1.4 以太网技术及其在承载网领域的应用和发展

1.4.1 以太网的诞生、应用和发展

20世纪70年代，随着计算机技术的发展，人们越来越不满足于单机的应用，希望有一种技术可以将独立的计算机连接起来，这种技术就是局域网技术。计算机网络先驱罗伯特·梅特卡夫（Robert Metcalfe）在1973年发明了以太网技术，用于构建局域网，并于1980年9月30日发布了第一个通用的以太网标准。由于兼具高效、简明、标准开放、成本低廉等特点，以太网技术迅速取代了当时的令牌环网和ARCNET（Attached Resource Computer NETwork，附加资源计算机网络）技术，成为局域网的主流技术。最初的以太网采用同轴电缆来连接各个设备，并且通过半双工的、CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，带冲突检测的载波监听多路访问）技术规定了多个设备之间如何共享一个通道。随着以太网速率的提升，速率在10 Mbit/s以上的以太网采用全双工技术，而不再是共享介质的系统。同时，以太网的传输介质也逐渐丰富，铜线、电缆、光纤等材料都应用到了传输介质中。以太网发展到现在，成为满足万物智能连接的重要支柱，是目前标准化程度最高、互通性最好、应用范围最广的网络技术。图1-11示出了以太网发展历程中的关键事件，简述如下。

1973年，罗伯特·梅特卡夫在备忘录里面记录了他发明的网络系统，并将该技术用于连接一批计算机工作站。

1980年，DEC公司、英特尔公司和施乐公司组成的DIX联盟发布了第一个10 Mbit/s以太网标准。同年，IEEE召开代号为802的“局域网标准会议”，IEEE成立802工作组。

1983年，IEEE 802.3委员会基于DIX联盟发布的10 Mbit/s以太网标准，首次发布IEEE 802.3以太网技术标准。

20世纪80年代末期，随着双绞线传输介质的引入，以太网系统建设、管理和维护更加容易。IEEE 802.3顺应此趋势，于1990年发布了基于双绞线的以太网标准，极大地扩展了以太网的使用范围。同年，针对大量交换机在部署时产生冗余链路等的一系列问题，IEEE 802.1工作组发布了802.1D STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议），基本解决了各厂商设备在组网时容易产生环路等的问题。

1997年，IEEE 802.3发布了全双工以太网标准，使得两个设备可以基于全双工链路进行连接，实现数据收发同时进行，进一步增大了以太网数据吞吐量。

1998年，以太网速率实现翻倍，千兆以太网标准发布，在双绞线介质之外，引入了光纤作为传输介质。更高的速率使得以太网能够连接更高性能的服务器，匹配计算能力更强的计算机。随着802.1D的制定，基于以太网的大规模用户组网条件已经具备。IEEE 802.1发布了802.1Q VLAN协议作为802.1D的后续补充，支持使用虚拟网络标识区分大规模的用户小区和城市区域，解决了电信用户组网和城域网接入的IP限制问题。

2002年，IEEE 802.3发布了基于光纤的802.3ae-2002以太网标准，最高支持10 Gbit/s的速率。

2010年，IEEE 802.3发布了基于光纤和同轴电缆的802.3 ba-2010以太网标准，支持40 Gbit/s和100 Gbit/s的速率。

2016年，OIF（Optical Internetworking Forum，光互联论坛）发布了面向DCI（Data Center Interconnection，数据中心互联）场景的FlexE（Flexible Enthernet，灵活以太网）接口技术，通过对以太网物理端口进行时隙化处理，解决了数据中心互联链路聚合的问题。

