SPN 2.0面向5G確定性承載技術(shù)

  作者：中國信息通信技術(shù)研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所 趙俊峰，李芳

  在國家政策、技術(shù)發(fā)展和行業(yè)應(yīng)用的多方驅(qū)動(dòng)下，確定性網(wǎng)絡(luò)成為我國新基建發(fā)展的重要技術(shù)演進(jìn)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(dòng)計(jì)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(luò)等新技術(shù)部署”的發(fā)展策略。技術(shù)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(luò)基礎(chǔ)設(shè)施向確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)。3GPP從R16開始研究跨域的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）確定性承載方案，R17和R18將進(jìn)一步提供內(nèi)生的端到端確定性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，包括承載網(wǎng)絡(luò)的確定性能力。在行業(yè)應(yīng)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(yīng)用場景，均提出了端到端確定性時(shí)延、抖動(dòng)和可靠性等承載需求。

  5G確定性承載技術(shù)內(nèi)涵與關(guān)鍵特性

  確定性承載的內(nèi)涵包括技術(shù)和服務(wù)2個(gè)維度的5個(gè)基礎(chǔ)能力和4個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)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(luò)的確定性承載服務(wù)能力；其次，確定性承載是通過L1~L3的承載網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)技術(shù)及其組合來實(shí)現(xiàn)確定性承載的性能指標(biāo)體系的服務(wù)質(zhì)量保障。

  基于技術(shù)和服務(wù)2個(gè)維度，確定性承載應(yīng)該具備5個(gè)基礎(chǔ)能力，包括資源預(yù)留與調(diào)度、資源隔離、時(shí)頻同步、保護(hù)和恢復(fù)和服務(wù)定制化能力，以實(shí)現(xiàn)確定性承載網(wǎng)絡(luò)的外在關(guān)鍵指標(biāo)特性。其中，服務(wù)定制化能力是指對于某一種特定行業(yè)應(yīng)用的確定性承載服務(wù)，可以是關(guān)鍵指標(biāo)特性中的一項(xiàng)或多項(xiàng)的具體組合。同時(shí)，服務(wù)定制化能力可演進(jìn)支持網(wǎng)絡(luò)可編程、人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)能力及資源對外運(yùn)營服務(wù)能力。

  確定性承載網(wǎng)絡(luò)的5個(gè)內(nèi)在基礎(chǔ)能力支撐網(wǎng)絡(luò)具備4個(gè)外在的關(guān)鍵指標(biāo)特性，包括時(shí)延確定性、帶寬確定性、丟包確定性和高可靠性。其中，時(shí)延確定性包括具備確定性的時(shí)延（即有上界的時(shí)延性能）和確定性的時(shí)延抖動(dòng)（即時(shí)延變化具備確定范圍的上界和下界），部分確定性業(yè)務(wù)明確要求具備低時(shí)延和低抖動(dòng)特性。

  圖1  確定性網(wǎng)絡(luò)內(nèi)涵和關(guān)鍵特性

  確定性承載技術(shù)分類

  5G確定性承載技術(shù)包括TDM類和分組融合增強(qiáng)類，需要結(jié)合確定性業(yè)務(wù)需求應(yīng)用場景和SLA指標(biāo)特性要求來組合應(yīng)用。

  TDM類的確定性承載技術(shù)主要包括L1層的靈活以太網(wǎng)（FlexE）、城域傳送網(wǎng)（MTN）技術(shù)以及光傳送網(wǎng)（OTN）和靈活OTN（FlexO）技術(shù)。其中，F(xiàn)lexE是基于OIF發(fā)布的FlexE IA 2.1技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過在物理編碼子層（PCS）引入以66B碼塊為基本單元的時(shí)隙通道化復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)，支持多路靈活以太網(wǎng)客戶信號(hào)，實(shí)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(luò)架構(gòu)、接口、設(shè)備、保護(hù)、管控和同步等組成的5G傳送國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，是我國運(yùn)營商、設(shè)備商和科研院所聯(lián)合主導(dǎo)推動(dòng)的新一代傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。MTN是切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）技術(shù)架構(gòu)中的切片通道層（SCL）技術(shù)，與切片分組層（SPL）技術(shù)一起支撐SPN技術(shù)兼具分組轉(zhuǎn)發(fā)靈活和TDM通道隔離優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)城域和省內(nèi)的5G回傳網(wǎng)絡(luò)和專線業(yè)務(wù)等綜合承載組網(wǎng)。

  分組融合增強(qiáng)類確定性技術(shù)在原有分組統(tǒng)計(jì)復(fù)用和QoS優(yōu)先級(jí)隊(duì)列調(diào)度機(jī)制中引入資源預(yù)留、時(shí)隙/固定周期交換的類TDM機(jī)制，實(shí)現(xiàn)確定性轉(zhuǎn)發(fā)能力，最典型的技術(shù)包括工作在L2層TSN技術(shù)。TSN主要面向?qū)崟r(shí)業(yè)務(wù)控制等局域網(wǎng)應(yīng)用實(shí)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(luò)（DetNet）支持TSN在L3網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展、跨域TSN網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，并提出了工作在IP/MPLS L3網(wǎng)絡(luò)上的確定性技術(shù)架構(gòu)。

