基于SPN的專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)承載方案

賀政 李勇 王迎春 瞿少凱 李鑫 王冬冰 劉冬梅

【摘? 要】5G時(shí)代，垂直行業(yè)專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)是一片尚待開(kāi)發(fā)的藍(lán)海，是未來(lái)運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)來(lái)源的新引擎，但現(xiàn)網(wǎng)PTN只能提供業(yè)務(wù)間的軟隔離，無(wú)法滿(mǎn)足uRLLC場(chǎng)景的業(yè)務(wù)承載需求。首先描述了現(xiàn)有承載技術(shù)難以滿(mǎn)足低時(shí)延、高可靠業(yè)務(wù)需求的現(xiàn)狀，然后分別對(duì)普通分組、確定性分組，以及Sub-5G三種承載方案進(jìn)行了對(duì)比，在時(shí)延抖動(dòng)、帶寬靈活性、業(yè)務(wù)數(shù)量、標(biāo)準(zhǔn)成熟度等方面進(jìn)行了分析，最后得出結(jié)論：切片技術(shù)能夠?yàn)閷?zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)提供質(zhì)量保障，其中TSN技術(shù)可以作為切片內(nèi)軟隔離的技術(shù)使用。

【關(guān)鍵詞】SPN;專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù);切片

In 5G era， private-line services for vertical industry are a blue ocean to be developed and a new engine for telecom operators' future profit sources. However， current PTN network can only provide soft isolation and cannot meet the requirements of service bearing in URLLC scenarios. This paper first describes the current situation that the existing bearer technology is difficult to meet the needs of low delay and high reliability services， then compares the three bearer solutions of common packet， deterministic packet and Sub-5G， respectively， and analyzes the corresponding delay jitter， bandwidth flexibility， the number of services， and standardized maturity. Finally， it is concluded that the slicing technology can provide quality guarantee for private-line services， where TSN technology is used as soft isolation technology in the slice.

SPN; private service; slice

1? ?專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的要求

5G網(wǎng)絡(luò)面向萬(wàn)物互聯(lián)，除了增強(qiáng)移動(dòng)寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)（eMBB）外，也引入了高可靠低時(shí)延通信（URLLC）。URLLC業(yè)務(wù)覆蓋了智能電網(wǎng)、智能工廠(chǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景，是垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵需求。URLLC業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、抖動(dòng)、丟包有嚴(yán)格要求，但是這些性能要求在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IP）/多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)（MPLS）上難以真正滿(mǎn)足，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)采用盡力而為的統(tǒng)計(jì)復(fù)用服務(wù)模型，通過(guò)傳輸控制協(xié)議（TCP）提供可靠應(yīng)用的連接，但TCP協(xié)議會(huì)影響時(shí)延，TCP的滑動(dòng)窗口擁塞控制機(jī)制會(huì)引起業(yè)務(wù)突發(fā)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞和時(shí)延抖動(dòng)，難以提供確定性時(shí)延和低時(shí)延[1-2]。

URLLC的垂直行業(yè)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)有嚴(yán)格的低時(shí)延、低抖動(dòng)、低丟包率和高可靠性的承載需求。如表1所示，3GPP TS 22.261標(biāo)準(zhǔn)定義了URLLC類(lèi)業(yè)務(wù)各種場(chǎng)景下端到端時(shí)延、抖動(dòng)、可靠性、帶寬、流量密度等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能。

如何實(shí)現(xiàn)低時(shí)延高可靠的確定性網(wǎng)絡(luò)，是5G承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)。

2? ? SPN專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)承載方案研究

（1）普通分組+5G時(shí)隙顆粒方案

如圖1所示，這種方案是普通分組報(bào)文承載在標(biāo)準(zhǔn)的MTN端口上，同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò)級(jí)的FlexE交叉能力，該方案標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成熟。

