智能城域網FlexE 技術應用與探討*

張 嘯，霍 磊，錢永良

（1.華夏郵電咨詢監理有限公司，河南 鄭州 450007；2.中國聯通網絡通信有限公司周口分公司，河南 周口 466000）

0 引言

靈活以太網（FlexE）技術是基于高速以太網（Ethernet）接口，通過以太網 MAC 層與PHY 層之間解耦，可實現的低成本、高可靠、可動態配置的電信級的網絡接口技術。該技術利用了業界最廣泛、最強大的Ethernet 生態系統，并且契合了視頻、云計算以及5G 等業務的發展需求。5G 三大應用場景對承載網絡大帶寬、低時延、高可靠的網絡切片方面提出了要求，5G——FlexE 應運而生并逐漸被業界接受。本文主要對FlexE（Flexi-ble Ethernet）技術及應用進行分析與闡述。

1 FlexE 技術介紹

1.1 FlexE 的需求及產生

靈活以太網技術是在Ethernet 技術基礎上，為滿足高速傳送、帶寬配置靈活等需求而發展的技術。以太網概念由施樂公司于1972 年首次提出，并基于載波偵聽和沖突檢測（CSMA/CD）技術逐步完善。自1980 年代開始，Ethernet 技術的發展完全遵循IEEE 802.3/1 所制定的標準體系架構，并在產業技術與業務需求的共同驅動下快速發展，成為目前IT業界應用最為廣泛、生態系統最為完善的L2 互聯技術。Ethernet 技術在接口層面遵循IEEE 802.3 定義的MAC/PHY 層標準，在2010 年之前，基本按照10 倍速率發展，從10M-100M-1G-10G -40/100G發展。2010 年之后，光傳輸設備的發展無法跟上業務需求。光通信場景較多，UNI（用戶網絡接口）可能出現多種情況，而底層光傳輸鏈路接口和模塊是固定的，難以應對這些變化。

近年來，云計算、ARVR 等業務的興起，以帶寬為主的網絡訴求向業務體驗、服務質量和建網效率上進行轉變。作為底層連接技術的Ethernet 在保持既有低成本、高可靠、可運維等優勢之外，還需要具備以下能力：

（1）Ethernet 接口速率靈活可變

隨著業務與需求場景的多樣化，Ethernet 接口需要提供更加靈活的帶寬顆粒度，而不必受制于IEEE 802.3 標準所確定的10G-25G-40G-50G-100G-200G-400GE 的階梯型速率體系。業內甚至出現了800G、1.6T 等超高速Ethernet 接口需求，而這些接口標準尚未形成，需要尋求比它小的子速率或是比它大的高速率業務，滿足不同高速業務需求的接入。

（2）Ethernet 接口與光傳輸能力解耦

Ethernet 接口能力與光傳輸設備能力發展不同步。IP 設備通過高速Ethernet 接口組網時，經常受制于光傳輸網絡能力。不需要光傳輸網絡的DWDM鏈路速率與UNI 接口的以太網速率保持嚴格的匹配，就可以最大限度地利用現有光傳輸網絡對超大帶寬Ethernet 接口的傳輸。

（3）IP 與光融合組網

在Ethernet 與傳輸能力解耦基礎上，通過Ethernet 與光傳輸網絡之間的簡單映射承載，簡化網絡，提高靈活性（這種場景可應用于大型IDC 之間跨地域組網，也是FlexE 技術最初提出的應用場景），并進而實現流量靈活疏導與調度優化。

（4）面向多業務承載的增強QoS 能力

多業務承載條件下增強用戶體驗，支持對不同業務提供專用通道，是Ethernet 技術發展的重點。Ethernet 如果在物理層接口上提供通道化的硬件隔離功能，就需要在物理層對業務進行分片隔離，進一步與上層網絡配合，結合高性能可編程轉發以及層次化QoS 調度等功能，即可滿足多業務通道化隔離的QOS[1]。

1.2 FlexE 技術架構

FlexE 是在Ethernet 技術基礎上，為滿足高速傳送、帶寬配置靈活等需求而發展的技術。通過引入FlexE Shim 層實現了MAC（介質訪問控制子層，屬于數據鏈路層）與PHY 層（物理層）解耦，上層和下層的數據流速率，不再強制綁定，從而實現了靈活的速率匹配。

FlexE 技術通過在IEEE802.3 基礎上引入FlexE Shim 層從而實現了以太網MAC 與PHY 層面的解耦（見圖1 所示），從而實現了靈活的速率匹配。靈活以太網基于Client/Group 架構（如圖2）定義，可以支持任意多個不同子接口（FlexE Client）在任意一組PHY（FlexE Group）上的映射和傳輸，從而實現上述捆綁、通道化及子速率等功能。其中 FlexE Client：對應于網絡的各種用戶接口，與現有IP/Ethernet 網絡中的傳統業務接口一致。

圖1 Ethernet 與FlexE 結構

圖2 FlexE 架構

FlexE Client 可根據帶寬需求靈活配置，支持各種速率的以太網MAC 數據流（如10G、40G、n*25G 數據流，甚至非標準速率數據流），并通過64B/66B的編碼的方式將數據流傳遞至FlexE Shim 層。

