切片分組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究＊

王敏學(xué) 中國(guó)移動(dòng)研究院網(wǎng)絡(luò)與IT技術(shù)研究所項(xiàng)目經(jīng)理

袁程磊 電信科學(xué)技術(shù)研究院第五研究所碩士研究生

1 SPN網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)目標(biāo)和能力

5G無(wú)線業(yè)務(wù)和家庭業(yè)務(wù)、政企業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)業(yè)務(wù)等多業(yè)務(wù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)著運(yùn)營(yíng)商聚焦構(gòu)建高效、極簡(jiǎn)和超寬承載網(wǎng)絡(luò)，支撐全云化新業(yè)務(wù)承載和敏捷新網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)。承載網(wǎng)絡(luò)向著綜合承載方向演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)大帶寬、低時(shí)延、高效率和智能化承載。為面對(duì)未來(lái)電信業(yè)務(wù)的發(fā)展，重點(diǎn)滿足5G無(wú)線業(yè)務(wù)和專線業(yè)務(wù)的綜合承載需求，通過(guò)對(duì)分組承載技術(shù)方案開展深入研究和測(cè)試驗(yàn)證，本文提出了切片分組網(wǎng)絡(luò)（Slicing Packet Network，SPN）的新一代承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

SPN發(fā)展演進(jìn)以新架構(gòu)、新業(yè)務(wù)、新運(yùn)營(yíng)為目標(biāo)。新架構(gòu)指全新的網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)架構(gòu)，提供低成本的極簡(jiǎn)承載網(wǎng)絡(luò)，將承載網(wǎng)帶寬提升10～100倍、單bit成本降低10～100倍。新業(yè)務(wù)指聚焦承載網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)支持，提供全云化業(yè)務(wù)承載能力，時(shí)延降低10～100倍，業(yè)務(wù)連接數(shù)提升100倍。新運(yùn)營(yíng)指全新運(yùn)維和運(yùn)營(yíng)模式，提供敏捷業(yè)務(wù)部署和智能化運(yùn)營(yíng)能力，將OPEX降低10倍。

為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，承載網(wǎng)絡(luò)需要滿足的關(guān)鍵能力包括以下幾點(diǎn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)容量需求：實(shí)現(xiàn)大于每用戶1Gbit/s的吞吐量能力，并提供高吞吐量下的QoS保障，支撐持續(xù)發(fā)展的視頻、全息和虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用。承載網(wǎng)需具備低成本的大帶寬提供能力。

（2）低時(shí)延需求：實(shí)現(xiàn)小于10ms乃至1ms的端到端時(shí)延，滿足交互式體驗(yàn)和工業(yè)控制領(lǐng)域的嚴(yán)格要求。承載網(wǎng)需具備確定性的低時(shí)延提供能力。

（3）靈活連接需求：連接總量數(shù)十倍增長(zhǎng)，匹配網(wǎng)狀流量調(diào)度要求。

（4）網(wǎng)絡(luò)能力開放：通過(guò)軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software DefinedNetwork，SDN）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管道能力開放，滿足端到端業(yè)務(wù)協(xié)同需求。

（5）管道切片能力：多樣化業(yè)務(wù)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)多樣化要求，運(yùn)營(yíng)商無(wú)法為每種業(yè)務(wù)構(gòu)建單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)，承載網(wǎng)絡(luò)需具備網(wǎng)絡(luò)靈活切片能力以匹配多樣化業(yè)務(wù)承載要求。

（6）高可靠性需求：為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等新領(lǐng)域提供超高可靠性連接。

（7）智能運(yùn)維需求：未來(lái)承載網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型發(fā)生根本改變，要求提供網(wǎng)絡(luò)切片和全網(wǎng)狀互連流量，需要更加智能化的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維系統(tǒng)，以降低網(wǎng)絡(luò)的OPEX。

2 SPN技術(shù)架構(gòu)

SPN采用ITU-T的分層網(wǎng)絡(luò)模型，以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)技術(shù)，支持對(duì)IP、以太網(wǎng)、CBR（ConstantBitRate，固定比特率）業(yè)務(wù)的綜合承載。SPN技術(shù)架構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)發(fā)面包括切片傳送層（SlicingTransport Layer，STL）、切片通道層（SlicingChannelLayer，SCL）、切片分組層（SlicingPacketLayer，SPL）。此外，SPN技術(shù)架構(gòu)還包括實(shí)現(xiàn)高精度頻率同步和時(shí)間同步的時(shí)間/時(shí)鐘同步功能模塊，和實(shí)現(xiàn)SPN統(tǒng)一管控的管理/控制功能模塊。

圖1 SPN網(wǎng)絡(luò)分層模型

（1）切片傳送層（STL）：切片傳送層基于IEEE 802.3以太網(wǎng)物理層技術(shù)和OIFFlexE技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效的大帶寬傳送能力。

