总23期
Technology    技术前沿
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FlexE,
新一代网络硬切片关键技术
文/吕磊
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以太网技术最早是1972年由施乐公司提出来的,作为一种统计复用技术,其承载的业务可以共享整个接口的带宽,能够最大化带宽利用率同时也方便部署,因此在产业技术与业务需求的共同驱动下得以快速发展,逐渐成为目前IT业界应用最为广泛、生态系统最为完善的L2层互联技术。但是这一特性也导致承载的业务之间不能严格隔离,无法针对不同业务提供确定带宽的资源预留,使得以太网无法满足传统的以SDH/OTN技术构建起来的传输网的需求,应用于行业网的远距离分支互联。然而,随着传统的SDH协议在STM-64(40G)上停止发展,OTN技术更加专注于大带宽的发展,对于低颗粒度、低带宽诉求的企业网分支总部间的传输诉求支持不足,致使这部分传统的传输专线业务需求与技术的演进出现鸿沟,业界迫切希望基于标准以太网技术扩展支持这种硬件隔离的通道化的时分复用技术来解决这个问题。

以太网技术在接口层面遵循IEEE 802.3定义的MAC/PHY层标准,在2010年之前,基本按照“X10”倍速率发展,从10M到100M、1G、10G、40/100G发展。但是最近几年,随着业务需求与Serdes等技术的发展,以太网新增了25G、50G、200G、400G、800G的演进路径。而原有10M到100G路径也开始向100G、400G、800G方向发展,带宽越来越大,但是相邻带宽之间的间隔也越来越大。尤其是在100G以上的速率,由于颗粒度太大,已经远远超过了承载的业务所需要的带宽增长的需求,迫切需要细化带宽等级,适配业务逐步发展的诉求。

FlexE技术就是在这样的背景下诞生的,是在以太网技术基础上,为满足高速传送、带宽配置灵活等需求而发展来的技术。它的出现首先解决了业界希望以太网接口可提供更加灵活的带宽颗粒度的问题,从此不必受制于IEEE 802.3标准所确定的10、25、40、50、100、200、400GE的阶梯型速率体系。其次,它解决了以太网口与光传输网络解耦的问题,不再需要光传输网络的DWDM链路速率与UNI接口的以太网速率保持严格的匹配,可以最大程度地提高光传输的利用率。最后,它解决了以太网接口承载的业务相互影响的问题,通过严格的时分复用的通道化技术,实现物理层的切片并严格隔离,让多业务统一承载在同一张网络上成为可能。

FlexE技术的关键实现

图1 标准以太网和FlexE的架构

FlexE技术通过在IEEE802.3基础上引入FlexE Shim层实现了MAC与PHY层解耦(其实现如图1所示),打破了原来MAC和PHY层严格的速率匹配关系和1:1的对应关系,从而实现了灵活的速率匹配和时分复用的通道化功能。

图2 FlexE架构图

FlexE基于Client/Group架构(如图2)定义,可以支持任意多个不同子接口(FlexE Client)在任意一组PHY(FlexE Group)上的映射和传输,从而实现捆绑、通道化及子速率等功能。其中:

FlexE Client对应于网络中的各种用户接口,与现有的网络设备的业务接口一致。FlexE Client可根据带宽需求灵活配置,按照当前OIF的标准,可以支持的以太网MAC数据流的速率只有10G、40G和N*25G,非标准速率的设计MAC和PHY之间的控制信息的传递存在未定义部分,理论上可以支持,但是协议未定义,不同厂家对接可能有问题。

FlexE Shim作为插入传统以太网架构的MAC与PHY(PCS子层)中间的一个额外逻辑层,通过基于Calendar的Slot分发机制实现MAC层和PHY层的解耦。

FlexE Group本质上就是IEEE 802.3标准定义的以太网PHY层,目前支持50G、100G、200G和400G四种PHY,同时可以支持同速率的PHY的捆绑。因为重用了以太网技术定义,使得FlexE架构得以在未来伴随以太网MAC/PHY基础上进一步增强。

FlexE的核心功能是通过FlexE Shim层实现的,它可以把FlexE Group中的每个100GE PHY划分为20个Slot(时隙)的数据承载通道,每个50GE PHY划分为10个Slot(时隙)的数据承载通道;每个PHY所对应的这一组Slot被称为一个Sub-calendar,多个PHY的Sub-calendar组成SHIM的Calendar。由SHIM统一控制Slot的分配,其中每个Slot所对应的带宽为5Gbps。理论上SHIM可以进行任意数量的Slot组合设置,从而实现支持更加灵活的多速率承载。FlexE Client数据流以Block原子数据块(64/66B编码的数据块)为单位进行切分,然后通过FlexE Shim写入分配的对应slot中,Client本身基于SHIM交互,并不关心具体使用的PHY,由SHIM实现在FlexE Group中的多个PHY与时隙之间的分发。

FlexE技术正是通过Shim层的上述机制,将以太网的统计复用机制修改为了严格的颗粒度为5G时分复用,同时在每个5G粒度内部保留以太网当前的灵活的统计复用的特性,使得FlexE同时具备了两种机制的优势;同时通过将不同的5G粒度的Slot捆绑,可以实现n*5G的速率等级划分,从而突破了以太网的10、25、40、50、100、200、400GE的阶梯型速率体系的限制。

图3 FlexE FlexE帧结构示意图

FlexE的应用

随着5G的兴起,业务的入口点会被逐渐收拢到无线基站,这些丰富多样化的业务均需要借助无线基站来承载,并最终流向不同位置的数据中心。网络模型的变化使得运营商的无线回传网由过去承载单一的基站回传业务逐步演变为一张多业务的综合承载网。主要有如下变化:

