科普：5G 承载网里的 FlexE ，到底是什么

进入5G时代，我们学习传输网知识，经常会看到“Flex”这个前缀。比如说，FlexE、FlexO、FlexHaul、FlexGrid、FlexXXX……那么，Flex到底是什么意思？没错，Flex是英语Flexible的缩写，意思就是“灵活的，可变动的，柔韧的”。那FlexE的E，又是什么呢？E，就是我们耳熟能详的“以太网（Ethernet）”。大家学计算机网络，第一课应该就会介绍以太网。什么CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）、总线型拓扑、100BASE-T，不知道大家还有没有印象？最早的以太网，诞生于上世纪70年代。一个名叫BobMetcalfe的哈佛博士，利用自己在夏威夷大学Aloha项目（世界上最早的无线电计算机通信网）学习时受到的启发，在施乐公司（Xerox）帕洛阿尔托研究中心，和另一名同事DavidBoggs，共同设计并实现了世界上第一个以太网。BobMetcalfe，以太网之父后来，1982年，Xerox与DEC及Intel组成DIX联盟，共同发表了EthernetVersion2（EV2）的规格，并将它投入商用市场，且被普遍使用。没错，就是那个卖打印机的施乐这个EV2，就是受IEEE承认的10BASE5。10代表速度是10Mbps，BASE代表传输信号调制方式为基带调制，5代表传输距离500米。以太网诞生之后，得到了快速的发展，逐渐从最开始的总线式以太网（也叫经典以太网），演变为交换式以太网。以太网的速率，从最开始的1Mbps，10Mbps，100Mbps，慢慢衍生出了1Gbps，10Gbps，100Gbps……以太网的传输介质，也从早期的同轴电缆，变成了双绞线（80年代末出现），再到后面的光纤（90年代中后期出现）。以太网演进（点击可看大图）在OSI七层模型里面，以太网是数据链路层和物理层的技术。在TCP/IP模型中，是网络接口层。回过头来，我们再看看光。进入2010年代之后，人们开始发现，光传输设备的发展，渐渐无法跟上需求。一方面，光通信场景较多，UNI（用户网络接口）可能出现多种情况，而底层光传输链路接口和模块是固定的，难以应对这些变化。例如，光传输设备只有三个40G通道，而我们的业务是100G的。另一方面，高速率光模块的价格太高，一时半会降不下来。行业需要寻找更低成本的解决方案，例如，1个400G光模块的价格，比4个100G加起来还高。那么，是不是可以通过绑定多个低速率的方式，实现高速率？于是，人们开始思考，Ethernet接口的速率，和光传输的能力速率，能不能解除匹配关系。这个，就是我们常说的“解耦”。为了实现这个愿望，2016年，OIF（光互联论坛）推出了FlexE。FlexE的作用，有点像一个“超级变速齿轮”。它在传统以太网架构的基础上，引入了全新的FlexEShim层，实现MAC（介质访问控制子层，属于数据链路层）和PHY（物理层）的解耦。上层和下层的数据流速率，不再强制绑定。FlexE的架构，如下图所示：FlexEClient对应于网络的各种用户接口（UNI），与现有IP/ETH网络中的传统业务接口一致。可根据带宽需求灵活配置，例如10G、40G、100G、200G、n*25G。FlexEGroup本质上就是IEEE802.3标准定义的各种以太网物理层（PHY）。FlexEShimFlexEShim是整个FlexE的核心。它把FlexEGroup中的每个100GEPHY划分为20个Slot(时隙)的数据承载通道，每个PHY所对应的这一组Slot被称为一个Sub-calendar，其中每个Slot所对应的带宽为5Gbps。FlexE帧结构（来源:《灵活以太网技术白皮书》）FlexEClient原始数据流中的以太网帧，以Block原子数据块(为64/66B编码的数据块)为单位进行切分，这些原子数据块可以通过FlexEShim实现在FlexEGroup中的多个PHY与时隙之间的分发。由于FlexEGroup的100GEPHY中每个Slot带宽为5Gbps粒度，FlexEClient理论上也可以按照5Gbps速率颗粒度进行任意数量的组合设置，支持更加灵活的多速率承载。（注意，最开始的FlexE版本，每个slot带宽是5Gbps。后来的FlexE版本，又推出了其它大小。）FlexE的功能，简单来说，就是三个：捆绑、子速率、通道化。捆绑(Bonding)捆绑，就是多根小水管，绑起来，给一个大数据流用。多路PHY一起工作，支持更高速率。例如，4路100GEPHY实现400GMAC速率。子速率(Sub-Rate)：子速率，就是一根或多根大水管，给一个小数据流用。单一低速率MAC数据流共享一路或者多路PHY，并通过特殊定义的ErrorControlBlock实现降速工作。例如，在100GPHY上仅仅承载75GMAC数据流。通道化(Channelization)：通道化，是一根或多根大水管，给若干小数据流（或大数据流）用。多路低速率MAC数据流共享一路或者多路PHY。例如，在100GPHY上承载10G、40G、50G的三路MAC数据流。或者，在两路100GPHY上复用承载125G的MAC数据流。来几个动图，看得更明白一些：通道化通道化通道化+捆绑总而言之，FlexE在不同基础设施条件下，实现了对不同业务带宽的支持。这就是所谓的“灵活性（Flexible）”。基于FlexE通道化功能，运营商可以在现有线路上，构建端到端的管道。这些管道的服务等级可以不同。大家应该也想到了网络切片。是的，Flex也能够满足网络切片的需求。基于FlexE的5G网络切片（来源:《灵活以太网技术白皮书》）FlexE在现有技术标准和设备的基础上，做了一些“小改动”，就实现了灵活的速率，更大的带宽，以及通道隔离。可以说是既省钱又好用。这样的技术，自然而然受到了大家的欢迎。目前，OIF已经将标准发展到了2.1版本。现在，FlexE已经是公认的5G承载网关键技术之一，也是第三代以太网技术的核心。三代以太网