2017年，IEEE 802.3发布了基于光纤和同轴电缆的802.3 bs-2017以太网标准，支持200 Gbit/s和400 Gbit/s的速率。

2017年，中国移动提出SPN，发布了在以太网PCS构建TDM层网络的架构设计和关键技术。

2020年，ITU-T SG15（Study Group 15，第15研究组）基于中国移动提出的SPN，发布了MTN系列标准，作为ITU推荐的5G承载网技术。

2021年，IEEE 802.3成立了Beyond 400 Gbps以太网研究组，标志着以太网向下一代高速率演进。

展望未来，以太网会向更高速率发展，主要体现在信号调制、单通道速率和信号收发器封装形式等方面。信号调制技术演进的方向是从NRZ（Non-Return-to-Zero，不归零）码到PAM4，再到相干调制方式。相应地，单通道速率会从25 Gbit/s向50 Gbit/s，再向100 Gbit/s逐步提升。在信号收发器封装形式方面，主要发展方向是继续降低RJ45（Registered Jack 45，RJ45接口）、SFP（Small Form-factor Pluggable，小型可插拔）接口、SFP-DD（Small Form-factor Pluggable Double Density，双密度小型可插拔）接口和QSFP（Quad Small Form-factor Pluggable，四通道小型可插拔）接口等封装接口的功率。信号收发器也在探索新的封装形式，从而实现多通道高速率以太网接口，例如Embedded Optics（嵌入式光学）接口和OSFP（Octal Small Form-factor Pluggable，八通道小型可插拔）接口。

除了追求更高的速率，以太网还将逐步完善不同传输介质、不同速率的传输接口标准，从而扩大以太网的应用范围。当前，以太网已经覆盖企业园区、运营商、家庭、用户终端、大型数据中心等领域。面向未来，通过新型的以太网接口与技术，以太网的应用会扩展到车载网络、工业生产制造网络、航空网络、交通网络和医疗网络等领域，进而构建更广泛的以太网生态系统。

1.4.2 以太网接口概述

以太网技术包含两大类，一类是以太网桥接（Ethernet Bridge），另一类是以太网接口。以太网桥接是通过以太网帧开销中的源MAC地址、目的MAC地址、以太网类型（Ethertype）、VLAN等域段，实现计算机组网以及数据在以太网交换机中的转发。以太网桥接主要对应协议栈中的MAC层、MAC层以上及网络层以下部分，主要在IEEE 802.1中实现标准化。例如1998年，IEEE 802.1Q项目中实现了VLAN的标准化，2005年，IEEE 802.1ad项目中实现了QinQ的标准化。以太网接口是通过一系列编码、调制技术，实现以太网帧在两台以太网设备之间发送和接收。以太网接口主要对应OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）模型的物理层，主要在IEEE 802.3中实现标准化。以太网在协议栈上将以太网桥接和以太网接口进行解耦，可以实现以太网桥接技术和以太网接口技术各自独立并行发展，互不影响。以太网桥接技术注重快速链接、简单配置和资源共享，一般采用存储转发机制转发以太网帧（Ethernet Frame）。而IEEE 802.3只考虑接口，未指定网络技术标准，从而在以太网接口上并没有考虑灵活组网的特性。

早期的以太网接口以双绞线和铜缆为主，传输距离短，数据传输的可靠性交由以太网桥接技术中的报文重传机制或者网络层的机制来保障。2000年以后，以太网接口的传输介质开始采用光纤，其后，以太网接口的可靠性设计要求大幅度提升[MTTFPA（Mean Time to False Packet Acceptance，错误报文平均接收时间）要求大于100亿年]，同时采用了大量的数据可靠性传输保障技术[包括66B编码、FEC（Forward Error Correction，前向纠错）和Error marking等]。由于以太网接口技术能够实现任意两个设备之间的可靠通信互连，其关键技术有着广泛的适用性，例如移动承载、数据中心、工业制造、车载网络和航空网络等。移动承载网领域以及城域网领域应用的以太网接口一般以高速以太网光接口为主，如50GBASE-R PHY、100GBASE-R PHY、200GBASE-R PHY和400GBASE-R PHY。