FlexE Shim：插入以太網架構IEEE802.3 的MAC 與PHY（PCS 子層）中間的一個邏輯層，通過Calendar 的Slot 分發機制從而實現FlexE 技術的核心架構。

FlexE Group：本質上是IEEE 802.3 標準定義的PHY 層。由于重用了現有IEEE 802.3 定義的以太網技術，使得FlexE 架構得以在現有以太網MAC/PHY基礎上進一步增強。以FlexE 點對點連接場景為例，多路以太網PHY 組合在一起成為FlexE Group，并承載通過FlexE Shim 分發、映射來的一路/多路FlexE Client 數據流[2]。

1.3 FlexE 技術原理

FlexE 的主要功能通過FlexE Shim 層實現，把FlexE Group 中的每個100GE PHY 劃分為以5Gbps為單元的 20 個Slot 時隙數據承載通道，每個PHY所對應的這一組Slot 稱為一個Sub-calendar。FlexE Client 原始數據流中的以太網幀以Block（原子數據塊以64/66B 編碼的數據塊）為單位進行切分，這些數據塊可通過FlexE Shim 實現在FlexE Group 中的多個PHY 與時隙之間的分發。FlexE 幀結構如圖3 所示。每個64/66B 數據塊承載在一個Slot 時隙中，Slot 作為承載數據塊的基本邏輯單元。FlexE在Calendar 機制中，將slot0 到slot19 對應“20blocks”作為一個邏輯單元，并進一步將1023 個“20blocks”作為Calendar 組件。

圖3 FlexE 幀結構示意

FlexE Shim 層通過定義Overhead Frame/Multi Frame 的方式體現Client 與Group 中的Slot 映射關系以及Calendar 工作機制。FlexE Shim 層帶內管理通道通過Overhead 進行提供，支持在兩個對接的FlexE 接口之間傳遞配置和管理等信息，從而實現鏈路的自動協商建立。

按照OIF FlexE 標準，每個FlexE Client 的數據流帶寬可以設置為10、40 或者n×25Gbps。由于FlexE Group 的100GE PHY 中每個Slot 數據承載通道的帶寬為5Gbps 粒度，FlexE Client 理論上可以按照5Gbps 顆粒度進行任意數量組合，支持更靈活的多速率承載。FlexE Shim 可以通過Calendar 網絡機制實現不同速率的FlexE Client 客戶數據流在FlexE Group 中映射、傳送與帶寬分配。FlexE 技術標準按照每個Client 客戶數據流所需帶寬資源以及Shim層中對應每個PHY 的5G 顆粒度的Slot 進行分布情況，計算、分配FlexE Group 中可用的Slot 時隙，形成Client 數據量到一個或多個Slot 時隙的映射，再結合FlexE Calendar 機制實現一個或多個Client數據流在FlexE Group 中的傳送承載。

FlexE 技術為每一個Client 數據流提供可更改的Slot/Calendar 配置機制，實現帶寬的動態調整。在FlexE 技術中通過兩個對接接口之間的開銷管理通道,通過實時傳遞體現Client 在Group 中映射關系的兩種不同Calendar 配置信息：A 和B（分別由“0”或“1”bit 表示）。兩組Calendar A/B 可以動態切換，從而實現對應Client 的帶寬可調整。任意一個Client 數據的帶寬映射在兩組Calendar A/B 之間可以是不同的，通過切換，結合系統應用控制可實現無損帶寬調整。Calendar A/B 的切換通過開銷管理通道內嵌的Request/Acknowledge 機制實現[3]。

如圖4 所示配置了2 組信息：calendar A 與calendar B。calendar A 配 置 的FlexE Client 數 據帶寬分別為15G、20G。若客戶帶寬需求變化，由15G、20G 變為10G、25G，通過更改機制Request/Acknowledge，將承載傳送的客戶數據配置由calendar A 切換到calendar B，實現FlexE Client 客戶數據的帶寬調整，滿足客戶帶寬業務多變的需求。

2 FlexE 的主要功能及應用

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

圖4 FlexE 幀結構帶寬調整示意

2.1 捆綁（Bonding）功能及應用

2.1.1 捆綁功能

通常為滿足更高速率需求，MAC 層數據流通過FlexE Shim 層后將對PHY 進行捆綁，用于提升更高速率傳輸。如圖5 所示，通過3 路100G PHY捆綁，可實現300G 速率傳輸帶寬。

圖5 FlexE 捆綁示意

2.1.2 捆綁應用

FlexE 技術可實現5G 大帶寬承載。5G 的網絡帶寬至少比4G 網絡提升數十倍，端口帶寬需求將急劇增長，5G 后期的接入層帶寬將由現網GE 環路、10GE 環路擴容至N×10GE、N×25GE 環路。匯聚核心層帶寬將由10GE、N×10GE 擴容至N×100GE。基于FlexE 的捆綁功能，通過接口速率相互組合捆綁實現更大帶寬。

