100GE接口的实现及在城域网部署

自从以太网技术由施乐公司于1973年提出并实现以来，其就以成本优势、技术简单和部署灵活的优越性所向无敌。在这30多年中，以太网技术经历了不断的完善，在宽带接入、城域网汇聚、核心层中得到了广泛的应用。从10M到100G，从局域网到城域网，通过不断的完善自身不足，以太网技术已经成为目前应用最为广泛的网络技术。而在2010年6月17日，IEEE正式批准了IEEE 802.3ba标准，这标志着40G/100G以太网的商用之路正式开始，吹响了以太网新一轮大提速的号角。

一、业务需求驱动技术发展

从业务需求来看，100G的主要需求主要来自城域网骨干和数据中心业务。

随着宽带市场的不断发展，用户数量在迅速增加。同时，城域网个人宽带接入的带宽也在不断提升，每用户20Mbps、50Mbps、甚至100Mbps的带宽，已经成为国内未来几年的网络发展目标。而近几年无线热点、热区及后续无线城市的战略部署，也促使数据流量在不断增加，尤其是P2P、IPTV等视频内容大吞吐量数据已成为当前宽带业务的主要组成部分，这些都对网络的高带宽提出了要求。而接入层带宽的增加必然导致城域网汇聚层和核心层的带宽需求增加，未来的接入汇聚层将以10GE为主，核心骨干层则存在升级到100G的实际需求。

在数据中心，由于云计算和虚拟化的广泛应用，数据中心架构面临着深刻的变革，网络将取代计算成为主角。高带宽网络成为数据中心建设的基本要求。特别像视频点播、10G的FCoE、以及高性能计算这样的高带宽应用，都需要万兆以太网接口，而随着数据中心服务器和接入设备万兆以太网的普及，数据中心网络汇聚层和核心层设备对100G以太网的需求也会越来越强烈。

由此可见，无论是城域网的内部带宽需求，还是出口带宽需求，或是数据中心的带宽需求都在成几何数字增长。企业和运营商都需要扩建自己的网络来应对流量的增长，网络的带宽升级扩容导致对高带宽网络设备的需求也在日益增长，100G以太网势在必行。

二、100G以太网标准的诞生

早在2006年下半年，IEEE就成立了HSSG（Higher Speed Study Group），目标是要研究制定下一代高速以太网100G的标准，制订100G以太网的媒体接入控制(MAC)、物理编码子层(PCS)、物理介质附加子层/物理介质子层(PMA/PMD)的技术规范。但由于40G以太网标准的提出，下一代以太网标准出现了分歧，对服务器到交换机应用更感兴趣的成员力挺40Gbps，他们认为这样的改进是一种必要的、简单且经济的升级，并拥有广阔的市场前景，而关注网络汇聚和骨干网的成员则支持100Gbps。双方的分歧与争论一直持续着，最终HSSG决定制定一个包含两个速度的单一标准。

在IEEE的40G/100G以太网标准发布的同时，多个光通信标准组织也在积极制定相关规范，涵盖40G/100G器件、光模块、OTN开销处理、系统设备等领域。具体来说，IEEE主要制定客户侧的网络接口和以太网相关映射标准，为40G/100G客户侧接口提供了规范；ITU-T主要制定运营商网络相关标准。2010年该组织对G.709标准进行了一次修订，进一步规范了OTN接口标准，把40G/100G以太网的承载和映射进行了明确的定义；OIF则负责制定40G/100G波分侧光模块电气机械接口、软件管理接口、集成式发射机和接收机组件、前向纠错技术的协议规范，有力地推动了波分侧接口设计标准化。

40/100G以太网标准的诞生，解决了数据中心、运营商网络和其它流量密集高性能计算环境中数量越来越多的应用的宽带需求，同时也将推动万兆以太网的普及，可以提供更多的万兆链路汇聚。

三、100G以太网的类型

在802.3ba中，针对100GE定义了如下类型：

·100GBASE-CR10

100GBASE-CR10是100Gb/s 信号在铜缆上应用的规范，采用了10×10G（基于10GBASE-KR）的并行模式，传输距离为7m。主要是应用在机架/机柜内或机架/机柜间的互联。

·100GBASE-SR10

100GBASE-SR10是100Gb/s 信号在多模光纤上应用的规范，，采用850nm的波长，在OM3的多模光纤上传输。传输距离为100m。主要应用于办公室之间，数据中心服务器到交换机之间互联，以及交换机和交换机之间的互联。

