100G100G 以太网技术和应用以太网技术和应用100G Ethernet Technologies and Applications2009-09-25作者:张远望摘要:急速增加的带宽需求驱动 100G 以太网尽快地投入应用，支撑 100G 以太网接口的关键技术，主要包含物理层通道汇聚技术、多光纤通道及波分复用(WDM)技术接口部分的高速光器件关键技术需要突破，接口速率提高带来的高带宽需求对包处理和存储、系统交换、背板技术等都提出了新要求另外，网络需要解决新接口的传输问题，包括新接口传输标准定义和传输技术解决就目前的成本和需求来看，100G以太网的商用在城域网先行是比较可行的方案关键字:100G 以太网；IEEE802.3ba；100GE 传输英文摘要:The rapidly increasing requirement of bandwidth drives the 100G Ethernet into use as quickly as possible. The key technologies supporting 100G Ethernet interface include the physical layer channel convergence technology, multi-fiber channel and Wavelength Division Multiplexing (WDM) technology. The high speed fiber device needs to be resolved, and the higher bandwidth requirements by higher interface speed demands more packet processing and storage, system switching, and the backplane design. Besides, the network needs to solve the issue of the transport for the new interface, including defining new transport standard and resolving the key transport technologies. Considering current cost and requirements, the commercial service of 100 Gbit/s Ethernet is viable in metropolitan area network.英文关键字:100G Ethernet；IEEE802.3ba；100GE transport推动以太网接口速率升级到 100 Gbit/s 的根本需求是带宽增加，其中最主要的因素就是视频等带宽密集应用，另外以太网的电信化应用也导致汇聚带宽需求增速加剧。
从以太网用户接入、企业到主干在内的每一级网络都在逼近着其当前的速度极限推广 100G 以太网应用的前提是相关标准的制定100 Gbit/s 以太网接口对应的标准是IEEE802.3ba[1]，目前处于草案 2.1 阶段[2]，标准已经确定了各种接口介质、速率和物理编码子层(PCS)、媒体接入控制(MAC)层架构定义标准在 2009 年 7 月会议后停止所有技术变更，2009 年 11 月标准会议将产生草案 3.0，预计于 2010 年 6 月前发布此外，和 100GE 相关的标准组织还包括国际电信联盟远程通信标准组(ITU-T)和光互联论坛(OIF)，其关注的侧重点不同，ITU-T 主要制定 100G 传输光转换单元(OTU)帧结构和编码、容错技术；OIF 主要研究物理层高速通道规范、定义电接口标准以太网升级到 100 Gbit/s 接口离不开关键技术支撑，关键技术的成熟和商用化也都还需要时间从芯片、系统、网络各个层面包括标准研究都还需要技术突破和时间1 1 100100 G G 以太网技术及标准以太网技术及标准支撑 100G 以太网接口的关键技术，主要包含物理层物理层(PHY)(PHY)通道汇聚技术通道汇聚技术、多光纤通道及波分复用多光纤通道及波分复用(WDM)(WDM)技术。
物理介质相关物理介质相关(PMD)(PMD)子层子层满足 100 Gbti/s 速率带宽，新的芯片技术支持到 40 nm 工艺，这些提供了开发下一代高速接口的可能对应于接口部分，光纤接口 PMD 的并行多模接口存在着封装密度大和功耗问题需要解决，单模 4×25 Gbit/s 的 WDM 接口存在 2525 Gbit/sGbit/s 串行并行转换电路串行并行转换电路(SERDES)技术和非冷却光器件的技术需要突破；对应于系统部分，接口速率提高带来的高带宽给包处理、存储，系统交换，背板技术都提出了新的门槛；对应于网络，需要解决新接口的传输问题，不光需要定义新的 OTU 帧结构，对于如此超高速传输，需要解决电子线路极限情况下的信号处理、光信号的调制、物理编码、色散补偿、非线性处理、与 FE/GE/10GE 帧结构和 PHY 内各子层的兼容性和一致性问题等，还需要使 100G 传输特性能够满足现有 10G 传输网的相关特性，否则带来的网络重建必将影响新技术的推进下一代以太网技术标准包含了 40 Gbit/s 和 100 Gbit/s 两种速度，主要针对服务器和网络方面不同的需求40 Gbit/s 主要针对计算应用，而 100 Gbit/s 则主要针对核心和汇接应用。