OSI模型是ISO（International Organization for Standardization，国际标准化组织）在ISO/IEC 7498-1标准中定义的一种概念模型。OSI模型为各种计算机在世界范围内互连提供了一种网络标准框架，为全世界所熟知。以太网技术对应OSI模型中的数据链路层和物理层。图1-12以100GBASE-R PHY为例，给出了OSI模型与以太网物理层协议栈之间的关系。100GBASE-R PHY包含MAC层、RS（Reconciliation Sublayer，协调子层）、PCS、FEC层、PMA（Physical Medium Attachment，物理媒介附属）层、PMD（Physical Medium Dependent，物理媒介依赖）层、AN（Auto-Negotiation，自协商）层和Medium（媒介）层。MAC层负责Ethernet MAC frame（以太网帧）的组装、检错、流量控制和重传，与具体物理层媒介无关。以100GBASE-R PHY为例，在100GBASE-R PHY的数据发送方向上，MAC层形成的数据帧由RS转换成一连串的8 bit的字符（character）序列，通过CGMII（Centum Gigabit Media Independent Interface，100吉比特媒体无关接口）发送给物理层；除此之外，RS还要额外为每一个CGMII的字符生成1 bit的控制信号，用以指示该字符携带的控制信息或者数据信息。物理层的PCS将CGMII的数据通过64B/66B变换转换成一连串66B码块的数据。串行的66B码块数据在PCS中需要经过扰码和多数据通道对齐的操作，然后经过PMA的适配，最终数据在PMD上被转换成NRZ码型，被调制成光信号后通过光纤传输。

注：LLC为Logical Link Control，逻辑链路控制。

数据接收过程与发送过程正好相反。数据信号从光纤上接收后，经过光信号解调，形成NRZ码，经过PMD/PMA处理，恢复成原来的66B码块数据，最后发送给CGMII接收，并还原出以太网帧。需要说明如下几点。第一，FEC不是所有以太网接口的必选功能。第二，对于100GBASE-R PHY中部分短距离传输的接口，采用铜线传输的接口，或者未来采用单通道100 Gbit/s速率的接口类型会使用FEC，此时需要先将4个66B码块转换成一个257B码块，并根据固定算法（如Reed-Solomon）添加固定长度的冗余信息比特，从而提高以太网接口链路信号传输的可靠性。第三，在实现高速以太网光接口的过程中，往往直接将Ethernet MAC frame转换成66B码块序列，而RS和CGMII只是为了延续以太网接口标准制定的习惯，仅仅逻辑上存在。

IEEE 802.3按照以太网接口的信号传输速率、传输距离、传输介质以及数据并行传输的路数，将以太网PHY分为多种类型。这些信息也都体现在以太网PHY不同类型的命名上[4]。例如，100GBASE-LR4 PHY的速率为100 Gbit/s，采用扰码后的64B/66B编码技术，总共包含4条链路，采用1310 nm波长且传输距离至少为10 km；100GBASE-ER4 PHY的速率为100 Gbit/s，采用扰码后的64B/66B编码技术，总共包含4条链路，采用1510 nm波长且传输距离至少为40 km。以100GBASE-R PHY为例，IEEE 802.3定义了11种类型的PHY，具体如表1-1所示。在100GBASE-R PHY中，移动承载网和城域网主要使用100GBASE-LR4和100GBASE-ER4两种类型。

在不同传输速率、不同传输介质或不同传输距离的情况下，以太网物理层协议栈的架构会有差异。图1-13给出了50GBASE-R PHY、100GBASE-R PHY和200G/400GBASE-R PHY这几种速率的以太网接口协议栈以及功能模块。50GBASE-R PHY、200GBASE-R PHY和400GBASE-R PHY中，FEC为必选功能。100GBASE-R PHY中，FEC为可选功能，只在中短距离或者采用铜线传输时会使用。需要说明的是，当100GBASE-R PHY或者50GBASE-R PHY携带FEC功能时，一旦误码超过FEC的纠错能力，在PHY FEC功能的数据接收方向上，会从所有66B码块中挑选出部分66B码块进行错误标记（将同步头强制设置为无效同步头）；而对于200GBASE-R PHY和400GBASE-R PHY，在PHY FEC功能的数据接收方向上，会对所有66B码块进行错误标记。

