100G以太网接口原理与应用研究

100G以太网接口原理与应用研究

杨宪伟，黄锐

中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041

摘要：本文从100G以太网接口的技术架构、接口技术与实现方式、典型案例分析四个方面进行了研究与描述。技术架构主要分析了100G以太网接口的执行标准与功能分层结构，接口技术研究分析了目前市场上主流的100G光接口方式与光模块的分类，接口实现方式简述了目前实现100G以太网接口的主流方式，如专用芯片或FPGA等，典型案例分析通过实际100G设备的设计原理与测试结果验证了目前可行的100G以太网接口的实现可行性与实现效果。

1 100G以太网接口概述

以太网自从诞生以来，发展速度以10倍的增量由最开始的10Mbps到100Mbp/1Gbps，再到10Gbps的超快速率演变与发展。特别是近些年，通信与网络产业的快速发展，云数据计算、设备虚拟化、高清视频业务、电子智能商务、社交宽带网络等多种新型业务持续出现，以太网络超快发展的4G以及5G这些高速无线网络业务，这些网络带宽的持续增加给基础网络带来了巨大的挑战，同时也给网络发展带来前所未有的机会。2010年6月，IEEE发布了同时兼顾40G与100G以太网标准的IEEE802.3ba，该标准的发布代表了40G与100G的商用业务之路正式开始。在40G与100G以太网得到大量成熟应用后，近几年，速率更快的400G以太网已经越来越成熟，在骨干网已经能看到越来越多的400G以太网得到应用。

2 100G以太网接口技术架构

100G以太网接口完全遵循IEEE802.3ba标准，按OSI分层结构进行划分包括物理层PHY和数据链路层MAC。物理层PHY包括RS调合子层、PCS物理编码子层、物理介质附属子层PMA、物理介质相关子层PMD以及物理介质，数据链路层MAC主要包括MAC层与MAC控制层。

Figure 1 以太网接口分层模型

物理层的RS子层主要负责将MAC层的数据流调整格式，转换为物理层与MAC层接口适合接收的串行数据流码块。PCS物理编码子层负责编码解码（64b/66b）、数据流的扰码，补偿MAC层与物理层的速率差、以太网链路训练。PMA物理介质附属子层负责PCS子层与PMD子层之间的数据串化功能，同时还要负责线路时钟提取恢复功能。PMD物理介质相关子层负责电介质与光介质传输信号的转换。40G/100G以太网接口的主要传输介质是光纤。MAC（数据链路）层主要负责以太网数据帧的封装与解封装功能，发送方向MAC负责把用户侧发送过来的数据帧插入帧间隙、帧头、前导码、填充、校验和等数据。接收方向MAC进行CRC校验、流量统计、去掉前导码等操作。MAC与PHY之间的接口主要采用IEEE802.3ba标准的XLGMII或CGMII。

3 100G以太网接口技术与实现方式

3.1 100G以太网光模块种类

自100G光接口出现以后，出现的接口封装形式是多种多样，第一代100G光模块是体积比较大的CFP光模块，随后出现了体积越来越小的CFP2/CFP4光接口模块，而CFP4光模块的体积已经只有CFP100G光模块的四分之一的宽度，封装大小和QSFP+相同。而目前主流的100G光接口模块已经是比CFP4光模块更小的QSFP28，更小的体积便这种100G光模块成为高端交换机的主流接口方式。

QSFP28光接口模块是目前市场主流也是最受欢迎的100G光模块，由于体积小，目前已经是市场需求量最大的光模块种类，QSPF28光模块一共有四种类型。

表一 100G以太网QSFP28光模块种类表

QSFP28-SR4 100G光模块是短距离多物理通道并行通信光模块。物理接口层的4对25Gbps高速电信号经过QSFP28-SR4光模块进行电光信号转换后仍然由四路独立光信号进行数据传输，多模光纤OM4是由多条光纤组合而成的光纤带缆，每对光纤传输25GBPS光信号，通过4对光纤完成100Gbps以太网数据的短距离传输。接收端对4对光纤传递信息做反向处理，转换为4路25Gbps高速电信号提供给100G物理接口层。

QSFP28-LR4类型光模块主要面向长距离连接的单模线路，两个QSFP28-LR光模块之间由一对单模光纤连接。和QSFP28-SR4不同，QSFP28-LR4是把4路25Gbps高速电信号通过光电信号转换，分别调制到一路物理光纤的四个不同波段，1310nm的单模光纤调制到1295nm/1300nm/1304nm/1309nm，每个波段传输25Gbps以太网数据，四个波段完成100Gbps以太网数据的远距离传输。由于工艺技术问题，目前100G单模光信号传输还无法像千兆或万兆单模块那样进行40KM乃至100KM的远距离传输，只能进行10KM以内的中远距离传输。

QSFP28-CWDM4光模块与QSFP28-LR4类型光模块有些相似，采用基本相同的工作原理，都是把4路25Gbps高速电信号通过光电信号转换分别调制到一路物理光纤的四个不同波段，只是QSFP28-CWDM4光模块把25Gbps转换为26Gbps光信号，以此增加前向纠错功能。单模光纤采用了与QSFP28-LR4不同的四个波段传输103bps数据传输，传输距离小于2KM。

