SPN 2.0面向5G确定性承载技术

  作者：中国信息通信技术研究院技术与标准研究所 赵俊峰，李芳

  在国家政策、技术发展和行业应用的多方驱动下，确定性网络成为我国新基建发展的重要技术演进方向之一。政策方面，2021年初，工业和信息化部发布《工业互联网创新发展行动计划（2021—2023年）》，明确提出了支持深化“5G＋工业互联网”“探索云网融合、确定性网络等新技术部署”的发展策略。技术方面，行业数字化转型加速ICT与OT深度融合，驱使新一代信息通信网络基础设施向确定性网络技术演进。3GPP从R16开始研究跨域的时间敏感网络（TSN）确定性承载方案，R17和R18将进一步提供内生的端到端确定性网络服务能力，包括承载网络的确定性能力。在行业应用方面，基于5G行业虚拟专网和基于行业专线/专网承载的工业控制、车联网、智能电网等应用场景，均提出了端到端确定性时延、抖动和可靠性等承载需求。

  5G确定性承载技术内涵与关键特性

  确定性承载的内涵包括技术和服务2个维度的5个基础能力和4个关键指标特性（见图1）。首先，确定性承载在本质上是提供端到端网络的确定性承载服务能力；其次，确定性承载是通过L1~L3的承载网络增强技术及其组合来实现确定性承载的性能指标体系的服务质量保障。

  基于技术和服务2个维度，确定性承载应该具备5个基础能力，包括资源预留与调度、资源隔离、时频同步、保护和恢复和服务定制化能力，以实现确定性承载网络的外在关键指标特性。其中，服务定制化能力是指对于某一种特定行业应用的确定性承载服务，可以是关键指标特性中的一项或多项的具体组合。同时，服务定制化能力可演进支持网络可编程、人工智能/机器学习能力及资源对外运营服务能力。

  确定性承载网络的5个内在基础能力支撑网络具备4个外在的关键指标特性，包括时延确定性、带宽确定性、丢包确定性和高可靠性。其中，时延确定性包括具备确定性的时延（即有上界的时延性能）和确定性的时延抖动（即时延变化具备确定范围的上界和下界），部分确定性业务明确要求具备低时延和低抖动特性。

  图1  确定性网络内涵和关键特性

  确定性承载技术分类

  5G确定性承载技术包括TDM类和分组融合增强类，需要结合确定性业务需求应用场景和SLA指标特性要求来组合应用。

  TDM类的确定性承载技术主要包括L1层的灵活以太网（FlexE）、城域传送网（MTN）技术以及光传送网（OTN）和灵活OTN（FlexO）技术。其中，FlexE是基于OIF发布的FlexE IA 2.1技术标准，通过在物理编码子层（PCS）引入以66B码块为基本单元的时隙通道化复用/解复用技术，支持多路灵活以太网客户信号，实现了以太网物理层和MAC层的解耦；MTN已在ITU-T SG15形成了网络架构、接口、设备、保护、管控和同步等组成的5G传送国际技术标准体系，是我国运营商、设备商和科研院所联合主导推动的新一代传送网络技术标准。MTN是切片分组网络（SPN）技术架构中的切片通道层（SCL）技术，与切片分组层（SPL）技术一起支撑SPN技术兼具分组转发灵活和TDM通道隔离优势，实现城域和省内的5G回传网络和专线业务等综合承载组网。

  分组融合增强类确定性技术在原有分组统计复用和QoS优先级队列调度机制中引入资源预留、时隙/固定周期交换的类TDM机制，实现确定性转发能力，最典型的技术包括工作在L2层TSN技术。TSN主要面向实时业务控制等局域网应用实现音视频、5G前传、工业控制等确定性承载。IETF规范的确定性网络（DetNet）支持TSN在L3网络的扩展、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。

  SPN面向5G确定性承载的关键技术与方案分析

  基于MTN技术的切片分组网（SPN），是中国移动联合中国信通院和我国三大主流设备商牵头推动的支持多业务统一承载的新型端到端融合承载网络，具备确定性低时延和抖动、高可靠性、业务灵活调度、高精度时钟等属性。SPN通过MTN接口和ITU-T的MTN通道提供端到端TDM硬隔离管道，通过定长的分组交换、MPLS-TP或SR-TP隧道和QoS机制分别提供的L2VPN和L3VPN业务，实现确定性5G和专线业务承载能力。

