SPN 2.0面向5G確定性承載技術

  作者：中國信息通信技術研究院技術與標準研究所 趙俊峰，李芳

  在國家政策、技術發(fā)展和行業(yè)應用的多方驅(qū)動下，確定性網(wǎng)絡成為我國新基建發(fā)展的重要技術演進方向之一。政策方面，2021年初，工業(yè)和信息化部發(fā)布《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021—2023年）》，明確提出了支持深化“5G＋工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”“探索云網(wǎng)融合、確定性網(wǎng)絡等新技術部署”的發(fā)展策略。技術方面，行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型加速ICT與OT深度融合，驅(qū)使新一代信息通信網(wǎng)絡基礎設施向確定性網(wǎng)絡技術演進。3GPP從R16開始研究跨域的時間敏感網(wǎng)絡（TSN）確定性承載方案，R17和R18將進一步提供內(nèi)生的端到端確定性網(wǎng)絡服務能力，包括承載網(wǎng)絡的確定性能力。在行業(yè)應用方面，基于5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)和基于行業(yè)專線/專網(wǎng)承載的工業(yè)控制、車聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等應用場景，均提出了端到端確定性時延、抖動和可靠性等承載需求。

  5G確定性承載技術內(nèi)涵與關鍵特性

  確定性承載的內(nèi)涵包括技術和服務2個維度的5個基礎能力和4個關鍵指標特性（見圖1）。首先，確定性承載在本質(zhì)上是提供端到端網(wǎng)絡的確定性承載服務能力；其次，確定性承載是通過L1~L3的承載網(wǎng)絡增強技術及其組合來實現(xiàn)確定性承載的性能指標體系的服務質(zhì)量保障。

  基于技術和服務2個維度，確定性承載應該具備5個基礎能力，包括資源預留與調(diào)度、資源隔離、時頻同步、保護和恢復和服務定制化能力，以實現(xiàn)確定性承載網(wǎng)絡的外在關鍵指標特性。其中，服務定制化能力是指對于某一種特定行業(yè)應用的確定性承載服務，可以是關鍵指標特性中的一項或多項的具體組合。同時，服務定制化能力可演進支持網(wǎng)絡可編程、人工智能/機器學習能力及資源對外運營服務能力。

  確定性承載網(wǎng)絡的5個內(nèi)在基礎能力支撐網(wǎng)絡具備4個外在的關鍵指標特性，包括時延確定性、帶寬確定性、丟包確定性和高可靠性。其中，時延確定性包括具備確定性的時延（即有上界的時延性能）和確定性的時延抖動（即時延變化具備確定范圍的上界和下界），部分確定性業(yè)務明確要求具備低時延和低抖動特性。

  圖1  確定性網(wǎng)絡內(nèi)涵和關鍵特性

  確定性承載技術分類

  5G確定性承載技術包括TDM類和分組融合增強類，需要結合確定性業(yè)務需求應用場景和SLA指標特性要求來組合應用。

  TDM類的確定性承載技術主要包括L1層的靈活以太網(wǎng)（FlexE）、城域傳送網(wǎng)（MTN）技術以及光傳送網(wǎng)（OTN）和靈活OTN（FlexO）技術。其中，F(xiàn)lexE是基于OIF發(fā)布的FlexE IA 2.1技術標準，通過在物理編碼子層（PCS）引入以66B碼塊為基本單元的時隙通道化復用/解復用技術，支持多路靈活以太網(wǎng)客戶信號，實現(xiàn)了以太網(wǎng)物理層和MAC層的解耦；MTN已在ITU-T SG15形成了網(wǎng)絡架構、接口、設備、保護、管控和同步等組成的5G傳送國際技術標準體系，是我國運營商、設備商和科研院所聯(lián)合主導推動的新一代傳送網(wǎng)絡技術標準。MTN是切片分組網(wǎng)絡（SPN）技術架構中的切片通道層（SCL）技術，與切片分組層（SPL）技術一起支撐SPN技術兼具分組轉(zhuǎn)發(fā)靈活和TDM通道隔離優(yōu)勢，實現(xiàn)城域和省內(nèi)的5G回傳網(wǎng)絡和專線業(yè)務等綜合承載組網(wǎng)。

  分組融合增強類確定性技術在原有分組統(tǒng)計復用和QoS優(yōu)先級隊列調(diào)度機制中引入資源預留、時隙/固定周期交換的類TDM機制，實現(xiàn)確定性轉(zhuǎn)發(fā)能力，最典型的技術包括工作在L2層TSN技術。TSN主要面向?qū)崟r業(yè)務控制等局域網(wǎng)應用實現(xiàn)音視頻、5G前傳、工業(yè)控制等確定性承載。IETF規(guī)范的確定性網(wǎng)絡（DetNet）支持TSN在L3網(wǎng)絡的擴展、跨域TSN網(wǎng)絡的互聯(lián)，并提出了工作在IP/MPLS L3網(wǎng)絡上的確定性技術架構。

  SPN面向5G確定性承載的關鍵技術與方案分析

  基于MTN技術的切片分組網(wǎng)（SPN），是中國移動聯(lián)合中國信通院和我國三大主流設備商牽頭推動的支持多業(yè)務統(tǒng)一承載的新型端到端融合承載網(wǎng)絡，具備確定性低時延和抖動、高可靠性、業(yè)務靈活調(diào)度、高精度時鐘等屬性。SPN通過MTN接口和ITU-T的MTN通道提供端到端TDM硬隔離管道，通過定長的分組交換、MPLS-TP或SR-TP隧道和QoS機制分別提供的L2VPN和L3VPN業(yè)務，實現(xiàn)確定性5G和專線業(yè)務承載能力。

