結(jié)構(gòu)帶寬調(diào)整示意

2.1 捆綁（Bonding）功能及應(yīng)用

2.1.1 捆綁功能

通常為滿足更高速率需求，MAC 層數(shù)據(jù)流通過FlexE Shim 層后將對(duì)PHY 進(jìn)行捆綁，用于提升更高速率傳輸。如圖5 所示，通過3 路100G PHY捆綁，可實(shí)現(xiàn)300G 速率傳輸帶寬。

圖5 FlexE 捆綁示意

2.1.2 捆綁應(yīng)用

FlexE 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)5G 大帶寬承載。5G 的網(wǎng)絡(luò)帶寬至少比4G 網(wǎng)絡(luò)提升數(shù)十倍，端口帶寬需求將急劇增長(zhǎng)，5G 后期的接入層帶寬將由現(xiàn)網(wǎng)GE 環(huán)路、10GE 環(huán)路擴(kuò)容至N×10GE、N×25GE 環(huán)路。匯聚核心層帶寬將由10GE、N×10GE 擴(kuò)容至N×100GE。基于FlexE 的捆綁功能，通過接口速率相互組合捆綁實(shí)現(xiàn)更大帶寬。

2.2 子速率（Sub-Rate）功能及應(yīng)用

2.2.1 子速率功能

低于100G 的單一速率MAC 層帶寬共享1 路或多路PHY 通道時(shí)，未使用的時(shí)隙被FlexE 開銷幀標(biāo)記為unavailable slots，并填充Error Control Block 從而實(shí)現(xiàn)降速。

如圖6 所示，在2 路100G PHY 通道上分別承載1 路50G 和1 路75G 的MAC 層數(shù)據(jù)流，通過對(duì)100G PHY 空閑時(shí)隙的填充，實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶帶寬降速。

圖6 FlexE 子速率示意

2.2.2 子速率應(yīng)用

FlexE 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)靈活可調(diào)的帶寬承載。5G 最大用處是ToB，就是給商業(yè)用戶使用，5G 商業(yè)模式將由ToC 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)門oB。ToB 的帶寬需求也將呈現(xiàn)多樣化。FlexE 子速率的功能，可以通過對(duì)空閑時(shí)隙填充，滿足不同行業(yè)的不同客戶數(shù)據(jù)需求。

2.3 通道化（Channelization）功能及應(yīng)用

2.3.1 通道化功能

通道化功能可使多路低速率MAC 層的數(shù)據(jù)流共用1 路或者多路100G PHY，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)之間物理隔離。如圖7 所示，將20G、50G、110G MAC 層數(shù)據(jù)流在兩路PHY（100G）上承載，也可將25G、50GMAC 層數(shù)據(jù)流在一路PHY（100G）上承載，MAC 層客戶業(yè)務(wù)物理隔離、按需分配、互不干擾。

2.3.2 通道化應(yīng)用

FlexE 功能可以實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)的切片承載，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的切片，保障eMBB、mMTC 和uRLLC等不同業(yè)務(wù)的服務(wù)等級(jí)，保障不同業(yè)務(wù)安全性和可靠性，滿足不同客戶的多樣化體驗(yàn)。FlexE 通道化功能，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的FlexE Client 數(shù)據(jù)的物理切片和物理隔離，更好地滿足5G 網(wǎng)絡(luò)切片需求（見圖8）。

圖7 FlexE 通道化示意

管理分片：分片生命周期管理，負(fù)責(zé)分片創(chuàng)建、刪除。分片拓?fù)涔芾怼⒁晥D、基于分片的業(yè)務(wù)發(fā)放、告警管理以及性能管理[5]。

設(shè)備資源分片：NCE 集中算路、業(yè)務(wù)發(fā)放。一個(gè)協(xié)議進(jìn)程，每個(gè)分片獨(dú)立協(xié)議數(shù)據(jù)庫，協(xié)議基于分片算路。

