现代高速网络技术及其展望.doc

现代高速网络技术及其展望随着全业务运营的不断深入全网IP化已经成为一个不争的事实。这一切带来了业务量的急剧增长，对3大运营商传输网的压力也越来越大。增加传输网的带宽已刻不容缓。目前。40G DWDM技术已经逐步成熟并走向规模商用，初步解决了当前网络对于容量的迫切需求。当大家的焦点都集中在40 Gbit/s(下文简称40G)的规模商用时，20l0年6月，100GE标准通过，在数据业务的爆炸式增长下，100G正在不断地发展和完善，100 Gbit/s(下文简称100G)高速传输技术已经成为业界关注的热点。1、10G 产品测试要点从前面的介绍可以看出，与10G相关的标准和接口种类比较多，所以从测试的角度看，首先要进行的是进行10G芯片及接口的测试；但在所有相关的测试内容中，对于XAUI接口的测试，是一个非常重要和基础的部分。原因在于，XAUI接口是物理层和数据链路层的一个分水岭，有大量的10GE收发模块包括XENPAK，XPAK，X2，CX4都是基于XAUI接口开发，在XAUI之下可直接测试收发模块PCS，WIS，PMA/PMD各子层的功能及处理性能；而在XAUI之上，可测试母板在MAC，RS子层的功能和转发性能。10G交换系统最典型的设备就是万兆以太网交换机，根据其设计结构和应用点，要考虑的测试点包括以下几点。（1）数据包处理器（Packet Processor）的运算能力因为包处理器需要作大量的读取包头信息、查表运算。查表运算是非常消耗CPU资源的，在10GE的速度下，包处理器每秒钟需要读取的包头数量可以高达14,880,952个，在复杂的分类规则约束下，包处理器不仅只检测MAC DA，SA等常规信息，经常情况是需要检测类似VLAN，VLAN Priority，MPLS，TOS，IP DA，SA等多层信息，而且还需要根据这些信息查询多个表项（路由表、转发表、标签转发表、过滤条件表），并找到以太网包的合法性和出口属性，数据包处理能力的好坏直接决定产品的性能。（2）表单（Lookup Table）容量在入口板卡上，会同时驻留类似MAC地址表，ARP学习表，路由表，转发表，标签转发表，过滤条件表等多种表项，这些表项的容量大小及存取速度直接决定了可以同时处理的以太网包的复杂程度，转发效率。如果容量太小或存取速度太慢，可能直接在本环节形成失效，无法转入下一处理环节。（3）流量测量器（Meter）的处理能力流量测量器需要在10GE线速情况下，根据单漏或双漏的定义规则，对连续经过的报文进行长度、包间隔、突发大小、平均速率、峰值速率快速运算，并进行相应的标记。需要注意的是，这种运算可能不仅仅是针对一条流，有可能是针对多条流，甚至是成百上千的流。这也是一个CPU资源消耗型的器件。在QoS管理中会造成性能的瓶颈，甚至是管理功能的失效。（4）队列（Queue）的缓冲和调度能力队列的数量是一个很重要的指标，他决定了队头阻塞（HOL）发生的可能大小；队列的容量是另外一个很重要的指标，当出口发生拥塞时，如果队列容量太小，会造成丢包的急剧增加，直接影响业务质量。在10GE端口上，由于带宽较GE要高出10倍，通常会处于核心节点，用于收敛和汇聚各个方向的用户，其承载的用户量也是非常惊人的，通常可以达到30万左右。因此，相应的队列要求也比一般的千兆系统要高出十几倍，甚至更多。另外，由于对队列的调度存在多种算法，如WRR，WFQ，Strict Priority等，各种不同的算法会同时作用到不同的队列上，因此能否按设定的规则同时对高达30万级的队列进行正确的调度，是衡量队列调度能力的关键。（5）交换矩阵（Switch Fabric）的交换能力一个10GE的交换系统，能否真正做到全网状无阻塞的线速交换，除了前面提到的一系列处理器件外，最核心的部分就是交换矩阵。首先，他是否是真正的全双工矩阵器件，还是部分总线型的器件。另外，在每一个方向上，是否真正能达到线速交换，交换的延迟有多大，是否有控制上的缺陷等，都是我们需要重点考察的问题。对于组播和广播报文，交换矩阵通常承担主要的复制工作，复制的数量和速率，会对交换矩阵的性能产生很大影响，因此需要重点考察交换矩阵的复制效率和正确性。（6）控制平面（Control Plane）路由学习和收敛性能在常规的交换系统内，路由的计算和运行都位于主控系统上，运算的结果需要反映到各线卡的转发表项中，因此主控平面的性能好坏，直接决定了转发表项的生成效率。与主控平面性能相关的测试指标，包括路由运算的速率和路由数据库的容量。