智能云網(wǎng)確定性體驗(yàn)技術(shù)研究及應(yīng)用

郝建武 張建東 張亞偉 李振

(1.華為技術(shù)有限公司數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品線，北京 100095；2.華為技術(shù)有限公司中國(guó)電信系統(tǒng)部，北京 100073)

0 引言

隨著企業(yè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)上云逐步成為趨勢(shì)，企業(yè)對(duì)承載云業(yè)務(wù)的智能云網(wǎng)提出了更高要求，其中要求提供確定性網(wǎng)絡(luò)的訴求非常迫切。企業(yè)業(yè)務(wù)上云分為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上云、信息系統(tǒng)上云、核心系統(tǒng)上云三個(gè)階段，網(wǎng)絡(luò)需求差異性顯著，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上云追求性價(jià)比，要求敏捷上云、快速開通；信息系統(tǒng)上云要求大帶寬和低時(shí)延，例如遠(yuǎn)程教育要求帶寬>400 Mbit/s/教室，VR課堂要求帶寬>50 Mbit/s/學(xué)生，時(shí)延<20 ms；而核心系統(tǒng)上云則有更嚴(yán)格的確定性指標(biāo)要求，例如工業(yè)制造中的離散自動(dòng)化控制系統(tǒng)需要時(shí)延<10 ms，抖動(dòng)<1 ms。本文首先對(duì)智能云網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析和研究，并定義了確定性網(wǎng)絡(luò)實(shí)施部署的兩個(gè)階段，然后詳細(xì)闡述了每個(gè)階段的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)，希望能夠進(jìn)一步促進(jìn)確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

1 智能云網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

運(yùn)營(yíng)商在搭建一張滿足各行各業(yè)訴求的智能云網(wǎng)時(shí)，將面臨各種挑戰(zhàn)，其中網(wǎng)絡(luò)確定性的挑戰(zhàn)尤為突出，具體如下。

1.1 確定性帶寬挑戰(zhàn)

在搭建智能云網(wǎng)時(shí)，一般將網(wǎng)絡(luò)分為云接入、云匯聚、云骨干幾個(gè)部分。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，所有用戶都同時(shí)用到最大帶寬的可能性很低，會(huì)有一定的并發(fā)度，因此從接入到匯聚再到骨干，規(guī)劃的帶寬會(huì)有一定收斂，這種方式充分利用了IP網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)復(fù)用的能力，此消彼長(zhǎng)，達(dá)到資源共享的目的，可以極大地降低建網(wǎng)成本。但是由于收斂比的存在，如果網(wǎng)絡(luò)中存在高速率、多接口進(jìn)入，低速率、單接口流出，容易造成擁塞，承諾的網(wǎng)絡(luò)帶寬將得不到保證。

1.2 確定性時(shí)延、抖動(dòng)挑戰(zhàn)

視頻類服務(wù)已經(jīng)成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)承載的最重要業(yè)務(wù)，但視頻流普遍存在突發(fā)現(xiàn)象，業(yè)務(wù)流突發(fā)是導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞的主要原因。未來(lái)，隨著XR、全息影像、元宇宙等業(yè)務(wù)的興起，網(wǎng)絡(luò)中突發(fā)、擁塞現(xiàn)象將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。

網(wǎng)絡(luò)中的路由器通過(guò)端口大緩存，可以解決擁塞丟包問(wèn)題，但報(bào)文擁塞時(shí)會(huì)進(jìn)隊(duì)列緩存，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的時(shí)延，一般路由器端口緩存時(shí)間在10 ms以上。傳統(tǒng)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求一般在100 ms以上，時(shí)延要求低，但uRLLC類業(yè)務(wù)(如電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù))，對(duì)承載網(wǎng)RTT時(shí)延要求會(huì)達(dá)到2 ms，這就要求承載網(wǎng)中不能產(chǎn)生擁塞，并要求運(yùn)營(yíng)商提供的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是確定的、可承諾的；同時(shí)，也對(duì)網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)提出了很高的要求，網(wǎng)絡(luò)提供確定的低時(shí)延，就不能出現(xiàn)突發(fā)的抖動(dòng)，尤其工業(yè)控制類信令業(yè)務(wù)對(duì)抖動(dòng)要求很高，需要承載網(wǎng)提供確定性抖動(dòng)服務(wù)。

