FlexE技术及其在5G承载网中的应用探析

段 宏，郭昌华，刘文钊（.中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南郑州 450007；.烽火通信科技股份有限公司，湖北武汉 40000；.郑州市公安局网络安全监察处，河南郑州 450000）

0 引言

随着3GPP组织对5G NR SA（独立组网）功能的正式冻结，5G 已经完成第1 阶段全功能标准化工作，国内外设备商、运营商也在加速5G 相关研发、试验网建设，全面推进5G 网络部署。2018 年底，国内三大运营商已经从工信部获得全国范围5G 中低段试验频率的使用许可，5G 商用步伐进一步加快。5G 的三大应用场景eMBB、uRLLC、mMTC，对5G 承载网络大带宽、低时延、高可靠性、海量连接、网络切片等方面提出了更高的承载需求，5G 承载网络新技术——FlexE（Flexible Ethernet）、SR（Segment Routing）、EVPN（Ethernet Virtual Private Network）等应运而生并逐渐被业界接受。本文主要对FlexE 技术及应用进行详细地分析与阐述。

1 FlexE技术简介

1.1 FlexE技术起源

FlexE 英文全称为Flexible Ethernet，译为“灵活以太网”。自2010年起，国内外的通信、互联网厂商就针对网络逐步提出“可变”“灵活”的应用诉求。

国外互联网企业Google 从DCI 应用出发，早在2010年IEEE/ITU Beyond 100G讨论中就提出1TE及可变速率以太网需求；国外设备商Cisco 在2015 年Live 365 提出“Flex-modulation”“Flex-rate”的需求，并进一步提出基于Flex MAC（电层）、Flex Mod（彩光模块）、Flex ROADM 结合IP 网络，实现Flexible Network；国内设备商华为在2012 年启动研究项目，明确提出“Flexible Ethernet”的概念和方案，并在Layer123/BBF 2015会议上介绍Flexible Ethernet 技术并进行原型样机演示。

1.2 FlexE技术标准

2015 年OIF（Optical Interworking Forum）提 出FlexE 标准，并于2016 年3 月发布了FlexE 1.0 标准。FlexE 1.0 标准技术架构比较清晰，支持100GE PHY。2017 年1 月OIF 启动FlexE 2.0 标准，并于2018 年发布FlexE 2.0 标准，从兼顾DCI 和移动承载应用等方面完善FlexE 1.0 标准，增加了200GE/400GE PHY 的支持，保持了与FlexE 1.0 兼容的复用帧格式，并且基于移动回传应用场景增加了对IEEE 1588V2 时间同步的支持。

随着FlexE 技术的发展及标准的正式发布，FlexE技术在通信领域逐渐引起芯片商、设备商和运营商的广泛关注，相关产业链也逐渐成熟。

2 FlexE技术原理

基于IEEE 802.3 标准，FlexE 技术在MAC 层和PHY层之间引入FlexE Shim 层，对MAC层与PHY层进行解耦，从而实现灵活的速率匹配。相比MPLS 技术，FlexE 技术更接近物理层比特流传输，因此FlexE 技术更易实现超低时延转发，使其能满足5G 承载网络需求。

2.1 FlexE 通用架构

FlexE 通用架构包括FlexE Client、FlexE Shim 和FlexE Group（见图1）。

图1 FlexE通用架构示意图

FlexE Client是基于MAC层数据速率的以太网流，与PHY 层速率不直接相关，通过64b/66b 的编码方式将数据流传递至FlexE Shim 层。目前，FlexE Client 速率可支持10 Gbit/s、40 Gbit/s、n×25 Gbit/s 的粒度，后期粒度有望进一步降低。

FlexE Shim 是插入传统以太网架构的MAC 层与PHY 层之间的一个额外逻辑层，通过基于Calendar 的Slot分发机制实现FlexE技术的核心架构。

FlexE Group 是IEEE 802.3 标准定义的以太网PHY 层，它由多个以太网PHY 层实例绑定而成，可实现带宽绑定进而提升端到端的带宽容量。

FlexE 技术通过FlexE Shim 层实现FlexE Client 数据流在FlexE Group 中的映射、承载与带宽分配等功能。

2.2 FlexE 帧结构

FlexE帧结构如图2所示。

a）将比特流层面以66 bit 为单位进行划分，1 个66 bit单位称为一个数据块。

b）该数据块承载在block中，将block以20个为单位进行分组（对应block 0～block 19）称为“20 blocks”，将这“20 blocks”作为1个逻辑单元。

