一文读懂Flex Ethernet（FlexE）技术

Posted 2022-02-19 一个热爱编程的通信人

FlexE产生背景

FlexE（Flexible Ethernet）是基于高速以太网接口（100GE及以上接口），通过以太网MAC速率和PHY速率的解耦，实现灵活控制接口速率，以适应不同的网络传输结构。

光传输设备对于UNI（用户网络接口）的需求情况多变，而底层光传输网络的链路速率固定（接口和模块固定），如果通过调整底层传输的模块来适应各种传输需求，成本很高无法适应。FlexE技术是在Ethernet技术基础上，为满足高速传送、带宽配置灵活等需求而发展出来的技术。

FlexE基础概念

FlexE是OIF组织基于IEEE802.3/1指定的标准体系架构的扩展研究部。如下图所示，它就OSI七层模型，在PHY层（物理层）和MAC层（数据链路层）中间增加了shim层，用来实现MAC和PHY的解耦。

FlexE结构示意图

FlexE基于Client/Group架构定义，可以支持任意多个不同子接口（FlexE Client）在任意一组PHY（FlexE Group）上的映射和传输，从而实现上述捆绑、通道化及子速率等功能。其中：

• FlexE Group：每个FlexE Group由1个或多个（最多254个）基于802.3标准的以太网PHY组成，组内所有的PHY使用相同的物理层，每个PHY在FlexE Group都有一个唯一的编号。
• FlexE Shim：处于MAC和PHY之间，是FlexE的核心处理逻辑层。它将MAC层的FlexE Client数据流映射到FlexE Group的PHY上进行传输；并且也支持将FlexE Group内的PHY传输的数据反射到MAC层的FlexE Client数据流。FlexE Shim可以基于组对组内PHY的带宽进行捆绑、子速率、通道化处理。
• FlexE Client：对应于以太网络中的传统接口，是基于MAC层速率的以太网数据流，用于对接不同速率的UNI（User Network Interface，网络用户接口）。FlexE Client的数据流按照64B/66B编码形成多个数据块（blocks），这些blocks会插入到FlexE Group的某个位置的Sub-Calendar中。
• FlexE Calendar：是FlexE Shim处理映射和反映射处理的机制。将FlexE Group内的100G的PHY拆分成20个Slot，每个PHY的一组Slot称为Sub-Calendar，每个Slot承载5G速率。FlexE Calendar将FlexE Group内的每个PHY上的Sub-Calendar上承载的66B数据块分配给指定的FlexE Client。理论上每个FlexE Client可以被设置的带宽为5G的倍数。

FlexE通用架构示意图

FlexE支持的功能

捆绑

FlexE支持捆绑多个IEEE 802.3标准的物理接口，使多个PHY一起工作，以支持更高速率。例如，将2个100G物理接口捆绑，实现200G的MAC层速率。

捆绑功能示意图

通道化

对基于IEEE 802.3标准的物理接口的通道化是指多个低速率数据流共享一个PHY或多个PHY。例如，在1个100G速率的物理接口上承载25G和75G两个MAC层速率的数据流。

通道化功能示意图

子速率

基于IEEE 802.3标准物理接口的子速率是指一个低速率的数据流共享一个PHY或多个PHY。例如，在2个100G速率的物理接口上仅仅承载50G的MAC层速率。

子速率功能示意图

FlexE运行机制

FlexE帧结构

FlexE按照每个Client数据流所需带宽以及Shim中对应每个PHY的5G粒度Slot的分布情况，计算、分配Group中可用的Slot，形成Client到一个或多个Slot的映射，再结合Calendar机制实现一个或多个Client数据流在Group中的承载。每个64/66B数据块承载在一个Slot中。FlexE在Calendar机制中，将“20blocks”作为一个逻辑单元，并进一步将1023个“20blocks”作为一个Calendar。Calendar循环往复最终形成了5G为颗粒度的Slot数据承载通道。

FlexE帧结构示意图

FlexE Shim层通过定义Overhead Frame/MultiFrame的方式体现FlexE Client与FlexE Group中的Slot映射关系以及Calendar工作机制。FlexE Shim层通过Overhead提供带内管理通道，支持在对接的两个FlexE接口之间传递配置、管理信息，实现链路的自动协商建立。其中：

• FlexE Overhead Slot：FlexE开销时隙，实际为64B/66B编码形成的数据块。FlexE开销时隙每隔1023个“20blocks”出现一次。
• FlexE Overhead Frame：FlexE开销帧，由8个开销时隙组成。
• FlexE Overhead MultiFrame：FlexE开销复帧，由32个开销帧组成。FlexE开销复帧的前16个开销帧，标记位为“0”；FlexE开销复帧的后16个开销帧，标记位为“1”。当FlexE开销复帧的前16个开销帧的标记位和后16个开销帧的标记位从“0”转换为“1”或从“1”转换为“0”时，可以实现CRC校验。

