CN101192900B - 用于电信级以太网的应用前向纠错机制的通信方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电信级以太网的应用前向纠错机制的通信方法和设备，该以太网包括以太网端口，该以太网端口包括介质访问控制MAC层、前向纠错逻辑子层、以及物理PHY层，所述方法包含以下步骤：A：当通过以太网发送时，发送侧实体从本端MAC层接收以太网数据包，对该以太网数据包进行FEC编码，再将编码后的数据包发送到PHY层；B：当通过以太网接收时，接收侧实体从本端PHY层接收所述编码后的以太网数据包，对所述编码后的以太网数据包进行FEC解码，再将解码后的数据包送交MAC层。本发明达到改善物理信道的传输性能并以最小的开销获取满足应用需要的传送性能的目的，同时本发明确保能与不带FEC机制的普通以太网端口互通互联，实现本发明的后向兼容性。

Description

用于电信级以太网的应用前向纠错机制的通信方法和设备

技术领域

本发明涉及在电信级以太网上传送信息的通信方法，特别是涉及在电信级以太网上实现改善物理信道性能的FEC(Forward Error Correction，前向纠错，下同)方法。

背景技术

1.以太网技术。

以太网的诞生到现在，其发展历史是短暂的，但其发展势头却是异常迅猛的。

1973年，Xerox公司PaloAlto研究中心的两位研究人员，RobertMetcalfe和DavidBoggs，为了连接实验室的多个计算机设备，开发出了一种网络技术。这种技术的时钟取自于Alto的系统时钟，最初的数据传输速率为2.94Mbps。Meltacafe将这项技术命名为“以太网”。

1980年，Digital公司、Intel公司以及Xerox公司联合提出了10Mpbs以太网标准。

1992年，Grand Junction公司提出了100Mbps(bps＝bit per second)以太网结构。

1998年，千兆以太网标准问世。

2002年，万兆以太网标准草案被提出。

目前，100Gbps标准也已在发展中。

从1973年到2006年，以太网仅有三十多年的历史。

以太网发展的一个重要里程碑是“光以太网”的诞生。光以太网是指采用光纤作为传输媒体，把以太网技术扩展到局域网之外进入城域网(MAN)和广域网(WAN)的技术。由于光以太网技术的进展，使得最普通和最标准的LAN(局域网)技术可望迅速成为最普通和最标准的WAN技术。

目前，所有200M以上的以太网都已用到了光技术。

城域网中的光以太网是最近才发展起来的。以太网MAN具有简单、容易实现和成本低等优点。只要在大部分的城市地区建立起以太网，通过用很少的几条光纤线路连接地理位置相邻城市的MAN，就完全能用以太网的方式建立地区性网络。

随着万兆以太网接口技术的成熟，广域网以太网传输在长距离网络中也将取得突破。

光以太网的核心是利用光纤的巨大带宽资源和以太网的成熟与易用为运营商建造新一代的宽带城域网，满足市场对带宽的巨大需求。

以太网发展的另一重要里程碑是“10G以太网技术“的应用，10G以太网技术是一种高速以太网技术，这种以太网采用IEEE802.3以太网媒体访问控制(MAC)协议、帧格式和帧长度。10G以太网同快速以太网和千兆以太网一样，是全双工的，它本身没有距离限制。它的优点是减少网络的复杂性，兼容现有的局域网技术并将其扩展到广域网，同时有望降低25％的系统费用，并提供更快、更新的数据业务。

10G以太网可作为局域网也可作为广域网使用，而这两者之间工作环境不同，对于各项指标的要求存在许多差异。针对这种情况，人们制订了两种不同的物理介质标准。这两种物理层的共同点是共用一个MAC层，仅支持全双工，省略了CSMA/CD策略，采用光纤作为物理介质。10G局域以太网物理层的特点是支持802.3MAC全双工工作方式，允许以太网复用设备同时携带10路1G信号。帧格式与以太网的帧格式一致，工作速率为10Gbps。10G局域网可用最小的代价升级现有的局域网，并与10/100/1000Mbps兼容，使局域网的网络范围可达到几十千米。10G广域网物理层的特点是采用OC-192c帧格式在线路上传输，传输速率为9.58464Gbps，所以10G广域以太网MAC层必须有速率匹配功能。当物理介质采用单模光纤时，传输距离可达300km；采用多模光纤时，传输距离可达40km。

以太网技术一直被当作一种接入技术来使用，而10G以太网有希望成为最简单、最快速以及最高性价比的骨干网络技术。这也是10G以太网技术不同于以往的以太网技术的一个突破性的进展。随着局域网、广域网和城域网的界限越来越模糊，网络的统一成了大势所趋。在不需大量网管的情况下，如何简单、经济地将各个网络连接是一个急需解决的问题。而10G以太网技术可望解决这种问题，其较大的带宽使之可以构建园区骨干网或企业数据中心。从经济角度讲，10G以太网技术在较低的开销下提供了较高的带宽，并实现了各种网络的无缝连接。

总之，在以太网发展历程中，以太网的应用范围逐步从局域网发展到城域网和广域网。传输媒体不仅可以是铜线，还可以是光纤。传输距离已从一百多米延伸到几公里，再到几十公里甚至更远，以太网的传输速度从最初的10Mbps逐步扩展到100Mbps、1GMbps、10Gbps，甚而到100Gbps。以太网的价格也跟随摩尔定律以及规模经济而迅速下降。同时，随着用户迅速膨胀到数以亿计，网络的价值越发无可估量。如今，以太网已经成为局域网(LAN)中的主导网络技术，在城域网(MAN)中也占有十分重要的地位。而10Gbps和100Gbps以太网已经和继续在广域网中发挥越来越重要的作用。

