智能城域网FlexE 技术应用与探讨*

张 啸，霍 磊，钱永良

（1.华夏邮电咨询监理有限公司，河南 郑州 450007；2.中国联通网络通信有限公司周口分公司，河南 周口 466000）

0 引言

灵活以太网（FlexE）技术是基于高速以太网（Ethernet）接口，通过以太网 MAC 层与PHY 层之间解耦，可实现的低成本、高可靠、可动态配置的电信级的网络接口技术。该技术利用了业界最广泛、最强大的Ethernet 生态系统，并且契合了视频、云计算以及5G 等业务的发展需求。5G 三大应用场景对承载网络大带宽、低时延、高可靠的网络切片方面提出了要求，5G——FlexE 应运而生并逐渐被业界接受。本文主要对FlexE（Flexi-ble Ethernet）技术及应用进行分析与阐述。

1 FlexE 技术介绍

1.1 FlexE 的需求及产生

灵活以太网技术是在Ethernet 技术基础上，为满足高速传送、带宽配置灵活等需求而发展的技术。以太网概念由施乐公司于1972 年首次提出，并基于载波侦听和冲突检测（CSMA/CD）技术逐步完善。自1980 年代开始，Ethernet 技术的发展完全遵循IEEE 802.3/1 所制定的标准体系架构，并在产业技术与业务需求的共同驱动下快速发展，成为目前IT业界应用最为广泛、生态系统最为完善的L2 互联技术。Ethernet 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10 倍速率发展，从10M-100M-1G-10G -40/100G发展。2010 年之后，光传输设备的发展无法跟上业务需求。光通信场景较多，UNI（用户网络接口）可能出现多种情况，而底层光传输链路接口和模块是固定的，难以应对这些变化。

近年来，云计算、ARVR 等业务的兴起，以带宽为主的网络诉求向业务体验、服务质量和建网效率上进行转变。作为底层连接技术的Ethernet 在保持既有低成本、高可靠、可运维等优势之外，还需要具备以下能力：

（1）Ethernet 接口速率灵活可变

随着业务与需求场景的多样化，Ethernet 接口需要提供更加灵活的带宽颗粒度，而不必受制于IEEE 802.3 标准所确定的10G-25G-40G-50G-100G-200G-400GE 的阶梯型速率体系。业内甚至出现了800G、1.6T 等超高速Ethernet 接口需求，而这些接口标准尚未形成，需要寻求比它小的子速率或是比它大的高速率业务，满足不同高速业务需求的接入。

（2）Ethernet 接口与光传输能力解耦

Ethernet 接口能力与光传输设备能力发展不同步。IP 设备通过高速Ethernet 接口组网时，经常受制于光传输网络能力。不需要光传输网络的DWDM链路速率与UNI 接口的以太网速率保持严格的匹配，就可以最大限度地利用现有光传输网络对超大带宽Ethernet 接口的传输。

（3）IP 与光融合组网

在Ethernet 与传输能力解耦基础上，通过Ethernet 与光传输网络之间的简单映射承载，简化网络，提高灵活性（这种场景可应用于大型IDC 之间跨地域组网，也是FlexE 技术最初提出的应用场景），并进而实现流量灵活疏导与调度优化。

（4）面向多业务承载的增强QoS 能力

多业务承载条件下增强用户体验，支持对不同业务提供专用通道，是Ethernet 技术发展的重点。Ethernet 如果在物理层接口上提供通道化的硬件隔离功能，就需要在物理层对业务进行分片隔离，进一步与上层网络配合，结合高性能可编程转发以及层次化QoS 调度等功能，即可满足多业务通道化隔离的QOS[1]。

1.2 FlexE 技术架构

FlexE 是在Ethernet 技术基础上，为满足高速传送、带宽配置灵活等需求而发展的技术。通过引入FlexE Shim 层实现了MAC（介质访问控制子层，属于数据链路层）与PHY 层（物理层）解耦，上层和下层的数据流速率，不再强制绑定，从而实现了灵活的速率匹配。

FlexE 技术通过在IEEE802.3 基础上引入FlexE Shim 层从而实现了以太网MAC 与PHY 层面的解耦（见图1 所示），从而实现了灵活的速率匹配。灵活以太网基于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，从而实现上述捆绑、通道化及子速率等功能。其中 FlexE Client：对应于网络的各种用户接口，与现有IP/Ethernet 网络中的传统业务接口一致。

图1 Ethernet 与FlexE 结构

图2 FlexE 架构

FlexE Client 可根据带宽需求灵活配置，支持各种速率的以太网MAC 数据流（如10G、40G、n*25G 数据流，甚至非标准速率数据流），并通过64B/66B的编码的方式将数据流传递至FlexE Shim 层。