1.3 確定性丟包挑戰(zhàn)

隨著SR等新技術(shù)的應(yīng)用，拓?fù)錈o(wú)關(guān)的無(wú)環(huán)替換路徑(Topology-Independent Loop-free Alternate，TI-LFA)、Candidate PATH等技術(shù)結(jié)合雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)(Bidirectional Forwarding Detection，BFD)快速檢測(cè)，可保證承載網(wǎng)中斷類故障50 ms內(nèi)倒換，網(wǎng)絡(luò)可靠性得到了極大的改善，保證了在出現(xiàn)故障情況時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠盡快的恢復(fù)。但當(dāng)前對(duì)于質(zhì)量類故障，如業(yè)務(wù)的零星丟包、報(bào)文的CRC誤碼等問(wèn)題，還沒(méi)有很好的技術(shù)措施。

運(yùn)營(yíng)商智能云網(wǎng)如果能夠提供確定性網(wǎng)絡(luò)能力，將會(huì)大力促進(jìn)制造、物流、運(yùn)輸、影視(AR/VR)，醫(yī)療等各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型；同時(shí)，也可以提高網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平、擴(kuò)大服務(wù)范圍、提升服務(wù)能力并形成溢價(jià)空間，成為新的收入增長(zhǎng)點(diǎn)。

從技術(shù)演進(jìn)和現(xiàn)網(wǎng)部署的成熟度分析，筆者認(rèn)為確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以大致分為兩個(gè)階段。

(1)采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的隔離和質(zhì)量保障。在此階段，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源的預(yù)留，實(shí)現(xiàn)不同類型業(yè)務(wù)之間的資源隔離，從而使得切片內(nèi)的業(yè)務(wù)不受切片外部業(yè)務(wù)的影響，提供了一定程度的網(wǎng)絡(luò)確定性；網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以滿足多數(shù)場(chǎng)景下，業(yè)務(wù)發(fā)展初期的確定性要求，但當(dāng)業(yè)務(wù)規(guī)模發(fā)展后，在同一網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng)，仍然可能出現(xiàn)業(yè)務(wù)的突發(fā)干擾，影響網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)的確定性體驗(yàn)。

(2)在網(wǎng)絡(luò)切片的基礎(chǔ)上，采用門控機(jī)制，對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行周期劃分和資源預(yù)留，保證任意業(yè)務(wù)的確定性轉(zhuǎn)發(fā)。采用門控機(jī)制后，切片內(nèi)部的業(yè)務(wù)流不再會(huì)出現(xiàn)突發(fā)而互相干擾，可以提供更有保障的確定性服務(wù)。但門控機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)部署的要求較高，還需要比較長(zhǎng)的時(shí)間逐步成熟。

2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)：智能云網(wǎng)確定性體驗(yàn)第一階段。網(wǎng)絡(luò)切片首先是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中提出的概念，是面向豐富多樣的5G業(yè)務(wù)需求提出的重要架構(gòu)創(chuàng)新，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)切片相關(guān)的技術(shù)研究主要是由3GPP主導(dǎo)。IP網(wǎng)絡(luò)切片相關(guān)的技術(shù)研究主要由IETF主導(dǎo)，包括架構(gòu)、協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)制定等。IP網(wǎng)絡(luò)切片典型應(yīng)用場(chǎng)景參見表1。

表1 IP網(wǎng)絡(luò)切片典型應(yīng)用場(chǎng)景

基于IP的網(wǎng)絡(luò)切片可以提供業(yè)務(wù)隔離、資源隔離和運(yùn)維隔離三個(gè)層次的隔離。

? 業(yè)務(wù)隔離：針對(duì)不同業(yè)務(wù)在公共網(wǎng)絡(luò)中建立不同的網(wǎng)絡(luò)切片，提供業(yè)務(wù)連接和訪問(wèn)的隔離，業(yè)務(wù)隔離可以滿足部分對(duì)服務(wù)質(zhì)量要求相對(duì)不苛刻的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)隔離需求。

? 資源隔離：資源隔離對(duì)企業(yè)工業(yè)控制類業(yè)務(wù)尤其重要，因?yàn)檫@類業(yè)務(wù)通常有著十分嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量要求，不允許任何來(lái)自其他業(yè)務(wù)的干擾。資源隔離按照隔離程度可以分為硬隔離和軟隔離。

