随着行业数字化转型的加速推进,产业互联网需提供更多的确定性业务。在国家政策、技术发展和行业应用需求等多方因素驱动下,确定性网络成为热点方向之一。在政策方面,工业和信息化部发布了《工业互联网创新发展行动计划(2021—2023年)》,明确提出了“探索云网融合、确定性网络、IPv6分段路由(SRv6)等新技术部署”的发展策略;在技术方面,3GPP R17和R18探索了L2和L3内生确定性能力;在行业应用需求方面,面向5G虚拟专网和行业专线承载的工业控制、智能电网等应用场景,提出了端到端确定性承载需求。本文将以确定性承载的范畴和内涵为基础,分析确定性承载技术发展现状,提出确定性承载技术体系和评测体系。在此基础上,重点分析确定性承载技术发展面临的主要挑战,并提出技术发展建议。

确定性承载的范畴与内涵

端到端确定性网络包括确定性有线/无线接入网、确定性承载网、确定性核心网和业务网(见图1)。确定性承载网络的范畴涉及5G承载、算网融合/云网融合业务承载和行业专线专网场景,包括确定性增强的IP网、以太网和光传输网技术。

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图1  端到端确定性网络示意

从服务和技术两个维度出发,确定性承载的内涵可概括为5个基础能力和5个关键特性(见图2)。

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图2  确定性承载网络的内涵

确定性承载的5个基础能力包括资源预留/调度、时延/抖动控制、确定性路由和转发、精准时频同步、保护和恢复能力。确定性承载的5个外在关键特性包括时延确定性、带宽确定性、安全隔离性、高可用性和时频同步精度。其中,时延确定性需具备确定性的时延(即时延的上界)和确定性的时延抖动(即时延的上界和下界),部分确定性业务要求低时延、低抖动特性。

确定性承载技术体系

随着确定性承载需求的逐步显现,业界积极开展相关技术研究,覆盖L0—L3层的各类技术不断涌现。总体来看,确定性承载网络按照TDM和分组融合两类技术不断演进,构建了多层多域的确定性承载技术体系(如图3所示)。

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图3  确定性承载网络技术体系

TDM类技术主要包括工作在L0—L1层WDM/OTN/FlexO、ROADM/OXC、MTN及L1.5层的FlexE技术。其中,WDM/OTN和ROADM/OXC主要面向城域和广域的高速互联场景;MTN主要面向城域的5G回传和专线承载场景。FlexE技术可应用于城域或广域场景,提供接口级的硬隔离承载。

分组融合类技术是在原有分组转发机制中引入时隙/周期交换机制,实现确定性能力。最典型的技术包括工作在L2层的TSN(时间敏感网络)技术,其主要面向局域实现音视频和工业控制业务的确定性承载。确定性网络在L3层的扩展包括DetNet和确定性IP技术。DetNet支持跨域TSN网络的互联,并提出了工作在IP/MPLS L3网络上的确定性技术架构。确定性IP技术通过采用循环周期转发、集中资源调度、全网时频同步等机制,实现IP网络内确定性和非确定性业务的混合承载。

确定性承载技术和标准化发展现状

目前,国内外多个标准化组织正在积极开展确定性承载技术的标准研究。以下将从技术机制、技术标准和应用部署等方面分析典型确定性承载技术的发展现状。

(1)IEEE的TSN技术

面向局域场景的工业控制和车内互联需求,TSN系列标准体系已基本形成。目前,TSN行业应用扩展成为标准化的重点方向。TSN是针对时间敏感业务提供的以太网局域承载方案。IEEE 802.1Q中包含了时间同步、转发时延控制、业务可靠性及资源管理4个TSN通用标准组件。近期,IEEE 802工作组开展了TSN行业应用特性的标准化工作,包括TSN应用到前传场景的IEEE 802.1CM 2.0、基于TSN车联网应用的IEEE 802.1DG及针对航空应用的IEEE 802.1DP/SAE AS6675等。此外,IEEE 802工作组与3GPP、IETF等标准组织共同推进了5G over TSN、TSN和DetNet网络互通等技术方案的标准化工作。

