面向5G的FlexE及其OAM研究

馬亞燕

南京信息職業(yè)技術學院

0 引言

我國已正式啟動5G商用，2020年3月24日國家工信部發(fā)布了《工業(yè)和信息化部關于推動5G加快發(fā)展的通知》，文中明確指出必須加快5G網(wǎng)絡建設部署，豐富5G技術應用場景。7月3日，國際標準組織3GPP宣布R16標準凍結(jié)，標志著5G第一個演進版本標準完成。

1 FlexE概述

1.1 FlexE的技術背景

5G的應用場景主要分為三種，分別是增強移動寬帶（Embb，Enhanced Mobile Broadband）、超高可靠低時延通信（URLLC，Ultra-reliable and Low Latency Communications）以及海量機器類通信（Mmtc，massive Machine Type of Communication）。這要求5G承載網(wǎng)絡必須能夠按需擴容、分片承載，并且將業(yè)務進行信道化隔，因此FlexE應運而生了。

在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術標準中，以太網(wǎng)的報文速率和物理通道的速率始終配合并保持一致，兩者速率相同。當以太網(wǎng)業(yè)務速率超過100G時，物理通道的速度提升緩慢，遭遇到瓶頸。同時，高速物理通道的價格比較昂貴，速率為200G的光模塊價格遠遠超過了2塊100G光模塊的價格，性價比大大降低了，從經(jīng)濟利益的考慮不如使用2個100G的光模塊。

FlexE技術是把多個物理通道進行“捆綁合并”或者將一個物理通道進行拆分，形成一個或若干個虛擬的邏輯通道，使物理通道速率不再等于客戶業(yè)務速率，從而實現(xiàn)客戶業(yè)務速率和物理通道速率的解耦，解決高速物理通道性價比不高的問題?？蛻魳I(yè)務速率和物理通道速率解耦后可以是多樣的，物理通道的速率也可以是多樣的，相互獨立。

綜上所述，F(xiàn)lexE技術屬于接口技術創(chuàng)新，建立了智能的端到端鏈路，可以實現(xiàn)網(wǎng)際互連協(xié)議（IP，Internet Protocol）低時延，主要面向5G網(wǎng)絡中的云服務、網(wǎng)絡切片，以及增強現(xiàn)實技術（AR，Augmented Reality）、虛擬現(xiàn)實技術（VR，Virtual Reality）、超高清視頻等時延敏感業(yè)務需求，因此受到全球主流運營商、供應商的認可。

1.2 FlexE的實現(xiàn)方法

在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)業(yè)務流傳遞中，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)在媒體接入層（MAC，Medium Access Control Sub Layer）封裝成MAC幀之后經(jīng)過協(xié)調(diào)子層（RS，Reconciliation Sublayer）連接物理層，在物理層經(jīng)過理編碼子層（PCS，Physical coding sublayer）、物理媒介接入層（PMA，Physical medium attachment）、物理媒介相關層（PMD，Physical medium dependent）三個功能模塊后發(fā)送出去。這三個功能模塊的作用分別為對業(yè)務流進行64/66bits編解碼、鏈路監(jiān)測和時鐘合成/恢復、擾碼和均衡。

FlexE技術通過在原來的以太網(wǎng)業(yè)務處理流程的MAC層和理PCS之間增加FlexE shim層來實現(xiàn)。

FlexE shim層由64/66bits編碼、時隙排列、成員分發(fā)和開銷插入四個部分組成，其中FlexE shim層的64/66bits編碼和PCS的64/66bits編碼是相同功能，因此在FlexE shim層中實現(xiàn)了64/66bits編碼功能后，PCS中的64/66bits編碼可以省去。

1.3 FlexE的通用結(jié)構(gòu)

圖1 FlexE通用結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，F(xiàn)lexE Shim通過時分復用，用多個綁定的物理通道來承載各種IEEE定義的以太網(wǎng)業(yè)務。圖中，F(xiàn)lexE Client指的是FlexE網(wǎng)絡的服務客戶，可以看作是基于MAC速率的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，速率是10G、25G、40G、n×50G。FlexE Group指的是 一 個FlexE協(xié)議組，包含1到n個綁定在一起的以太網(wǎng)通道，用來承載FlexE Client，目前FlexE Group只支持100GE以太網(wǎng)通道。

1.4 FlexE的時隙分配

FlexE shim層是一個主時隙規(guī)劃表（master calendar），F(xiàn)lexE協(xié)議規(guī)定將FlexE Group中的每個速率100G物理成員通道劃分為20個5G時隙，在此之上傳遞一個子時隙規(guī)劃表（sub calendar）。因此當FlexE Group成員數(shù)為n的時候，F(xiàn)lexE shim中有n×20個時隙，每個時隙代表5G的速率，以66比特的數(shù)據(jù)塊作為傳送數(shù)據(jù)的基本單位。如圖2所示，4個100G物理成員通道可以劃分成4×20即80個時隙。

圖2 FlexE子時隙規(guī)劃圖

在發(fā)送端，F(xiàn)lexE Client的數(shù)據(jù)經(jīng)過64/66bits編碼后，通過速度適配進行時分復用，以20個5G時隙為一組進行分割，分配到不同的成員鏈路即sub calendar進行發(fā)送。

如圖3所示，3個不同的FlexE Client，通過速度適配后，F(xiàn)lexE Client A占用master calendar的0、2時隙，F(xiàn)lexE Client B占用1、7、29、35時隙，F(xiàn)lexE Client C占用6、21、28時隙，再以20個5G時隙為一組進行分割，分配到兩個不同的成員鏈路組成的FlexE Group進行發(fā)送。在接收端，F(xiàn)lexE shim層恢復出66比特塊，找出業(yè)務客戶流，通過速度調(diào)整，進而恢復出FlexE Client業(yè)務。