以太网的发展是迅猛的，生命力是旺盛的，机遇与挑战并存。强势发展也对以太网提出更高的要求。

2.电信级以太网。

电信级以太网的出现也是以太网发展的重要里程碑。标志着以太网技术将提高到一个全新的应用层面。电信级以太网也提出了更高的要求。

与传统以太网相比，电信级以太网有下列五个特性。

(1)提供可靠的业务保护摸式

需要做到50ms保护倒换，需要提供端到端的路径保护，需要实现线路和节点保护。

(2)可扩展性

需要做到服务的可扩展性，也需要实现带宽的可扩展性。

(3)对TDM的支持

需要做到无缝的迁移TDM，实现电路仿真业务，需要支持现有的语音应用。

在电路仿真业务中，不仅需要T1、E1、T3、E3等PDH业务，而且需要仿真STS-1、STS-3、STS-3C、STS-12以及STS-12C等SDH业务。

而这些TDM业务对信道误码率、丢包率等指标有严格的要求。

(4)高QOS

需要做到端到端的SLA保证，需要实现端到端的承诺速率和可用速率。

(5)OAM能力

需要实现网络业务管理，具备运营级以太网的OAM能力。

OAM(Operation，Administration and management)的强化是电信级以太

网的重要特性。

ITU-T Y.1731对以太网的OAM有比较详细的定义，对故障管理和性能管理有较详细的定义。

故障管理主要有下列的内容：

(1)以太网连续性检查(ETH-CC)。

(2)以太网环回(ETH-LB)。

(3)以太网链路跟踪(ETH-LT)。

(4)以太网警告指示信号(ETH-AIS)。

(5)以太网远端缺陷指示(ETH-RDI)。

(6)以太网锁定信号(ETH-LCK)。

(7)以太网测试信号(ETH-Test)。

(8)以太网自动保护倒换(ETH-APS)。

(9)以太网维护通讯通道(ETH-MCC)。

(10)以太网实验用的OAM(ETH-EXP)。

(11)以太网设备制造商专用的OAM(ETH-VSP)。

性能管理主要有以下内容：

(1)帧丢失测量(ETH-LM)。

(2)帧延时测量(ETH-DM)。

(3)吞吐量测量。

(4)以太网可用时间/不可用时间。

显然，以太网不可能使用专门的通道传送OAM信息，因此以太网OAM实质是带内OAM。同时，以太网也不会象SDH技术一样在帧内嵌入OAM控制信令。实质上，以太网的OAM信息只能以以太网数据包的形式传递。

OAM包传送的丢失和出错，会影响以太网的运营管理，甚至引起网络重大故障，因此OAM包的传送对以太网物理信道提出了更高的要求。

同时，电信级以太网的横空出世将使以太网技术进入新的应用阶段，也对以太网的发展提出了更高的要求，需要综合其它各项技术使以太网更完善、更可靠。

3.物理光信道误码。

一般来说，在光纤上传输信息比在铜线上传输信息，受外界干扰的影响更小。

但基于光纤的通信，传输距离一般很长，通信速率一般很高，对信道的要求更高。光纤传输系统常常存在不同程度的误码，其原因主要来自以下几个方面：

(1)各种噪声源

接收端光电检测器的散弹噪声、雪崩光电二极管的雪崩倍增噪声以及放大器的热噪声都是光纤系统的基本噪声源。这些噪声源影响的结果都是使接收信噪比降低，最终产生误码。

(2)色散引起的码间干扰

由于光纤的色散使得传输的光脉冲展宽，其能量扩展到邻近脉冲产生干扰。当这种干扰较大时会使接收端在产生误码。

(3)定位抖动产生的误码

光纤系统中带有抖动的数字流与恢复的定时信号之间存在着动态的相位差，称为定位抖动，这会造成接收端有效判决点偏离眼图中心，直至产生误码。

此外，外部电磁干扰、静态放电、设备故障、电源瞬态干扰和人为因素也会引起系统的误码。

ITU-T G.826对27500km(最坏情况)全程端到端通道误码性能的规定如下表所示。要求所有一次群或高于一次群的国际数字信道都满足这些指标值。只要有任一误码性能参数不满足要求，就认为通道没有满足误码性能要求。

ITU-T G.821给定：严重误码秒(SES)以误码率(BER)＝10^-3为门限，与速率基本无关。

这些标准认可光物理信道存在误码的特性。但对门限作了比较详细的规定。

4.FEC技术

FEC是一种纠错编码技术，在光通信中有广泛的应用，它最初的应用场合主要有：当系统受影响时，使系统能在一定程度内继续使用而不影响客户的业务；继续使用性能已经劣化的光纤线路，延长光通信系统的使用寿命；提高系统的可用率，扩大SDH系统和其它光系统的中继距离，减少光系统需要的中继段数，降低整个系统的代价。

FEC的基本原理：对于要传输k比特的信息位数据，根据某种编码方法对其编码，生成n(n＞k)比特的数据，将k比特的信息位数据和生成的n-k比特的冗余位一起发送，接收方可以利用冗余位恢复传输中丢失的信息位数据；接收方将接收到的k′(k′≥k)比特的数据，运用相应译码方法恢复k比特的信息位数据。

FEC技术的另外一种表述为：信号在被送入传输信道之前预先按一定的算法进行编码处理，加入带有信号本身特征的冗余码，在接收端按照相应算法对接收到的信号进行解码，从而找出在传输过程中产生的误码并将其纠正的技术。FEC技术可以有效地延长光信号的传输距离，提高通信系统的传送性能。

ITU-T G.709将Reed-Solomon(255，239)算法规定为标准的带外纠错算法，同时确定了前向纠错技术传输的帧结构，这种标准的前向纠错算法使用了大概7％的纠错冗余码。超强前向纠错，对标准前向纠错的Reed-Solomon(255，239)算法做了改进，采用了具有更加强大纠错能力的前向纠错编解码方式。由于现在没有统一的标准，各个厂家采用超强前向纠错的算法各不相同。

普通FEC可以获得5～6dB的净编码增益，两种超强FEC可以获得的编码增益相当，可获得7～9dB的净编码增益。

5.以太网纠错技术现状

相对于传统以太网来说。以太网物理信道已发生巨大变化，以太网在很多情况下在长距离光纤上传送，速率达到10G甚至更高。这要求传输以太网的光信道具备更好的性能，同时电信级以太网的出现也对以太网物理信道提出更高的要求。