提供两种速度，IEEE 意在保证以太网能够更高效更经济地满足不同应用的需要，进一步推动基于以太网技术的网络会聚标准规定了物理编码子层物理编码子层(PCS)(PCS)、物理介质接入、物理介质接入(PMA)(PMA)子层、物理介质相关子层、物理介质相关(PMD)(PMD)子层、转发错误纠正子层、转发错误纠正(FEC)(FEC)各模块及连接接口总线各模块及连接接口总线，MAC、PHY 间的片间总线使用 XLAUI(40 Gbit/s)、CAUI(100 Gbit/s)，片内总线用 XLGMII(40 Gbit/s)、CGMII(100 Gbit/s)，各种介质的架构如图 1 所示[3]标准仅支持全双工操作，保留了 802.3MAC 的以太网帧格式；定义了多种物理介质接口物理介质接口规范，其中有1 m 背板连接(100GE 接口无背板连接定义)、7 m 铜缆线、100 m 并行多模光纤和 10 km 单模光纤(基于WDM 技术)，100 Gbit/s 接口最大定义了 40 km 传输距离标准定义了 PCS 的多通道分发(MLD)协议架构，标准还定义了用于片间连接的电接口规范，40 Gbit/s 和 100 Gbit/s 分别使用 4 个和 10 个 10.312 5 Gbit/s 通道，采用轮询机制进行数据分配获得 40G 和 100G 的速率，另通过虚拟通道的定义解决了适配不同物理通道或光波长问题；明确了物理层编码采用 64B/66B。
标准虽然给出了 100 Gbit/s 以太网的架构、接口定义，但目前尚有诸多待解决的问题首先，PMD是 802.3ba 的一个关键部分，40G/100G 光模块包含短波长的并行接口，对应 40GBASE-4SR 和 100GBASE-10SR，主要的技术难点在于封装密度大；长波长的波分接口，难度在于 PMA 对应的 25 Gbit/s 的 SERDES和封装技术，对于 100G 的 WDM 光模块非制冷激光器技术是标准相关的关键技术，封装形式由 CFP 多源协议(MSA)规定为 CFP[4]；对应的铜缆介质有关接口(MDI)标准的定义采用 SFF-8436 和 SFF-8642，具体的结构尺寸和引脚分配已经给出据了解目前主要供应商提供 100G WDM 光模块要到 2010 年100G 接口对应的相关芯片在 MAC 层已经没有问题，PMA 业务接口电接口规范要求每个通道工作在10.312 5 Gbit/s 速率，除了标准成熟后使用专用集成电路(ASIC)实现，前期基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的 MAC 则需要支持到 10.312 5 Gbit/s 速率，仅有少数 FPGA 公司支持[5]。
之前的评估系统采用的是增加 SERDES Mux 器件[6]，由 8/20 个 5.156 25 Gbit/s 的通道转换到 4/10 个 10.312 5 Gbit/s 的标准接口的过渡措施[7]对于 100G 以太网设备系统，除了以上 100G 以太网接口相关技术难点需要克服，还需要配套的包处理器，对于分布式大容量交换系统还需要大容量的分组交换系统套片等系统级的困难需要解决对于 100G 的包处理能力，目前业界还没有通用可选方案，开发中的几个方案都还待评估；对于网络处理器的内容可寻址存储器(CAM)等查找接口带宽最少要增加 2 倍以上，数据总线宽度、速率也都存在瓶颈，催生了 Interlaken LA 等串行高速总线接口投入使用由于单片处理能力限制及总线接口转换等导致存在和多片堆砌的情况，至使单板面积、功耗等都难接受基于 FPGA 定制开发的解决方案需要企业具备全面的技术，往往提供的业务处理能力受限分组交换系统套片，包括交换网和交换网接口芯片，或含流量管理(TM)芯片，以前大多数系统都难于支持每线卡大于 100 Gbit/s 的有效数据带宽，目前新方案每线卡背板接口带宽最大约为 100～200 Gbit/s，背板 SERDES 总线速率支持到 6.5 Gbit/s 左右；支持 100 Gbit/s 接口每线卡带宽需要升级到200～500 Gbit/s 带宽，背板 SERDES 速率甚至要达到 10.312 5 Gbit/s 以上，对于背板设计、工艺要求、材料、总线长度满足等都比以前要苛刻的多；对于满足电信级要求的系统，还需要满足虚拟队列(VoQ)、层次化服务质量(HQoS)等流管理特性，这就要求更大的处理带宽需求、更多的队列支持能力、更大的缓冲等提升系统设计难度。
随着系统要求的提升，系统功率也在提高100 Gbit/s 长波长 PMD 需要 4 个 25 Gbit/s 通道，SERDES 速率和通道数的增加需要更大电源；100 Gbit/s 处理器需要更大量的存储器，当然也需要更大功率；微处理技术也需要更大功率对此，需要寻找解决方案功率事关未来，同时功率也是重大的障碍，不仅要为电路板供电，还需要控制如此大的功率并保证系统冷却随着我们转向速度更快的以太网，这些都是业界面对的主要问题高速以太网要想真正给用户带来实际的科技效益，必须将传送网业务承载到传送网上，而不能仅仅用在大型数据中心或者小范围局域网内所以除了调制技术之外，高速以太网如何在光传送网上传输以及操作维护管理(OAM)等特性也是决定其成败的关键技术ITU-T SG15 Q11 济州岛中间会议已经达成了40G/100G 以太网接口的 OTU 映射定义[8]：G.709 中给出 40GE 映射到 OPU3，使用 1 024B/1 027B 传输编码；100GE 映射到 ODU4/OTU4，比特率为 111.809 973 Gbit/s(=255/227×2.488 320 Gbit/s×40)。
标准的成熟预计要到 2011/2012 年左右对 100 Gbit/s 以太网等高速业务而言，虚级联技术可以实现适配，但是要提高光纤的利用率，虚级联并不是高效的技术，而只能提高每个波长的比特率采用串行 100G 的密集波分复用(DWDM)传输技术，将 10×10GE/4×25GE 的 100GE 业务通过 ODU4 适配到 111.809 973 Gbit/s 的 OTU4 中由于单波 100G 速率非常高，对于各种物理损伤容限，如光信噪比(OSNR)、偏振膜色散(PMD)。