? 運(yùn)維隔離：對(duì)于一部分網(wǎng)絡(luò)切片租戶來(lái)說(shuō)，除了需要業(yè)務(wù)隔離和資源隔離提供的能力，還要求能夠?qū)\(yùn)營(yíng)商分配的網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行獨(dú)立的管理和維護(hù)操作。

2.1 網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)一般分為管控層和設(shè)備層兩大部分，而設(shè)備層又可以分為控制平面、數(shù)據(jù)平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面。由于當(dāng)前IPv6已經(jīng)在智能云網(wǎng)等主流網(wǎng)絡(luò)中普遍應(yīng)用，本文論述的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)也以IPv6技術(shù)為基礎(chǔ)。一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)和部署流程如圖1所示。

(1)接收網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)請(qǐng)求：IP網(wǎng)絡(luò)切片控制器通過(guò)北向的業(yè)務(wù)管理接口，接收來(lái)自用戶的網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)創(chuàng)建需求，包括業(yè)務(wù)的端點(diǎn)、連接關(guān)系、帶寬、時(shí)延、隔離性以及可靠性等。

(2)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)資源切片：網(wǎng)絡(luò)資源切片可以由運(yùn)營(yíng)商根據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的規(guī)劃策略預(yù)先部署，也可以由一個(gè)或一組用戶的業(yè)務(wù)需求觸發(fā)按需創(chuàng)建。

(3)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)資源切片：基于網(wǎng)絡(luò)資源切片的規(guī)劃結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)切片控制器通知網(wǎng)絡(luò)資源切片范圍內(nèi)的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和鏈路為該網(wǎng)絡(luò)資源切片分配所需的網(wǎng)絡(luò)資源。

(4)創(chuàng)建業(yè)務(wù)切片：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片的連接和訪問(wèn)隔離需求，網(wǎng)絡(luò)切片控制器為用戶創(chuàng)建獨(dú)立的業(yè)務(wù)切片。

(5)業(yè)務(wù)切片映射到資源切片：網(wǎng)絡(luò)切片的邊緣設(shè)備需要根據(jù)運(yùn)營(yíng)商指定的切片業(yè)務(wù)映射策略，將切片業(yè)務(wù)流映射到資源切片，從而為不同的網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)提供差異化和有保證的服務(wù)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)及部署流程

2.2 網(wǎng)絡(luò)切片轉(zhuǎn)發(fā)平面技術(shù)

在網(wǎng)絡(luò)切片方案中，根據(jù)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能力，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)平面資源進(jìn)行劃分，分配給不同的切片使用，當(dāng)前一些可選的技術(shù)主要包括靈活以太網(wǎng)(Flexible Ethernet，F(xiàn)lexE)、靈活子通道(Flex-Channel)等技術(shù)。

2.2.1 FlexE技術(shù)

FlexE技術(shù)通過(guò)在IEEE 802.3的基礎(chǔ)上引入FlexE Shim層實(shí)現(xiàn)MAC與PHY層解耦，以及靈活的速率匹配(見圖2)。

圖2 FlexE技術(shù)原理

FlexE Shim把FlexE Group中的每個(gè)PHY劃分為20個(gè)時(shí)隙(Slot)的數(shù)據(jù)承載通道，其中每個(gè)Slot所對(duì)應(yīng)的帶寬為5 Gbit/s。把FlexE Client原始數(shù)據(jù)流中的以太網(wǎng)幀以Block原子數(shù)據(jù)塊(64B/66B編碼的數(shù)據(jù)塊)為單位進(jìn)行切分，這些原子數(shù)據(jù)塊通過(guò)FlexE Shim的Calendar機(jī)制實(shí)現(xiàn)在FlexE Group中的時(shí)隙映射和傳輸，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的隔離。

由于OIF標(biāo)準(zhǔn)定義的時(shí)隙粒度是5 Gbit/s，為了滿足垂直行業(yè)的應(yīng)用訴求，華為等業(yè)界廠家實(shí)現(xiàn)了1 Gbit/s的時(shí)隙粒度，5 個(gè)1 Gbit/s數(shù)據(jù)通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式占用一個(gè)FlexE標(biāo)準(zhǔn)5 Gbit/s時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)小顆粒子時(shí)隙擴(kuò)展，同時(shí)整體方案兼容FlexE 1.0/2.0標(biāo)準(zhǔn)定義的主體架構(gòu)(見圖3)。