QSFP28 PSM4封装光模块与QSFP28-SR4 100G光模块相似，也是由多对光纤组成的带状光缆来传输100G以太网数据，但在此基础上增加了数据传输纠错功能，为用户提供了另一种性价比比较好的光连接解决方案。

3.2 100G以太网接口实现方式

100G以太网接口的实现方式主要包括专用网卡接口芯片、100G以太网交换芯片、FPGA等。

目前XILINX支持100G接口的FPGA UltraScale+™，该FPGA集成有100G以太网IP。

Figure 2 xilinx FPGA 100G IP框图

如上图所示，此IP包括以太网MAC功能与PCS功能，系统用户侧提供LBUS接口总线，线路侧支持CAUI-10、CAUI-4、100GAUI-2、100GAUI-4，同时支持CAUI-10和CAUI-4的动态切换。该100G以太网IP支持的应用模式包括：(CAUI-10) 10x10.3125G, (CAUI-4) 4x25.78125G, (100GAUI-2) 2x53.125G, and (100GAUI-4) 4x26.5625G。

INTER FPGA的100G以太网接口解决方案主要有STRATIX10GX系列，INTER FPGA提供了免费的100G以太网MAC IP，不需要像XILINX还需要另外购买IP，为用户提供非常便捷的解决方式。

此40G/100G以太网MAC的用户侧为一套高带宽并行同步接口总线，线路侧可同时支持4x10.3125 Gbps的XLAUI，10x10.3125Gbps的CAUI，以及目前主流应用的4x25.78125 Gbps的 CAUI-4。

支持100G以太网接口的还包括盛科电子的CTC7132，该芯片做为高性能万兆以太网芯片的同时，还可做为一款100G以太网接入接口芯片。

CTC7132集成了24根12.5G SerDes和8根28GSerDes，可以提供400Gbps的核心交换带宽和440G的端口交换带宽。8根28GSerDes可提供两路100G接口的接入，同时，24根12.5G SerDes可为两路100G以太网数据接入提供线速无阻塞转发，基于CTC7132的100G接入解决方案是一套非常可行的全国产化100G接口解决方案。

另外，深圳楠菲微电子有限公司自主研发的100G/400G系列以太网智能网卡芯片PS1600也提供了可行的100G以太网接口解决方式。PS1600系列芯片是楠菲微电子结合以太网控制器技术和以太网交换技术设计研发的以太网智能网卡芯片，非常适用于高密度、高性能网络通信服务器，以太网接口可支持10/25/40/50/100/200/400GbE端口速率，同时支持PCIE4.0X16，带宽256Gbps的处理器接口。经过综合分析，PS1600也可做为100G以太网接口的解决方案。

4 100G以太网接口的应用案例

以下是一个100G以太网接口的应用案例，该应用案例为一款100G路由处理设备。100G以太网线速处理子卡负责100G以太网业务的接入与转发。内部支持100G线速处理能力的IP协议栈与流量管理与控制单元。

Figure 5 100G以太网线速处理子卡框图

实现100G以太网接口的FPGA选用Intel公司的Stratix10系列的GX2500。该FPGA具有250万逻辑单元，200Mb内部RAM，64对30Gbps的高速收发器，可以通过芯片自带的高速收发器实现多个100G以太网接口。

100G接口以太网测试仪选用国产网络测试仪XINERTEL BigTao6200搭配V2-100G测试模块。该网络测试仪可实现针对网络设备和网络系统的流量测试，提供2-3层以太网的协议仿真及性能测试，满足产品研发、实验、质量控制等过程中对测试的需求，提供全套专业的专业测试解决方案。V2-100G测试模块提供四个QSFP28接口，支持10/25/40/50/100G以太网接口。

Figure 6 100G接口测试原理图

100G以太网测试仪通过QSFP28-SR4光模块与MPO多模光纤分别连接100G以太网线速处理设备的两张线速处理子卡的100G以太网接口。测试数据包从XINERTEL BigTao6200的V2-100G测试卡接口一输出，进入100G以太网线速处理子卡，经过100G以太网接口与业务处理单元，通过背板交换至另一张100G以太网线速处理子卡，并通过100G以太网接口输出至XINERTEL BigTao6200的V2-100G测试卡的100G测试接口二。

测试案例分别对100G以太网接口的吞吐率与时延进行测试，吞吐率测试包长度覆盖64字节、128字节、256字节、512字节、1024字节、1280字节、1518字节。通过FPGA GX2500实现的100G以太网接口吞吐率与转发性能从64字节小包到1518字节大包，全部可实现100G线速性能转发，时延64字节小于6us，1518时延小于20us。

5结束语

经过对100G接口的架构、实现技术、应用案例的综合分析与研究，国内100G以太网接口的应用技术已经日趋成熟，同时，国产100G以太网接口的研发技术也与国际先进技术逐步同步，100G以太网接口的综合解决方案会更加丰富与先进。

参考文献

1. IEEE 802.3ba 40Gb/s and 100Gb/s Ethernet Task Force,IEEE P802.3ba?/D1.1[S/OL]. 2008. (2009-07-20) [2] IEEE 802.3ba 40Gb/s and 100Gb/s Ethernet Task Force, IEEE P802.3ba?/D2.1[S/OL].2009. (2009-05-29) [2008-12-12].

作者简介：杨宪伟（1978），男，汉族，大专学历，河南新乡人，工程师，研究方向：通信技术