带你读《智慧光网络:关键技术、应用实践和未来演进》——2.8.1 高速以太网技术

简介: 带你读《智慧光网络:关键技术、应用实践和未来演进》——2.8.1 高速以太网技术

2.8 IP 承载技术


IP 承载技术是从ISO/OSI 7 层结构的数据链路层一直到会话层中相关连接技术的统称。本节主要选取其中得到广泛应用的技术进行介绍,包括数据链路层的高速以太网技术、基于传统IP 网络发展而来并持续演进的MPLS 技术、解决网络时延、丢包和抖动等问题的确定性网络技术和基于IPv6 升级的IPv6+ 技术。


2.8.1 高速以太网技术


以太网接口最初用于局域网内多个主机之间的通信,传统光网络主要承载TDM 类型的业务,少量的数据业务通过E1 承载,彼此联系并不多。到了3G 时代,NodeB 和RNC 之间的Iub 接口就提出了大量数据业务的要求,以太网接口是融合底层TDM 和上层数据的关键,从此以太网技术开始融入光网络,并且由于大量的局域网和客户端都采用以太网数据接口,因此,高速以太网技术为智慧光网络的泛在和超宽的接入提供了连接基础。


1.多种速率的发展趋势

通常人们把千兆及以后的以太网称为高速以太网。1999 年3 月,IEEE 专门成立了高速以太网研究组,致力于10Gbit/s 以太网的研究,并在2002 年6 月正式发布了10Gbit/s 以太网标准。10Gbit/s 以太网除提升速率外,还在物理层提供局域物理层(PHY,Physical Layer)和广域物理层,以满足不同的应用场景需求。之后,不同应用场景的需求促使了多种速率以太网技术的出现,这种发展不是以10 倍方式递增,而是同时向前、向后并行进行,向前扩展到2.5Gbit/s和5Gbit/s 以太网,向后扩展到400Gbit/s 以太网。除IEEE 802.3 外,OIF 等标准化组织也加入以太网技术的研究当中,如表2-4 所示。

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表2-4 多种速率的高速以太网


2.40Gbit/s 和100Gbit/s 以太网

在以太网标准中,40Gbit/s 是首个“另类”的以太网速率,打破了以10 为倍数的发展规律。40Gbit/s 以太网端口技术和产业链相比100Gbit/s 以太网更成熟,在芯片成本、光模块成本、端口部署等方面都有着非常现实的意义,面向数据中心的应用可快速实现规模性商用。100Gbit/s 以太网面临更大的技术和成本挑战,侧重在网络汇聚层和骨干层中。


电气与电子工程师协会(IEEE)的40Gbit/s 和100Gbit/s 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,如IEEE 主要制定客户侧的网络接口和以太网相关映射标准;ITU-T 主要制定运营商网络相关的标准,进一步规范OTN 接口标准,对40Gbit/s 和100Gbit/s 以太网的承载和映射进行了明确定义;OIF 则负责制定40Gbit/s 和100Gbit/s 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等规范,有力地推动了波分侧接口设计的标准化。


3.超100Gbit/s 以太网技术

超100Gbit/s 以太网技术主要有3 个具体的方向:200Gbit/s、400Gbit/s 及更高速率的以太网技术;支持400Gbit/s 以太网互连和多厂商网络互通的400G ZR 技术;DWDM 承载高速以太网技术。


(1)IEEE 802.3bs 标准

2017 年12 月,IEEE 802.3 以太网工作组正式批准了新的IEEE 802.3bs 以太网标准,包含200Gbit/s 和400Gbit/s 以太网所需要的媒体访问控制参数、物理层和管理架构的定义等。200Gbit/s和400Gbit/s 端口已经投入商业部署应用中,超高带宽可满足云扩展数据中心、互联网交换、主机托管服务、服务供应商网络等带宽密集型的需求,并大幅降低端口成本。如今,IEEE 802.3 已将主要的研究转向更高速率的以太网技术,如800Gbit/s、1.6Tbit/s,以满足未来5G/6G 时代万物互联的需求。


(2)400G ZR/ZR+ 规范及DWDM 承载高速以太网

为了满足数据中心的高速互联,IEEE 专门研究了支持80km DWDM 系统单波100Gbit/s和400Gbit/s 速率点对点传输的应用场景,通过引入相干光传输技术来实现用DWDM 承载400Gbit/s 高速以太网。2019 年3 月成立的IEEE 802.3ct 标准项目,其主要目标就是完成制定基于DWDM系统的100Gbit/s 和400Gbit/s 相关标准,并着手制定其物理层相关参数与规范要求,主要包括PCS(物理编码子层)、PMA(物理介质附加子层)、光物理层等。