（2）切片通道層（SCL）：為業(yè)務(wù)切片提供端到端通道化組網(wǎng)，通過(guò)切片以太網(wǎng)（SlicingEthernet，SE）技術(shù)，對(duì)以太網(wǎng)物理接口、FLexE綁定組實(shí)現(xiàn)時(shí)隙化處理，提供端到端基于以太網(wǎng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)連接能力，為多業(yè)務(wù)承載提供基于L1的低時(shí)延、硬隔離切片通道?；赟E通道的OAM和保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)端到端的切片通道層的性能檢測(cè)和故障恢復(fù)能力。

（3）切片分組層（SPL）：實(shí)現(xiàn)對(duì)IP、以太、CBR業(yè)務(wù)的尋址轉(zhuǎn)發(fā)和承載管道封裝，提供L2VPN、L3VPN等多種業(yè)務(wù)的分組交換和轉(zhuǎn)發(fā)能力。SPL層基于IP/MPLS/802.1Q/物理端口等多種尋址機(jī)制進(jìn)行業(yè)務(wù)映射，提供對(duì)業(yè)務(wù)的識(shí)別、分流和QoS保障處理。對(duì)分組業(yè)務(wù)，基于SegmentRouting（分段路由，簡(jiǎn)稱SR）增強(qiáng)SR-TP隧道，提供面向連接的業(yè)務(wù)承載，基于SR-BE提供面向無(wú)連接的業(yè)務(wù)承載。

（4）時(shí)間/時(shí)鐘同步功能模塊：通過(guò)更精確的時(shí)間戳處理機(jī)制和PTP報(bào)文傳輸機(jī)制，大大降低單節(jié)點(diǎn)時(shí)間和頻率的誤差，提供超高精度的時(shí)間同步能力。

（5）管理/控制功能模塊：通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的模型、接口，實(shí)現(xiàn)管控一體控制器對(duì)設(shè)備的管理及控制。

3 SPN轉(zhuǎn)發(fā)面關(guān)鍵技術(shù)

3.1 STL層關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)5G需求測(cè)算城域網(wǎng)帶寬，接入環(huán)帶寬達(dá)到25G以上，匯聚環(huán)接近80GE，核心環(huán)帶寬超過(guò)110G，因此對(duì)新型以太端口的需求越來(lái)越高。由于不同網(wǎng)絡(luò)層次對(duì)于設(shè)備接口的不同需求，在城域接入層可采用高速的灰光方案，近期可優(yōu)選用50GE的PAM4光接口，此外可以采用單纖雙向（BiDi）光接口避免光纖不對(duì)稱影響時(shí)間同步精度；在核心層和匯聚層采用彩光技術(shù)（WDM），近期可優(yōu)選100GE彩光接口。對(duì)于前傳，在光纖受限時(shí)，可考慮簡(jiǎn)化的基于WDM的SPN設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)、多接口的匯聚，實(shí)現(xiàn)前傳、中傳和回傳的統(tǒng)一承載。

灰光接口的關(guān)鍵技術(shù)有PAM4和KP4的FEC。PAM4電平調(diào)制可以在波特率不變的情況下，獲得2倍的數(shù)據(jù)速率，大幅降低光電器件復(fù)雜度和成本；另外FEC采用成熟的KP4降低光電器件要求，增加傳輸距離，實(shí)現(xiàn)以電補(bǔ)光。

彩光接口需要采用基于以太網(wǎng)的彩光模塊，這方面IEEE、OIF已有成熟標(biāo)準(zhǔn)。此外，彩光以太網(wǎng)需要考慮和光層串通組網(wǎng)，SPN業(yè)務(wù)映射到光層，實(shí)現(xiàn)基于ROADM（ReconfigurableOpticalAdd-DropMultiplexer，可重構(gòu)光分插復(fù)用器）的光層組網(wǎng)，可以極大地增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性和健壯性。

3.2 SCL層關(guān)鍵技術(shù)

業(yè)界在基于以太網(wǎng)的隔離技術(shù)上進(jìn)行了很多有益探索，例如OIF主導(dǎo)的FlexE技術(shù)提供了基于以太網(wǎng)物理接口的切片機(jī)制，能提供有效的接口級(jí)隔離機(jī)制。但FlexE當(dāng)前僅為接口切片級(jí)技術(shù)，無(wú)法滿足運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)端到端組網(wǎng)調(diào)度的要求，故應(yīng)增加切片以太網(wǎng)的交叉、OAM和保護(hù)能力等特性使其擴(kuò)展為端到端的層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