同时，能够运行的协议种类，如LDP，OSPF，BGP，PIM等；当路由拓朴发生变化时，路由平面的收敛速度；路由计算结果转化为各转发表的速度。（7）主要性能测试点10GE线速情况下的二、三层吞吐量、时延、抖动等基准指标。10GE线速情况下对包的过滤能力，包括针对不同的MAC地址，IP地址，TCP/UDP端口地址或以上地址的组合。10GE线速情况下根据包内容QoS的设置，对包的优先级处理能力。10GE线速情况下根据业务约定条件（如速率大小、突发大小），对流量进行限制和标记处理能力。处理队头阻塞的能力。10GE线速组播和广播复制能力。2 、40G DWDM规模商用经过了近两年的发展与预热40G已经正式成为高速传输舞台上的主角。在2010年，40G已经成为了网络建设的主旋律特别是一级干线的建设。40G DWDM成为解决带宽需求、拓展传输容量的最主要的技术手段。从技术的发展来看40G技术本身已经相当成熟而且伴随着40G应用的不断深入。40G编码逐渐归一化和集中化，其中PDPSK和RZ-DQPSK成为了设备商和运营商最主要的选择对象。PDPSK在OSNR容限、非线性容限等方面具有非常优势的特性，惟一的不足在其DGD容限较小，其主要应用于光缆PMD指标较好的应用场景，定位于1222 dB跨段以下，而且成本具有明显优势。RZ-DQPSK在0SNR容限、非线性容限等方面性能比较均衡，相对于PDPSK而言，其DGD容限较大，可以在PMD值更差的光纤上进行40G的网络建设，主要定位于1622 dB以下的应用场景。当然，40G DWDM技术目前也存在一些问题，就目前来看40G最大的瓶颈在于上游产业链的力量比较分散，在供货的速度以及价格上还需进一步发展。特别是100G的出现对于40G的冲击还是比较明显的。上游的器件、芯片厂家把精力更多地放在100G上面造成40G产业链整体比较薄弱尤其对于40G的客户侧白光口模块虽然已经具有相当的供货能力，但其数量以及价格离业界的期望还很远。作为国内主流的光通信解决方案提供商，烽火通信充分利用烽火科技这个国内最全面的光通信产业集团实现器件和芯片的自主化生产，加强自主创新能力，掌握相关的核心技术和专利，40G WDM相继在中国电信、中国联通等运营商取得应用。2010年先后承建了中国电信南京合肥武汉的80加G传输工程，中国电信北京天津8040G工程。面对工程线路距离长、技术难度大、业务量多的难题，烽火通信采用了一系列关键技术，包括独有的sDPSK和sRZ-DQPK编码调制技术，结合功率均衡、增益锁定、单通道精确色散补偿等核心技术，很好地解决了工程0sNR受限、PMD受限等技术难题，为工程的稳定运行保驾护航。3、 40/100G产品测试和其他新技术一样，如何测试40/100G是一件有挑战的事情，虽然100G和其他速率接口的重要区别是在PCS层，但是完整的27层测试对100G来说同样重要。100GE和40GE链路和交换机、路由器和服务器直接相连接。所以，真实业务的流量性能测试是必不可少的。另外，100G接口也必须能够和其他低速率的接口一起配合进行测试。在目前阶段，根据IXIA的经验，首要进行的测试点集中在PCS层，主要考虑的测试点包括：（1）64/66bit同步位锁定每个接收侧的虚通道必须根据控制bits正确识别64/66bit块，接收侧能够根据规范对相应的bit位进行锁定。为了评估和标准的一致性，各种bit位在标准的规定下必须由测试仪表产生，这样被测试的接收端口就可以根据需要加入错误的同步位bits或者错序检测，并可以得到监测和分析，在测试过程中，可以对错误的同步bits位实时计数与统计。（2）虚通道对齐标示锁定每一个虚通道必须正确锁定对齐标示，这和用于64/66bit同步位锁定的技术类似。但是除了基本的对齐标示锁定之外，还要对一些限制条件进行验证。比如，如果标准要求经过n个连续的非错误对齐标示锁定，那么测试必须保证对任意对齐标示位进行锁定。相反，如果虚通道锁定经过m个连续的错误对齐标示位丢失，那么测试必须保证能够锁定相应的错误对齐标示。这就要求测试仪表能够对相应的错误信息进行计数与统计。（3）位偏斜误差和补偿各种电信号或者光信号的位偏斜都会引起接收侧的虚通道到达的数据时间上有所不同，0SNR的要求降低。从而可以在现有的光网络上传输单波100G信号，需要采用特殊的调制技术降低波特率。例如采用了偏振态、相位的双重调制的调制方式PDM-DQPSK就可以把100 Gbit/s的信号速率降低到25 Gbit/s从而保证在50 GHz间隔的波长区传输。