圖3 FlexE切片實(shí)現(xiàn)原理

各個(gè)資源是按照TDM時(shí)隙劃分，嚴(yán)格隔離，滿足了資源獨(dú)享與隔離的要求。在設(shè)備內(nèi)部也嚴(yán)格按照物理口的屬性分配物理資源，每個(gè)FlexE接口都擁有獨(dú)立的轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列和Buffer，具有傳統(tǒng)以太端口的特征。

2.2.2 Flex-Channel技術(shù)

在一部分網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用中，需要一種能靈活實(shí)現(xiàn)資源切分的技術(shù)，但不希望引入額外的接口配置和管理開銷，這時(shí)可以選擇Flex-Channel技術(shù)。

Flex-Channel技術(shù)是指基于網(wǎng)絡(luò)級(jí)的HQoS機(jī)制分配獨(dú)立的隊(duì)列和帶寬資源的業(yè)務(wù)通道。通道之間帶寬嚴(yán)格隔離，通過(guò)在物理接口或FlexE接口下為網(wǎng)絡(luò)切片配置獨(dú)立的帶寬預(yù)留子通道，實(shí)現(xiàn)帶寬的靈活分配(見圖4)。Flex-Channel技術(shù)提供了一種靈活、細(xì)粒度的接口資源預(yù)留方式，使得每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片獨(dú)占帶寬和調(diào)度樹，為切片業(yè)務(wù)提供資源預(yù)留。

圖4 Flex-Channel切片實(shí)現(xiàn)原理

在網(wǎng)絡(luò)的每臺(tái)設(shè)備上都為特定業(yè)務(wù)劃分獨(dú)立的SQ資源保障，并通過(guò)E2E的切片實(shí)例將每臺(tái)設(shè)備上的預(yù)留資源貫通，實(shí)現(xiàn)端到端的業(yè)務(wù)切片。如果SQ資源是基于FlexE接口，可以形成層次化切片(片中片)；如果SQ資源是基于物理接口，可以作為細(xì)粒度的單層切片使用，切片的粒度可以控制在Mbit/s級(jí)別。

2.3 網(wǎng)絡(luò)切片數(shù)據(jù)平面技術(shù)

IP網(wǎng)絡(luò)切片將一張基礎(chǔ)IP網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，在傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)基于目的地址轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)切片資源的操作，相應(yīng)地使IP網(wǎng)絡(luò)從單一平面變?yōu)槎嗥矫婢W(wǎng)絡(luò)。這要求IP網(wǎng)絡(luò)建立基于二維數(shù)據(jù)平面標(biāo)識(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，數(shù)據(jù)報(bào)文中要同時(shí)攜帶指示拓?fù)?路徑的標(biāo)識(shí)以及指示切片資源的標(biāo)識(shí)。

為了部署網(wǎng)絡(luò)切片，需要引入網(wǎng)絡(luò)切片ID(Slice ID)的概念，用來(lái)指示數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)入哪個(gè)切片。在IPv6網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)IPv6逐跳選項(xiàng)擴(kuò)展報(bào)文頭(Hop-by-Hop，HBH)來(lái)攜帶網(wǎng)絡(luò)切片ID信息。逐跳選項(xiàng)擴(kuò)展報(bào)文頭用來(lái)攜帶需要被轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的每一跳設(shè)備去處理的信息，它的Next Header協(xié)議號(hào)為0，報(bào)文頭格式如圖5所示。

圖5 HBH報(bào)文

一個(gè)逐跳選項(xiàng)擴(kuò)展報(bào)文頭的Value區(qū)域由一系列的Option區(qū)塊構(gòu)成，使得一個(gè)逐跳選項(xiàng)擴(kuò)展報(bào)文頭可以承載多份不同種類的信息。

逐跳選項(xiàng)擴(kuò)展報(bào)文頭同樣在SRv6頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行封裝，其位置在IPv6報(bào)文頭和SRH之間，具體參見圖6。

