FlexE灵活以太网技术详解：FlexE技术结构，应用场景

近年来，光传输设备的发展渐渐无法跟上需求，光通信场景较多，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。

随着以太网技术的发展，海量的移动数据，高速的5G连接，对100G、400G的带宽需求越来越普遍，网络正式进入了“高带宽时代”。FlexE技术就是在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。其中一个重要的技术就是FlexE（灵活以太网）。FlexE技术中文名称是“灵活以太网技术”，其中E则是Ethernet的简写，Flex跟FlexO\FlexGrid这些技术中的Flex一样，都是灵活的意思。

一、基本概念

FlexE（Flexible Ethernet，灵活的以太网）技术基于高速以太网接口，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。

网络硬切片技术，主要用在广域网、承载网，通过网络切片，在同一张网络上满足不同业务的差异化需求，使得运营商能够在一个通用的物理网络之上构建多个专用的、虚拟化、互相隔离的逻辑网络。FlexE技术属于第三代以太网技术，最重要的作用就是实现物理层（速率）和MAC层的解耦，以满足5G时代对于大带宽灵活接入的需求。

按照IEEE 802.3的规划，网络的速率演进基本遵循“X10”的方向，即10M、100M、1G、10G、40G、100G，而业务的发展是超乎于其的，25G、50G、200G、400G、800G、1.6T的需求逐步出现。

二、为什么需要FlexE?

随着业务与应用场景的多样化，网络发展对承载网的带宽提出了更高的需求，同时用户也希望通过统一的网络来承载各种不同的业务，包括家庭宽带业务、专线接入业务、移动承载等，这些需求对网络接口提出了更高的要求。

当前标准Ethernet接口作为网络接口时存在以下问题：

• 不支持更加灵活的带宽颗粒度：随着业务与应用场景的多样化，用户希望Ethernet接口可提供更加灵活的带宽颗粒度，而不必受制于标准所制定的10-25-40-50-100-200-400G的阶梯型速率体系。
• 与光传输设备能力相互依赖：IP设备的Ethernet接口能力与光传输设备能力发展并不同步，例如光传输设备没有25/50G接口，但是在两者组网互联时，又需要光传输网络的链路速率与IP设备的以太网速率保持严格的匹配。
• 不支持面向多业务承载的增强QoS能力：标准Ethernet接口基于QoS报文优先级调度，会出现长包阻塞短包，导致短包时延变大，业务之间互相影响。

FlexE解决了当前存在的问题，带来了以下价值：

• 支持更加灵活的带宽颗粒度：FlexE可灵活配置接口速率，满足业务与应用场景的多样化。
• 与光传输设备能力解耦：IP设备的Ethernet接口速率与光传输网络速率解耦，即不需要光传输网络的链路速率与IP设备接口的以太网速率保持严格的匹配，可以最大限度地利用现有光传输网络，实现对新型带宽Ethernet接口的传输和承载。
• 支持面向多业务承载的增强QoS能力：FlexE在物理层接口上提供通道化的硬件隔离功能，保障业务SLA（Service Level Agreement，服务水平协议），使各业务独占带宽，业务之间互不影响，即可在多业务承载条件下实现增强QoS能力。

FlexE技术的合理应用，可以实现多业务信道化隔离与按需扩容，更能支持不同业务分片承载，是支持新型网络建设、应用和发展的重要技术。

三、FlexE是如何工作的？

FlexE技术于2015年首次提出。FlexE的核心目标是为了实现大带宽的灵活连接。何为灵活连接呢？就是将MAC层和PHY层解耦，换句话说就是取消光模块与接口间的一一对应关系。

标准Ethernet结构和FlexE结构

FlexE在MAC层（网络设备接口）和PHY层（光模块）之间增加了FlexE Shim层，FlexE层的作用就是将此层作为一个中转站，从而将MAC层和PHY层解耦。

FlexE通用架构

FlexE技术通过引入FlexE Shim层实现了MAC与PHY层解耦，从而实现了灵活的速率匹配。如下图所示，FlexE通用架构包括FlexE Client、FlexE Shim和FlexE Group，其中：

• FlexE Client：对应网络中外在观察到的各种用户接口，与现有IP/Ethernet网络中的传统业务接口一致。每个FlexE Client可根据带宽需求灵活配置，支持各种速率的以太网MAC数据流，并通过64B/66B的编码方式将数据流传递至FlexE Shim层。
• FlexE Shim：作为插入MAC层与PHY层中间的一个逻辑层，通过基于时隙分配器Calendar的Slot分发机制实现FlexE技术的核心架构。
• FlexE Group：本质上是各种以太网PHY层，默认把PHY的带宽池化为5G粒度的资源。

图 FlexE通用架构

FlexE Shim

FlexE的核心功能通过FlexE Shim层实现，如下图所示，它可以把FlexE Group中的每个100G PHY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5G。

FlexE Client原始数据流中的以太网帧以Block原子数据块（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FlexE Shim实现在FlexE Group中的多个PHY与时隙之间的分发。

FlexE Group的100G PHY中每个Slot数据承载通道的带宽为5G粒度，这使得FlexE Client可以按照5G速率粒度进行任意数量的组合设置。华为目前支持最小1G速率粒度。

图 FlexE Shim机制

FlexE的通用架构使其拥有三种主要功能：

• 捆绑：FlexE的捆绑不同于普通的链路捆绑，这是一种基于物理层的捆绑技术，因此不涉及协议的交互，捆绑后的理论带宽利用率是100%多路PHY一起工作，支持更高速率。如4路100G PHY实现400G MAC速率。

• 通道化：由于将PHY层的资源进行了整合，既可以达到通道化的效果，数据帧经过重新编码后根据资源的需求进入不同的通道，达到灵活入通道的目的。多路低速率MAC数据流共享一路或者多路PHY。如在100G PHY上承载25G、35G、20G与20G的四路MAC数据流，或者在三路100G PHY上承载125G、150G与25G的MAC数据流。

• 子速率：子速率与捆绑相反，可以理解为是一种物理层的负载分担，可以将150G的流量分为2*75G，然后送入不同的物理通道中进行传输。单一低速率MAC数据流共享一路或者多路PHY。如在100G PHY上仅仅承载50G MAC数据流。子速率功能在某种意义上是通道化功能的一个子集。

四、FlexE有哪些应用场景？

IP网络的融合承载已成为大势所趋。随着新应用、新业务的不断涌现，现有的通信行业在按需快速组网、资源灵活配置等方面，面临新的挑战。以捆绑、通道化和子速率功能为基础，FlexE在IP网络中通过大带宽接口、网络切片、通道化子接口物理隔离等特性，可以实现带宽按需分配、硬管道隔离等方案，这些方案可用于支持基于业务体验的未来网络架构，以支撑未来的高带宽视频、VR/AR、5G等业务发展。目前，FlexE主要应用在超大带宽接口、IP+Optical灵活组网以及网络切片等场景中。

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。如下图，4路100G PHY通过捆绑实现了400G MAC的速率。

图 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设备对接的模式：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。

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。

如下图所示，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。

图 FlexE技术实现网络切片

使用FlexE接口技术来做切片具有以下特点：

• 切的好：切片后时延稳定、零丢包，实现切片之间的硬隔离，带宽保证，切片之间业务互不影响。
• 切的细：华为支持最小1G切片粒度。
• 切的多：配合其他资源预留技术，如信道化子接口或Flex-channel，FlexE支持层次化“片中片”，可以满足更复杂的业务隔离的需求。
• 切的快：分钟级切片部署，实现业务的快速部署，切片资源可以通过网络智能管控器提前预部署，也支持随业务按需部署。

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