面向5G的FlexE及其OAM研究

馬亞燕

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

0 引言

我國(guó)已正式啟動(dòng)5G商用，2020年3月24日國(guó)家工信部發(fā)布了《工業(yè)和信息化部關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》，文中明確指出必須加快5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署，豐富5G技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。7月3日，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP宣布R16標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，標(biāo)志著5G第一個(gè)演進(jìn)版本標(biāo)準(zhǔn)完成。

1 FlexE概述

1.1 FlexE的技術(shù)背景

5G的應(yīng)用場(chǎng)景主要分為三種，分別是增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（Embb，Enhanced Mobile Broadband）、超高可靠低時(shí)延通信（URLLC，Ultra-reliable and Low Latency Communications）以及海量機(jī)器類(lèi)通信（Mmtc，massive Machine Type of Communication）。這要求5G承載網(wǎng)絡(luò)必須能夠按需擴(kuò)容、分片承載，并且將業(yè)務(wù)進(jìn)行信道化隔，因此FlexE應(yīng)運(yùn)而生了。

在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，以太網(wǎng)的報(bào)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(dāng)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)速率超過(guò)100G時(shí)，物理通道的速度提升緩慢，遭遇到瓶頸。同時(shí)，高速物理通道的價(jià)格比較昂貴，速率為200G的光模塊價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了2塊100G光模塊的價(jià)格，性?xún)r(jià)比大大降低了，從經(jīng)濟(jì)利益的考慮不如使用2個(gè)100G的光模塊。

FlexE技術(shù)是把多個(gè)物理通道進(jìn)行“捆綁合并”或者將一個(gè)物理通道進(jìn)行拆分，形成一個(gè)或若干個(gè)虛擬的邏輯通道，使物理通道速率不再等于客戶(hù)業(yè)務(wù)速率，從而實(shí)現(xiàn)客戶(hù)業(yè)務(wù)速率和物理通道速率的解耦，解決高速物理通道性?xún)r(jià)比不高的問(wèn)題。客戶(hù)業(yè)務(wù)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(dú)立。

綜上所述，F(xiàn)lexE技術(shù)屬于接口技術(shù)創(chuàng)新，建立了智能的端到端鏈路，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)際互連協(xié)議（IP，Internet Protocol）低時(shí)延，主要面向5G網(wǎng)絡(luò)中的云服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)切片，以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR，Augmented Reality）、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR，Virtual Reality）、超高清視頻等時(shí)延敏感業(yè)務(wù)需求，因此受到全球主流運(yùn)營(yíng)商、供應(yīng)商的認(rèn)可。

1.2 FlexE的實(shí)現(xiàn)方法

在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)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(guò)協(xié)調(diào)子層（RS，Reconciliation Sublayer）連接物理層，在物理層經(jīng)過(guò)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(guān)層（PMD，Physical medium dependent）三個(gè)功能模塊后發(fā)送出去。這三個(gè)功能模塊的作用分別為對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行64/66bits編解碼、鏈路監(jiān)測(cè)和時(shí)鐘合成/恢復(fù)、擾碼和均衡。

FlexE技術(shù)通過(guò)在原來(lái)的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)處理流程的MAC層和理PCS之間增加FlexE shim層來(lái)實(shí)現(xiàn)。

FlexE shim層由64/66bits編碼、時(shí)隙排列、成員分發(fā)和開(kāi)銷(xiāo)插入四個(gè)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(shí)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(guò)時(shí)分復(fù)用，用多個(gè)綁定的物理通道來(lái)承載各種IEEE定義的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。圖中，F(xiàn)lexE Client指的是FlexE網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)客戶(hù)，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(gè)FlexE協(xié)議組，包含1到n個(gè)綁定在一起的以太網(wǎng)通道，用來(lái)承載FlexE Client，目前FlexE Group只支持100GE以太網(wǎng)通道。

1.4 FlexE的時(shí)隙分配

FlexE shim層是一個(gè)主時(shí)隙規(guī)劃表（master calendar），F(xiàn)lexE協(xié)議規(guī)定將FlexE Group中的每個(gè)速率100G物理成員通道劃分為20個(gè)5G時(shí)隙，在此之上傳遞一個(gè)子時(shí)隙規(guī)劃表（sub calendar）。因此當(dāng)FlexE Group成員數(shù)為n的時(shí)候，F(xiàn)lexE shim中有n×20個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)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(gè)100G物理成員通道可以劃分成4×20即80個(gè)時(shí)隙。