除了IEEE,OIF 结合DWDM 和高阶调制技术,在2020 年3 月发布了400G ZR 正式标准,提出了一种独特而又先进的相干技术驱动大容量数据传输的解决方案,目标是在80km 的链路上传输400Gbit/s 以太网。前面光模块章节也对其进行了展开和描述,其尺寸小巧、紧凑,可热插拔,目前多采用QSFP-DD 和OSFP 封装并完成互连,带来了简化供应链管理和快速部署等双重好处,助力云计算和超大规模数据中心的高带宽需求,有效应对云服务、物联网设备、流媒体等应用需求的增长。


400G ZR+ 是针对传输距离超过80km 的下一代400Gbit/s 城域网传输的规范,它有望根据覆盖要求和与已建立的城域网基础设施的兼容性来支持多种不同的信道容量,进一步提高模块化程度。


4.2.5Gbit/s 和5Gbit/s 以太网

2.5Gbit/s 和5Gbit/s 以太网技术主要是应对无线网络设备的大量部署,这些使用IEEE 802.11ac 无线终端的实际接入速率已经达到1.3Gbit/s,后续的802.11ac wave2 和802.11ax(Wi-Fi 6)中,无线终端最高的接入速率在理论上可达到6.9Gbit/s 和9.6Gbit/s。


升级万兆以太网可以提供更高的网络带宽及传输速率,从技术层面看是可行的,但是万兆网络端口需要配套Cat6、Cat6a 或以上线缆,无论是在现有线缆的利旧还是新增布线的便利性上都存在挑战。


因此,2016 年IEEE 正式发布了2.5Gbit/s 和5Gbit/s 两种传输速率规格的802.3bz 标准,明确定义了2.5Gbit/s 和5Gbit/s 以太网介质的访问控制参数、物理层规范和管理传输网络对象等内容。其可以在继续使用现有主流的Cat5e 线缆的基础上,提供更高、更快的网络传输速率,并向下兼容10Mbit/s、100Mbit/s 和1000Mbit/s 网络,这是企业进行网络升级改造的首选方案。2.5Gbit/s 和5Gbit/s 网络端口和其他速率端口进行对接,通过其自协商功能自动选择同样的工作参数,以使其传输能力达到双方都能够支持的最大值。


5.25Gbit/s 和50Gbit/s 以太网技术

在40Gbit/s 和100Gbit/s 以太网已经存在的情况下,25Gbit/s 和50Gbit/s 以太网标准是数据中心厂家追求以太网端口更高性价比的结果,它能更好地满足低成本、低功耗的需求,特别是云数据中心服务器对低成本的需求。例如25Gbit/s 以太网布线与10Gbit/s 以太网布线具有基本相同的成本结构,但性能是10Gbit/s 以太网的2.5 倍。而50Gbit/s 以太网的成本是40Gbit/s 以太网的1/2,但性能提高了25%。


2014 年7 月,谷歌、微软、Arista 网络、博通和Mellanox 等公司成立了25G 以太网联盟的供应商组织,其目的是实现25Gbit/s 和50Gbit/s 以太网的标准化。IEEE 随后表示将实现25Gbit/s 和50Gbit/s 以太网的标准化。同期,芯片制造巨头博通携手合作伙伴加快推动25Gbit/s 和50Gbit/s 以太网在IEEE 的标准化。


2016 年5 月,IEEE 正式批准制定25Gbit/s、50Gbit/s 和200Gbit/s 以太网的标准,其中面向25Gbit/s 以太网的802.3cc 标准主要基于单模光纤开发10km 和40km 物理层标准;面向50Gbit/s以太网的802.3cd 标准与面向100Gbit/s 和200Gbit/s 以太网的IEEE 标准一起并行开发,形成一个基于50Gbit/s 单通道的公用平台。


总的来说,当前的以太网技术是以应用需求为驱动的。面向不同的应用,人们需要一些新的速率、不同的介质及新的应用技术等。对于未来以太网发展的期望和要求,虽不敢说市场的预期和现在是一样的,但可以肯定的是,低成本、高可靠和广泛的互联互通是未来的发展趋势。

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