  SPN面向5G確定性承載的關(guān)鍵技術(shù)與方案分析

  基于MTN技術(shù)的切片分組網(wǎng)（SPN），是中國移動(dòng)聯(lián)合中國信通院和我國三大主流設(shè)備商牽頭推動(dòng)的支持多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載的新型端到端融合承載網(wǎng)絡(luò)，具備確定性低時(shí)延和抖動(dòng)、高可靠性、業(yè)務(wù)靈活調(diào)度、高精度時(shí)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(jī)制分別提供的L2VPN和L3VPN業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)確定性5G和專線業(yè)務(wù)承載能力。

  時(shí)隙隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)確定性帶寬和時(shí)延性能保障

  SPN基于MTN接口和MTN通道交叉技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶資源隔離與確定性低時(shí)延應(yīng)用。MTN接口是基于TDM時(shí)隙隔離技術(shù)，將一個(gè)以太網(wǎng)物理端口隔離成多個(gè)更小粒度的硬管道，以實(shí)現(xiàn)確定性低時(shí)延業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口內(nèi)基于時(shí)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(shí)隙交叉技術(shù)，用戶分組報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)無須經(jīng)過L2/L3存儲(chǔ)查表，直接基于L1的時(shí)隙透明交叉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)端到端硬切片隔離能力以及單跳微秒級(jí)的確定性低時(shí)延和低抖動(dòng)能力（見圖2）。普通的分組業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部，依然基于分組交換和報(bào)文統(tǒng)計(jì)復(fù)用進(jìn)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(shù)

  在確定性時(shí)延特性方面，與傳統(tǒng)分組網(wǎng)絡(luò)相比基于TDM時(shí)隙隔離技術(shù)的確定性時(shí)延和抖動(dòng)性能得到顯著的提升（見表1）。

  表1  不同切片技術(shù)的時(shí)延和抖動(dòng)性能

  多重保護(hù)與恢復(fù)機(jī)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(luò)的可靠性及可用性指標(biāo)提出了嚴(yán)格要求。3GPP對5G確定性業(yè)務(wù)提供的通信業(yè)務(wù)可靠性及可用性指標(biāo)提出了具體要求，在3GPP TS 22.261中針對不同的應(yīng)用場景提出了99.9%~99.9999%的高要求。承載網(wǎng)絡(luò)可通過設(shè)計(jì)和部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)備份、故障自動(dòng)檢測、故障快速恢復(fù)技術(shù)提高確定性業(yè)務(wù)可靠性指標(biāo)。SPN網(wǎng)絡(luò)的可靠性技術(shù)主要包括保護(hù)倒換和快速恢復(fù)，常用的保護(hù)恢復(fù)技術(shù)如表2所示。

  表2  SPN保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)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(jí)的業(yè)務(wù)套餐，匹配不同確定性業(yè)務(wù)承載需求（見表3）。

  表3   不同等級(jí)可靠性下承載網(wǎng)絡(luò)保護(hù)能力方案建議

  高精度服務(wù)質(zhì)量監(jiān)測，強(qiáng)化確定性SLA性能保障

  5G確定性承載網(wǎng)絡(luò)需要精準(zhǔn)的檢測技術(shù)對業(yè)務(wù)進(jìn)行測量并采集SLA性能數(shù)據(jù)，進(jìn)而對所承載行業(yè)確定性業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析、評價(jià)、控制和調(diào)整，以提供長期穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。SPN通過Inband OAM檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對確定性業(yè)務(wù)SLA性能指標(biāo)的監(jiān)測和分析。

  InBand OAM檢測技術(shù)是對實(shí)際業(yè)務(wù)流進(jìn)行特征識(shí)別，并對特征字段進(jìn)行丟包、時(shí)延測量的隨流檢測技術(shù)。InBand OAM對網(wǎng)絡(luò)實(shí)際流量進(jìn)行直接測量，丟包和時(shí)延檢測精度高，是面向垂直行業(yè)承載的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)能力。InBand OAM具備無差別的丟包檢測能力，通過對業(yè)務(wù)報(bào)文進(jìn)行標(biāo)記染色，得到一段時(shí)間窗口內(nèi)入出網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)報(bào)文數(shù)量，進(jìn)行集中控制器計(jì)算后得到精準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)丟包率和丟包數(shù)。

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

  隨著5G+行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)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(shù)不斷涌現(xiàn)。SPN技術(shù)在確定性低時(shí)延和抖動(dòng)、高可靠連接、高安全隔離、高精度監(jiān)測等承載特性上均實(shí)現(xiàn)了顯著提升。后續(xù)，SPN 2.0技術(shù)將面向行業(yè)專網(wǎng)應(yīng)用場景持續(xù)發(fā)展演進(jìn)，正在推動(dòng)10Mbps細(xì)顆粒的確定性承載通道、業(yè)務(wù)感知、切片隔離和靈活連接調(diào)度等方面的技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步增強(qiáng)SPN在城域的綜合業(yè)務(wù)承載能力，支撐5G+行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型業(yè)務(wù)部署和應(yīng)用落地，促進(jìn)確定性承載技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)壯大。