注：AM为Alignment Marker，对齐字符。

无论是50GBASE-R PHY、100GBASE-R PHY，还是200G/400GBASE-R PHY，PCS的66B码块是以太网贯穿整个高速以太网光接口系列的核心，被高速以太网所共享。而随着以太网产业规模和以太网接口应用范围的逐渐扩大，以66B码块为核心的以太网接口引领了光通信技术发展，以太网接口中用到的光通信技术被众多网络技术借鉴参考。因此，66B码块以太网内核成为网络技术创新、网络技术演进下一步的重点。以太网自2002年引入10 Gbit/s的接口以来，就一直使用66B编码方法，那么到底什么是66B码块？根据IEEE 802.3，50GBASE-R PHY、100GBASE-R PHY和200G/400GBASE-R PHY中使用的66B码块通用格式以及控制码块类型域段如图1-14所示，66B码块的通用格式包含同步头与净荷两部分，其中同步头占用前2 bit，净荷占用后64 bit。同步头起到区分码块类型以及标识码块起始位置的作用。当同步头为0b01时，66B码块为数据码块；当同步头为0b10时，66B码块为控制码块。同步头提供了2 bit汉明距离，增强了以太网接口编码的可靠性。对于控制码块，其净荷部分又可进一步划分为控制码块类型域段与非控制码块类型域段。控制码块类型域段总共占用8 bit，用于指示11种不同类型的控制码块。一共有五类控制码块，即起始码块、结束码块、O码块、错误码块和空闲码块。以太网接口的接收侧PCS，可以根据66B码块的同步头和控制码块类型域段，完成对66B码块同步头的识别和提取（数据码块及控制码块的净荷部分无法识别）。

66B码块格式与CGMII数据的对应关系如图1-15所示。

1.4.3 以太网在承载网领域的应用和发展

以太网的崛起使得客户侧设备逐渐以太网化，进而使得承载网的业务也逐渐以太网化。同时，以太网凭借其全球第一的市场份额以及巨大的产业链优势，影响了承载网物理接口技术的方方面面，包括信号收发器技术、SerDes（Serializer/Deserializer，串行器/解串器）技术、编码技术、转发技术、传输介质技术等。再者，以太网接口的高可靠性能够为承载网构筑高可靠的基础能力，满足承载网多业务差异化承载的需求，这也使得以太网在承载网领域得到广泛应用。以典型的点对点数字通信系统为例，一般的点对点数字通信系统包含信源、信宿、信源编码器、信源译码器、信道编码器、信道译码器、数字调制器、数字解调器以及信道（传输介质），如图1-16所示。

当前，以太网的点对点数字通信技术引领了整个光通信网络行业，其中涉及的关键技术包括以下几方面。

1. 信道编码技术

IEEE 802.3从2000年开始，为10 Gbit/s速率的以太网定义64B/66B的信道编码方法，将以太网帧（信源信息）编码为一串66 bit的码块，以太网后续定义的40GE、100GE、200GE、400GE、50GE等速率，都采用了这一信道编码技术。OTN、CPRI、FC（Fibre Channel，光纤通道）和IB（InfiniBand，无限带宽）等网络技术都利用或者借鉴了64B/66B的信道编码技术，从而使信道编、解码功能模块的生产可以复用以太网产业链，降低器件成本及获取难度。详细的64B/66B编码规则参见1.4.2节。

2. 纠错编码技术

信号在信道中传输会受到噪声的干扰，即使是在光纤或铜缆等有线介质中，随着传输距离与信号速率的增加，接收端接收到的信号也会产生严重的畸变，进而导致接收到的信息比特错误。一般采用BER（Bit Error Rate，误码率）表示通信系统的信息传输可靠性。为了提高系统的可靠性，通信中需要用到纠错编码技术。发送端在发送信息前主动添加一些冗余比特，接收端在发生比特错误时可以根据冗余比特发现错误并纠正，这就是纠错编码技术的基本做法。IEEE 802.3基于分组码技术，定义了RS-FEC（544，514）的FEC信道纠错编码技术，用于改善高速通信时的误码率。以太网标准的开放性和以太网技术良好的互操作性，让信道纠错编码技术成为传送网大容量设备背板连接的首选技术。例如，高性能计算机网络中的IB技术，在该技术的HDR（High Data Rate，高数据速率）中把RS-FEC（544，514）作为必选的纠错编码技术。RS-FEC（544，514）编解码原理框图如图1-17所示。