FlexE开销帧示意图

在FlexE开销帧中，FlexE开销时隙中包含控制字符与“O Code”字符等信息。在信息传送过程，对接的两个FlexE接口之间通过包含“0x4B”的控制字符与“0x5”的“O Code”字符的匹配确定第一个FlexE开销帧，从而在二者之间建立了一个管理信息通道，实现对接的两个接口之间配置信息的预先协商、握手等。

Client/Slot映射机制

Client/Slot映射机制是指FlexE Client数据流在发送端的FlexE Shim/Group数据通道中映射到Slot，然后当这些Slot映射信息、位置等内容传送到接收端后，接收端可以从数据通道中根据发送端的Slot映射等信息恢复该FlexE Client的数据流。

1.FlexE Mux

FlexE Mux是指将FlexE Client数据映射到Slot。将不同带宽的FlexE Client数据插入到Calendar中。只要Calendar中有足够的Slot，分配给特定FlexE Client的Slot并不都不需要位于FlexE Group的同一个PHY上，这样可以使用多个PHY并行发送FlexE Client的数据流，提高了发送效率。

FlexE Mux示意图

2.FlexE Demux

FlexE Demux是指将Slot承载的数据恢复为FlexE Client数据。FlexE将从多个PHY接收到的Slot数据重新封装，恢复为2个FlexE Client数据。

FlexE Demux示意图

3.Slot/Calendar更改机制

FlexE通过为每一个FlexE Client提供Slot/Calendar更改机制，即每允许FlexE Client的Slot/Calendar映射关系实时变化，实现带宽动态调整。

本端FlexE接口记录了多种不同的FlexE Calendar信息，例如Calendar A和Calendar B。FlexE Client的带宽在Calendar A和Calendar B中是不同的，通过动态切换CalendarA和Calendar B，并进一步结合系统应用控制可以实现无损带宽调整。本端进行FlexE Calendar切换后，可以通过传递FlexE开销帧来通知对端FlexE接口进行FlexE Calendar切换，保证两端FlexE接口的传输速率一致。

Slot/Calendar更改机制示意图

FlexE应用场景

通过FlexE捆绑实现超大带宽接口

基于捆绑技术，通过接口速率组合，FlexE可以实现超大带宽接口，而且可以基于时隙调度，把数据流均匀的分发到所有的物理接口，实现100%带宽利用率，解决了现有链路带宽小、带宽资源利用率低的问题。

FlexE捆绑实现超大带宽接口

通过FlexE实现IP + Optical灵活组网

FlexE接口作为路由器与光传输设备之间的UNI（User Network Interface，用户网络接口），可以通过速率灵活匹配实现UNI实际承载的数据流带宽与光传输设备接口链路承载的带宽一一对应，从而极大简化路由器的FlexE接口在光传输设备上的映射，降低设备复杂度以及投资成本和维护成本。FlexE标准定义了三种和光传输对接的模式：Unaware、Termination和Aware模式，目前推荐使用Unaware模式。Unaware模式可以充分利用现有光传输网络设备，在无需硬件升级的情况下实现对FlexE的承载。

FlexE Unaware Transport模式在传输网络映射示意图

通过FlexE实现网络切片

如果把通信网络类比为交通系统，那么数据包就是“车辆”，网络就是“道路”。随着车辆的增多，城市道路变得拥堵不堪，为了缓解交通拥堵，交通部门需要根据不同的车辆类型、运营方式进行车道划分和车流量管理，比如设置快速公交通道、非机动车专用通道等。网络亦是如此，要实现从人与人联接到万物互联，连接数量和数据流量将持续快速上升。如果不加干预，网络必将越来越拥堵，越来越复杂，最终影响网络的业务性能。与交通系统的管理相似，通信网络也需要对网络实行“车道”划分和流量管理，即网络切片。

网络切片是指在同一个共享的网络基础设施上提供多个逻辑网络（切片），每个逻辑网络服务于特定的业务类型或者行业用户。每个网络切片都可以灵活定义自己的逻辑拓扑、SLA需求、可靠性和安全等级，以满足不同业务、行业或用户的差异化需求。

多台路由器通过FlexE技术进行数据传输，路由器的一个物理接口可配置为多个FlexE接口（逻辑接口），FlexE接口之间带宽资源严格隔离，等同于物理口，这使FlexE能用于不同业务的网络切片中，实现安全可靠的一网多用。

FlexE技术实现网络切片