在光纤上传送的SDH技术已加入信道误码的机制，在同样的光信道上传输的以太网也必然面临信道误码带来的挑战。

标准以太网利用CRC32检错，如发现数据包错误，则丢弃错误数据包。

IEEE802.u，IEEE802.z等以太网标准没有阐述有关FEC的内容。

IEEE802.ae也仅仅提到物理层利用10B/8B编码来实现FEC的思路。但都没有说明在帧结构上解决FEC问题的方法，更没有涉及具体实现。

6.以太网现有纠错技术的不足。

依据数学分析可以得出(数据可参见图8中的表格，该表格揭示丢包率和数据包长、信道物理误码率的关系)，当信道误码率高于5*10^-4时，大于1280字节的以太网数据包正确传输的概率接近于0，除非特殊应用，以太网设备将丢弃这些出错数据包，这样，以大网物理信道的利用率几乎为0。在这种情况下，包括OAM包在内的以太网数据包全部丢失，后果可想而知。

百兆以太网、千兆以太网根本没有涉及纠错技术，10G以太网也仅有单字节纠错的提议。

现有以太网没有考虑到以数据包为纠错对象和单位的纠错技术和方法，更不存在根据物理信道当前状况调整纠错策略的方法。

当前基本没有具有FEC机制的以太网产品在实际工程中应用。

发明内容

采用FEC技术可以解决信道误码带来的数据丢失问题，提高以太网对物理信道的适应能力。

图3是表示采用FEC机制的物理信道误码率与没有FEC机制的物理信道误码率的关系，横轴表示没有FEC机制的物理信道误码率，纵轴表示采用FEC机制后的物理信道误码率，图3中的16条曲线分别表示R-S(64，k)编码改善后的误码率和原误码率的关系。从右到左分别为k＝4，k＝8...k＝60等等。

从图3可得到：在信道实际误码率在10^-4量级，采用Reed-Solomon(64，K)编码实现FEC，当K＝44时，可以使性能表现提高到10^-20量级。在这种情况下，1500字节的数据包出错的概率仅在10^-16量级。

在以太网传输距离越来越远，速率等级越来越高的情况下，现有以太网物理信道不可避免的会产生误码，现有以太网技术没有纠错机制。两者之间的矛盾越来越突出。

本发明致力于解决这个矛盾。在采用FEC机制的情况下，即使在现有光信道具有较高的误码率的情况下，仍能有良好的传送性能。

本发明提出了一种用于电信级以太网的应用前向纠错机制的通信方法及其设备，其采用FEC机制改善以太网传输信道的性能，以以太网数据包为纠错单位，尽最大可能保证以太网数据包的正确性；同时，根据以太网物理信道的当前性能情况调整FEC机制，尽可能的减少FEC机制带来的额外开销，力争以较小的开销获得很高的性能改善。

本发明提供了一种用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，该以太网包括以太网端口，所述以太网端口包括介质访问控制MAC层、前向纠错逻辑子层、以及物理PHY层，所述方法包含以下步骤：当通过以太网发送时，发送侧实体从本端MAC层接收以太网数据包，对该以太网数据包进行FEC编码，再将编码后的数据包发送到PHY层；当通过以太网接收时，接收侧实体从本端PHY层接收所述编码后的以太网数据包，对所述编码后的以太网数据包进行FEC解码，再将解码后的数据包送交MAC层，其中，根据所述以太网的物理信道的性能情况动态地调整所述FEC机制，并且其中，编码后的数据包包括：所述以太网数据包、所述以太网数据包的FEC码、表示所述以太网数据包的长度的字段、表示所述FEC机制的配置信息和在接收侧测量的物理信道性能的字段、表示所述FEC码的长度的字段、以及所述以太网数据包的控制信息的FEC码、其中所述以太网数据包的FEC码包括通过划分所述以太网数据包所得到的各个数据节中的每个数据节的FEC码。

本发明主要包含以下内容：

A.从以太网端口发送数据包时，发送实体在发送侧从MAC层接收以太网数据包。

如果远端以太网端口(与本端以太网直接连接)反馈的以太网物理信道性能信息表明能够完成FEC机制，则按照以太网数据包的内容生成冗余码，，并将冗余码与数据包组合在一起形成一个新的数据包，再将数据包发送到本端PHY层。

如果远端以太网端口(与本端以太网相连接)反馈的以太网物理信道性能信息不具备FEC机制处理能力，则跳过纠错逻辑子层，直接将数据包传递到本端PHY层。

B.从以太网端口接收数据包时，接收实体在接收侧从PHY层接收包含冗余码的以太网数据包。

如果数据包是带FEC机制的数据包，则剥掉冗余码，检查数据包是否包含有误码，并利用冗余码纠正数据包包含的误码，再将正确的数据包送交本端MAC层。

如果数据包是不带FEC机制的普通数据包，则直接将数据包送交MAC层。

本发明对应的物理信道传输介质主要有两种，光纤和铜线。

铜缆一般用于接入层，接入层的应用环境具有多样性，也较为复杂，物理信道也易于受外界影响。同时，接入层实际使用的带宽常常小于物理信道的额定带宽，因此可以方便的使用剩余带宽实现FEC机制。

而光以太网传输的距离早以突破局域网的限制，能够达到80公里甚至更远，信道出现较高误码的几率更大。也不可能采用更换的办法。因此光纤信道更需要FEC机制。

本发明的以太网的物理信道传输速率为10M(电接口)、100M(电接口和光接口)、1000M(电接口和光接口)、10G(光接口)以及100G(光接口)。

以太网的MAC层采用IEEE802.3协议，纠错子层则以IEEE 802.3帧结构为模板，同时扩充了FEC的内容。重新定义一些字段，以便加入FEC冗余码和一些控制信息字段，并依据这些冗余码和控制信息字段来实现FEC机制。

