200G高速Flex Ethernet以太网接口设计与实现

作     者：熊欢 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李冰;吕耀安

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：灵活以太网 网络切片 以太网接口 物理层链路捆绑 UVM 

摘      要：5G时代的到来,催生了增强型移动带宽、高可靠低时延通信、海量机器通信等多种业务场景,然而多样性的业务对于承载网带宽、时延、可靠性等方面的要求差异巨大。一方面,IEEE802.3协议中固定速率的以太网接口,无法为多样性的业务提供更加灵活的带宽颗粒度;另一方面,网络流量快速增加,对于以太网速率的需求迅猛提升,但是光模块速率越高性价比越低。为了满足高速传送、带宽配置灵活等需求,光互联网论坛(Optical International Forum,OIF)提出了灵活以太网(Flexible Ethernet,FlexE)技术。它能够在传统以太网架构的基础上,通过引入全新的灵活以太网垫层(FlexE Shim),实现以太网媒体介入控制(Media Access Control,MAC)层与物理层(Physical Layer,PHY)解耦,增强以太网接口的灵活性。本文利用在传统高速以太网接口设计中引入FlexE弹性机制,通过物理层链路的捆绑、灵活的调度配置和5G时隙分发,实现接口带宽灵活扩展。本文对FlexE接口技术进行了理论分析和应用研究,包括FlexE原理与功能、灵活以太网客户端(FlexE Client)数据处理、FlexE Shim时隙调度机制、灵活以太网链路组(FlexE Group)中PHY层的处理等多个方面。首先,基于灵活以太网功能模型,确定了本设计的整体架构。接着,通过对物理编码子层和FlexE Shim实现协议的解析,将整体架构按接收侧和发送侧两方向进行了子模块的划分。为了实现不同速率FlexE Client介质无关接口帧格式的转换,引入了统一介质无关接口模块,提高了设计的可实现性;为了给开销和对齐标志的插入预留出位置,引入了缓冲接口模块,通过在数据流预期位置处插入占位空闲块,实现占位功能,简化了物理编码子层硬件逻辑设计复杂度。最后,通过搭建通用验证方法学(Universal Verification Methodology,UVM)仿真验证平台,对本设计进行功能验证;通过现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和思博伦网络测试仪对本设计进行性能测试。验证结果表明:本设计实现了FlexE Shim的功能要求,同时满足当时钟频率为78.125MHz时,能够实现数据带宽之和不超过200G的多个FlexE Client业务的同时传送,并且支持通过日程表(Calendar)调度配置的更新,动态增加或减少时隙数量实时调整网络带宽资源占用,应对业务流量的实时变化。本文所实现的基于FlexE的高速灵活以太网接口硬件设计,由于具备了更加灵活而普遍的通道绑定特性,使得以太网接口速率不必再等于物理通道速率,从而极大地增强了以太网接口应用灵活性,满足了5G承载网络对大容量和网络切片的承载要求。