圖6 HBH報(bào)文攜帶Slice ID

在HBH擴(kuò)展頭里，除了標(biāo)準(zhǔn)頭部，可以看到Slice ID占據(jù)32位，HBH擴(kuò)展頭字段的詳細(xì)解釋如表2所示。

表2 HBH報(bào)文攜帶Slice ID字段詳細(xì)含義

2.4 網(wǎng)絡(luò)切片控制平面技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片除了需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)平面的資源切分和引入數(shù)據(jù)平面的切片標(biāo)識(shí)之外，對(duì)控制平面也提出了新的功能要求。IP網(wǎng)絡(luò)切片的控制平面包括網(wǎng)絡(luò)切片控制器與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間運(yùn)行的集中控制協(xié)議，以及在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間運(yùn)行的分布式控制協(xié)議。

2.4.1 切片資源屬性控制協(xié)議發(fā)布

在網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備的一條物理鏈路上為不同網(wǎng)絡(luò)切片預(yù)留的帶寬資源可以通過(guò)三層子接口、二層子接口等方式呈現(xiàn)(主要應(yīng)用在FlexE類型的資源切片中，F(xiàn)lex-Channel方案通過(guò)切片實(shí)例實(shí)現(xiàn)，不需要接口實(shí)體)。在發(fā)布網(wǎng)絡(luò)切片的資源屬性時(shí)，需要IGP協(xié)議做一定的擴(kuò)展。在IPv6網(wǎng)絡(luò)中采用Slice ID模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片時(shí)，建議使用二層子接口模式，這種模式下可以減少IP地址的使用，同時(shí)降低IGP協(xié)議報(bào)文的壓力。當(dāng)使用二層子接口方式呈現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)切片的預(yù)留資源時(shí)，需要使用IGP L2 Bundle機(jī)制發(fā)布三層接口下的二層成員接口的帶寬等屬性信息。為了標(biāo)識(shí)每個(gè)二層子接口所關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)切片，需要在L2 Bundle Attribute Descriptors中新定義NRP-IDs Sub-TLV，具體參見圖7。

圖7 NRP-DI協(xié)議字段

NRP IDs Sub-TLV中可以攜帶一個(gè)或多個(gè)NRPID，用于描述一個(gè)二層子接口與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)一個(gè)二層子接口同時(shí)關(guān)聯(lián)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片時(shí)，這些網(wǎng)絡(luò)切片可以共享同一個(gè)二層子接口的帶寬以及其他的TE屬性信息。

2.4.2 切片屬性BGP-LS上送

BGP鏈路狀態(tài)協(xié)議(BGP Link-state，BGP-LS)主要用于收集網(wǎng)絡(luò)中的鏈路狀態(tài)和TE屬性信息，上送給網(wǎng)絡(luò)控制器。與傳統(tǒng)的基于IGP等協(xié)議的方式相比，BGP-LS提供了一種收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜖顟B(tài)信息的新方式，可以使信息的收集更加簡(jiǎn)單和高效。

在基于Slice ID的網(wǎng)絡(luò)切片方案中，為了將網(wǎng)絡(luò)切片的信息收集并上報(bào)給網(wǎng)絡(luò)切片控制器，需要對(duì)BGP-LS進(jìn)行相應(yīng)地?cái)U(kuò)展。由于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)聯(lián)一個(gè)邏輯拓?fù)?，且多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片可以關(guān)聯(lián)同一個(gè)邏輯拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)切片和拓?fù)?算法之間不再是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這時(shí)需要在控制平面新增網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識(shí)，并通過(guò)BGP-LS將網(wǎng)絡(luò)切片與邏輯拓?fù)?算法之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系上報(bào)給網(wǎng)絡(luò)切片控制器。

2.5 網(wǎng)絡(luò)切片方案的效果對(duì)比

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以在網(wǎng)絡(luò)中為業(yè)務(wù)提供安全隔離、確定性帶寬、低時(shí)延的服務(wù)，切片效果的核心在于轉(zhuǎn)發(fā)平面使用資源預(yù)留技術(shù)，表3給出兩種網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)效果對(duì)比。