采用本发明技术的本端以太网端口需要确定与之相联的远端以太网端口的类型：是对等的具有FEC机制的以太网端口(简称FEC以太网端口)还是普通以太网端口。

如果判断远端是普通以太网端口，则将本端设置成普通以太网工作模式，这样，本发明中具有FEC机制的以太网端口可以与普通以太网端口互通互连，确保后向兼容性。

如果判断远端是FEC以太网端口，则从以太网端口发送数据包时，还包括以下内容：

(1)将以太网数据包从逻辑上划分成长度为32字节的数据节，每个数据节使用编码器独立生成相应的纠错码，并且全部纠错码位于IEEE802.3帧结构中CRC32字段的后面，按数据节1的FEC码、数据节2的FEC码...数据节n的FEC码，顺序存放。

(2)生成纠错码时，采用Reed-Solomon(n，k)(以下用R-S(n，k)表示)编码，其中k值等于上述数据节的长度，一般为32，n的取值则有k+2，k+4，k+8，k+16，k+24，k+32等6个选项，可以根据远端端口反馈的以太网物理信道的实际性能情况来调整n的取值，目的是在达到预期的性能目标的前提下，尽可能减少FEC带来的开销。并且以太网数据包中应显示包含n    的取值信息。

(3)生成纠错码时，n的取值由远端端口反馈回来的物理信道的性能情况结合设计目标确定决定。设计目标有两类：吞吐量优先和正确率优先。

吞吐量优先的要求是，在物理信道带宽和误包率确定的情况下，选择适当的FEC机制，使得在单位时间内能在物理信道上正确传送的以太网数据包个数尽可能大。

正确率优先的要求是，在物理信道带宽和误包率确定的情况下，选择适当的FEC机制，使得能在物理信道上正确传送的以太网数据包与传送的数据包总数的比值尽可能大。

(4)帧结构里包含的控制信息非常重要，因此更需保证其传输正确性，因此控制信息字段需要独立的FEC机制确保可靠性。

如控制信息长度为l，则本发明采用的控制信息字段纠错码采用R-S(2l，1)生成。本发明的1值为4。

(5)使用FPGA实现编码逻辑，分别对每一个长度为32的数据节生成FEC冗余码，并将FEC冗余码加上一些控制信息及控制信息的FEC码合并到普通以太网帧形成新的数据包。

(6)新的数据包控制信息字段应能表示得到的物理信道的性能情况描还。

如果判断远端是FEC以太网端口，则从以太网端口接收数据包时，还包括以下内容：

(1)应有错误字节计数和错误包计数，总字节计数和总包计数的功能，以便估算物理信道的当前性能。物理信道的性能可用误字节率或误包率来表示。

误字节率＝错误字节数/总字节数*100％，

误包率＝错误包数/总包数*100％

(2)从收到的数据包中检查标志，确定数据包里是否具有FEC机制。如存在FEC机制，则剥掉FEC冗余码，并将冗余码缓存起来。如数据包无FEC标志，则不进行任何操作。

(3)使用FPGA实现解码逻辑。如果数据包包含FEC机制，则检查数据包有无错误。如果存在错误，则依据数据和冗余码，利用解码逻辑纠正发现的错误。

(4)提取数据包中的表示物理信道当前性能的信息，以确定新的n值(采用R-S(n，k)编码时使用)。

附图说明

图1是本发明具有FEC机制的协议帧结构。

图2是具有FEC机制的以太网端口的功能结构。

图3表示采用R-S(64，k)编码后物理信道性能与裸信道(无FEC机制)的关系。

图4表示接收数据包时的鉴别功能。

图5表示发送和编码功能。

图6表示接收和解码功能。

图7是本发明的评估测试使用的设备和拓扑的示意图。

图8表示以太网数据包通过率与信道误码率的关系。

图9表示以太网物理信道误码、数据包长度以及丢包率三者之间的关系。

图10表示在现有物理信道出现相应丢包率的情况下，采用FEC码得到的实际信道丢包率。

图11表示应用FEC机制后对信道带宽利用率的影响。

具体实施方式

本发明的核心内容用现场可编程门阵列(FPGA)实现，并在发明的设备中应用。

本发明采用FEC机制改善以太网物理信道的性能，其在以太网PHY层与MAC层之间，设置前向纠错逻辑子层，依靠FEC机制将物理信道PHY层造成的误码纠正后送交MAC层处理。

本发明提出了一种新的帧结构，前向纠错逻辑子层使用这个帧结构，如图1所示。图1是本发明的前向纠错逻辑子层使用的帧结构。

101表示本发明的帧结构中包含的原以太网数据包(IEEE802.3协议帧，相当于新帧结构的净负荷)的长度。

102表示本发明的FEC机制的配置信息(N值)以及远端测量的物理信道性能。

103表示协议帧中FEC码的长度。

104表示协议帧中控制信息的FEC码。

105表示原以太网数据包的FEC码，将原以太网数据包按照特定规则划分成数据节，每个数据节一块FEC码。

106表示原以太网数据包。

图2表示本发明的主要功能结构。

201是MAC层。

202是本发明所述FEC机制所处的逻辑层次。

203则是FEC逻辑子层与PHY层的接口。

204和205是PHY层。

206是光接口(光纤)或电接口(铜线)。

实现本发明需要完成以下几个方面的主要工作：

1.确定编码规则。

2.确定采用的帧结构。

3.定义FEC控制包。

4.编码、FEC帧生成及发送。

5.接收、解码和以太网帧生成。

6.远端以太网端口类型鉴别。

7.性能测试和分析等等。

以下是个部分工作的详细说明。

1.确定编码规则。

这里采用R-S(n，k)编码体系。

由理论分析可知，采用R-S(n，k)编码，海明(Hamming)距离为d_min＝n-k+1

则可以纠正的错误数至多为t个错误(每个错误指的是一个字节错误，即使是该字节内8位全错，也算是一个错误)：

本发明的生成多项式采用：

G(x)＝x⁸+x⁴+x³+x²+1

本发明将数据包按32字节来划分成若干数据节，每个数据节具有独立的纠错码。

大多数情况下上述k的取值确定为32。

之所以确定为32，首先因为以太网的最短包为64，所以k不能大于64，在处理短包时效率比较低。第二，设置成32字节，数据包划分成数据节也较方便。普通以太网(非JAMBO帧)最长包(为1518字节)可有48个数据节，最短包(64)字节则有2个数据节。此外设置成32还可以减少冗余码计算时间。

