面向5G的FlexE及其OAM研究

2020-11-13马亚燕

江苏通信 2020年5期

马亚燕

南京信息职业技术学院

0 引言

我国已正式启动5G商用，2020年3月24日国家工信部发布了《工业和信息化部关于推动5G加快发展的通知》，文中明确指出必须加快5G网络建设部署，丰富5G技术应用场景。7月3日，国际标准组织3GPP宣布R16标准冻结，标志着5G第一个演进版本标准完成。

1 FlexE概述

1.1 FlexE的技术背景

5G的应用场景主要分为三种，分别是增强移动宽带（Embb，Enhanced Mobile Broadband）、超高可靠低时延通信（URLLC，Ultra-reliable and Low Latency Communications）以及海量机器类通信（Mmtc，massive Machine Type of Communication）。这要求5G承载网络必须能够按需扩容、分片承载，并且将业务进行信道化隔，因此FlexE应运而生了。

在传统的以太网技术标准中，以太网的报文速率和物理通道的速率始终配合并保持一致，两者速率相同。当以太网业务速率超过100G时，物理通道的速度提升缓慢，遭遇到瓶颈。同时，高速物理通道的价格比较昂贵，速率为200G的光模块价格远远超过了2块100G光模块的价格，性价比大大降低了，从经济利益的考虑不如使用2个100G的光模块。

FlexE技术是把多个物理通道进行“捆绑合并”或者将一个物理通道进行拆分，形成一个或若干个虚拟的逻辑通道，使物理通道速率不再等于客户业务速率，从而实现客户业务速率和物理通道速率的解耦，解决高速物理通道性价比不高的问题。客户业务速率和物理通道速率解耦后可以是多样的，物理通道的速率也可以是多样的，相互独立。

综上所述，FlexE技术属于接口技术创新，建立了智能的端到端链路，可以实现网际互连协议（IP，Internet Protocol）低时延，主要面向5G网络中的云服务、网络切片，以及增强现实技术（AR，Augmented Reality）、虚拟现实技术（VR，Virtual Reality）、超高清视频等时延敏感业务需求，因此受到全球主流运营商、供应商的认可。

1.2 FlexE的实现方法

在传统的以太网业务流传递中，以太网数据在媒体接入层（MAC，Medium Access Control Sub Layer）封装成MAC帧之后经过协调子层（RS，Reconciliation Sublayer）连接物理层，在物理层经过理编码子层（PCS，Physical coding sublayer）、物理媒介接入层（PMA，Physical medium attachment）、物理媒介相关层（PMD，Physical medium dependent）三个功能模块后发送出去。这三个功能模块的作用分别为对业务流进行64/66bits编解码、链路监测和时钟合成/恢复、扰码和均衡。

FlexE技术通过在原来的以太网业务处理流程的MAC层和理PCS之间增加FlexE shim层来实现。

FlexE shim层由64/66bits编码、时隙排列、成员分发和开销插入四个部分组成，其中FlexE shim层的64/66bits编码和PCS的64/66bits编码是相同功能，因此在FlexE shim层中实现了64/66bits编码功能后，PCS中的64/66bits编码可以省去。

1.3 FlexE的通用结构

图1 FlexE通用结构图

如图1所示，FlexE Shim通过时分复用，用多个绑定的物理通道来承载各种IEEE定义的以太网业务。图中，FlexE Client指的是FlexE网络的服务客户，可以看作是基于MAC速率的以太网数据流，速率是10G、25G、40G、n×50G。FlexE Group指的是一个FlexE协议组，包含1到n个绑定在一起的以太网通道，用来承载FlexE Client，目前FlexE Group只支持100GE以太网通道。

1.4 FlexE的时隙分配

FlexE shim层是一个主时隙规划表（master calendar），FlexE协议规定将FlexE Group中的每个速率100G物理成员通道划分为20个5G时隙，在此之上传递一个子时隙规划表（sub calendar）。因此当FlexE Group成员数为n的时候，FlexE shim中有n×20个时隙，每个时隙代表5G的速率，以66比特的数据块作为传送数据的基本单位。如图2所示，4个100G物理成员通道可以划分成4×20即80个时隙。

