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FLEXE技术白皮书
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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。
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。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技术具有如下优点：
· 让接口速率可变，不再受制于IEEE802.3标准所定义的10-25-40-50-100-200-400GE的阶梯型速率体系。
· 接口的带宽可以按需灵活满足，且不受制于光传输网络能力。
FlexE是OIF组织基于IEEE802.3/1制定的标准体系架构的扩展研究。如图1所示，它基于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。
图1 FlexE结构示意图
如图2所示，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层之间，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传输的数据反映射到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，其速率不固定，用于对接不同速率需求的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。
图2 FlexE通用架构示意图
如图3所示，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。
如图4所示，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。
如图5所示，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。
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。如图6所示，每个64/66B数据块承载在一个Slot中。FlexE在Calendar机制中，将“20blocks”（对应Slot0到Slot19）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。
图6 FlexE帧结构示意图
如图7所示，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，实际为按照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。
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。
FlexE Mux是指将FlexE Client数据映射到Slot。如图8所示，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并不都需要位于FlexE Group的同一个PHY上，这样可以同时使用多个PHY并行发送FlexE Client的数据流，提高了发送效率。
图8 FlexE Mux示意图
FlexE Demux是指将Slot承载的数据恢复为FlexE Client数据。如图9所示，FlexE将从多个PHY接收到的Slot数据重新拼装，恢复为2个FlexE Client数据。
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。
如图10所示，本端FlexE接口下记录了多种不同的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Calendar A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。
图10 Slot/Calendar更改机制示意图
以FlexE三大功能为基础，该技术可在IP网络中通过大带宽接口、网络通道化、子速率等特性，实现带宽按需分配、通道隔离以及低时延保障等方案。同时，通过与SDN技术相结合，FlexE支持基于业务体验的未来网络架构，能够支撑未来的高带宽视频、VR、5G等业务发展。
FlexE应用范围广泛，OIF Flex Ethernet标准对于FlexE在光传输网络中的映射定义了三种模式：
· FlexE Unaware Transport
· FlexE termination in the Transport
· FlexE Aware Transport
FlexE Unaware Transport模式可以充分利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，并可基于FlexE捆绑功能实现跨光传输网络的端到端超大带宽通信。
Flexe Shim将Flexe Client的数据和Flexe Group里捆绑的PHY进行映射转换，每个PHY的数据都独立的在传输网络进行传输，传输网络透明承载FlexE数据。如图11所示，传输网络不区分是否是FlexE数据，传输网络按照PCS编码进行透明传输，在不升级传统传输网络的情况实现了带宽的捆绑。
图11 FlexE Unaware Transport模式在传输网络映射示意图
由于两个FlexE Shim的距离不超过以太网的最大传输距离（40km），所以无法在PHY之间远距离传输数据。FlexE termination in the Transport模式下，FlexE流量在传输网络中不通过FlexE Group里捆绑的PHY进行传输，FlexE流量在进入传输网络前被边缘设备被终结。如图12所示，在该模式下，在光传输网络的边缘设备上部署FlexE接口并恢复出FlexE Client数据流，再进一步映射到光传输网络中进行承载传输，解决长距离传输问题。
图12 FlexE termination in the Transport模式在传输网络映射示意图
FlexE Aware Transport模式主要利用FlexE的子速率特性，在PHY上低速传递数据流量，适配光传输网络的波长。如图13所示，该模式下，光传输网络的接入设备对FlexE接口的PHY中无效的数据进行丢弃，并在出方向的设备上对丢弃的Slot恢复填充，从而光传输网络可以传输小于FlexE接口PHY带宽的数据。
图13 FlexE Aware Transport模式在传输网络映射示意图
[1] OIF-FLEXE-01
[2] www.ednchina.com/news/202001221503.html
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