·100GBASE-LR4和100GBASE-ER4

这两种接口是100Gb/s 信号在单模光纤上应用的规范，，采用波分复用技术，传输距离分别为10KM和40KM。主要应用于互联网交换、校园网，城域网以及骨干网。

在100GE物理层规范方面，100 Gbit/s以太网应满足的条件如表1所示：

表1.100GE物理层接口

CFP和CXP封装均支持热插拔，其中CFP主要针对40G和100G以太网的应用，同时支持单模或多模光纤；而CXP主要针对集群和高速计算市场。目前，CXP还没有形成最终标准，CFP草案已起草完毕，正在讨论中。

图1为CXP模块和光纤，光纤上提供12 个发射（TX）和12个接收 （RX）通道

图2为CFP模块示意图

四、OTN承载100GE业务

OTN（光传送网，Optical Transport Network），是以波分复用技术为基础、在光层组织网络的传送网。相对SDH而 言，OTN技术的最大优势就是提供大颗粒带宽的调度与传送。

从国内建网趋势来看，OTN已经成为事实的标准。在100G时代，OTN需要承载100GE的业务数据，此时需要对100GE进行到OTN的封装映射。目前，映射方式主要有如下几种：

·100GE信号映射到ODU4

ITU-T定义了OTU4，ODU4的信号速率分别为111.8099736Gbit/s、104.7944458Gbit/s，能够支持100GE用户的映射。

·100GE串行信号反向复用到ODU2e、ODU2、ODU3

主要有ODU2e-10v反向复用和ODU2-11v或ODU3-3v反向复用两种方案。ITU-T Q11已经明确将对这两种封装映射路径进行标准化。采用GMP(General Mapping Protocol)映射方法在技术上可以实现，但标准还不成熟。

·100GE信号反向复用到10×10G或4×25G

这种方案将高速串行的100GE信号反向复用为10G或25G低速并行的信号。目前，ITU正在讨论承载Multi-lane 100GE的问题，主要有Multi-lane PCS层汇聚再映射到OTN，以及比特透明独立映射两种解决方案。

五、100GE在城域网内的部署

从以上业务需求可以看出，城域网带宽升级已经成为必然趋势。而从历次城域网的带宽升级技术来看，以太网从来都是当仁不让，从10M到100M，从GE再到10GE。这主要是得益于以太网技术本身简单易用，性价比高。出于同样的原因，100GE也会是未来城域网带宽升级的主要方式。

在目前城域网中，较大用户规模的BRAS/SR和汇聚交换机间通常是以10GE或n×GE链路进行连接，而BRAS/SR上行则是通过多个10GE的捆绑聚合来提供更多的带宽，在链路数目较少时聚合问题还不明显，但链路数据较多时则存在较为突出的问题。首先较多数量的链路捆绑后，需要占用设备更多的端口，需要购买更多的光模块；其次链路捆绑主要是采用hash算法进行负载均衡，属于统计意义上的均衡，有可能会降低聚合链路的有效带宽；再次链路聚合方式会占用较多的光纤资源，特别是远程机房间的多条链路聚合时，在施工上也会比较麻烦，在管理和维护上都远远不如采用单条高速链路连接更简单。而在100GE时代，BRAS/SR则可以通过100GE上行连接CR形成高速的城域网核心层，必要时甚至可以通过100G连接下行的汇聚交换机，提供无阻塞的城域网接入汇聚层次（如图3所示）。

图3100GE的城域网典型架构

六、100G商用尚待时日

虽然100G技术拥有广阔的业务应用潜力，但目前尚有诸多待解决的问题，如100GE接口形式的选择等。此外，受限于成本问题，特别是目前100G的芯片和光模块成本还比较高，在短期内100G还难以进行大规模商用。按照国际市场研究机构Infonetics Research的分析，100G以太网的价格要等到2015年才能成为市场可接受的价格，预测100G以太端口也会在2015年大规模出货。因此整体上来看，100G的真正商用时代还需要等待2～3年的时间。

目前中国电信正在组织国内首次100G系统技术测试，预计经过首轮测试验证以后，有可能在2013年启动建设100G试商用网络，如果网络应用的宽带压力持续增加，预计2014年国内运营商将开始规模化建设100G传输网络，即总体来看国内100G市场发展趋势，2012年为测试验证年，2013年为现网试验年，2014年为规模商用年。

虽然100G商用时代还需要等待一段时间，但对运营商而言，汇聚、核心网络设备已经需要为未来平滑过渡到100G提供硬件支持的能力，包括背板架构、交换矩阵、供电和制冷等多个方面能够支持将来100G的部署。这样后续才可以平滑支持100GE的接口，满足运营商未来高速接口的要求。