n则有k+2，k+4，k+8，k+16，k+24，k+32等六个可选项。

生成纠错码时，n的取值由远端反馈回来的物理信道的性能状况决定。

生成纠错码时，n的取值由远端端口反馈回来的物理信道的性能情况结合设计目标确定决定。设计目标有两类：吞吐量优先和正确率优先。吞吐量优先的要求是，在物理信道带宽和误包率确定的情况下，选择适当的FEC机制，使得在单位时间内能在物理信道上正确传送的以太网数据包个数尽可能大。正确率优先的要求是，在物理信道带宽和误包率确定的情况下，选择适当的FEC机制，使得能在物理信道上正确传送的以太网数据包与传送的数据包总数的比值尽可能大。

但最后一个数据节很可能不足32字节，需要特别的处理，一般有两种方法：

1)假填充法，意思是，编码解码时仍然把最后一个数据节当成32字节处理，不足部分以全0或全1填充，以此生成本数据节的纠错码。但填充部分并不属于以太网数据包的一部分，也不会从以太网端口发送出去。

2)独立编码法，以最后一个数据节的长度l作为本次编码解码使用的k值，同时根据这个k值的情况确定本次编码解码使用的n值，l＜n＜2l。

本发明为简化设计，采用较简单的处理方法---假填充法。

2.确定采用的帧结构。

下表是IEEE802.3的MAC层帧结构描述，本发明采用的帧结构基本以这种帧结构作为模板。

本发明采用的帧结构如图1所示。

图1所示帧结构的第1行对应原IEEE802.3协议帧，也可看作本发明协议帧的净载荷。

数据包FEC码的长度是(n-k)*I字节，以L表示IEEE802.3的帧结构中从目的MAC地址开始的帧长度，则：

图1所示帧结构的第2行表示FEC码，其中每一列的长度是n-k字节，而列数I是随着原以太网数据包的长度变化的，I的具体值由上述公式确定。将以太网数据包从逻辑上划分成长度为32字节的数据节，每个数据节使用编码器独立生成相应的纠错码，并且全部纠错码位于IEEE802.3帧结构中CRC32字段的后面，按数据节1的FEC码、数据节2的FEC码...数据节n的FEC码，顺序存放。

以太网的MAC层采用IEEE802.3协议，纠错子层则以IEEE 802.3帧结构为模板，同时扩充了FEC的内容。重新定义一些字段，以便加入FEC冗余码和一些控制信息字段，并依据这些冗余码和控制信息字段来实现FEC机制。

图1所示帧结构的第3行各列的具体定义如下：

“原MAC层帧长度”字段的值等于L。用于确定数据包中纯信息域(即FEC处理前的IEEE802.3帧)长度。

n值由“N值&信道性能表示”字段的高半字节表示，共四位，有16个取值，本发明只用了7个值，其它值保留。

0---表示无FEC码，但有控制信息，以传送信道性能信息；

1---n＝k+2＝34；

2---n＝k+4＝36；

3---n＝k+8＝40；

4---n＝k+16＝48；

5---n＝k+24＝56；

6---n＝k+32＝64。

信道性能由“N值&信道性能表示”字段的低半字节表示，表示从远端以太网端口到本地以太网端口的信道单向性能，由本地以太网端口检测远端以太网端口发送的数据包，通过计算得到，用来表示误包率或误字节率。

应有错误字节计数和错误包计数，总字节计数和总包计数的功能，以便估算物理信道的当前性能。物理信道的性能可用误字节率或误包率来表示。

误字节率＝错误字节数/总字节数*100％，

误包率＝错误包数/总包数*100％

本发明具体实施时使用误包率作为性能表示指标。共有16个取值，分别定义如下：

0----当前信道误包率为0-10^-7。

1----当前信道误包率为10^-7-10^-4。

2----当前信道误包率为10^-4-10^-2。

3----当前信道误包率为1％-5％。

4----当前信道误包率为5％-10％。

5----当前信道误包率为10％-％15％。

6----当前信道误包率为15％-20％。

7----当前信道误包率为20％-25％。

8----当前信道误包率为25％-30％。

9----当前信道误包率为30％-40％。

10----当前信道误包率为40％-50％。

11----当前信道误包率为50％-60％。

12----当前信道误包率为60％-70％。

13----当前信道误包率为70％-80％。

14----当前信道误包率为80％-90％。

15----当前信道误包率为90％-100％。

“原以太网数据包划分的数据节数”字段表示：等于原IEEE 802.3帧划分成的数据节数，也就是前述的I。设置这样一个字段结合前面的“原MAC层帧长度”可以更准确的判断数据包的类型，也方便计算整个数据包的长度等信息。

“控制信息FEC码”字段的长度为4字节，其目的为控制信息纠错。控制信息包含“原MAC层帧长度”、“n值&信道性能表示”、“原以太网数据包划分的数据节数”等等。帧结构里包含的控制信息非常重要，因此更需保证其传输正确性，因此控制信息字段需要独立的FEC机制确保可靠性。如控制信息长度为1，则本发明采用的控制信息字段纠错码采用R-S(2l，1)生成。本发明的l值为4。

采用FEC机制后，由于有反馈调节机制，则实际传输的数据包有两种：携带FEC信息的数据包(以下简称FEC包)和不携带FEC信息的纯IEEE802.3数据包(以下简称非FEC包)，系统鉴别这两种数据包的过程如图4所示，以下是该过程的步骤。