1. 数据流向多元化

多样的业务需求使得流量模型呈现出基站、边缘MEC和核心数据中心之间多点交互的网状流量的特点,数据流不再只是4G时代的南北流向,而是东西南北纵横交织的网状全互联流向。

2. 业务需求多元化

不同业务对承载网的技术指标提出不同的诉求。例如:以自动驾驶为代表的uRLLC业务,关注网络的时延和抖动等;而eMBB业务关注的是带宽。

3. 业务带宽呈现逐步增加的趋势

以eMBB为代表的大带宽业务对承载网提出更高的带宽诉求,但是这部分受制于5G业务的推广进度,呈现逐步增加的趋势,出于投资保护的考虑,运营商也需要一个能够逐步平滑演进的带宽扩展技术。

面对5G业务的业务诉求,运营商当前的组网模型和建网思路面临巨大的挑战,纷纷探索转型构建全新的城域网,融合承载各类业务。而FlexE技术提供的三大功能:大带宽接口、网络分片和严格物理隔离、高效的传输设备对接等特性,成为构建新型城域网的基础技术。通过构建在FlexE技术上的新型城域网,结合SDN技术,可以实现带宽按需分配、硬管道隔离以及低时延保障等方案,同时支持基于业务体验的未来网络架构,以支撑未来的高带宽视频、VR/AR、5G等业务发展。

图4 FlexE与5G业务应用

FlexE的未来发展

FlexE技术的出现能够契合5G业务承载对于网络的大带宽、切片、业务物理隔离等诉求,为运营商构建适用5G业务长期发展的网络基础架构提供了技术支持。因此三大运营商均明确地将FlexE定义为未来的基础承载技术,写进了新一代承载网建设的技术规范。但是同历史上其他技术刚兴起时的现状一样,FlexE技术拥有美好的前景,同样目前也存在一些亟待解决的问题,具体问题如下:

1. 最小5G的颗粒度太粗,无法满足接入网络的需求

当前OIF定义的最小颗粒度是5G,而当前运营商承载的专线业务大多停留在GE及以下的带宽,要实现FlexE端到端的部署,需要占用最小5G的时隙粒度,带来了带宽的极大浪费同时增加建网成本。正是意识到这个问题,紫光股份旗下新华三集团的高端路由器产品在OIF协议的基础上进行了适当的扩展,目前已经能够实现10M级别的切片能力,可以实现切片带宽在n*10M的粒度任意配置。

2. 最低速率的PHY只有50G,部署成本高

当前接入网络中大量部署的仍然是10GE和GE接口,而协议定义的支持FlexE的PHY的最低速率是50G,要部署端到端的FlexE,需要升级接入网的接口到最低50G,考虑到现网大量的设备可能无法实现这个升级(50G接口需要25G的Serders,老芯片无法支持),这部分的升级必然带来大量的投资浪费。

3. 任意速率的切片存在较多对接问题

按照OIF标准定义,尽管SHIM层能够提供的n*5G的任意带宽的分配,但是Client实际上只有10G/40G/n*25G这些速率的MAC,这里最重要的原因是在IEEE802.3定义的MAC和PHY层之间存在一整套的控制码流来做相应的状态同步和告警,而非标准速率的MAC在IEEE802.3中并未定义,不同厂家的实现不同必然带来对接问题。

4. 使FlexE切片发挥最大效率的控制面协议尚在完善中

当前网络控制面的路由协议主要是基于端口触发的(参见图5),正常情况下对接的两台设备运行ISIS/OSPF/BGP协议时,对于FlexE的不同切片间会形成等价路由,原先期望走FlexE切片1的三条数据流会在3个FlexE切片上形成负载分担,达不到预期的效果。当前要形成每种业务走不同的FlexE切片的效果,需要在对接的两台设备上部署与切片数量相同的IGP路由进程,让每个接口分属于不同的进程,这样才能做到按需选路,但是此种部署对于设备的路由处理性能要求很高,且部署复杂,难以运维,不利于大量分片的部署。为了解决这个问题,需要扩展IGP协议,让IGP能够识别到FlexE切片。这部分的定义目前尚处于协议的早期阶段,发展成熟还需要时间。

图6 FlexE切片对控制协议的需求

综合来看,FlexE技术目前的问题主要集中在低速以太网接口、切片粒度、切片灵活性以及切片数量上,满足运营商的接入网的部署需求尚不成熟,但是对于运营商骨干网,这一天然就是大带宽和大颗粒度的切片诉求的网络,FlexE的缺陷带来的影响并不明显。再加上当前5G业务尚处于初期,切片数量也不是很多,运营商的骨干网实际上初步具备部署FlexE的条件。因此运营商在推动FlexE技术的完善的同时也在摸索和加快骨干网上的FlexE的部署。新华三集团作为国内三大运营商的主流供应设备商,全面参与了运营商5G承载网标准制定工作,高端路由器产品目前已全面支持FlexE技术,已完成了运营商组织的多轮次的FlexE协议对接和实验网验证工作,并已在中国电信的5G STN网络完成规模部署。针对FlexE技术发展过程中的问题,新华三也在积极参与并配合运营商完成相关标准的细化定义和原型机验证开发,并结合自己对与企业网多年的积累和理解,先一步将FlexE的颗粒度实现到M级别,并完成产品化。

观点

FlexE技术作为新一代网络硬切片基础技术,协议标准目前处于高速发展和完善中,拥有广阔的应用前景。当前能够满足大带宽、粗颗粒度的骨干网络的需求,但是对于低速以太网接口、细切片粒度等诉求上仍然在进一步发展中,未来可满足接入网的需求。

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