  時隙隔離技術，實現(xiàn)確定性帶寬和時延性能保障

  SPN基于MTN接口和MTN通道交叉技術實現(xiàn)用戶資源隔離與確定性低時延應用。MTN接口是基于TDM時隙隔離技術，將一個以太網(wǎng)物理端口隔離成多個更小粒度的硬管道，以實現(xiàn)確定性低時延業(yè)務在網(wǎng)絡側(cè)接口內(nèi)基于時隙交叉的硬隔離轉(zhuǎn)發(fā)?；贛TN通道交叉的硬隔離，采用基于以太網(wǎng)64/66B碼塊的TDM時隙交叉技術，用戶分組報文在網(wǎng)絡中間節(jié)點無須經(jīng)過L2/L3存儲查表，直接基于L1的時隙透明交叉技術，實現(xiàn)端到端硬切片隔離能力以及單跳微秒級的確定性低時延和低抖動能力（見圖2）。普通的分組業(yè)務在網(wǎng)絡設備內(nèi)部，依然基于分組交換和報文統(tǒng)計復用進行查表轉(zhuǎn)發(fā)。

  圖2  基于MTN接口和MTN通道交叉的硬隔離技術

  在確定性時延特性方面，與傳統(tǒng)分組網(wǎng)絡相比基于TDM時隙隔離技術的確定性時延和抖動性能得到顯著的提升（見表1）。

  表1  不同切片技術的時延和抖動性能

  多重保護與恢復機制，提供可靠性連接能力

  5G+行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型（如電力、工業(yè)制造等）對確定性承載網(wǎng)絡的可靠性及可用性指標提出了嚴格要求。3GPP對5G確定性業(yè)務提供的通信業(yè)務可靠性及可用性指標提出了具體要求，在3GPP TS 22.261中針對不同的應用場景提出了99.9%~99.9999%的高要求。承載網(wǎng)絡可通過設計和部署網(wǎng)絡系統(tǒng)備份、故障自動檢測、故障快速恢復技術提高確定性業(yè)務可靠性指標。SPN網(wǎng)絡的可靠性技術主要包括保護倒換和快速恢復，常用的保護恢復技術如表2所示。

  表2  SPN保護與恢復技術及性能

  基于SPN多樣化的可靠性保障能力，可靈活定制具備不同可靠性和可用性等級的業(yè)務套餐，匹配不同確定性業(yè)務承載需求（見表3）。

  表3   不同等級可靠性下承載網(wǎng)絡保護能力方案建議

  高精度服務質(zhì)量監(jiān)測，強化確定性SLA性能保障

  5G確定性承載網(wǎng)絡需要精準的檢測技術對業(yè)務進行測量并采集SLA性能數(shù)據(jù)，進而對所承載行業(yè)確定性業(yè)務運行狀態(tài)進行分析、評價、控制和調(diào)整，以提供長期穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡服務。SPN通過Inband OAM檢測技術實現(xiàn)對確定性業(yè)務SLA性能指標的監(jiān)測和分析。

  InBand OAM檢測技術是對實際業(yè)務流進行特征識別，并對特征字段進行丟包、時延測量的隨流檢測技術。InBand OAM對網(wǎng)絡實際流量進行直接測量，丟包和時延檢測精度高，是面向垂直行業(yè)承載的關鍵網(wǎng)絡能力。InBand OAM具備無差別的丟包檢測能力，通過對業(yè)務報文進行標記染色，得到一段時間窗口內(nèi)入出網(wǎng)絡的業(yè)務報文數(shù)量，進行集中控制器計算后得到精準的網(wǎng)絡丟包率和丟包數(shù)。

  InBand OAM還具備精確的時延檢測能力，通過對業(yè)務報文進行染色或時戳標記，并通過集中計算單元進行數(shù)據(jù)處理，對業(yè)務時延和抖動進行實時檢測。根據(jù)對業(yè)務報文進行時戳標記方式的不同，時延檢測可分為“采樣時延檢測”和“逐包時延檢測”。采樣時延檢測在一定時間周期內(nèi)對業(yè)務流進行采樣測量，得到采樣樣本的時延檢測數(shù)據(jù)。采樣時延檢測方式開銷小，但時延檢測精度無法覆蓋所有業(yè)務場景，適用于對時延敏感度相對較低的非控制類業(yè)務場景。逐包時延檢測通過對每個業(yè)務報文進行時間戳標記，得到所有樣本的時延檢測數(shù)據(jù)，真實還原每個業(yè)務報文的時延。逐包時延檢測方案匹配了垂直行業(yè)生產(chǎn)控制類業(yè)務的高精度時延檢測要求。

  隨著5G+行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型應用場景和確定性承載需求日趨明顯，面向廣域、城域和局域場景的多種確定性承載技術不斷涌現(xiàn)。SPN技術在確定性低時延和抖動、高可靠連接、高安全隔離、高精度監(jiān)測等承載特性上均實現(xiàn)了顯著提升。后續(xù)，SPN 2.0技術將面向行業(yè)專網(wǎng)應用場景持續(xù)發(fā)展演進，正在推動10Mbps細顆粒的確定性承載通道、業(yè)務感知、切片隔離和靈活連接調(diào)度等方面的技術創(chuàng)新，進一步增強SPN在城域的綜合業(yè)務承載能力，支撐5G+行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型業(yè)務部署和應用落地，促進確定性承載技術發(fā)展與產(chǎn)業(yè)壯大。