在应用部署方面,TSN相关的测试、推广及产品认证工作正在有序开展。我国的工业互联网产业联盟(AII)整合了相关组织和技术资源,为联盟成员提供测试平台并致力推进TSN标准在垂直行业的应用。但TSN技术自身的局限性导致其不能在城域和广域网中部署应用。TSN提出了全网精确时间同步、光纤链路“零时延”和复杂门控配置等需求,仅小规模的局域网即可满足以上要求。TSN目前仅支持FE、GE、10GE接口速率,网络转发跳数受限等因素也限制了TSN部署的可扩展性。

(2)IETF的DetNet技术

针对广域确定性场景,IETF DetNet工作组制定L3层确定性网络技术。近期,增强DetNet和大规模确定性组网技术成为业界关注焦点。2015年IETF创建了DetNet工作组。目前,DetNet标准体系框架已经初步确立,包括架构、用例、安全、信息模型和IP/MPLS数据面等标准已制定完成。针对转发面队列技术及大规模组网需求,近期IETF已将增强DetNet(EDN:Enhanced DetNet)写入工作组计划,EDN相关标准将成为后续DetNet工作组的新重点。

在应用部署方面,基于现有DetNet技术标准体系,国内设备厂商研制开发了DetNet和增强型DetNet设备。目前,相关厂商已完成了设备样机研发并实现了在规模试验网上的部署开通。总体来看,目前的DetNet和增强型DetNet设备均采用了SRv6和循环周期队列技术,但在时钟同步、周期映射和周期设置等方面存在显著差异。如何推动技术方案收敛,实现设备互通组网将是后续工作的重点。

(3)CCSA的确定性IP技术(DIP)

面向广域长距离确定性应用需求,CCSA TC3开展了确定性IP和确定性承载网络的标准化工作。现阶段,确定性IP系列标准已基本稳定,确定性承载网络的技术标准化仍处在起步阶段。确定性IP技术通过在统计复用分组转发技术中增加周期性的排队和转发机制,获取数据传输的较小时延抖动的上限。CCSA TC3于2019年开始制定DIP系列行业标准。目前,确定性网络相关的标准涉及DIP总体架构和技术要求、控制面技术要求、DIP设备技术要求及设备测试方法等。近期,CCSA TC3开展了确定性承载网络相关标准的研制工作,包括确定性承载网络的业务质量指标与评估方法、网络操作维护两项行标

在应用部署方面,确定性IP现在处于标准研制和技术研究阶段,尚无商用案例,但已开展规模试验网测试验证工作。紫金山实验室牵头发布了DIP在CENI的试验,中国电信联合华为发布了DIP在工业远程控制场景的应用,共同推进确定性网络的进一步发展。

(4)ITU-T的MTN技术

满足5G回传和行业专线确定性承载需求,MTN(城域传送网)成为ITU-T新一代传送技术标准体系。基于MTN技术的切片分组网(SPN)是中国移动牵头推动的多层融合分层交换网络技术。MTN技术由于采用了以太网L1层的TDM复用和交叉机制,业务直接根据L1层的TDM时隙进行复用和转发,因此可提供类SDH安全隔离、低时延和低抖动的确定性能力。MTN技术已在ITU-T形成了一套完善的传送网国际标准体系。除同步(G.mtn-syn)以外,MTN接口、架构、保护、设备与管控等标准已陆续获得通过,标志着MTN系列标准基本完成。在2022年9月召开的ITU-T SG15全会上,细粒度MTN(G.fgMTN)成功通过了立项(见图4)。

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图4  ITU-T MTN系列标准

目前,SPN设备已实现了大规模商用部署,在技术标准、芯片、设备、仪器仪表、网络部署和行业应用方面已基本形成完整的产业链。

(5)ITU-T的OTN/FlexO技术

OTN技术具备高速大带宽、硬隔离和低时延抖动的确定性承载能力。通过将不同类型、不同速率的用户业务封装映射到ODUk容器,OTN技术实现对多种业务的统一承载,并支持复用到单波长100G/200G/400G及以上速率的高效传输。FlexO技术通过特定的帧格式处理,用N×100G接口实现超100G信号的传输。OSU(光业务单元)技术突破了现有OTN的1.25Gbit/s时隙限制,采用新型帧结构对现有ODUk净荷进行划分,支持小于1Gbit/s速率确定性业务的承载。目前,OSU技术正在ITU-T SG15开展技术标准化工作。