图2 FlexE子时隙规划图

在发送端，FlexE Client的数据经过64/66bits编码后，通过速度适配进行时分复用，以20个5G时隙为一组进行分割，分配到不同的成员链路即sub calendar进行发送。

如图3所示，3个不同的FlexE Client，通过速度适配后，FlexE Client A占用master calendar的0、2时隙，FlexE Client B占用1、7、29、35时隙，FlexE Client C占用6、21、28时隙，再以20个5G时隙为一组进行分割，分配到两个不同的成员链路组成的FlexE Group进行发送。在接收端，FlexE shim层恢复出66比特块，找出业务客户流，通过速度调整，进而恢复出FlexE Client业务。

图3 FlexE时隙分配图

1.5 FlexE的分层

FlexE承载网络模型扩展为两层，即通道层和段层。FlexE通道层位于FlexE客户数据和FlexE段层之间，实现客户数据的接入/恢复、增加/删除OAM信息、数据流的交叉连接，以及通道的保护。FlexE channel属于通道层。FlexE段层位于FlexE通道层和物理层即PHY之间，实现接入数据流的速度适配、数据流在FlexE shim上映射与解映射、FlexE帧开销的插入与提取。FlexE group属于段层。如图4所示。

图4 FlexE网络模型分层图

2 FlexE OAM

FlexE承载网络可实现传输管道的端到端监控，OAM信息包括连续性与连通性检测（CC/CV）、丢包测量（LM）、时延测量（DM）、远程缺陷指示（RDI）、自动保护倒换（APS）等各性能检测。与FlexE承载网络模型一样，FlexE的OAM功能分为两层，即通道层和段层。

2.1 FlexE段层OAM

FlexE段层的OAM信息位于FlexE开销帧中。在100G速率通道的物理层，每隔1023×20×66b数据块，插入一个66比特的开销块（FlexE Overhead），开销字节实现shim层的管理等功能，例如FlexE组中的各条通道之间的对齐。开销块采用复帧结构。一个1023×20×66b数据块被称为一个子帧，连续的8个子帧（包含开销头）构成一个FlexE帧，连续的32个FlexE帧构成一个FlexE复帧。因此，一个FlexE复帧中的开销部分共占用32×8=256个66b数据块。

根据PCS层64/66bits编码原理，正常的以太网报文进64/66bits编码后，起始码（S块）和结束码（T块）之间会有多个数据块（D块），空闲间隔用空闲信息块（I块）进行填充，用来实现速度调整。如图5所示，I块可以利用起来传递段层OAM信息，图中标注为OAM信息块。当S块和T块之间没有D块或者D块很少，或者有空闲信息块I块时，都是非正常的数据流，可以定义为承载OAM信息块内容。发送端在插入OAM信息之前必须和接收端协商好承载OAM信息特征图案格式即S块、T块、D块以及I块的组合方式。

图5 FlexE帧间隙示意图

段层OAM信息既可以放置在S块，也可以放置在T块中，此外还可以部分放在在S块、部分放在T块，具体结构如图6所示。当第一个字节内容是78，表示OAM信息在S块中，携带有客户编号（Client_no）、复帧序列号、监控信息（PM1至PM3）、CRC信息；第一个字节内容是87，表示是T块，携带有自动保护倒换（AutOAMtic Protection Switched，APS）信息、延迟时戳（Delay Timestamp，DT）。

图6 段层OAM信息块示意图

2.2 FlexE通道层OAM

FlexE通道层OAM信息需要进行扩展实现，在客户业务复用进入FlexE shim层前，在客户业务流（66 bits长的信息块）插入OAM信息块流。OAM块是一组特殊的信息块，符合64/66bits编码规范，按照固定周期进行发送，实现CC/CV检测功能。插入OAM信息块流前后的客户业务流如图7所示。