表3 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)效果對(duì)比

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)已經(jīng)在運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)中開始商用部署，尤其在智能云網(wǎng)中，可以很好地滿足金融、政府、教育等行業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中對(duì)業(yè)務(wù)上云的安全隔離、確定性帶寬、低時(shí)延的要求；運(yùn)營(yíng)商也可以在一張物理的智能云網(wǎng)中，為不同行業(yè)提供多張行業(yè)專網(wǎng)，在減少投資的同時(shí)，為行業(yè)客戶提供更好的服務(wù)保障，獲取更大的收益。隨著整個(gè)切片網(wǎng)絡(luò)的規(guī)、建、維、優(yōu)體系的進(jìn)一步成熟，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在今后幾年會(huì)更加成熟，成為網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)的重要規(guī)范。

3 確定性IP技術(shù)

確定性IP技術(shù)(Deterministic IP，DIP)：智能云網(wǎng)確定性體驗(yàn)第二階段。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)PLC云化、工控網(wǎng)絡(luò)從局域走向廣域的演進(jìn)趨勢(shì)。工業(yè)控制PLC業(yè)務(wù)有超低時(shí)延、有界抖動(dòng)、零丟包的嚴(yán)格要求，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)出現(xiàn)的新的挑戰(zhàn)。由于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在切片間形成隔離，確保切片間的業(yè)務(wù)不會(huì)相互影響，但在切片內(nèi)還是統(tǒng)計(jì)復(fù)用的模式，如果切片內(nèi)業(yè)務(wù)存在突發(fā)，例如工業(yè)視覺中I幀突發(fā)可以達(dá)到6～10倍，這樣在切片內(nèi)可能會(huì)造成抖動(dòng)，尤其未來(lái)在廣域部署工控網(wǎng)絡(luò)時(shí)，問(wèn)題會(huì)更加突出。在這種場(chǎng)景和應(yīng)用下，需要進(jìn)一步引入確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

當(dāng)前在工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)存在一些確定性相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如TSN、DetNet等。但TSN技術(shù)主要應(yīng)用在局域的L2組網(wǎng)中，DetNet技術(shù)雖然擴(kuò)展了L3組網(wǎng)應(yīng)用，但由于技術(shù)要求非常高，需要網(wǎng)絡(luò)中嚴(yán)格的時(shí)間同步和周期對(duì)齊，在實(shí)際的廣域網(wǎng)絡(luò)中很難部署。業(yè)界提出的DIP技術(shù)，可以較理想地解決這個(gè)問(wèn)題。DIP技術(shù)在傳統(tǒng)IP的基礎(chǔ)之上引入周期轉(zhuǎn)發(fā)的思想，通過(guò)控制每個(gè)數(shù)據(jù)包在每跳的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)機(jī)來(lái)減少微突發(fā)，消除長(zhǎng)尾效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)端到端時(shí)延確定性。

在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，建議DIP技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)組合部署：先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)對(duì)不同的行業(yè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片劃分，不同行業(yè)歸屬不同的網(wǎng)絡(luò)切片；之后在行業(yè)網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)部，根據(jù)業(yè)務(wù)的訴求有針對(duì)性地部署DIP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的確定性保障(見圖8)。

圖8 網(wǎng)絡(luò)切片與DIP組合應(yīng)用

3.1 DIP關(guān)鍵技術(shù)

DIP在傳統(tǒng)IP的基礎(chǔ)之上引入周期轉(zhuǎn)發(fā)的思想，通過(guò)控制每個(gè)數(shù)據(jù)包在每跳的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)機(jī)來(lái)減少微突發(fā)，消除長(zhǎng)尾效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)端到端時(shí)延確定性。DIP技術(shù)可以保證在最差的情況下端到端時(shí)延依然有界，且最差時(shí)延與最好時(shí)延之間的差距僅為2T。在核心節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行標(biāo)簽交換和周期轉(zhuǎn)發(fā)聚合調(diào)度，解決了傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)累積問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了IP網(wǎng)絡(luò)的端到端確定性低時(shí)延和微秒級(jí)抖動(dòng)。此外，DIP技術(shù)中核心節(jié)點(diǎn)無(wú)逐流狀態(tài)，設(shè)備之間不需要精準(zhǔn)時(shí)間同步，因此具有良好的大網(wǎng)可擴(kuò)展性。

3.1.1 邊緣整形技術(shù)

邊緣整形技術(shù)在業(yè)務(wù)的頭結(jié)點(diǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，解決了一條流的多個(gè)報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)入口PE設(shè)備發(fā)出時(shí)進(jìn)入哪個(gè)門控的問(wèn)題。

