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40/100GE和10G高速以太网测试技术

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摘要　介绍了最新的40GE和100GE技术标准进展、相关术语、当前的测试重点，各种10G接口的技术，对10G全面的2~7层测试方法与实施，分析了测试PCS层的重要性与方法，总结了IXIA领先的测试解决方案。

1 引言

网络流量快速增长很快就突破了当前以太网传输速度标准的极限。随着宽带用户数量的增加、用户对高带宽需求业务的快速增长以及"实时在线"对网络计算和存储资源的要求，使互联网骨干网的带宽每年必须以75%~125%的速度增长才能满足多方面的要求。在这种背景下，高速以太网技术的研究与应用也越来越普遍。

本文根据当前业界技术的进展，介绍了40/100GE技术以及10G的测试技术，总结了美国IXIA公司当前业界第一个也是惟一的40/100G测试技术要点实现，分析了10G的2~7层测试方法。希望对关心相关技术的读者有所帮助。

2 40/100G测试技术

2.1 标准与业界进展情况

根据目前的说法，高速以太网（HSE，High Speed Ethernet）是专指40GE和100GE的以太网。2006年7月，IEEE 802.3成立了高速链路研究组（HSSG，Higher Speed Study Group）来定义标准的目标。2007年12月，HSSG正式转变为IEEE 802.3ba任务组，其任务是制订在光纤和铜缆上实现40Gbit/s和100Gbit/s数据速率的标准。2种速度主要针对服务器和网络方面不同的需求，100GE适用于聚合及核心网络应用，而40GE则适用于服务器和存储应用。下面是标准的主要进展情况与计划：

（1）2008年5月，选择出最适合的40/100G实现方案。其中，Cisco公司提出的物理编码子层（PCS，Physical Coding Sublayer）被批准为正式的草案。
（2）2008年9月，技术草案版本0.9确定并发布，大部分的技术内容和规范被确定，相应的产品开发计划可以更加确定地遵守标准进行。
（3）2008年11月，计划推出技术草案1.0版本。
（4）2010年6月，计划对40/100G实现标准化并发布。

目前，已经有超过20家相关公司明确表示并正在进行相关技术的研发。在欧洲，由主要电信设备制造商参与的CELTIC协会也发起了100GET计划，旨在推动100G技术的向前发展。

2.2 40/100G基本概念

在了解40G和100G测试之前，首先了解一下相关名词以及定义。这些名词术语对了解40/100G技术与测试非常关键。

（1）光传送网络（OTN，Optical Transport Network）：指能够和40/100G设备直接相连的光接口交换设备。
（2）40GBASE-R：IEEE 802.3标准中采用物理编码子层（PCS）技术，使用64/66B块编码方式在多个通道上实施的40G物理层设备。
（3）100GBASE-R：IEEE 802.3标准中采用物理编码子层（PCS）技术，使用64/66B块编码方式在多个通道上实施的100G物理层设备。
（4）虚通道（VL，Virtual Lane）：PCS分发编码的数据到多个逻辑的通道上，这些逻辑的通道就称为虚通道，因为在PMA接口上，一个或多个PCS通道可以被拆分或者承载在一个物理通道上。
（5）多通道分布（MLD，MultiLane Distribution）：管理通道分布的PCS机制，多通道分布是允许网络提供商将多个10GbE或速度更高的线路结合到一个逻辑上为100GbE或40GbE的链路中。目前，在一根铜缆或光纤上通常能够达到的最高以太网速率为10Gbit/s。MLD提供了一种将100Gbit/s流量"分为"多个"虚拟"线路的方式，其中每个线路都具有自身的校准标识。MLD是40/100G技术实现中的核心机制，也是在产品研发阶段测试的重点。

由于40/100G技术是在10/100/1000M，10G等速率以太网技术发展起来的，所以很多特性都是相同的。比如都使用802.3规范所定义的以太帧规范，和目前的802.3规范所定义的最大、最小帧相同，最大帧长为1518bit，最小为64bit。和10GE接口一样，仅支持全双工模式。支持光纤和电缆2种物理承载与数据传送方式等。

但是为了适应更高的数据传送效率，40/100G也做了很多改进与提高。其中一个要求就是在MAC/PLS业务接口上要小于或者等于10-12的误码率（BER）。

MAC数据速率要达到40Gbit/s和100Gbit/s。对相应物理层的规范见表1。接口类型的描述见表2

表1 传送距离规范

表2 40/100G接口类型

由于技术还在标准化进程中，40/100G接口模块还没有商用化的产品推出。MLD是实现40/100G的关键技术，所以在目前阶段，测试主要集中在PCS层。这也是100G以太网最独特的地方。图1是一个标准IEEE 802.3协议栈的示意。

图1 基本IEEE 802.3协议栈示意图

PCS层的主要功能包括：

（1）提供数据帧的描述（Frame Delineation）。
（2）控制信令的传送。
（3）提供SerDes类型的电和光接口所需要的时钟传送。
（4）通过剥离或者分离的方式将多个通道绑定到一起。

2.3 40/100G产品测试

和其他新技术一样，如何测试40/100G是一件有挑战的事情，虽然100G和其他速率接口的重要区别是在PCS层，但是完整的2~7层测试对100G来说同样重要。100GE和40GE链路和交换机、路由器和服务器直接相连接。所以，真实业务的流量性能测试是必不可少的。另外，100G接口也必须能够和其他低速率的接口一起配合进行测试。在目前阶段，根据IXIA的经验，首要进行的测试点集中在PCS层，主要考虑的测试点包括：

（1）64/66bit同步位锁定

每个接收侧的虚通道必须根据控制bits正确识别64/66bit块，接收侧能够根据规范对相应的bit位进行锁定。为了评估和标准的一致性，各种bit位在标准的规定下必须由测试仪表产生，这样被测试的接收端口就可以根据需要加入错误的同步位bits或者错序检测，并可以得到监测和分析，在测试过程中，可以对错误的同步bits位实时计数与统计。

（2）虚通道对齐标示锁定

每一个虚通道必须正确锁定对齐标示，这和用于64/66bit同步位锁定的技术类似。但是除了基本的对齐标示锁定之外，还要对一些限制条件进行验证。比如，如果标准要求经过n个连续的非错误对齐标示锁定，那么测试必须保证对任意对齐标示位进行锁定。相反，如果虚通道锁定经过m个连续的错误对齐标示位丢失，那么测试必须保证能够锁定相应的错误对齐标示。这就要求测试仪表能够对相应的错误信息进行计数与统计。

（3）位偏斜误差和补偿

各种电信号或者光信号的位偏斜都会引起接收侧的虚通道到达的数据时间上有所不同，虚通道对齐标示用于接收侧的虚通道自己的识别和重新对齐。为了测试位偏斜误差和补偿算法，测试仪表必须能够在虚通道中产生所需要的或者特定数量的位偏斜。接收侧的PCS层能够补偿标准规定的位偏斜。另外，测试仪表也能够测试准确的位偏斜容忍度并实时显示。

（4）发送侧流量到接收侧的虚通道随机映射

根据标准的定义，在发送侧，数据在特定虚通道的数据传输可以映射到接收侧任意的光纤线路上，如图2所示，红色的线标示了数据可能传送的路径。虚通道的数量不需要和实际物理通道的数量一样，但一定要保证特定虚通道上发送的数据能够在接收侧正确汇聚到一起，这就要求接收端口能够在100G速率下重新组合与排序任意虚通道的映射。测试仪表能够仿真不同的虚通道组合场景对该特性进行测试。图3是采用MLD多虚拟通道映射机制的示意。