圖2 FlexE子時(shí)隙規(guī)劃圖

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

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

圖3 FlexE時(shí)隙分配圖

1.5 FlexE的分層

FlexE承載網(wǎng)絡(luò)模型擴(kuò)展為兩層，即通道層和段層。FlexE通道層位于FlexE客戶(hù)數(shù)據(jù)和FlexE段層之間，實(shí)現(xiàn)客戶(hù)數(shù)據(jù)的接入/恢復(fù)、增加/刪除OAM信息、數(shù)據(jù)流的交叉連接，以及通道的保護(hù)。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(shí)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(kāi)銷(xiāo)的插入與提取。FlexE group屬于段層。如圖4所示。

圖4 FlexE網(wǎng)絡(luò)模型分層圖

2 FlexE OAM

FlexE承載網(wǎng)絡(luò)可實(shí)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(cè)（CC/CV）、丟包測(cè)量（LM）、時(shí)延測(cè)量（DM）、遠(yuǎn)程缺陷指示（RDI）、自動(dòng)保護(hù)倒換（APS）等各性能檢測(cè)。與FlexE承載網(wǎng)絡(luò)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(kāi)銷(xiāo)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(gè)66比特的開(kāi)銷(xiāo)塊（FlexE Overhead），開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)實(shí)現(xiàn)shim層的管理等功能，例如FlexE組中的各條通道之間的對(duì)齊。開(kāi)銷(xiāo)塊采用復(fù)幀結(jié)構(gòu)。一個(gè)1023×20×66b數(shù)據(jù)塊被稱(chēng)為一個(gè)子幀，連續(xù)的8個(gè)子幀（包含開(kāi)銷(xiāo)頭）構(gòu)成一個(gè)FlexE幀，連續(xù)的32個(gè)FlexE幀構(gòu)成一個(gè)FlexE復(fù)幀。因此，一個(gè)FlexE復(fù)幀中的開(kāi)銷(xiāo)部分共占用32×8=256個(gè)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(bào)文進(jìn)64/66bits編碼后，起始碼（S塊）和結(jié)束碼（T塊）之間會(huì)有多個(gè)數(shù)據(jù)塊（D塊），空閑間隔用空閑信息塊（I塊）進(jìn)行填充，用來(lái)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)整。如圖5所示，I塊可以利用起來(lái)傳遞段層OAM信息，圖中標(biāo)注為OAM信息塊。當(dāng)S塊和T塊之間沒(méi)有D塊或者D塊很少，或者有空閑信息塊I塊時(shí)，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(dāng)?shù)谝粋€(gè)字節(jié)內(nèi)容是78，表示OAM信息在S塊中，攜帶有客戶(hù)編號(hào)（Client_no）、復(fù)幀序列號(hào)、監(jiān)控信息（PM1至PM3）、CRC信息；第一個(gè)字節(jié)內(nèi)容是87，表示是T塊，攜帶有自動(dòng)保護(hù)倒換（AutOAMtic Protection Switched，APS）信息、延遲時(shí)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(jìn)行擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，在客戶(hù)業(yè)務(wù)復(fù)用進(jìn)入FlexE shim層前，在客戶(hù)業(yè)務(wù)流（66 bits長(zhǎng)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(jìn)行發(fā)送，實(shí)現(xiàn)CC/CV檢測(cè)功能。插入OAM信息塊流前后的客戶(hù)業(yè)務(wù)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(duì)時(shí)間，可以設(shè)置為不同的周期，可設(shè)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(duì)非固定周期發(fā)送接收的OAM，發(fā)送側(cè)OAM可以設(shè)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(lèi)型，表示該碼塊為O碼類(lèi)型；

（2）Resv：2bit，預(yù)留字段，缺省采用0b00；

（3）Type：6bit，標(biāo)識(shí)不同操作維護(hù)管理的不同功能類(lèi)型；

（4）Value：32bit，特定類(lèi)型的OAM消息的內(nèi)容；

（5）O碼：4bit，缺省為0xa，支持設(shè)置，表示FlexE通道層OAM；

（6）Seq：4bit，標(biāo)識(shí)同一OAM功能中采用的多個(gè)碼塊的序號(hào)；

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

3 結(jié)束語(yǔ)

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