100G以太网： 高速传输领域的新宠

作者：Sichuan0512
    日本KDDI实验室公布了其成功完成100G以太网1000公里的无纠错传输试验，阿朗也在北京智能光网络论坛上介绍了其100G以太网的主要技术。100G以太网在运营商、设备商和各实验室得到广泛的关注。

100G以太网—势在必行
    当前所有的IT服务都是基于分组的，特别是家庭市场，IPTV是一个快速增长的高带宽业务。各种IPTV可以大致分成三类： (A) 从几百个频道中选择高质量内容的视频流， (B) 从成千上万个专业生产的、存储的电影和节目中点播的视频，(C) Web 2.0和社交网络站点中产生的大量内容。 A类视频的传输需要利用组播技术， B和C则需要单播。每一类的IPTV都需要在网络的局部部署40或者100Gb/s。 但是随着VoD业务的快速增长和C类业务视频质量的提升，B和C类IPTV 将同质化而且占据主流， IPTV业务将从传统的封闭式向基于Web的开放模式转变。
    所以业界正在将居民用户的带宽从1-6Mb/s 提升到 25-30Mb/s或者100Mb/s(FTTH)， 这一转变同时要求汇聚层面1到2个数量级的扩容。 当下， ISP 骨干网的的连接以10Gb/s为主， 所以100Gb/s就不会太远。    
    此外，100Gb/s 以太网必然会建设还有以下原因：
1、 不断增加的业务都是基于IP的，就像现在ALL IP所描述的；  
2、 几乎所有的IP分组从源发送到宿的全过程都是封装在以太网帧中； 3、TDM over Ethernet的技术已经成熟，传统语音的兼容已经不是问题；
4、以太网封装比SONET/SDH 封装更简单而且成本更低。
 
    对所有居民和企业IT 用户来说， web应用提供商提供了大量令人兴奋的业务(Google, Yahoo等)， 这些基于Web的应用包括许多生产协作服务比如地图和导航， 拍卖， 零售，股市跟踪，游戏，共享日历， 照片分享，编辑等等。 这些业务在客户端并不需要太多的带宽，但在服务器中心汇聚的通信负载已经超过了10Gb/s。 而且用户数不断增长， 所以服务器簇内部以及网络出口链路如果大于10Gb/s将会更加高效。
    当然，除了这些web应用，传统以太网接入也是IT用户的关键业务。 当因特网用户和他们的平均计算能力和I/O带宽与日俱增， 对网络而言，其结果就是核心IP路由器和网络的流量负载变得非常大。这些核心路由器采用最快的端口速率时，将具有更高的性价比。 因为路由器的原理是在每个接口进行路由处理， 而不是集中处理， 因此接口越少， 效率越高。 虽然每个端口的成本上升，但是每Gb/s的成本却下降了很多。
     此外， 企业用户也有自己的业务需求， 比如为了保证企业通信和交易安全，VPN业务往往是一个较好的选择， 根据企业自身的大小和客户的多寡， 企业的通信可能采用以太网VPN或者以太网专线来承载。 客户端的带宽为10Mb/s 到 1Gb/s， 到了运营商的网络侧就需要超过10Gb/s 的以太网。
    2006年AT&T就已经开始部署40Gb/s(OC-768)的路由器，几年后100G以太网将会有很大需求，除了核心路由器， AT&T的边缘路由器的容量也在不断增长， 不远将来40Gb/s 也会部署。而且随着高速SONET/SDH板卡需求量的下降， 高速以太网需求的增长， 以太网接口的价格优势将会更加明显。 