3. 调制技术

调制就是信号变换，也就是在发送端将传输的信号（模拟或者数字信号）转换成适合信道传输的高频信号。解调是调制的逆过程，也就是在接收端将已调制信号还原成原始信号。为了满足200 Gbit/s、400 Gbit/s等的高速以太网需求，IEEE 802.3率先定义了基于PAM4的数字信号调制技术。PAM4中使用4个电平来表示2 bit的4种逻辑组合（11、10、01和00）。PAM4与传统的NRZ码型对比如图1-18所示，PAM4在单位时间内传输的逻辑信息是NRZ的两倍。PAM4的技术难点在于激光器对功率的精准控制和DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）芯片设计。激光器功率如果控制不好，就会造成很高的误码率，发送端只能重新发送信号，影响信号传输效率。DSP需要在有限的芯片尺寸以及功率的前提下，实现电信号的时钟恢复、放大、均衡等功能。

PAM4与以太网光层25GE单通道技术结合，可实现单通道50 Gbit/s的数据速率、更高的频谱效率与更低的单比特传输成本，从而提升网络的传输速率。在基于PAM4的单通道50 Gbit/s基础上，通过多通道复用，可以进一步发展出100GE、200GE和400GE等高速以太网接口。而基于该调制技术的信号收发器也被其他网络技术广泛采用，例如ITU-T G.709.4为OTN定义了OTU25/50，其中也兼容、重用以太网所定义的PAM4调制技术及其相应的信号收发器。

4. 灵活以太网（FlexE）技术

随着数据中心建设的蓬勃发展，DCI的需求也日益增长。在数据中心出口路由器之间的距离超过80 km的场景中，DCI引入OTN以满足点到点的通信连接需求，具体场景如图1-19所示，两台数据中心出口路由器之间通过OTN承载，路由器和OTN设备之间通过以太网接口互联。

以太网接口速率的增长速度与OTN接口速率的增长速度不匹配，导致数据中心互联的流量缺乏有效的承载方式。如图1-20所示，从1995年到2020年，以太网接口速率以平均每7年约10倍的速度增长；根据ITU OTN标准，OTN的OTU（Optical Transport Unit，光传输单元）接口速率从2009年到2020年只增长了不到2倍。与此同时，路由器和交换机的NPU（Network Processing Unit，网络处理单元）处理能力的提升大大超过了OTN单波长传输容量的增长。谷歌等互联网公司看到了这一速率发展不匹配的问题之后，开发了FlexE技术，其设计目标就是解决数据中心点对点连接时接口速率扩展的问题。FlexE利用以太网PCS的66B编码技术对以太网接口进行时隙化处理，在传统以太网上进行轻量级TDM增强，将以太网接口与MAC层报文处理解耦，使得MAC层带宽摆脱单个以太网PHY通道带宽的限制，支持绑定、通道化和子速率的功能。FlexE的出现使得以太网接口在可靠性的基础上增强了灵活性。

图1-20 以太网、SDH和OTU接口速率的发展

虽然FlexE解决了DCI时链路高效聚合的问题，但是并没有在DCI领域得到大规模应用。这主要是由两个因素造成的。一方面，200GE、400GE甚至800GE、1.6TE等高速以太网物理接口的发展速度超过预期，使得MAC层带宽增长问题得到缓解，互联网厂商和数据中心厂商的注意力从解决链路聚合问题又回到了增加物理接口速率上。另一方面，受限于接口技术的定位，FlexE缺乏能满足网络要求的相应功能，例如缺乏数据交换、OAM、保护倒换等能力，这使得FlexE难以独自在其他场景中大规模应用。图1-21展示了FlexE技术大致的发展历程。

5. 城域传送网（MTN）技术

中国移动、信通院和华为等厂商面向5G移动承载场景进行了创新，提出了在以太网物理层协议栈中构建TDM层网络的核心思想和技术理念。从2018年到2020年，在中国厂商的推动和主导下，ITU发布了基于SPN的MTN系列标准。MTN构建了全新的传输接口、帧结构、TDM交换技术、高效OAM及保护技术，支持硬切片、确定性低时延转发，同时满足电信级网络要求。图1-22展示了SPN/MTN技术的发展脉络。