图2 FlexE帧结构示意图

c）每1 023 个逻辑单元作为一个calendar 组件，calendar组件循环往复最终形成了数据承载通道。

d）每个逻辑单元前有1 个block——FlexE overhead 作为开销block，每8 个开销block 组成1 个开销帧，每32 个开销帧组成1 个开销复帧，进而形成FlexE带内管理通道，在对接的2 个FlexE 接口之间交互配置、管理、链路状态等OAM信息。

2.3 FlexE 工作机制

2.3.1 FlexE工作原理

FlexE 的核心功能主要通过FlexE Shim 层实现，通过calendar工作机制实现多个不同速率FlexE Client数据流在FlexE Group 中的映射、承载与带宽分配。它的主要功能通过以下方式实现。

a）FlexE Client 的原始数据流，由FlexE Shim 以数据块为单位进行切分，这些数据块可以在FlexE Group的多个PHY之间分发。

b）FlexE Shim 层 把FlexE Group 中 的PHY 以100GE 为单位进行划分（FlexE 2.0 标准还支持200GE、400GE，此处以FlexE 1.0 标准的100GE 为例，本文下同），每份PHY（大小为100GE）再划分为20 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，其中每个时隙（Slot）所对应的带宽为5 Gbit/s。

c）按照每个FlexE Client 数据流所需带宽以及FlexE Shim 中对应每个PHY 的Slot（带宽为5 Gbit/s）分布情况，计算、分配FlexE Group 中可用的Slot，形成1个FlexE Client 到1个或多个Slot的映射，再结合calendar 机制实现全部FlexE Client 数据流在Group 中的承载。

2.3.2 FlexE典型的工作机制

图3所示为FlexE 典型的工作机制示意图，沿着数据的传输方向（由右向左），4 个100GE PHY（FlexE A、FlexE B、FlexE C、FlexE D）首先按照5 Gbit/s 带宽划分Slot，然后全部Slot 按照FlexE A～FlexE D 的整体顺序进行传输，传输速率为400GE。

图3 FlexE典型的工作机制示意图

2.3.3 FlexE复用/解复用的工作机制

图4为FlexE 复用工作机制示意图，将不同带宽的FlexE Client 插入calendar，归属于同一FlexE Client 的Slot，可以被分配至相同FlexE Group 的同一sub-calendar 或不同sub-calendar。只要有足够多的空余Slot，就可以传输更多的FlexE Client 数据。如图4 所示，10G/25G FlexE Client数据流按照5 Gbit/s带宽，分别被划分为2 个或5 个Slot，然后被分配至不同的sub-calendar（蓝色、绿色、红色）进行传输。

图5所示为FlexE 解复用工作机制示意图，对于从FlexE Group 接收到的比特流，按照FEC 纠错、FEC 移除、解码为64b/66b 数据块，以及PCS 或FEC 调整校正、重新交叉、删除调整校正标志等步骤进行解复用，并根据FlexE 开销序列恢复数据块、Slot、sub-calendar的序列，最终还原FlexE Client数据。

2.3.4 FlexE带宽调整机制

FlexE 通过为每个Flex Client 提供Slot/calendar 配置可更改机制，实现所需带宽的动态调整。对接的2个接口之间，通过带内管理通道实现各个子接口配置信息的协商及交互。通过带内管理通道内嵌的Request/Acknowledge 机制切换功能，实现带内管理通道动态传输calendar A/B（分别由开销中对应bit 位的“0”或“1”表示）2 组配置信息，进而使得任意一个FlexE Client 的带宽分配，在2 组calendar 之间可按需进行调整，并进一步结合系统应用控制可以实现无损带宽调整。

例如，图6 所示的calendar 配置了2 组配置信息：calendar A 和calendar B。calendar A 配置的FlexE Client 数据速率分别为10G、25G。若客户的带宽需求有变化，分别由10G、25G 变更为15G、20G，则通过Request/Acknowledge 机制，将承载客户数据的calendar配置方式由calendar A 切换为calendar B，实现FlexE Client数据速率调整为15G、20G，进而满足客户数据的承载需求。

图6 FlexE带宽调整示意图

3 FlexE主要功能及在5G承载网络中的应用

3.1 FlexE主要功能

根据FlexE 的技术原理，FlexE 可以通过Flex Shim层实现客户带宽（MAC层）与FlexE Group带宽解耦，可向上层应用提供各种灵活的带宽而不拘泥于物理PHY 带宽，主要包括以下3 种功能：捆绑（Bonding）、通道化（Channelization）、子速率（Sub-Rate）。