为了更好地提高接收灵敏度，还需要使用相干电处理的技术也就是在解决光波长的相干接收时采用电处理技术实现。100G调制格式目前主要有QPSK和0FDM两种。但现在业界基本已经达成共识，100G码型将必须归一到(D)QPSK码型上。主要是由于(D)QPSK码型准恒包络的特性可以有效降低DWDM传输中的交叉相位调制(XPM)效应，同时有效提升频谱利用率。100G线路传输技术的研究将会集中在降低信号的物理损伤和提高频谱利用率两个方面。运营商将选择这两方面性能都较好的码型作为100G传输网络的调制码型。从目前的发展情况看，业内普遍认为PDM(D)QPSK将会是未来的选择，这主要因为它可以很好地实现50 GHz间隔和l 000 km以上的无电中继传输相干光检测技术更是可以极大程度地提高色散容限和PMD容限。这种方式的缺点是发射机相位调制效应容限低(XPM尤甚)、光学结构复杂(PolMux)，另外需要复杂的DSP处理技术用于后处理的高速ASIC和DAC芯片目前较少。100GE接口技术的发展主要解决了100GE物理端口的高可靠性问题，并支持完善的保护和监控功能。100GE物理接口主要有以下3种：10 Gbit/s(下文简称10C)铜线铜缆接口，425 Gbit/s下文简称25G)中短距离(3km/10km/40km)互联的SMF LAN接口；1010G短距离(100 m)互联的MMF LAN接口。100G的封装映射技术把100GE适配到OTN时既可以映射到OTU4中，也可反向复用到0TU2/3中。根据100GE接口的具体实现形式，可以选择不同的封装映射方式。据估计，100G关键器件将于2011年或2012年规模商用。100G传送解决方案所需的关键高速光器件和预计的成熟时间f规模商用时间)基本都在2012年前。烽火通信作为国内主流的光传输设备供应商，一直坚持自主创新、自主研发的道路，早在2006年就已经对100G进行了战略布局。烽火通信力挑重担，先后承担国家“973”项目“超高速超大容量超长距离光传输基础研究”和国家“863”项目“100GE光以太网关键技术研究与系统传输试验平台研制”项目。开展了对160100G 2 000 km的3U光传输系统的研究，将采用业界最为先进的编码，有更良好的0SNR及DGD容限更适合长距离传输。目前，烽火通信100G已经取得里程碑进展。解决了诸多关键技术难题，为后续的产品应用打下了良好的基础。虚通道对齐标示用于接收侧的虚通道自己的识别和重新对齐。为了测试位偏斜误差和补偿算法，测试仪表必须能够在虚通道中产生所需要的或者特定数量的位偏斜。接收侧的PCS层能够补偿标准规定的位偏斜。另外，测试仪表也能够测试准确的位偏斜容忍度并实时显示。（4）发送侧流量到接收侧的虚通道随机映射根据标准的定义，在发送侧，数据在特定虚通道的数据传输可以映射到接收侧任意的光纤线路上，如图2所示，红色的线标示了数据可能传送的路径。虚通道的数量不需要和实际物理通道的数量一样，但一定要保证特定虚通道上发送的数据能够在接收侧正确汇聚到一起，这就要求接收端口能够在100G速率下重新组合与排序任意虚通道的映射。测试仪表能够仿真不同的虚通道组合场景对该特性进行测试。下图是采用MLD多虚拟通道映射机制的示意。4、业务驱动100G大步向前当40G已经逐渐成为高速传输网的主要建网方式。2010年6月100GE标准的通过将所有人的目光都拉向了100G，在业务的驱动下，100G正在大跨步地发展和完善，即将成为未来高速传输领域的主流技术。（1）完善的100G标准目前。100G在标准化方面已经相当完善。IEEE、ITU-T和0IF三大标准化组织分别对100G相关的技术进行了定义。IEEE主要集中对100G的客户以太网信号定义，IEEE 103.125G定义了100GE的信号速率；ITU-T则定义了OUT4、ODU4的信号速率分别为111 809 973.568Kbit/s、104 794 445.815 kbit/s,保证了100GE作为客户信息映射到OTU信号时的兼容性问题；OIF主要定义了相关的电接口，同时也展开了对DP-QPSK码型的100G长距离传输的研究。（2 ）100G的关键技术40G速率提高到100G，光信噪比0SNR需要增加4 dB左右。为了使系统对光信噪比5、超100G提上日程社会上的信息量正以爆炸式的速度增长。100G DWDM很显然不是光通信发展的终点，100G还未真正登上