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)與標準研究所 趙俊峰，李芳

  在國家政策、技術(shù)發(fā)展和行業(yè)應用的多方驅動(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)數字化轉型加速I(mǎi)CT與OT深度融合，驅使新一代信息通信網(wǎng)絡(luò )基礎設施向確定性網(wǎng)絡(luò )技術(shù)演進(jìn)。3GPP從R16開(kāi)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)應用方面，基于5G行業(yè)虛擬專(zhuān)網(wǎng)和基于行業(yè)專(zhuān)線(xiàn)/專(zhuān)網(wǎng)承載的工業(yè)控制、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等應用場(chǎng)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)內涵與關(guān)鍵特性

  確定性承載的內涵包括技術(shù)和服務(wù)2個(gè)維度的5個(gè)基礎能力和4個(gè)關(guān)鍵指標特性（見(jiàn)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(guò)L1~L3的承載網(wǎng)絡(luò )增強技術(shù)及其組合來(lái)實(shí)現確定性承載的性能指標體系的服務(wù)質(zhì)量保障。

  基于技術(shù)和服務(wù)2個(gè)維度，確定性承載應該具備5個(gè)基礎能力，包括資源預留與調度、資源隔離、時(shí)頻同步、保護和恢復和服務(wù)定制化能力，以實(shí)現確定性承載網(wǎng)絡(luò )的外在關(guān)鍵指標特性。其中，服務(wù)定制化能力是指對于某一種特定行業(yè)應用的確定性承載服務(wù)，可以是關(guān)鍵指標特性中的一項或多項的具體組合。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/機器學(xué)習能力及資源對外運營(yíng)服務(wù)能力。

  確定性承載網(wǎng)絡(luò )的5個(gè)內在基礎能力支撐網(wǎng)絡(luò )具備4個(gè)外在的關(guān)鍵指標特性，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 )內涵和關(guān)鍵特性

  確定性承載技術(shù)分類(lèi)

  5G確定性承載技術(shù)包括TDM類(lèi)和分組融合增強類(lèi)，需要結合確定性業(yè)務(wù)需求應用場(chǎng)景和SLA指標特性要求來(lái)組合應用。

  TDM類(lèi)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，FlexE是基于OIF發(fā)布的FlexE IA 2.1技術(shù)標準，通過(guò)在物理編碼子層（PCS）引入以66B碼塊為基本單元的時(shí)隙通道化復用/解復用技術(shù)，支持多路靈活以太網(wǎng)客戶(hù)信號，實(shí)現了以太網(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、接口、設備、保護、管控和同步等組成的5G傳送國際技術(shù)標準體系，是我國運營(yíng)商、設備商和科研院所聯(lián)合主導推動(dòng)的新一代傳送網(wǎng)絡(luò )技術(shù)標準。MTN是切片分組網(wǎng)絡(luò )（SPN）技術(shù)架構中的切片通道層（SCL）技術(shù)，與切片分組層（SPL）技術(shù)一起支撐SPN技術(shù)兼具分組轉發(fā)靈活和TDM通道隔離優(yōu)勢，實(shí)現城域和省內的5G回傳網(wǎng)絡(luò )和專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)等綜合承載組網(wǎng)。

  分組融合增強類(lèi)確定性技術(shù)在原有分組統計復用和QoS優(yōu)先級隊列調度機制中引入資源預留、時(shí)隙/固定周期交換的類(lèi)TDM機制，實(shí)現確定性轉發(fā)能力，最典型的技術(shù)包括工作在L2層TSN技術(shù)。TSN主要面向實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)控制等局域網(wǎng)應用實(shí)現音視頻、5G前傳、工業(yè)控制等確定性承載。IETF規范的確定性網(wǎng)絡(luò )（DetNet）支持TSN在L3網(wǎng)絡(luò )的擴展、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。

  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備商牽頭推動(dòng)的支持多業(yè)務(wù)統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)靈活調度、高精度時(shí)鐘等屬性。SPN通過(guò)MTN接口和ITU-T的MTN通道提供端到端TDM硬隔離管道，通過(guò)定長(cháng)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(wù)，實(shí)現確定性5G和專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)承載能力。