如圖9所示，假定所有設(shè)備設(shè)置相同的發(fā)送周期T，例如T=10 μs，一條DIP流在一個(gè)T周期發(fā)送的字節(jié)數(shù)為：DIP預(yù)留帶寬×T周期，例如1G帶寬一個(gè)T周期字節(jié)數(shù)為：1 Gbit/s×10 μs = 1.25 kbyte，用戶流量滿足流量模型約束：?jiǎn)蝹€(gè)報(bào)文包長(zhǎng)和任意周期內(nèi)發(fā)包均小于帶寬B×T。

圖9 DIP周期發(fā)送報(bào)文

每一條流，基于業(yè)務(wù)的SLA要求，在邊緣設(shè)備對(duì)流進(jìn)行整形，具體參見圖10。

圖10 DIP邊緣整形

? 如果流的報(bào)文長(zhǎng)度超過(guò)了一個(gè)周期分配的資源，則無(wú)法入周期，會(huì)被丟棄。

? 按照整形原理，當(dāng)前門控為Q1，入口報(bào)文在從Header到Tail的隊(duì)列里面取令牌，根據(jù)取令牌的隊(duì)列打上對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，如果取不到，則丟棄。

3.1.2 門控技術(shù)

門控隊(duì)列引入能夠基于時(shí)間來(lái)打開和關(guān)閉的機(jī)制，只有當(dāng)門打開時(shí)隊(duì)列才能被調(diào)度。DIP門控隊(duì)列和普通門控隊(duì)列間采用SP調(diào)度，DIP門控隊(duì)列未使用的時(shí)間片，可以給普通門控隊(duì)列復(fù)用，提升帶寬利用率(見圖11)。

圖11 DIP門控技術(shù)

門控隊(duì)列分為DIP門控隊(duì)列和普通報(bào)文門控隊(duì)列。

? DIP門控隊(duì)列：基于時(shí)間控制開關(guān)，流量不區(qū)分優(yōu)先級(jí)，沒(méi)有QoS調(diào)度。

? 普通報(bào)文門控隊(duì)列：不進(jìn)行時(shí)間控制，常開，可以有QoS調(diào)度。

3.1.3 周期映射技術(shù)

DIP的周期映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)間發(fā)送周期的自動(dòng)學(xué)習(xí)，周期能夠固定映射，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)延固定、抖動(dòng)固定，是DIP技術(shù)體系的核心創(chuàng)新技術(shù)。

在圖12的組網(wǎng)中，業(yè)務(wù)從R1～R2，對(duì)如何實(shí)現(xiàn)周期自動(dòng)學(xué)習(xí)進(jìn)行介紹。

所有設(shè)備部署時(shí)鐘同步，同時(shí)設(shè)備所有接口門控隊(duì)列開啟基準(zhǔn)時(shí)間(S)一致，設(shè)備之間發(fā)送DIP周期映射報(bào)文，自動(dòng)學(xué)習(xí)兩個(gè)設(shè)備之間的周期映射關(guān)系。假定DIP門控需要5個(gè)隊(duì)列，計(jì)算過(guò)程如下。

(1)標(biāo)簽映射計(jì)算過(guò)程

?t0：上游設(shè)備T1周期首包第一bit到達(dá)本設(shè)備入口時(shí)間。

?t1：同一周期報(bào)文到達(dá)本設(shè)備出口的最晚時(shí)間。

? 計(jì)算t1=t0+T+Lmax。

? 計(jì)算t1時(shí)刻后R2出接口的第一個(gè)完整周期B，B=((t1-S)/T+1) mod 5。

? 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間周期的差值delta = (B-A+5) mod 5。A是上一節(jié)點(diǎn)的周期號(hào)。

(2)P節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延

? 最好情況:L+T+Lmax。

? 最差情況:L+ 2T+Lmax。

?L為鏈路時(shí)延，Lmax是設(shè)備內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

按照這個(gè)原理，報(bào)文在首跳進(jìn)入一個(gè)周期后，后續(xù)各跳的對(duì)應(yīng)周期就已經(jīng)確定了(無(wú)論該節(jié)點(diǎn)屬于最好情況，還是最差情況)，這樣端到端時(shí)延是確定的。