轉(zhuǎn)發(fā)資源分片：FlexE 接口，效果等同于物理接口，獨(dú)立緩存控制。

3 FlexE 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)例

3.1 業(yè)務(wù)需求及網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)現(xiàn)

某市綜合業(yè)務(wù)點(diǎn)接入環(huán)路采用華為980C 設(shè)備組建50G 接入環(huán)，匯聚核心采用M8X8 組建100G環(huán)路。該綜合業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入某電力公司及某工業(yè)園。電力公司及工業(yè)園均提出5G 的帶寬需求，要求運(yùn)營商提供剛性管道，物理隔離，時(shí)延要求20ms 以內(nèi)，抖動(dòng)5ms 以內(nèi)，可靠性達(dá)到99.999%。

針對(duì)上述需求，可通過FlexE 技術(shù)對(duì)現(xiàn)有智能城域網(wǎng)劃分網(wǎng)絡(luò)切片，電力切片劃分5G 帶寬，工業(yè)制造切片劃分5G 帶寬，普通切片（公共用戶）劃分40G 帶寬。提供毫秒級(jí)業(yè)務(wù)質(zhì)量可視、時(shí)延路徑調(diào)優(yōu)的端到端專享通道方案。見圖9。

圖9 FlexE 切片業(yè)務(wù)示例

3.2 FlexE 技術(shù)應(yīng)用建議

5G 網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)部署，，需要無線、承載及核心網(wǎng)多專業(yè)協(xié)同。實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)編排器與各個(gè)專業(yè)的協(xié)同器的對(duì)接，需要跨專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)編排器用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的自動(dòng)編排。通過SDN/NFV部署使得各個(gè)專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)端到端的切片部署。還需要統(tǒng)一各專業(yè)切片及資源的規(guī)范，從而實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)的資源統(tǒng)一[6]。

5G 網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)的引入需要考慮產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成熟度及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)情況。根據(jù)5G 網(wǎng)絡(luò)切片部署的進(jìn)度要求，運(yùn)營商可以分2 個(gè)階段。

第一階段，根據(jù)典型的eMBB 業(yè)務(wù)劃分網(wǎng)絡(luò)切片，快速推出5G 業(yè)務(wù)，搶占市場(chǎng)資源。如AR、VR 等業(yè)務(wù)，并配合核心網(wǎng)用戶面(UPF)下沉部署，滿足超低時(shí)延客戶業(yè)務(wù)需求。簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)切片的編排部署行。核心網(wǎng)子切片采用云化部署，提供網(wǎng)絡(luò)子切片管理功能，對(duì)子切片進(jìn)行編排與部署；無線與傳輸網(wǎng)子切片可通過配置，進(jìn)行切片的資源調(diào)度與隔離。

第二階段，引入uRLLC、mMTC 等類型的網(wǎng)絡(luò)切片，支持E2E 編排，實(shí)現(xiàn)5G 的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)切片。無線網(wǎng)采用支持DU/CU 分離以及CU 的云化部署，傳輸網(wǎng)采用支持FlexE 的硬切片vNet，提供超低時(shí)延數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[7]。此階段，5G 網(wǎng)絡(luò)已具備支持核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、傳送網(wǎng)的端到端網(wǎng)絡(luò)切片編排與管理，通過結(jié)合AI、自動(dòng)化等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的自動(dòng)開通和智能安全保障。

4 結(jié)語

5G 網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)智能城域網(wǎng)絡(luò)提出了大帶寬、超低時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)切片以及高可靠性等傳輸性能要求。FlexE 技術(shù)通過其捆綁、通道化、子速率等功能，滿足5G 業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)靈活的、剛性等業(yè)務(wù)需求。通過FlexE 應(yīng)用實(shí)例及網(wǎng)絡(luò)部署建議推動(dòng)5G 網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用發(fā)展。隨著5G 產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟與完善，F(xiàn)lexE 技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。