切片以太網(wǎng)（SlicingEthernet，SE）技術(shù)基于原生以太內(nèi)核擴(kuò)展以太網(wǎng)切片能力，既完全兼容當(dāng)前以太網(wǎng)絡(luò)，又避免報(bào)文經(jīng)過(guò)L2/L3存儲(chǔ)查表，提供確定性低時(shí)延、硬管道隔離的以太網(wǎng)L1組網(wǎng)能力。切片以太網(wǎng)核心是基于64/66B以太網(wǎng)碼流的端到端數(shù)據(jù)通道，其關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）基于以太網(wǎng)碼塊的交叉技術(shù)：基于以太網(wǎng)64/66B碼塊的交叉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)極低的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和TDM管道隔離效果。

（2）端到端OAM技術(shù)：基于IEEE 802.3碼塊擴(kuò)展，采用空閑（IDLE）幀替換原理，實(shí)現(xiàn)切片以太網(wǎng)通道（SCL）的OAM和保護(hù)功能，支持端到端的以太網(wǎng)L1調(diào)度和組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)低于1ms的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)倒換時(shí)間和高精度的誤碼檢測(cè)能力。

（3）以太網(wǎng)業(yè)務(wù)透明適配技術(shù)：通過(guò)轉(zhuǎn)碼機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種業(yè)務(wù)到切片以太網(wǎng)通道的適配，具備對(duì)以太網(wǎng)的透明承載和CBR業(yè)務(wù)的承載。

3.3 SPL層關(guān)鍵技術(shù)

5G無(wú)線接入網(wǎng)（RAN）和核心網(wǎng)（CN）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)，對(duì)移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)提出Mesh化、低時(shí)延、靈活調(diào)度和高可靠的業(yè)務(wù)承載要求。而傳統(tǒng)PTN網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)MPLS-TP隧道和L3VPN難以匹配5G業(yè)務(wù)承載要求，需引入靈活隧道連接技術(shù)和大網(wǎng)L3VPN技術(shù)。并且在SPL層可以通過(guò)分組低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)進(jìn)一步降低時(shí)延。

3.3.1 SR隧道技術(shù)

SR隧道作為一種源路由技術(shù)，在隧道源節(jié)點(diǎn)通過(guò)一系列表征拓?fù)渎窂降亩温酚尚畔ⅲ∕PLS標(biāo)簽）來(lái)指示隧道轉(zhuǎn)發(fā)路徑。SR隧道技術(shù)在復(fù)用傳統(tǒng)MPLS轉(zhuǎn)發(fā)面的同時(shí)，對(duì)MPLS控制面進(jìn)行簡(jiǎn)化，有利于向SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的平滑演進(jìn)。SR隧道分為面向連接的SRTP隧道和面向無(wú)連接的SR-BE隧道技術(shù)，分別適用于5G基站回傳的S1南北向業(yè)務(wù)和X2東西向業(yè)務(wù)承載。

SR-TP隧道技術(shù)是基于SR-TE隧道進(jìn)行面向傳送增強(qiáng)的點(diǎn)到點(diǎn)連接隧道技術(shù)，通過(guò)擴(kuò)展SR-TE隧道攜帶PathSegment以標(biāo)識(shí)一條端到端隧道連接，并支持ITU-TG.8113.1OAM檢測(cè)能力。SR-TP隧道作為SRTE隧道的傳送子集，既具有SR-TE靈活性又保留了傳統(tǒng)MPLS-TP隧道傳送能力，是現(xiàn)有移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)MPLS-TP隧道的理想演進(jìn)方案。SR-TP隧道轉(zhuǎn)發(fā)如圖2所示。

圖2 SR-TP隧道轉(zhuǎn)發(fā)模型

SR-BE隧道通過(guò)IGP協(xié)議自動(dòng)擴(kuò)散SR節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽生成，可在IGP域內(nèi)生成Fullmesh隧道。SR-BE隧道簡(jiǎn)化了隧道的規(guī)劃和部署，適用于面向無(wú)連接的X2等業(yè)務(wù)承載。

3.3.2 大網(wǎng)L3VPN技術(shù)

SPN借助分層L3VPN組網(wǎng)和基于云化、服務(wù)化的集中管控技術(shù)應(yīng)對(duì)大規(guī)模L3VPN組網(wǎng)。分層L3VPN組網(wǎng)將L3VPN區(qū)分核心域和接入域并分層分域部署，避免了眾多接入域間直接互聯(lián)，大幅降低設(shè)備壓力及運(yùn)維難度。此外，SPN采用集中L3VPN管控技術(shù)，既能繼承PTN靜態(tài)L3VPN運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，又可借助集中大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)可視、故障自愈、業(yè)務(wù)精細(xì)監(jiān)控能力。

3.3.3 分組轉(zhuǎn)發(fā)層低時(shí)延技術(shù)