(1)将数据包的最后8字节送交解码逻辑，如解码逻辑判断最后8字节无错误，或者判断为有错误但能够完全纠错，则初步可认定是携带FEC码包。因为纠错码有4字节，因此，非FEC包最后8字节碰巧满足纠错要求的概率为1/2^32，约为2.35^-10。

步骤3进一步确定数据包是否FEC包。

(2)经过步骤1，且解码逻辑判断数据包存在错误并且不能够纠错，那么数据包是非FEC包或者是不能纠错的FEC包。检查整个数据包的CRC32，如通过检查，则是正确的非FEC包。否则可能是存在错误的非FEC包或不能纠错的FEC包，需丢弃此数据包。

(3)经过步骤1判断是FEC包，且最后8字节无错，或者有错误但能完全纠正，那么检查数据包中两个表示长度信息的字段(“原MAC层帧长度”和“原以太网数据包划分的数据节数”)是否符合要求，如符合要求则确定为FEC包，不符合要求的则是出错的FEC包或非FEC包，检查整个数据包的CRC32，如通过检查，则是正确的非FEC包，否则可能是存在错误的非FEC包或不能纠错的FEC包，需丢弃此数据包。

3.FEC控制包设计

一般情况下，在本地以太网端口和远端以太网端口交换的数据包来自以太网端口的MAC层。但在某些特殊情况下，FEC模块会主动产生一些以太网数据包，用于特殊功能。这些以太网数据包称作FEC控制包。

FEC控制包一定是FEC包，而不是普通以太网包，参见前面的帧结构定义。其特征是净信息域(IEEE802.3帧)长度是64字节，并且目的地址字段、源地址字段和协议/长度字段共14个字节的内容全部是0xFF。

FEC控制包有两个作用：用于识别远端以太网的类型，用于交换物理信道的性能信息。

4.编码、FEC帧生成及发送

此步骤是由IEEE802.3包生成FEC包的过程。其中编码电路可以由FPGA实现。

图5是此过程的图示。

首先确定n值的选项。从本地以太网端口到与之相联的远端以太网端口之间的物理信道的性能p(本发明用误包率表示)是n的决定因素，但p并不能由本端确定。只能在远端测出，并从远端以太网端口发出的数据包提取。

由分析可得到图9所列的数据表，它表示以太网数据包长度、物理信道误码率和包丢失率之间的关系。

例如，第2行第2列表明：当物理信道误码率为2.0*10^-5时，64字节的数据包在信道传送，包错误率约等于1％，而信道误码率大于2.0*10^-5时，则包错误率大于1％。

再看最后一行的最右一列，它表明：当物理信道误码率为3.9*10^-4时，1518字节的数据包在信道传送，包错误率约等于99％，而信道误码率大于3.9*10^-4时，则包错误率大于99％。

由分析也可得到附图10所列的数据表，它表示在现有物理信道出现相应丢包率的情况下，采用FEC码得到的实际信道丢包率。例如，最后一行表示：采用n＝k+32纠错，即使丢包率达到99％，仍能实现：99.99％以上的以太网数据包正确传送.

显然FEC机制使包错误率有本质的改善。同时FEC机制也带来一些额外开销。下表表示FEC机制带来的开销对信道利用率的影响。

图11所列数据表表示引入FEC机制对信道带宽利用率的影响。

例如，最后一行第二列表示：采用n＝k+2生成纠错码，则信道带宽利用率降至原来的93.7％。也可以说本FEC机制是以带宽换包正确率。

有的应用场合，信道利用率本来就很低，所以对吞吐量的要求并不高。

有的应用需要尽可能的保证数据的正确性，而不是吞吐能力。如一些实时数据的传送。

有的应用则需要尽可能多的传送数据，需要高吞吐量。

所以，设计N值要根据应用的情况，决定选取最符合要求的N值。

结合图9，图10和图11所列的数据，得到如下的n值和p的对应关系：

如果以保证包正确率为设计目标，则：

p

＜1％

1％--5％

5％-10％

10％-40％

40％-80％

80％-90％

90％以上

n

0

k+2

K+4

k+8

k+16

k+24

k+32

如果以保证包吞吐率为设计目标，则：

P

＜10％

10％--40％

40％-70％

70％-80％

80％-90％

90％以上

n

0

k+2

k+4

k+8

k+16

k+24

初始值不能从远端发出的数据包得到，因为本地以太网端口不可能一开始就收到远端的数据包。而物理信道单向误码率未知，因此初始值应为100％，n则取最大值k+32，这样使数据包正确传送到远端的可能性为最大。

其次，得到其它的控制字段共4字节，并生成这些控制字段的4字节FEC码，将4字节控制字段和4字节FEC码缓存起来。

然后，如果n！＝0，则将以太网数据包依据字节顺序划分成32字节的数据节，生成每个数据节的FEC码，并缓存生成的FEC码。

最后，按照图1所示的帧结构组成数据包。

也就是说，分别对每一个长度为32的数据节生成FEC冗余码，并将FEC冗余码加上一些控制信息及控制信息的FEC码合并到普通以太网帧形成新的数据包。新的数据包控制信息字段应能表示得到的物理信道的性能情况描述。

发送生成的数据包，并将发送计数器加1。

设计一个500毫秒定时器。

当本端口启动时，自动构造一个目的地址和源地址都为FF:FF:FF:FF:FF:FF，并且长度/协议字段为0xFFFF的FEC控制包，该FEC控制包包含FEC信息。每隔500ms发送一个FEC控制包，共发三次。