圖12 DIP周期映射

(3)端到端的抖動(dòng)

在中間P節(jié)點(diǎn)的周期確定后，時(shí)延已經(jīng)確定，DIP業(yè)務(wù)的抖動(dòng)只會(huì)發(fā)生在首尾兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上，業(yè)務(wù)在同一周期內(nèi)是在周期初始發(fā)送還是周期末尾發(fā)送，首尾節(jié)點(diǎn)最大存在2T時(shí)間的抖動(dòng)(見圖13)。

圖13 DIP抖動(dòng)

3.1.4 顯示路徑規(guī)劃技術(shù)

對(duì)于諸如工業(yè)控制類的業(yè)務(wù)，在使用DIP技術(shù)時(shí)，還需要明確業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)上的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，這樣才能真正地做到確定性時(shí)延(見圖14)。因此，DIP技術(shù)需要集中控制器來(lái)進(jìn)行路徑的計(jì)算和部署。

? 網(wǎng)絡(luò)控制器需要獲取網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備信息、設(shè)備連接方式、支持確定性IP轉(zhuǎn)發(fā)能力的接口和支持確定性 IP 轉(zhuǎn)發(fā)的帶寬能力。

? 一條DIP業(yè)務(wù)流接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)控制器需明確這條流的網(wǎng)絡(luò)入口、網(wǎng)絡(luò)出口、速率、突發(fā)度、時(shí)延抖動(dòng)等要求。

? 網(wǎng)絡(luò)控制器計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中是否存在一條路徑，經(jīng)過(guò)這條路徑的各設(shè)備出接口的剩余確定性帶寬滿足要求，且這條路徑端到端的時(shí)延和抖動(dòng)也滿足要求。如果存在此路徑，則允許這條流接入網(wǎng)絡(luò)，并占用對(duì)應(yīng)資源。

? 網(wǎng)絡(luò)控制器下發(fā)流識(shí)別信息、整形信息、SRv6顯式路徑信息到網(wǎng)絡(luò)入口轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。

? DIP業(yè)務(wù)流進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，按照規(guī)劃的顯式路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。端到端轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)就可以滿足此流的要求。

圖14 DIP路徑規(guī)劃

3.2 DIP技術(shù)的試驗(yàn)情況

DIP技術(shù)在一些應(yīng)用場(chǎng)景中已經(jīng)進(jìn)入了測(cè)試驗(yàn)證和小規(guī)模試商用的階段。

如圖15所示，在跨越不同城市的實(shí)驗(yàn)室，部署工業(yè)控制系統(tǒng)，同時(shí)構(gòu)造背景流量，通過(guò)DIP技術(shù)驗(yàn)證是否滿足PLC業(yè)務(wù)訴求。

圖15 DIP驗(yàn)證環(huán)境

經(jīng)過(guò)多輪測(cè)試，無(wú)論單DIP業(yè)務(wù)流還是多DIP業(yè)務(wù)流，分別在無(wú)背景流和有背景流的環(huán)境下，都能保證穩(wěn)定的抖動(dòng)，抖動(dòng)最大不超過(guò)15 μs，達(dá)成了確定性的時(shí)延效果，而普通背景流抖動(dòng)超過(guò)2 800 μs(見表4)。

表4 DIP測(cè)試效果

4 結(jié)束語(yǔ)

確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是下一代網(wǎng)絡(luò)通信體系的發(fā)展方向之一，也是網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和服務(wù)業(yè)強(qiáng)國(guó)的重要推動(dòng)力。形成以IPv6+為基礎(chǔ)的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)格局對(duì)千行百業(yè)朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向進(jìn)一步邁進(jìn)具有重要意義。當(dāng)前確定性網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)還需在規(guī)模商用的基礎(chǔ)上進(jìn)一步打磨、完善，而DIP技術(shù)在規(guī)格、性能以及多業(yè)務(wù)路徑的保護(hù)倒換、雙發(fā)選收等領(lǐng)域還需要進(jìn)一步研究和創(chuàng)新。確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上的持續(xù)創(chuàng)新，一定會(huì)在更多行業(yè)、更多場(chǎng)景、更多業(yè)務(wù)上發(fā)揮價(jià)值，為千行百業(yè)輸送數(shù)字動(dòng)能。