100G以太网关键技术
    以太网协议是提高网络性价比的最大动力所在, 它的特点是简单、灵活、互操作性强和低成本。而以太网主要应用在传统局域网（ LAN ），随着技术的持续发展, 在城域网也有大量的应用。但是100G以太网的真正商用还需要克服几大关键技术，比如100G以太网的调制解调技术、可扩展问题和运营级特性。 这也是最近研究和标准化努力的目标。
2007年7月, IEEE802.3通过决议成立新的项目组来发展高速以太网使其速率达到40Gb/s和100Gb/s。该项目的目标是：
仅支持全双工操作
保留802.3,即保留采用802.3MAC的以太网帧格式
支持MAC信令子层业务接口的比特错误率不大于10-12
提供对OTN的支持
支持40Gb/s的MAC数据速率
提供物理层规范能够使40Gb/s运行在以下条件：
在ISO/IEC 多模光纤OM3上至少传输100m
在铜缆线上至少10m
在背板上至少1m
支持100Gb/s的MAC数据速率
提供物理层规范能够使100Gb/s运行在以下条件：
在单模光纤(SMF)上至少40km
在单模光纤(SMF)至少10km
在OM3 多模光纤上至少100m
在铜缆上至少10m

    在各种先进的调制格式中， NRZ调制因为简单和成本低廉而被大量应用于陆地传输系统的设计中，但是当速率超过10Gb/s，非线性和偏振模色散导致信号严重的损伤，很多实验室研究了RZ， Duo-binary， PSK， QPSK等调制方式。 OFDM 对光纤色散和偏振模色散（PMD）有很强的健壮性已经使其成为100G以太网系统的主流调制技术。OFDM通过许多平行正交子载波来传输数据，并在频域实现信道均衡，这相对传统在时域实现信道均衡大大简化。此外 OFDM使用高阶调制自适应动态的数据速率而具有高频谱资源利用率的优点。 OFDM在无线领域的研究已经很成熟，并已纳入许多通讯标准，如IEEE 802.11 a/g。
    近日， 日本KDDI实验室宣布完成无信号纠错的100Gb/s以太网1000公里的传输试验，这并不是最早的， 早些时候, 澳大利亚墨尔本大学在OE(Optical Express)上发表了他们基于OFDM的107G SSMF系统。 但毋庸置疑， 要实现长距离无纠错的高速传输， OFDM将是最佳的调制方式。
    高速以太网要想真正给企业和居民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OAM等特性也是决定其成败的关键技术。
    目前传送网领域的主流技术是SONET/SDH,随着DWDM的出现, ITU-T已经将OTN标准化。标准化的OTN提供运营级的操作、运营和管理（OAM）以及前向纠错（FEC）能力。OTN支持各种不同的客户信号，包括完整的波长，或者TDM信号，也包括以太网在内的数据业务。OTN目前定义的速率级别有三个， 分别为2.5Gb/s、10Gb/s和40Gb/s，对低于这三个等级的低速业务，可以通过复用功能实现适配。对100Gb/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。 因此， ITU-T开始定义适合100G以太网的OTU4/ODU4接口，满足以下规范：
在单个OTN容器内，单个波长上透明传输100G以太网
高频谱利用率地复用低速ODUs

目前有两种主流的OTU4备选方案：
112Gb/s左右 OTU4包括FEC。 能够承载单个100G以太网或者2个40Gb/s和两个10Gb/s信号或者10个10Gb/s信号。
130G b/s左右 OTU4带有FEC。 能够承载单个100G以太网或者3个40Gb/s信号或者12个10Gb/s信号。

    虽然ITU-T正在抓紧制定OTU4的标准，但100G以太网究竟以何种方式传输， 还要决定于技术的发展以及各项技术相应的成本。

商用还需时日
    虽然100G以太网已经在实验室中成功部署， 但是100G以太网离商用需要继续努力， 首先一点就是成本还需降低， 在107 Gb / s光通信系统的发射机和接收机中，电处理部分的带宽需求大约15GHz。 而在集成电路中最经济的数模/模数转换模块频带为6GHz， 也就是说实现100Gb/s光系统在电处理部分的成本还有待降低。
    所以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， 因为在城域网中， 大量的数据需要随时的上下路，一个无需各种补偿器件的传输系统将会大大简化网络设计， 基于OFDM的100G以太网刚好可以满足这一需求, 同时高带宽满足了城域网每年40%的流量增长。总之，100G以太网的发展需求已经很明显， 成本优势也会不断加强， 但是100G以太网从调制方式到运营管理维护都需要不断的技术完善，真正大规模的商用还需时日。