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(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。3GPP從R16開始研究跨域的時間敏感網(wǎng)絡(luò)（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(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延、抖動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個維度的5個基礎(chǔ)能力和4個關(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)增強技術(shù)及其組合來實現(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個維度，確定性承載應(yīng)該具備5個基礎(chǔ)能力，包括資源預(yù)留與調(diào)度、資源隔離、時頻同步、保護和恢復(fù)和服務(wù)定制化能力，以實現(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)特性中的一項或多項的具體組合。同時，服務(wù)定制化能力可演進支持網(wǎng)絡(luò)可編程、人工智能/機器學(xué)習(xí)能力及資源對外運營服務(wù)能力。

  確定性承載網(wǎng)絡(luò)的5個內(nèi)在基礎(chǔ)能力支撐網(wǎng)絡(luò)具備4個外在的關(guān)鍵指標(biāo)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(wù)明確要求具備低時延和低抖動特性。

  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，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(luò)架構(gòu)、接口、設(shè)備、保護、管控和同步等組成的5G傳送國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，是我國運營商、設(shè)備商和科研院所聯(lián)合主導(dǎo)推動的新一代傳送網(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)。

  分組融合增強類確定性技術(shù)在原有分組統(tǒng)計復(fù)用和QoS優(yōu)先級隊列調(diào)度機制中引入資源預(yù)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(shù)包括工作在L2層TSN技術(shù)。TSN主要面向?qū)崟r業(yè)務(wù)控制等局域網(wǎng)應(yīng)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(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(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），是中國移動聯(lián)合中國信通院和我國三大主流設(shè)備商牽頭推動的支持多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載的新型端到端融合承載網(wǎng)絡(luò)，具備確定性低時延和抖動、高可靠性、業(yè)務(wù)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(wù)，實現(xiàn)確定性5G和專線業(yè)務(wù)承載能力。

  時隙隔離技術(shù)，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(shù)實現(xiàn)用戶資源隔離與確定性低時延應(yīng)用。MTN接口是基于TDM時隙隔離技術(shù)，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(wù)在網(wǎng)絡(luò)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(shù)，用戶分組報文在網(wǎng)絡(luò)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(shù)，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(wù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部，依然基于分組交換和報文統(tǒng)計復(fù)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(shù)

  在確定性時延特性方面，與傳統(tǒng)分組網(wǎng)絡(luò)相比基于TDM時隙隔離技術(shù)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(shù)的時延和抖動性能

  多重保護與恢復(fù)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(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)計和部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)備份、故障自動檢測、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)主要包括保護倒換和快速恢復(fù)，常用的保護恢復(fù)技術(shù)如表2所示。

  表2  SPN保護與恢復(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(jiān)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(zhǔn)的檢測技術(shù)對業(yè)務(wù)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(wù)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(luò)服務(wù)。SPN通過Inband OAM檢測技術(shù)實現(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)是對實際業(yè)務(wù)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(shù)。InBand OAM對網(wǎng)絡(luò)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(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)報文進行標(biāo)記染色，得到一段時間窗口內(nèi)入出網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)報文數(shù)量，進行集中控制器計算后得到精準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)丟包率和丟包數(shù)。

  InBand OAM還具備精確的時延檢測能力，通過對業(yè)務(wù)報文進行染色或時戳標(biāo)記，并通過集中計算單元進行數(shù)據(jù)處理，對業(yè)務(wù)時延和抖動進行實時檢測。根據(jù)對業(yè)務(wù)報文進行時戳標(biāo)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(wù)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(wù)場景，適用于對時延敏感度相對較低的非控制類業(yè)務(wù)場景。逐包時延檢測通過對每個業(yè)務(wù)報文進行時間戳標(biāo)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(wù)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(wù)的高精度時延檢測要求。

  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(shù)將面向行業(yè)專網(wǎng)應(yīng)用場景持續(xù)發(fā)展演進，正在推動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(shù)字化轉(zhuǎn)型業(yè)務(wù)部署和應(yīng)用落地，促進確定性承載技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)壯大。