圖3 FlexE時隙分配圖

1.5 FlexE的分層

FlexE承載網(wǎng)絡模型擴展為兩層，即通道層和段層。FlexE通道層位于FlexE客戶數(shù)據(jù)和FlexE段層之間，實現(xiàn)客戶數(shù)據(jù)的接入/恢復、增加/刪除OAM信息、數(shù)據(jù)流的交叉連接，以及通道的保護。FlexE channel屬于通道層。FlexE段層位于FlexE通道層和物理層即PHY之間，實現(xiàn)接入數(shù)據(jù)流的速度適配、數(shù)據(jù)流在FlexE shim上映射與解映射、FlexE幀開銷的插入與提取。FlexE group屬于段層。如圖4所示。

圖4 FlexE網(wǎng)絡模型分層圖

2 FlexE OAM

FlexE承載網(wǎng)絡可實現(xiàn)傳輸管道的端到端監(jiān)控，OAM信息包括連續(xù)性與連通性檢測（CC/CV）、丟包測量（LM）、時延測量（DM）、遠程缺陷指示（RDI）、自動保護倒換（APS）等各性能檢測。與FlexE承載網(wǎng)絡模型一樣，F(xiàn)lexE的OAM功能分為兩層，即通道層和段層。

2.1 FlexE段層OAM

FlexE段層的OAM信息位于FlexE開銷幀中。在100G速率通道的物理層，每隔1023×20×66b數(shù)據(jù)塊，插入一個66比特的開銷塊（FlexE Overhead），開銷字節(jié)實現(xiàn)shim層的管理等功能，例如FlexE組中的各條通道之間的對齊。開銷塊采用復幀結(jié)構(gòu)。一個1023×20×66b數(shù)據(jù)塊被稱為一個子幀，連續(xù)的8個子幀（包含開銷頭）構(gòu)成一個FlexE幀，連續(xù)的32個FlexE幀構(gòu)成一個FlexE復幀。因此，一個FlexE復幀中的開銷部分共占用32×8=256個66b數(shù)據(jù)塊。

根據(jù)PCS層64/66bits編碼原理，正常的以太網(wǎng)報文進64/66bits編碼后，起始碼（S塊）和結(jié)束碼（T塊）之間會有多個數(shù)據(jù)塊（D塊），空閑間隔用空閑信息塊（I塊）進行填充，用來實現(xiàn)速度調(diào)整。如圖5所示，I塊可以利用起來傳遞段層OAM信息，圖中標注為OAM信息塊。當S塊和T塊之間沒有D塊或者D塊很少，或者有空閑信息塊I塊時，都是非正常的數(shù)據(jù)流，可以定義為承載OAM信息塊內(nèi)容。發(fā)送端在插入OAM信息之前必須和接收端協(xié)商好承載OAM信息特征圖案格式即S塊、T塊、D塊以及I塊的組合方式。

圖5 FlexE幀間隙示意圖

段層OAM信息既可以放置在S塊，也可以放置在T塊中，此外還可以部分放在在S塊、部分放在T塊，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。當?shù)谝粋€字節(jié)內(nèi)容是78，表示OAM信息在S塊中，攜帶有客戶編號（Client_no）、復幀序列號、監(jiān)控信息（PM1至PM3）、CRC信息；第一個字節(jié)內(nèi)容是87，表示是T塊，攜帶有自動保護倒換（AutOAMtic Protection Switched，APS）信息、延遲時戳（Delay Timestamp，DT）。

圖6 段層OAM信息塊示意圖

2.2 FlexE通道層OAM

FlexE通道層OAM信息需要進行擴展實現(xiàn)，在客戶業(yè)務復用進入FlexE shim層前，在客戶業(yè)務流（66 bits長的信息塊）插入OAM信息塊流。OAM塊是一組特殊的信息塊，符合64/66bits編碼規(guī)范，按照固定周期進行發(fā)送，實現(xiàn)CC/CV檢測功能。插入OAM信息塊流前后的客戶業(yè)務流如圖7所示。

圖7 FlexE通道層OAM信息插入示意圖

其中T為絕對時間，可以設置為不同的周期，可設置的周期有四種：（1）16k Block（缺省周期）；（2）64k Block；（3）256k Block；（4）512k Block。其中，k=1024。

針對非固定周期發(fā)送接收的OAM，發(fā)送側(cè)OAM可以設置三種周期：（1）1s；（2）10s（缺省周期）；（3）1min。

FlexE通道層OAM信息塊具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 FlexE通道層OAM信息結(jié)構(gòu)圖

具體字段格式定義如下：

（1）0x4B：8bit，碼塊類型，表示該碼塊為O碼類型；

（2）Resv：2bit，預留字段，缺省采用0b00；

（3）Type：6bit，標識不同操作維護管理的不同功能類型；

（4）Value：32bit，特定類型的OAM消息的內(nèi)容；

（5）O碼：4bit，缺省為0xa，支持設置，表示FlexE通道層OAM；

（6）Seq：4bit，標識同一OAM功能中采用的多個碼塊的序號；

（7）CRC4：4bit，對FlexE OAM碼塊（除CRC4之外）的4bit CRC校驗（同步頭不參與校驗）；所有操作維護管理（OAM）Block只有在CRC校驗正確時有效。

3 結(jié)束語

本研究首先介紹了FlexE的技術背景和實現(xiàn)方法，接著分析了它的通用結(jié)構(gòu)、時隙分配以及分層方法，然后根據(jù)FlexE承載網(wǎng)絡分層結(jié)構(gòu)分別從通道層和段層這兩個角度介紹了FlexE的OAM實現(xiàn)方法和塊結(jié)構(gòu)。