分組低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)主要通過(guò)改善轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)，首先要識(shí)別具有低時(shí)延業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)的報(bào)文，然后對(duì)標(biāo)識(shí)為低時(shí)延業(yè)務(wù)的報(bào)文進(jìn)行快速轉(zhuǎn)發(fā)，不進(jìn)行隊(duì)列處理，如果在轉(zhuǎn)發(fā)此報(bào)文時(shí)，出方向接口上正在轉(zhuǎn)發(fā)其他低優(yōu)先級(jí)報(bào)文時(shí)，可對(duì)其進(jìn)行搶占，從而實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)發(fā)。具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)可參見IEEE802.1TSN（Time-SensitiveNetworking）工作組已發(fā)布的IEEE802.1Qbu幀搶占（Frame Preemption）和IEEE 802.3br散布直通流量（InterspersingExpressTraffic）技術(shù)。

通過(guò)快速分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，單節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延可降低至10μs級(jí)別。TSN技術(shù)可作為SPN實(shí)現(xiàn)快速分組轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制之一。

4 超高精度同步技術(shù)

超高精度時(shí)間同步需要采用新的時(shí)間源技術(shù)和時(shí)間傳送技術(shù)。應(yīng)對(duì)新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，還需要新型接口的同步技術(shù)，以及控制層面的同步維護(hù)管理技術(shù)，具體包括以下4種技術(shù)：

（1）超高精度的時(shí)間基準(zhǔn)源，同步精度優(yōu)于±50ns，具體可采用新型衛(wèi)星接收技術(shù)，高穩(wěn)定頻率源技術(shù)等。

（2）超高精度時(shí)間同步傳送，可采用超高精度時(shí)間戳技術(shù)，使時(shí)間戳單元的精度優(yōu)于±1ns。

（3）高精度的同步專用接口，可考慮1GE光同步接口、1PPS同步輸出接口，支持新型帶內(nèi)業(yè)務(wù)接口同步，包括FlexE接口同步和eCPRI接口同步。

（4）智能時(shí)鐘技術(shù)，為超高精度同步完的運(yùn)行維護(hù)提供支撐，核心功能包括同步網(wǎng)自動(dòng)規(guī)劃、圖形化動(dòng)態(tài)同步狀態(tài)查詢、同步配置和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析、智能故障定位、實(shí)時(shí)同步性能監(jiān)控分析等。

5 SDN集中管控技術(shù)

SDN作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一，可概括為“網(wǎng)絡(luò)集中控制、設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)/控制分離、網(wǎng)絡(luò)開放可編程”。軟件定義網(wǎng)絡(luò)采用業(yè)務(wù)應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)控制層和設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)層的三層架構(gòu)，提升5G網(wǎng)絡(luò)資源利用率、業(yè)務(wù)快速布放、業(yè)務(wù)靈活調(diào)度以及網(wǎng)絡(luò)開放可編程能力。此外，SDN控制器作為網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)具備端到端管控能力、自動(dòng)運(yùn)維及分析能力、開放運(yùn)營(yíng)能力的發(fā)展趨勢(shì)。

為適應(yīng)SPN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化，新的智能運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)需要在服務(wù)架構(gòu)、業(yè)務(wù)模型、驅(qū)動(dòng)策略、運(yùn)營(yíng)流程、可靠性安全性保障等關(guān)鍵技術(shù)做出改變。其關(guān)鍵技術(shù)包括低耦合服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化管理流程設(shè)計(jì)、端到端策略管理、統(tǒng)一開放模型設(shè)計(jì)、基于集群管理的高可靠性等。

在標(biāo)準(zhǔn)化接口方面，SPN設(shè)備和控制器將具備標(biāo)準(zhǔn)南向接口，采用BGP-LS、PCEP、Netconf協(xié)議。北向接口采用基于Netconf的統(tǒng)一接口。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從5G及專線業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)的新需求出發(fā)，提出SPN技術(shù)體系。介紹和分析SPN架構(gòu)特征和關(guān)鍵技術(shù)，轉(zhuǎn)發(fā)面三層新技術(shù)包括STL層新的光層技術(shù)，SCL層切片以太網(wǎng)技術(shù)、SPL層SR隧道技術(shù)、大網(wǎng)L3VPN技術(shù)和分組轉(zhuǎn)發(fā)層低時(shí)延技術(shù)等，此外SPN技術(shù)還包括超高精度同步技術(shù)、SDN集中管控技術(shù)，一系列新技術(shù)的融合共同構(gòu)建新一代的承載網(wǎng)技術(shù)。

從2016年年底開始，中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合華為、中興、烽火等公司，針對(duì)5G等綜合業(yè)務(wù)承載需求、SPN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入探索和論證，經(jīng)過(guò)一年多的SPN技術(shù)方案研制、系列設(shè)備開發(fā)和組網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證，表明SPN能夠滿足5G及其他城域網(wǎng)業(yè)務(wù)綜合承載的需求。