(6)确定性承载技术对比分析

现阶段,L0—L3层的确定性网络技术在应用场景、技术成熟度和产业化水平上均存在差异(见表1)。总体来看,基于TDM机制的L0—L1层技术的成熟度和产业化发展相对较好,基于分组机制的L2—L3层技术的发展和标准化程度仍需进一步加强。TDM类技术体现较好的带宽隔离、低时延和低抖动特性,但在复杂组网下业务的动态路由、灵活连接和网络统计复用能力方面需进一步提升。对于分组融合类技术,如何实现在规模组网下确定性与非确定性业务多流混传时的确定性特性保障成为技术研究的重点。

表1  确定性承载技术对比分析

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确定性承载评测体系的探索与研究

基于对确定性承载技术、标准、应用场景和业务性能指标等综合分析,中国信息通信研究院提出了面向网络和业务两个维度的确定性承载D-cube评测体系(见图5)。

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图5  确定性承载D-cube评测体系

D-cube评测体系的网络维度主要面向运营商和设备商等开展确定性承载网络整体特性和关键机制的自评估。基于网络规模和技术能力划分了节点级、链路级、网络级、大规模高隔离和异构确定性网络5个等级。L1.0主要考察支持端口隔离、队列和SR技术的节点级确定性能力;L2.0体现了周期队列、多跳路径的确定性组网能力;L3.0更强调复杂、多点汇聚组网下的确定性能力;L4.0重点验证广域确定性能力,在混流规格、网络规模和复杂度上提出更高要求,并需满足管控面智能化和端到端硬隔离的要求;L5.0为异构确定性能力的考察,需实现多种异构网络的确定性协同,支持高等级的自治网络能力。业务维度重点面向运营商和行业用户的确定性业务性能验证测试,提出了针对确定性典型应用场景和业务的测试应用集。D-cube评测体系针对每个场景和每类业务的承诺带宽、确定性时延抖动、确定性丢包率、时频同步和安全隔离特性划分了评测等级。

确定性承载技术发展面临的挑战和建议

总体来看,确定性网络发展挑战与机遇并存,未来两年成为技术和产业发展的关键期。随着各类确定性技术的不断涌现,确定性理念已被业界逐步接受。关注度的不断提升给确定性网络的发展带来新机遇。设备商、运营商和垂直行业相继开展了应用示范项目,但在技术和产业化应用方面仍面临挑战,需重点加强以下4个方面的工作。

(1)端到端确定性承载仍需加强核心技术研发攻关。确定性网络具备端到端特性,涉及园区、城域、骨干网中不同网络技术方案的协同。现阶段的技术发展,无一种技术可实现“一网到底”,如何提供跨域的端到端确定性承载能力面临挑战。异构网络的融合组网和协同管控将成为后续技术研究的重点,需加强核心技术研发和创新攻关。

(2)全场景、大规模组网下的确定性承载技术需充分验证。目前,确定性技术仅能实现简单组网、可预期流量模型下的确定性能力,大规模商用级确定性面临较大挑战。DetNet和DIP推动了分组技术在广域确定性场景的应用探索和尝试,还需继续在大规模、长距离、全场景的组网拓扑和复杂流量模型下,针对资源预留、业务路径优化及时延队列调度算法等开展充分的实验验证。

(3)确定性承载技术的标准化工作需加强统一规划和协调推动。DetNet和DIP技术的发展仍处在多技术方案竞争阶段。尽管采用周期循环转发和SRv6已基本达成共识,但在时钟同步、周期映射方式等方面仍存在显著差异,无法实现基于标准化方案的设备互通组网。DetNet和DIP技术应加速技术收敛,尽快达成产业共识,需加强国内确定性承载标准体系规划,并推动国内和国际标准协同开展。

(4)业界需进一步探索广域规模化的确定性业务和应用场景。目前,确定性网络产业应用多为典型场景的零散业务。业界需进一步探索广域规模化的业务应用场景,加快确定性技术和产业迭代发展。未来两年是确定性网络产业发展的关键期,需实现大规模确定性网络技术和应用场景的突破,才能真正推动确定性网络产业的加速发展。

综上所述,确定性承载技术发展将是一个不断演进的过程,需要业界加强合作,共同应对挑战,协同推动确定性网络标准化和技术落地工作,共同促进确定性技术发展与产业壮大。

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