采用FPGA实现100G光传送网

采用运营商级以太网标准支持OTN
以太网最初虽然是设计用在LAN环境中，但现在已经广泛应用在骨干网和城域网(MAN)中。以太网在多方面进行了改进，包括更高的比特率和长距离接口、基于以太网的接入网、虚拟网络、更新能力、骨干网供应商桥接、可靠的保护技术、QoS流量控制和流量调理等，因此，它能够作为网络运营商的承载网。此外，以太网很容易实现多点对多点链接，在现有点对点传送技术下，需要n × (n - 1) / 2路链接。
如图4所示，运营商级以太网将以太网从LAN扩展到WAN，尝试进入整个通信支撑系统中。其目的是为用户提供WAN技术将站点链接起来，其方式与运营商以前采用的ATM、帧中继和X.25技术相似。运营商级以太网不是LAN采用的以太网，例如，客户在桌面以及服务器房间中使用的以太网。
图4.运营商级以太网多协议标签

不久前刚开始从以太网向运营商级以太网传送技术的过渡。目前为止，ITU-T提供了构建基于以太网业务的运营商网络系统选择。ITU-T建议由传送承载以太网(EoT)，采用PDH、SDH或者OTN等传统的承载技术来进行传送。
采用40G/100G以太网体系结构来支持OTN
IEEE 802.3ba是正在为40 Gbps和100 Gbps开发的标准。现阶段的目标是：
■ 只支持全双工工作
■ 保留使用802.3 MAC标准的802.3/以太网帧格式
■ 保留当前802.3标准的最小和最大帧长度
■ MAC/PLS业务接口支持优于10-12的BER
■ 为OTN提供相应的支持
■ 支持40 Gbps的MAC数据速率
■ 提供支持40-Gbps工作的物理层规范，包括：
● 在SMF上大于10 km
● 在OM3 MMF上大于100 m
● 在铜缆上大于10 m
● 在背板上大于1 m
■ 支持100 Gbps的MAC数据速率
■ 提供支持100-Gbps工作的物理层规范，包括：
● 在SMF上大于40 km
● 在SMF上大于10 km
● 在OM3 MMF上大于100 m
● 在铜缆上大于10 m

如图5所示，该工程要在2010年中完成。业界对于100G的实施工作主要集中在传送网和以太网上。传送网和以太网标准在100 Gbps速率等级上达成一致，这一过程从10G就开始了。
图5.以太网和光传送网从10 Gbps就开始了融合

Stratix IV FPGA为100GbE OTN设计铺平了道路
目前的业界发展趋势是使用WDM承载以太网进行数据包传送，通过IP/MPLS/以太网传送数据。Altera 40-nm Stratix® IV FPGA系列的定位非常适合满足100G以太网和传送系统设计的性能和系统带宽要求。Stratix IV GT FPGA密度非常高，集成了在单片器件中实现100 GbE/光纤通道/RPR MAC功能使用的11.3-Gbps收发器，以及OTN数据包前向纠错(FEC)、映射和成帧等关键处理功能。100 GbE的OTU-4标准使用增强FEC (EFEC)，必须采用专用算法进行设计才能确保最大限度的发挥光带宽优势。由于其优异的架构性能，Stratix IV FPGA能够处理EFEC功能，是OTN系统算法实现和测试的理想平台。图6显示了客户在设计100GbE OTN设备时怎样使用Stratix IV GT FPGA来实现上面介绍的所有功能。
图6.100G OTN应用：LAN到WAN

OTN以及对通用客户端口的需求
OTN含有各种光网络单元，是高效传送业务的基础。独立的语音、视频、数据和存储网络演进构成公共骨干网，由OTN为其提供服务。OTN设备必须能够将很多不同类型的业务(以太网、SONET/SDH、ESCON、光纤通道和视频)映射到这一公共骨干网中。
光设备生产商不断降低成本，采用跨平台元器件，因此，灵活映射各种客户侧端口的解决方案得到了应用。FPGA是实现“通用客户侧端口”的主要元件，可以配置支持各种客户侧接口。这样，单片器件能够高效用于多种应用中。

为OTN提供灵活的支持
Altera提供适用于OTN体系结构的全系列产品，如表2所示。
表2.Altera器件系列产品

随着应用的推广，OTN1和OTN2对成本和功耗越来越敏感。如表3所示，含有嵌入式收发器的Altera Arria® II GX FPGA提供实现OTN1和OTN2波长转换器和交叉连接所需要的功能，具有很高的性价比和功效。
表3.为OTN应用提供的Altera Arria II GX收发器协议

相对于固定标准产品解决方案，灵活的Arria II GX FPGA具有以下优点：
■支持新出现的映射技术，例如，用于将GE映射到OTN所需要的ODU0等。
■可以配置支持各种客户侧接口，采用同一器件实现多种应用。
■只需要重新配置FPGA就可以在同一器件中支持多种FEC和EFEC技术。

在单片FPGA中实现40G波长转换器设计
波长转换器(复用转发器)主要用于将多路低速客户侧信号汇集到高速波长上。它避免了为每一路客户侧低速信号分配独立的波长，因此，大大提高了WDM频谱效率。
业界分析师预测，到2013年，40G光端口应用会急剧增长。40G OTN设备越来越大的吞吐量迫切要求进一步改进FEC技术，以便能够将信号传送得更远。由于实现这些EFEC标准需要很大的逻辑容量，因此，在40 Gbps速率时将通用客户端口、映射器、成帧器和EFEC集成到单片器件中难度很大。
然而，Altera Stratix IV GX系列经过规划，能够在单片器件中支持40G波长转换器功能，如图7所示。Stratix IV GX FPGA支持各种数据、存储、TDM和视频协议的高效实现，包括GbE、光纤通道(1G、2G、4G)、SONET (OC-N)和SDH (STM-N)等，为这些需求提供所需要的逻辑密度和架构性能。所有列出的协议由Altera直接提供支持或者通过合作伙伴提供支持。