FlexE Shim：插入以太网架构IEEE802.3 的MAC 与PHY（PCS 子层）中间的一个逻辑层，通过Calendar 的Slot 分发机制从而实现FlexE 技术的核心架构。

FlexE Group：本质上是IEEE 802.3 标准定义的PHY 层。由于重用了现有IEEE 802.3 定义的以太网技术，使得FlexE 架构得以在现有以太网MAC/PHY基础上进一步增强。以FlexE 点对点连接场景为例，多路以太网PHY 组合在一起成为FlexE Group，并承载通过FlexE Shim 分发、映射来的一路/多路FlexE Client 数据流[2]。

1.3 FlexE 技术原理

FlexE 的主要功能通过FlexE Shim 层实现，把FlexE Group 中的每个100GE PHY 划分为以5Gbps为单元的 20 个Slot 时隙数据承载通道，每个PHY所对应的这一组Slot 称为一个Sub-calendar。FlexE Client 原始数据流中的以太网帧以Block（原子数据块以64/66B 编码的数据块）为单位进行切分，这些数据块可通过FlexE Shim 实现在FlexE Group 中的多个PHY 与时隙之间的分发。FlexE 帧结构如图3 所示。每个64/66B 数据块承载在一个Slot 时隙中，Slot 作为承载数据块的基本逻辑单元。FlexE在Calendar 机制中，将slot0 到slot19 对应“20blocks”作为一个逻辑单元，并进一步将1023 个“20blocks”作为Calendar 组件。

图3 FlexE 帧结构示意

FlexE Shim 层通过定义Overhead Frame/Multi Frame 的方式体现Client 与Group 中的Slot 映射关系以及Calendar 工作机制。FlexE Shim 层带内管理通道通过Overhead 进行提供，支持在两个对接的FlexE 接口之间传递配置和管理等信息，从而实现链路的自动协商建立。

按照OIF FlexE 标准，每个FlexE Client 的数据流带宽可以设置为10、40 或者n×25Gbps。由于FlexE Group 的100GE PHY 中每个Slot 数据承载通道的带宽为5Gbps 粒度，FlexE Client 理论上可以按照5Gbps 颗粒度进行任意数量组合，支持更灵活的多速率承载。FlexE Shim 可以通过Calendar 网络机制实现不同速率的FlexE Client 客户数据流在FlexE Group 中映射、传送与带宽分配。FlexE 技术标准按照每个Client 客户数据流所需带宽资源以及Shim层中对应每个PHY 的5G 颗粒度的Slot 进行分布情况，计算、分配FlexE Group 中可用的Slot 时隙，形成Client 数据量到一个或多个Slot 时隙的映射，再结合FlexE Calendar 机制实现一个或多个Client数据流在FlexE Group 中的传送承载。

FlexE 技术为每一个Client 数据流提供可更改的Slot/Calendar 配置机制，实现带宽的动态调整。在FlexE 技术中通过两个对接接口之间的开销管理通道,通过实时传递体现Client 在Group 中映射关系的两种不同Calendar 配置信息：A 和B（分别由“0”或“1”bit 表示）。两组Calendar A/B 可以动态切换，从而实现对应Client 的带宽可调整。任意一个Client 数据的带宽映射在两组Calendar A/B 之间可以是不同的，通过切换，结合系统应用控制可实现无损带宽调整。Calendar A/B 的切换通过开销管理通道内嵌的Request/Acknowledge 机制实现[3]。

如图4 所示配置了2 组信息：calendar A 与calendar B。calendar A 配 置 的FlexE Client 数 据带宽分别为15G、20G。若客户带宽需求变化，由15G、20G 变为10G、25G，通过更改机制Request/Acknowledge，将承载传送的客户数据配置由calendar A 切换到calendar B，实现FlexE Client 客户数据的带宽调整，满足客户带宽业务多变的需求。

2 FlexE 的主要功能及应用

FlexE 包括捆绑（Bonding）、通道化（Channelization）、子速率（Sub-Rate）[4]3 种功能。

图4 FlexE 帧结构带宽调整示意

2.1 捆绑（Bonding）功能及应用

2.1.1 捆绑功能

通常为满足更高速率需求，MAC 层数据流通过FlexE Shim 层后将对PHY 进行捆绑，用于提升更高速率传输。如图5 所示，通过3 路100G PHY捆绑，可实现300G 速率传输带宽。

图5 FlexE 捆绑示意

2.1.2 捆绑应用

FlexE 技术可实现5G 大带宽承载。5G 的网络带宽至少比4G 网络提升数十倍，端口带宽需求将急剧增长，5G 后期的接入层带宽将由现网GE 环路、10GE 环路扩容至N×10GE、N×25GE 环路。汇聚核心层带宽将由10GE、N×10GE 扩容至N×100GE。基于FlexE 的捆绑功能，通过接口速率相互组合捆绑实现更大带宽。