当端口正常工作时，定时器溢出事件发生时，分两种情况进行操作：

如果发送计数器仍为0，则自动构造一个FEC控制包，发送到远端，以便远端获取和刷新当前信道性能信息。

如发送计数器不为0，则对发送计数器清0。

5.接收、解码和以太网帧生成

此步骤是由FEC包通过检错和纠错生成正确的IEEE802.3包过程。

图6是此过程的图示。

收到一个数据包，首先需确定数据包的类型，是普通数据包还是FEC包。此过程参见前面的内容。

然后，总数据包计数值加1。

如果是FEC包，将数据包中包含的IEEE802.3帧结构提取出来，并检查CRC32。

如通过CRC32检查，且目的地址、源地址以及长度/协议字段不是全1，则将数据包送交MAC层。同时用解码逻辑检查数据包其它内容是否正确，如出错，则错误数据包计数器加1。其中解码逻辑可使用FPGA实现。

如果CRC检查未通过，错误数据包计数器加1，同时使用解码逻辑对数据包纠错。如纠错成功，而目的地址和源地址不是全1，则纠错后的数据包送交MAC层。

如果是普通以太网数据包，则检查CRC。

如通过CRC检查，且目的地址、源地址以及长度/协议字段不是全1，则将数据包送交MAC层。

如果CRC检查未通过，错误数据包计数器加1，丢弃该数据包。

此外，提取数据包中的表示物理信道当前性能的信息，以确定和刷新本端口发送FEC数据包时使用的n值。

6.远端以太网端口类型鉴别

这里所说的远端以太网端口类型鉴别是指：本地以太网端口通过交换特定的数据判断远端以太网端口是普通以太网端口还是FEC以太网端口。

如果是普通以太网端口，则屏蔽本地以太网端口的FEC机制以便能与普通以太网端口互联互通。

如果是FEC以太网端口，则启动本地以太网端口的FEC机制。

同时，本地以太网端口(以A表示)应有帮助远端以太网端口(以B表示)识别A的端口类型的功能。

当本端口收到以太网包并识别为FEC控制包时，则判定远端端口具有FEC机制。

当本端口收到以太网包并识别为FEC数据包时，则判定远端端口具有FEC机制。

当本端口一直未收到FEC控制包或FEC数据包时，则判定该端口为普通以太网端口。

下面是本发明的应用实例。

武汉烽火网络有限责任公司研制的电信级以太网产品M8000系列是定位于会聚层的以太网设备，它完成对数据业务的承载。主要的应用拓扑是环型结构和链形结构。也就是说，一组M8000系列设备搭建一个或多个电信级以太网环，两台设备之间的传输距离可达80公里，两台设备之间的连接带宽可达10G。当然，M8000系列设备也经常用于星型拓扑和线性拓扑。

本发明的FEC方法在M8000系列的连接端口(即两台设备之间的连接端口)上应用。

以下是本发明在M8000系列产品应用时性能测试和评估的情况。

图7是本发明的测试和评估拓扑图。

图7中的机架样图标表示本发明装置，共十一套这样的设备，联接成一个线性拓扑，设备之间的连接都采用千兆光口。每两台设备之间的光纤连接可通过光衰减装置产生一定的误码率。

测试仪表从输入口输入千兆的流量，统计输出端口得到的正确数据包个数，并计算正确包通过率。

由于实际网络信道和在网络信道上传输的数据呈现多样性，这里选择几种典型情况进行分析。令以太网上传输的包长分别为64，768和1518等三种情况，误码率分别为10^-7，10^-6，10^-5，10^-4，10^-3，分别进行测试。得到以下的测试数据：

当包长为1518时，测试输入为100％(即千兆)在本测试网络上数据包的通过率如下表所示：

当包长为1518时，测试输入为50％(即500兆)在本测试网络上数据包的通过率如下表所示：

当包长为768时，测试输入为100％(即千兆)在本测试网络上数据包的通过率如下表所示：

当包长为768时，测试输入为50％(即500兆)在本测试网络上数据包的通过率如下表所示：

当包长为64时，测试输入为100％(即千兆)在本测试网络上数据包的通过率如下表所示：

当包长为64时，测试输入为50％(即500兆)在本测试网络上数据包的通过率如下表所示：

从上表可知：

在信道误码率处于较高的情况下，FEC机制对信道性能有较大的改善。

在同样误码率的情况下，较长以太网数据包发生传送错误的可能更大，但采用FEC机制后，数据包长度对数据包发生错误的影响降低了。

因此FEC机制对较长以太网数据包的传输性能的改善更好些。

在物理信道处于轻载的情况下，即使信道误码处于较高的水准，FEC机制仍然可以达到100％的吞吐量和100％的正确率。

另一方面，通过分析可知，在无FEC机制的情况下，各段信道的误码都会引起一定程度的丢包率，端到端丢包率是累积效应，随着以太网网络的网段数的增加，丢包率会越来越大。

具有FEC机制则不同，由于有纠错机制，在物理信道上传输几乎没有性能损失。主要的丢包是在入口处，由于FEC码带来了额外开销，使得从入口以线速输入的以太网包出现拥塞，从而造成部分数据丢失。因此，端到端丢包率不会随着以太网网段数增加而有明显变化。

总结

以太网在其三十多年的发展历史中，已发展成一种广泛应用的技术，而且还在不断拓展自身的应用领域。以太网采用光信道能实现远距离传输，且速率从最初的2M到千兆，再到10G，以后会发展到100G甚而更高。受光信道的影响将越来越大。

电信级以太网的横空出世赋予了以太网新的内涵。

电信级以太网有下列五个特性。

(1)提供可靠的业务保护摸式。

(2)可扩展性。

(3)对TDM的支持。

(4)高QOS。

(5)OAM能力。

同时也给以太网提出了更高的要求，以太网需要不断结合其它技术自我完善。

其它使用光信道的技术如SDH，WDM都已采用了FEC机制。

但现有以太网技术则基本没有采用FEC机制。

本发明致力于在帧结构上解决以太网的FEC问题。在IEEE802.3帧结构基础上提出了一种新的帧结构，新的帧结构扩充了FEC机制。通过FEC机制可改善以太网物理信道的性能。同时确保能与不具有FEC机制的普通以太网兼容。换句话说，具有FEC机制的以太网接口可以与普通以太网接口互通互连。

