5G中切片网络的核心技术FlexE

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、FlexE大体架构

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？其实就是将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。 

FlexE结构示意图

FlexE是OIF组织基于IEEE802.3/1制定的标准体系架构的扩展研究。如上图所示，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。

可以看出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。

如下图所示，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通用架构示意图

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。

三、FlexE具体是如何运转的？

FlexE采用了Clients/Group的架构，其中Clients为MAC层，Group为PHY层，FlexE层作为中转站，起到粘合剂的作用。

简单的说，向下对PHY层进行分割，化作资源池，向上将MAC层进行重新编码以适配PHY层，这就是FlexE Shim层所作的事情。

根据Ethernet的标准，MAC层和PHY层的关系就像是汽车的轮胎，他们必须保证以同样的速度转动，才能保证车辆正常运行。

而在FlexE的结构中，FlexE Shim层的存在，像一个百变的变速齿轮，通过该层调整齿轮的密度，达到了各种光传输速率能够与MAC互相适配，以此实现了PHY层和MAC层的解耦。

四、实现三大基本功能

1、捆绑

2、通道化

3、子速率

 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%。

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。 

用于创建IP网络切片实例的基础网络，及物理设备网络。具备灵活精细化的资源预留能力，支持将物理网络中的转发资源按照需要的颗粒划分为相互隔离的多份，分别提供给不同的网络切片使用，可以选择的资源隔离、预留技术包括：FlexE子接口、信道化子接口、Flex-channel等。 

如AB两台路由器，有400G的流量需要传输，按照目前的方式，有两种方式：400G接口互联，100G链路捆绑。

400G接口及模块价格昂贵且不常见，100G链路捆绑会造成带宽浪费（传统LAG技术会有最高30%的带宽浪费），而使用FlexE技术，可以完美的解决这个问题。

信道化

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。

 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。

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。

五、FlexE接口技术特点

 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。

 切的多：任意子速率分片，物理隔离，实现端到端硬管道，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。

FlexE技术不仅可以实现大带宽扩展，同时可以实现高速率接口精细化划分，实现不同低速率业务在不同的时隙中传输，相互之间物理隔离。 

融合FlexE子管道特性和物理层时隙交叉特性，承载网络上可以构建跨网元的端到端FlexE Tunnel刚性管道，中间节点无需解析业务报文，形成严格的物理层业务隔离。参见图2，NE1和NE4之间业务建立端到端FlexE Tunnel 1，中间节点NE2/NE3设备直接采用物理层交叉转发，形成从NE1到NE4的一跳直达硬通道。

 切的细：支持最小1G切片粒度。

六、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。

传统分组设备对于客户业务报文采用逐跳转发策略，网络中每个节点设备都需要对数据包进行MAC层和MPLS层解析，这种解析耗费大量时间，单设备转发时延高达数十微秒。

FlexE技术通过时隙交叉技术实现基于物理层的用户业务流转发，用户报文在网络中间节点无须解析，业务流转发过程近乎实时完成，实现单跳设备转发时延小于1µs，为承载超低时延业务奠定了基础。两种转发方式区分见图： 

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，够支撑未来的高带宽视频、VR、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。

（1）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。 

FlexE捆绑实现超大带宽接口

（2）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。

（3）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。

FlexE技术实现网络切片

5G的发展是一个技术创新的过程，其需求的多样性也对移动承载在带宽、时延、业务隔离、虚拟化等方面带来了诸多挑战，国内外各大设备厂家都在依托强大的研发实力，以及对5G技术和承载网发展趋势的深入理解，推出面向5G的承载的FlexE解决方案，迎接5G时代全新的发展机遇。

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