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

  SPN基于MTN接口和MTN通道交叉技術(shù)實(shí)現用戶(hù)資源隔離與確定性低時(shí)延應用。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)現確定性低時(shí)延業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò )側接口內基于時(shí)隙交叉的硬隔離轉發(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(hù)分組報文在網(wǎng)絡(luò )中間節點(diǎn)無(wú)須經(jīng)過(guò)L2/L3存儲查表，直接基于L1的時(shí)隙透明交叉技術(shù)，實(shí)現端到端硬切片隔離能力以及單跳微秒級的確定性低時(shí)延和低抖動(dòng)能力（見(jiàn)圖2）。普通的分組業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò )設備內部，依然基于分組交換和報文統計復用進(jìn)行查表轉發(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(zhù)的提升（見(jiàn)表1）。

  表1  不同切片技術(shù)的時(shí)延和抖動(dòng)性能

  多重保護與恢復機制，提供可靠性連接能力

  5G+行業(yè)數字化轉型（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提出了嚴格要求。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提出了具體要求，在3GPP TS 22.261中針對不同的應用場(chǎng)景提出了99.9%~99.9999%的高要求。承載網(wǎng)絡(luò )可通過(guò)設計和部署網(wǎng)絡(luò )系統備份、故障自動(dòng)檢測、故障快速恢復技術(shù)提高確定性業(yè)務(wù)可靠性指標。SPN網(wǎng)絡(luò )的可靠性技術(shù)主要包括保護倒換和快速恢復，常用的保護恢復技術(shù)如表2所示。

  表2  SPN保護與恢復技術(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的業(yè)務(wù)套餐，匹配不同確定性業(yè)務(wù)承載需求（見(jiàn)表3）。

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

  高精度服務(wù)質(zhì)量監測，強化確定性SLA性能保障

  5G確定性承載網(wǎng)絡(luò )需要精準的檢測技術(shù)對業(yè)務(wù)進(jìn)行測量并采集SLA性能數據，進(jìn)而對所承載行業(yè)確定性業(yè)務(wù)運行狀態(tài)進(jìn)行分析、評價(jià)、控制和調整，以提供長(cháng)期穩定、可靠的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。SPN通過(guò)Inband OAM檢測技術(shù)實(shí)現對確定性業(yè)務(wù)SLA性能指標的監測和分析。

  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(wú)差別的丟包檢測能力，通過(guò)對業(yè)務(wù)報文進(jìn)行標記染色，得到一段時(shí)間窗口內入出網(wǎng)絡(luò )的業(yè)務(wù)報文數量，進(jìn)行集中控制器計算后得到精準的網(wǎng)絡(luò )丟包率和丟包數。

  InBand OAM還具備精確的時(shí)延檢測能力，通過(guò)對業(yè)務(wù)報文進(jìn)行染色或時(shí)戳標記，并通過(guò)集中計算單元進(jìn)行數據處理，對業(yè)務(wù)時(shí)延和抖動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。根據對業(yè)務(wù)報文進(jìn)行時(shí)戳標記方式的不同，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)延檢測數據。采樣時(shí)延檢測方式開(kāi)銷(xiāo)小，但時(shí)延檢測精度無(wú)法覆蓋所有業(yè)務(wù)場(chǎng)景，適用于對時(shí)延敏感度相對較低的非控制類(lèi)業(yè)務(wù)場(chǎng)景。逐包時(shí)延檢測通過(guò)對每個(gè)業(yè)務(wù)報文進(jìn)行時(shí)間戳標記，得到所有樣本的時(shí)延檢測數據，真實(shí)還原每個(gè)業(yè)務(wù)報文的時(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(lèi)業(yè)務(wù)的高精度時(shí)延檢測要求。

  隨著(zhù)5G+行業(yè)數字化轉型應用場(chǎng)景和確定性承載需求日趨明顯，面向廣域、城域和局域場(chǎng)景的多種確定性承載技術(shù)不斷涌現。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、高精度監測等承載特性上均實(shí)現了顯著(zhù)提升。后續，SPN 2.0技術(shù)將面向行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)應用場(chǎng)景持續發(fā)展演進(jìn)，正在推動(dòng)10Mbps細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度等方面的技術(shù)創(chuàng )新，進(jìn)一步增強SPN在城域的綜合業(yè)務(wù)承載能力，支撐5G+行業(yè)數字化轉型業(yè)務(wù)部署和應用落地，促進(jìn)確定性承載技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)壯大。