本发明的FEC机制具有反馈调节能力，能够根据远端反馈的实际信道误码状况，动态调整FEC机制的冗余码长度，从而达到这样的目的：改善物理信道的传输性能，以最小的开销获取满足应用需要的传送性能。同时本发明利用FEC控制帧完成自动协商，确保能与不带FEC机制的普通以太网端口互通互联，实现本发明的后向兼容性。

在本发明的实施和应用过程中，测试表明，本发明的FEC机制具有良好的性能。

尽管参考本发明的优选实施例具体展示和描述了本发明，但是本领域一般技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求限定的本发明的原理和范围内的情况下，可以对其进行形式和细节上的具体修改。

Claims (22)

1.一种用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，该以太网包括以太网端口，所述以太网端口包括介质访问控制MAC层、前向纠错逻辑子层、以及物理PHY层，所述方法包含以下步骤：

A.当通过以太网发送时，发送侧实体从本端MAC层接收以太网数据包，对该以太网数据包进行FEC编码，再将编码后的数据包发送到PHY层；

B.当通过以太网接收时，接收侧实体从本端PHY层接收所述编码后的以太网数据包，对所述编码后的以太网数据包进行FEC解码，再将解码后的数据包送交MAC层，

其中，根据所述以太网的物理信道的性能情况动态地调整所述FEC机制，并且

其中，编码后的数据包包括：所述以太网数据包、所述以太网数据包的FEC码、表示所述以太网数据包的长度的字段、表示所述FEC机制的配置信息和在接收侧测量的物理信道性能的字段、表示所述FEC码的长度的字段、以及所述以太网数据包的控制信息的FEC码、其中所述以太网数据包的FEC码包括通过划分所述以太网数据包所得到的各个数据节中的每个数据节的FEC码。

2.根据权利要求1的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于：

所述以太网端口与不具有FEC机制的普通以太网端口互通互联。

3.根据权利要求2的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于：

所述以太网端口通过协商的方式判断与其相连的远端以太网端口是否具有与之相同的FEC机制，如果确定该远端以太网端口没有该机制，则认为远端以太网端口是普通以太网端口，并将自己设为普通以太网模式。

4.根据权利要求3的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于：

所述PHY层的物理介质采用作为光接口的光纤和作为电接口的铜线。

5.根据权利要求4的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于：

所述以太网的物理信道的传输速率为10Mbps、100Mbps、1000Mbps、10Gbps和100Gbps之一。

6.根据权利要求5的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于：

所述以太网的MAC层采用IEEE 802.3标准，而逻辑纠错子层则后向兼容IEEE 802.3，并且重新定义相关字段，以加入冗余码和控制信息字段。

7.根据权利要求6的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于：

所述FEC编码步骤包括：依照以太网数据包的内容生成冗余码，并将冗余码与数据包组合在一起；

所述FEC解码步骤包括：从包括冗余码的数据包中剥去冗余码，检查错误，并利用冗余码纠正数据包包含的误码。

8.根据权利要求7的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，所述步骤A还进一步包括以下步骤：

将以太网数据包从逻辑上划分成长度为32字节的数据节，每个数据节具有独立的纠错码，而且纠错码全部位于IEEE 802.3协议规定的帧结构CRC32字段的后面，按数据节1的FEC码、数据节2的FEC码...数据节n的FEC码，顺序存放。

9.根据权利要求8的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，采用Reed-Solomon(n，k)编码来生成纠错码。

10.根据权利要求9的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，k值为32，n被设置成k+2、k+4、k+8、k+16、k+24、k+32六个选项之一，并且具有FEC机制的以太网数据包包含配置信息n的取值。

11.根据权利要求10的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，在所述步骤A中，控制信息字段采用独立的FEC机制，并且如果控制信息字段长度为l，则采用的纠错码型为Reed-Solomon(21，1)。

12.根据权利要求11的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，在所述步骤A中，新的数据包控制信息字段表示物理信道的当前性能。

13.根据权利要求12的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，在所述步骤A中，生成纠错码时，n的取值由远端反馈回来的物理信道的性能状况决定。

14.根据权利要求13的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，在所述步骤A中，生成纠错码时，选择适当的FEC机制，使得n的取值满足吞吐量优先和正确率优先，所述吞吐量优先就是，在物理信道带宽和误包率确定的情况下，单位时间内能在物理信道上正确传送的以太网数据包个数尽可能大；所述正确率优先就是，在物理信道带宽和误包率确定的情况下，在物理信道上正确传送的以太网数据包与传送的数据包总数的比值尽可能大。

15.根据权利要求14的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，在所述步骤A中，以现场可编程门阵列FPGA实现编码电路，分别对每一数据节生成FEC码，并将FEC码以及控制信息合并到以太网帧。

16.根据权利要求15的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，所述步骤A还进一步包括以下步骤：

设置定时器为FEC控制帧的发送提供定时信息。

17.根据权利要求16的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，在所述步骤A中，设置发送数据包的计数信息，从而控制FEC控制帧的发送。

18.根据权利要求3的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，在所述步骤B中，设置错误字节计数或错误包计数、总字节计数或总包计数，以便计算和表示物理信道的性能。

19.根据权利要求18的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，所述步骤B还进一步包括以下步骤：

从收到的数据包中检查标志，如存在FEC机制，则剥除FEC冗余码，并将冗余码缓存起来；如数据包无FEC标志，则不进行任何操作。

20.根据权利要求19的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，所述步骤B还进一步包括以下步骤：

如数据包包含FEC机制，则检查数据包有无错误，如存在错误，则利用解码逻辑纠正发现的错误，该解码逻辑用FPGA实现。

21.根据权利要求20的用于电信级以太网的应用前向纠错FEC机制的通信方法，其特征在于，所述步骤B还进一步包括以下步骤：

提取数据包中的表示物理信道当前性能的信息，以确定和刷新本端口发送FEC数据包时使用的n值。

22.一种采用根据权利要求1-21中的任一个的通信方法的设备。

Images