2.2 子速率（Sub-Rate）功能及應用

2.2.1 子速率功能

低于100G 的單一速率MAC 層帶寬共享1 路或多路PHY 通道時，未使用的時隙被FlexE 開銷幀標記為unavailable slots，并填充Error Control Block 從而實現降速。

如圖6 所示，在2 路100G PHY 通道上分別承載1 路50G 和1 路75G 的MAC 層數據流，通過對100G PHY 空閑時隙的填充，實現對客戶帶寬降速。

圖6 FlexE 子速率示意

2.2.2 子速率應用

FlexE 技術可實現靈活可調的帶寬承載。5G 最大用處是ToB，就是給商業用戶使用，5G 商業模式將由ToC 逐漸轉變為ToB。ToB 的帶寬需求也將呈現多樣化。FlexE 子速率的功能，可以通過對空閑時隙填充，滿足不同行業的不同客戶數據需求。

2.3 通道化（Channelization）功能及應用

2.3.1 通道化功能

通道化功能可使多路低速率MAC 層的數據流共用1 路或者多路100G PHY，可實現業務之間物理隔離。如圖7 所示，將20G、50G、110G MAC 層數據流在兩路PHY（100G）上承載，也可將25G、50GMAC 層數據流在一路PHY（100G）上承載，MAC 層客戶業務物理隔離、按需分配、互不干擾。

2.3.2 通道化應用

FlexE 功能可以實現5G 網絡的切片承載，通過對網絡資源的切片，保障eMBB、mMTC 和uRLLC等不同業務的服務等級，保障不同業務安全性和可靠性，滿足不同客戶的多樣化體驗。FlexE 通道化功能，能夠實現不同的FlexE Client 數據的物理切片和物理隔離，更好地滿足5G 網絡切片需求（見圖8）。

圖7 FlexE 通道化示意

管理分片：分片生命周期管理，負責分片創建、刪除。分片拓撲管理、視圖、基于分片的業務發放、告警管理以及性能管理[5]。

設備資源分片：NCE 集中算路、業務發放。一個協議進程，每個分片獨立協議數據庫，協議基于分片算路。

轉發資源分片：FlexE 接口，效果等同于物理接口，獨立緩存控制。

3 FlexE 技術網絡實例

3.1 業務需求及網絡配置實現

某市綜合業務點接入環路采用華為980C 設備組建50G 接入環，匯聚核心采用M8X8 組建100G環路。該綜合業務節點同時接入某電力公司及某工業園。電力公司及工業園均提出5G 的帶寬需求，要求運營商提供剛性管道，物理隔離，時延要求20ms 以內，抖動5ms 以內，可靠性達到99.999%。

針對上述需求，可通過FlexE 技術對現有智能城域網劃分網絡切片，電力切片劃分5G 帶寬，工業制造切片劃分5G 帶寬，普通切片（公共用戶）劃分40G 帶寬。提供毫秒級業務質量可視、時延路徑調優的端到端專享通道方案。見圖9。

圖9 FlexE 切片業務示例

3.2 FlexE 技術應用建議

5G 網絡切片實現自動部署，，需要無線、承載及核心網多專業協同。實現跨專業的網絡編排器與各個專業的協同器的對接，需要跨專業的網絡編排器用于實現網絡切片的自動編排。通過SDN/NFV部署使得各個專業的網絡管控系統統一管理，實現端到端的切片部署。還需要統一各專業切片及資源的規范，從而實現跨專業的資源統一[6]。

5G 網絡切片業務的引入需要考慮產業發展的成熟度及相應標準技術情況。根據5G 網絡切片部署的進度要求，運營商可以分2 個階段。

第一階段，根據典型的eMBB 業務劃分網絡切片，快速推出5G 業務，搶占市場資源。如AR、VR 等業務，并配合核心網用戶面(UPF)下沉部署，滿足超低時延客戶業務需求。簡化網絡切片的編排部署行。核心網子切片采用云化部署，提供網絡子切片管理功能，對子切片進行編排與部署；無線與傳輸網子切片可通過配置，進行切片的資源調度與隔離。

第二階段，引入uRLLC、mMTC 等類型的網絡切片，支持E2E 編排，實現5G 的目標網絡切片。無線網采用支持DU/CU 分離以及CU 的云化部署，傳輸網采用支持FlexE 的硬切片vNet，提供超低時延數據轉發[7]。此階段，5G 網絡已具備支持核心網、無線網、傳送網的端到端網絡切片編排與管理，通過結合AI、自動化等技術，可實現網絡切片的自動開通和智能安全保障。

4 結語

5G 網絡的三大應用場景，對智能城域網絡提出了大帶寬、超低時延、網絡切片以及高可靠性等傳輸性能要求。FlexE 技術通過其捆綁、通道化、子速率等功能，滿足5G 業務網絡靈活的、剛性等業務需求。通過FlexE 應用實例及網絡部署建議推動5G 網絡切片的應用發展。隨著5G 產業鏈逐漸成熟與完善，FlexE 技術將得到更廣泛的應用與發展。