  时隙隔离技术，实现确定性带宽和时延性能保障

  SPN基于MTN接口和MTN通道交叉技术实现用户资源隔离与确定性低时延应用。MTN接口是基于TDM时隙隔离技术，将一个以太网物理端口隔离成多个更小粒度的硬管道，以实现确定性低时延业务在网络侧接口内基于时隙交叉的硬隔离转发。基于MTN通道交叉的硬隔离，采用基于以太网64/66B码块的TDM时隙交叉技术，用户分组报文在网络中间节点无须经过L2/L3存储查表，直接基于L1的时隙透明交叉技术，实现端到端硬切片隔离能力以及单跳微秒级的确定性低时延和低抖动能力（见图2）。普通的分组业务在网络设备内部，依然基于分组交换和报文统计复用进行查表转发。

  图2  基于MTN接口和MTN通道交叉的硬隔离技术

  在确定性时延特性方面，与传统分组网络相比基于TDM时隙隔离技术的确定性时延和抖动性能得到显著的提升（见表1）。

  表1  不同切片技术的时延和抖动性能

  多重保护与恢复机制，提供可靠性连接能力

  5G+行业数字化转型（如电力、工业制造等）对确定性承载网络的可靠性及可用性指标提出了严格要求。3GPP对5G确定性业务提供的通信业务可靠性及可用性指标提出了具体要求，在3GPP TS 22.261中针对不同的应用场景提出了99.9%~99.9999%的高要求。承载网络可通过设计和部署网络系统备份、故障自动检测、故障快速恢复技术提高确定性业务可靠性指标。SPN网络的可靠性技术主要包括保护倒换和快速恢复，常用的保护恢复技术如表2所示。

  表2  SPN保护与恢复技术及性能

  基于SPN多样化的可靠性保障能力，可灵活定制具备不同可靠性和可用性等级的业务套餐，匹配不同确定性业务承载需求（见表3）。

  表3   不同等级可靠性下承载网络保护能力方案建议

  高精度服务质量监测，强化确定性SLA性能保障

  5G确定性承载网络需要精准的检测技术对业务进行测量并采集SLA性能数据，进而对所承载行业确定性业务运行状态进行分析、评价、控制和调整，以提供长期稳定、可靠的网络服务。SPN通过Inband OAM检测技术实现对确定性业务SLA性能指标的监测和分析。

  InBand OAM检测技术是对实际业务流进行特征识别，并对特征字段进行丢包、时延测量的随流检测技术。InBand OAM对网络实际流量进行直接测量，丢包和时延检测精度高，是面向垂直行业承载的关键网络能力。InBand OAM具备无差别的丢包检测能力，通过对业务报文进行标记染色，得到一段时间窗口内入出网络的业务报文数量，进行集中控制器计算后得到精准的网络丢包率和丢包数。

  InBand OAM还具备精确的时延检测能力，通过对业务报文进行染色或时戳标记，并通过集中计算单元进行数据处理，对业务时延和抖动进行实时检测。根据对业务报文进行时戳标记方式的不同，时延检测可分为“采样时延检测”和“逐包时延检测”。采样时延检测在一定时间周期内对业务流进行采样测量，得到采样样本的时延检测数据。采样时延检测方式开销小，但时延检测精度无法覆盖所有业务场景，适用于对时延敏感度相对较低的非控制类业务场景。逐包时延检测通过对每个业务报文进行时间戳标记，得到所有样本的时延检测数据，真实还原每个业务报文的时延。逐包时延检测方案匹配了垂直行业生产控制类业务的高精度时延检测要求。

  随着5G+行业数字化转型应用场景和确定性承载需求日趋明显，面向广域、城域和局域场景的多种确定性承载技术不断涌现。SPN技术在确定性低时延和抖动、高可靠连接、高安全隔离、高精度监测等承载特性上均实现了显著提升。后续，SPN 2.0技术将面向行业专网应用场景持续发展演进，正在推动10Mbps细颗粒的确定性承载通道、业务感知、切片隔离和灵活连接调度等方面的技术创新，进一步增强SPN在城域的综合业务承载能力，支撑5G+行业数字化转型业务部署和应用落地，促进确定性承载技术发展与产业壮大。