3.1.1 捆绑（Bonding）

如图7 所示，通过捆绑可将更高速率的MAC 层带宽需求，经FlexE Shim 层转化为多路FlexE PHY 共同承载，提升端到端的传输带宽。例如，可将200G 的MAC 层带宽转化为2 路100GE PHY 共同承载，实现端到端200G的传输带宽。

图7 FlexE捆绑功能示意图

3.1.2 通道化（Channelization）

通道化（Channelization）可以使得多路低速率MAC 层数据流共享1 路或者多路PHY，且物理隔离、互不干扰。例如，可将2 路50G MAC 层带宽在同一路PHY（100G）上承载（见图8），也可将25G、50G、75G、150G 共计4路MAC 层带宽在4路PHY（100G）上承载，不同的MAC层客户业务物理隔离、互不干扰。

图8 FlexE通道化功能示意图

3.1.3 子速率（Sub-Rate）

单一低速率MAC 层带宽（低于100G）共享1 路或者多路PHY 时，FlexE 开销帧将未使用的时隙标记为unavailable slots，并填充Error Control Block 实现降速。如图9 所示，在1 路PHY（100G）上仅承载1 路25G MAC层数据流，实现对客户带宽的降速。

3.2 FlexE在5G承载网络中的应用

图9 FlexE子速率（Sub-Rate）功能示意图

FlexE 技术的自身特点及其捆绑、通道化、子速率的主要功能，可以实现超大带宽接口、带宽按需分配、硬管道物理隔离、网络分片、低时延保障等应用。同时，结合SDN/NFV、云技术，可以更好地满足5G 网络切片、硬管道大客户专线、物联网、VR/AR 等业务发展需求。

3.2.1 FlexE实现5G网络切片承载

5G 网络需要通过网络资源的分割、切片，来保障eMBB、uRLLC、mMTC 等不同业务的SLA，保障不同业务承载的隔离性、安全性和可靠性。

FlexE 通道化功能，可以实现不同的FlexE Client的物理切片和物理隔离，使得网络可以通过FlexE（硬隔离）、VPN（软隔离）相结合的方式，更好地满足5G网络切片需求（见图10）。

图10 FlexE网络切片功能示意图

3.2.2 FlexE实现5G超大带宽传输

业界普遍认为，相比4G 网络，5G 网络的带宽至少提升十几倍甚至几十倍。对于承载网络，5G 成熟期的接入层带宽将由GE、10GE 提升至n×25GE，汇聚层、核心层带宽将由10GE、n×10GE 直接提升至n×100GE，端口和端到端传输的带宽需求也会急剧增长。

FlexE 的捆绑功能，可以以现有IEEE 802.3定义的端口速率为基础，通过捆绑端口的方式快速构建更大带 宽（例 如 25G→50G→100G→200G→400G→1T……），可以结合DWDM 技术实现端到端的超大带宽传输（见图11），也可以实现带宽分配均衡、链路带宽利用率达到100%的优势，更好地满足5G 业务带宽爆炸式增长的需求。

图11 FlexE实现5G超大带宽传输示意图

3.2.3 FlexE助推5G uRLLC应用

uRLLC 作为5G 三大应用场景之一，具有超低时延、超高可靠性的特点，将在车联网（自动驾驶、远程驾驶）、工业制造（实时生产监控、云机器人控制）等领域广泛应用。

FlexE 技术介于MAC 层、PCS 层之间，端到端传输过程不必绕经上层网络，使其传输时延大大降低，并且FlexE 构建的管道为硬管道，可以大大提升传输的可靠性。因此，在VPN 技术构建软管道的基础上，通过FlexE 技术构建端到端的硬管道，实现“软管道+硬管道”相结合的方式（见图12），为不同重要等级、不同业务需求的应用提供差异化的服务，既能最大限度利用网络资源，又能为uRLLC 等高价值应用提供可靠保障。

图12 “VPN+FlexE”实现“软管道+硬管道”功能示意图

4 结论及展望

5G 技术及相关应用场景，对其承载网络提出了大带宽、网络切片、端到端硬管道物理隔离、超低时延、超高可靠性等传输需求。FlexE 技术重用现有IEEE 802.3 以太网物理层标准，在MAC 层与PCS 层中新增Flex Shim 层，实现网络灵活性、多速率、刚性接口等特性，通过捆绑、通道化、子速率等功能，与IP/Ethernet技术良好对接，极有利地助推5G 技术及5G 承载网络的发展及演进。随着5G产业链、FlexE产业链、新兴业务的不断成熟与完善，FlexE技术必将得到广泛的应用。