2.2 子速率（Sub-Rate）功能及应用

2.2.1 子速率功能

低于100G 的单一速率MAC 层带宽共享1 路或多路PHY 通道时，未使用的时隙被FlexE 开销帧标记为unavailable slots，并填充Error Control Block 从而实现降速。

如图6 所示，在2 路100G PHY 通道上分别承载1 路50G 和1 路75G 的MAC 层数据流，通过对100G PHY 空闲时隙的填充，实现对客户带宽降速。

图6 FlexE 子速率示意

2.2.2 子速率应用

FlexE 技术可实现灵活可调的带宽承载。5G 最大用处是ToB，就是给商业用户使用，5G 商业模式将由ToC 逐渐转变为ToB。ToB 的带宽需求也将呈现多样化。FlexE 子速率的功能，可以通过对空闲时隙填充，满足不同行业的不同客户数据需求。

2.3 通道化（Channelization）功能及应用

2.3.1 通道化功能

通道化功能可使多路低速率MAC 层的数据流共用1 路或者多路100G PHY，可实现业务之间物理隔离。如图7 所示，将20G、50G、110G MAC 层数据流在两路PHY（100G）上承载，也可将25G、50GMAC 层数据流在一路PHY（100G）上承载，MAC 层客户业务物理隔离、按需分配、互不干扰。

2.3.2 通道化应用

FlexE 功能可以实现5G 网络的切片承载，通过对网络资源的切片，保障eMBB、mMTC 和uRLLC等不同业务的服务等级，保障不同业务安全性和可靠性，满足不同客户的多样化体验。FlexE 通道化功能，能够实现不同的FlexE Client 数据的物理切片和物理隔离，更好地满足5G 网络切片需求（见图8）。

图7 FlexE 通道化示意

管理分片：分片生命周期管理，负责分片创建、删除。分片拓扑管理、视图、基于分片的业务发放、告警管理以及性能管理[5]。

设备资源分片：NCE 集中算路、业务发放。一个协议进程，每个分片独立协议数据库，协议基于分片算路。

转发资源分片：FlexE 接口，效果等同于物理接口，独立缓存控制。

3 FlexE 技术网络实例

3.1 业务需求及网络配置实现

某市综合业务点接入环路采用华为980C 设备组建50G 接入环，汇聚核心采用M8X8 组建100G环路。该综合业务节点同时接入某电力公司及某工业园。电力公司及工业园均提出5G 的带宽需求，要求运营商提供刚性管道，物理隔离，时延要求20ms 以内，抖动5ms 以内，可靠性达到99.999%。

针对上述需求，可通过FlexE 技术对现有智能城域网划分网络切片，电力切片划分5G 带宽，工业制造切片划分5G 带宽，普通切片（公共用户）划分40G 带宽。提供毫秒级业务质量可视、时延路径调优的端到端专享通道方案。见图9。

图9 FlexE 切片业务示例

3.2 FlexE 技术应用建议

5G 网络切片实现自动部署，，需要无线、承载及核心网多专业协同。实现跨专业的网络编排器与各个专业的协同器的对接，需要跨专业的网络编排器用于实现网络切片的自动编排。通过SDN/NFV部署使得各个专业的网络管控系统统一管理，实现端到端的切片部署。还需要统一各专业切片及资源的规范，从而实现跨专业的资源统一[6]。

5G 网络切片业务的引入需要考虑产业发展的成熟度及相应标准技术情况。根据5G 网络切片部署的进度要求，运营商可以分2 个阶段。

第一阶段，根据典型的eMBB 业务划分网络切片，快速推出5G 业务，抢占市场资源。如AR、VR 等业务，并配合核心网用户面(UPF)下沉部署，满足超低时延客户业务需求。简化网络切片的编排部署行。核心网子切片采用云化部署，提供网络子切片管理功能，对子切片进行编排与部署；无线与传输网子切片可通过配置，进行切片的资源调度与隔离。

第二阶段，引入uRLLC、mMTC 等类型的网络切片，支持E2E 编排，实现5G 的目标网络切片。无线网采用支持DU/CU 分离以及CU 的云化部署，传输网采用支持FlexE 的硬切片vNet，提供超低时延数据转发[7]。此阶段，5G 网络已具备支持核心网、无线网、传送网的端到端网络切片编排与管理，通过结合AI、自动化等技术，可实现网络切片的自动开通和智能安全保障。

4 结语

5G 网络的三大应用场景，对智能城域网络提出了大带宽、超低时延、网络切片以及高可靠性等传输性能要求。FlexE 技术通过其捆绑、通道化、子速率等功能，满足5G 业务网络灵活的、刚性等业务需求。通过FlexE 应用实例及网络部署建议推动5G 网络切片的应用发展。随着5G 产业链逐渐成熟与完善，FlexE 技术将得到更广泛的应用与发展。