該方案基于SPN（Slicing Packet Network，切片分組網(wǎng)）的網(wǎng)絡(luò)切片，將一張物理網(wǎng)絡(luò)切為多張邏輯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)多用。具體來(lái)講，不同的切片需要在MTN接口上創(chuàng)建不同Client接口，網(wǎng)絡(luò)中MTN接口就變成了多個(gè)切片管道，并且每個(gè)管道可以配置其承載的業(yè)務(wù)類(lèi)型屬性。在業(yè)務(wù)創(chuàng)建時(shí)，通過(guò)指定業(yè)務(wù)的相關(guān)屬性，網(wǎng)管/控制器自動(dòng)把業(yè)務(wù)的路徑建立到對(duì)應(yīng)的切片管道上，實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型業(yè)務(wù)在不同管道上的隔離承載。

（2）確定性轉(zhuǎn)發(fā)+5G時(shí)隙顆粒方案

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)的傳送技術(shù)有兩類(lèi)，一種是L1層時(shí)分復(fù)用（TDM）模式的管道技術(shù)，另一種是L2/L3層時(shí)延敏感（TSN）分組管道技術(shù)。

傳統(tǒng)的L1層管道技術(shù)類(lèi)似同步數(shù)字體系（SDH）/光傳送網(wǎng)（OTN），采用TDM復(fù)用機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了適應(yīng)IP業(yè)務(wù)的低成本、扁平化建網(wǎng)需求，近期在國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局（ITU-T）立項(xiàng)的G.mtn標(biāo)準(zhǔn)引入了以太網(wǎng)物理編碼子層（PCS層）的L1層管道技術(shù)，PCS層的L1層管道采用FlexE Shim層的時(shí)隙作為業(yè)務(wù)映射的容器，最小時(shí)隙為5 Gbit/s。這些技術(shù)都基于固定容器來(lái)承載業(yè)務(wù)，只能滿(mǎn)足容器本身點(diǎn)到點(diǎn)的確定性能，受限于容器大小，管道無(wú)法滿(mǎn)足分組業(yè)務(wù)靈活顆粒的要求，尤其是小顆粒要求。

TSN是IEEE 802.1制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)，是以L(fǎng)2層以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，滿(mǎn)足L2層時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的新一代以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。除了滿(mǎn)足傳統(tǒng)音頻和視頻業(yè)務(wù)的確定性質(zhì)量外，重點(diǎn)滿(mǎn)足面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)應(yīng)用的需求。與L1層管道技術(shù)不同，L2層TSN技術(shù)基于以太網(wǎng)分組轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)，為了滿(mǎn)足L2/L3業(yè)務(wù)的確定性能，針對(duì)每條L2/L3業(yè)務(wù)流維護(hù)每流的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，從流量特征、流量監(jiān)管、隊(duì)列管理到業(yè)務(wù)調(diào)度等分組業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的各流程保證每條業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)性能，滿(mǎn)足每條業(yè)務(wù)靈活顆粒的要求。與L1層管道技術(shù)相比，TSN技術(shù)滿(mǎn)足業(yè)務(wù)確定性能具備如下優(yōu)勢(shì)：

1）解決業(yè)務(wù)確定性能的根本問(wèn)題。TSN技術(shù)基于分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，在L2/L3分組層保證業(yè)務(wù)性能，從根本上解決了每條業(yè)務(wù)性能保證的問(wèn)題。

2）適應(yīng)業(yè)務(wù)靈活帶寬顆粒的要求。TSN技術(shù)基于分組業(yè)務(wù)特征維護(hù)每條業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，能適應(yīng)業(yè)務(wù)靈活帶寬顆粒的要求，提升了轉(zhuǎn)發(fā)效率。

3）滿(mǎn)足不同類(lèi)型業(yè)務(wù)和并發(fā)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)要求。TSN技術(shù)通過(guò)業(yè)務(wù)識(shí)別、隊(duì)列和調(diào)度等技術(shù)支持不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)和并發(fā)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)性能，滿(mǎn)足多業(yè)務(wù)承載的性能要求。

TSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE在2018年底基本標(biāo)準(zhǔn)化，在局域網(wǎng)中逐步得到應(yīng)用;IETF針對(duì)IP/MPLS封裝和操作維護(hù)管理（OAM）部分正在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。如圖2所示，TSN技術(shù)在城域網(wǎng)中可以在L2/L3層提供每業(yè)務(wù)確定性能，并和L1管道技術(shù)有機(jī)結(jié)合更好地滿(mǎn)足小顆粒垂直行業(yè)應(yīng)用的需求。但TSN技術(shù)目前應(yīng)用到城域網(wǎng)仍有部分局限性。TSN確定性調(diào)度目前基于時(shí)間進(jìn)行調(diào)度，端到端性能保證均要求部署時(shí)間同步，不要求部署時(shí)間同步的確定性調(diào)度技術(shù)仍在研究中。TSN基于時(shí)間的調(diào)度在局域網(wǎng)中應(yīng)用忽略鏈路時(shí)延，但是在城域網(wǎng)中鏈路時(shí)延不能忽略，這樣給基于時(shí)間的調(diào)度機(jī)制增加了復(fù)雜性和額外的因素。TSN還有一些其它局限性待研究和解決。

TSN作為L(zhǎng)2/L3層靈活顆粒確定性業(yè)務(wù)承載技術(shù)，當(dāng)前適合作為小規(guī)模確定性業(yè)務(wù)層承載技術(shù)應(yīng)用到城域網(wǎng)中，該技術(shù)與管道層技術(shù)可以有機(jī)結(jié)合，滿(mǎn)足面向5G靈活顆粒確定性業(yè)務(wù)承載需求和靈活切片的需求。在SPN網(wǎng)絡(luò)中，管道層技術(shù)提供基于5G顆粒的網(wǎng)絡(luò)靈活確定性連接，而TSN技術(shù)提供靈活小顆粒確定性業(yè)務(wù)承載，是后續(xù)確定性業(yè)務(wù)承載技術(shù)的發(fā)展方向。

綜合來(lái)講，SPN切片以太網(wǎng)架構(gòu)主要在L1和L2層進(jìn)行實(shí)施，L1層架構(gòu)發(fā)展為G.mtn，L2層架構(gòu)則可以考慮TSN方向。SPN提出TDM和分組技術(shù)融合的技術(shù)理念，TSN技術(shù)在傳統(tǒng)MAC層融合了TDM的思路;SPN可在TSN基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)確定性業(yè)務(wù)的解決方案。圖3是一種實(shí)現(xiàn)方式：

該方案采用Cell硬切片+SubPort機(jī)制，實(shí)現(xiàn)資源隔離和任意顆粒的業(yè)務(wù)切片，可保證電路級(jí)的帶寬、時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)，可以用于FlexE接口和普通10GE以太網(wǎng)組網(wǎng)，與FlexE標(biāo)準(zhǔn)兼容。

（3）Sub-5G時(shí)隙顆粒方案

SPN小顆粒（<5G）切片技術(shù)在業(yè)界還沒(méi)有成熟的解決方案，目前有兩種可能的方式：?jiǎn)渭?jí)復(fù)用和多級(jí)復(fù)用。

1）單級(jí)復(fù)用方案

在時(shí)延、封裝效率、實(shí)現(xiàn)代價(jià)等方面，單級(jí)復(fù)用方案有一定優(yōu)勢(shì);

目前該方案沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，GE顆粒不支持穿通中間僅支持5G顆粒的網(wǎng)絡(luò)，需進(jìn)行FlexE管道終結(jié)，后續(xù)需要完善端到端的解決方案。

2）多級(jí)復(fù)用方案

可兼容5G顆粒，GE顆粒可穿通中間支持5G顆粒的網(wǎng)絡(luò)，支持端到端的解決方案;

低階開(kāi)銷(xiāo)定義：需要增加低階開(kāi)銷(xiāo)，需要重新定義;

帶寬效率降低：由于復(fù)接封裝增加了低階OH，導(dǎo)致帶寬膨脹，5G slot無(wú)法復(fù)用5個(gè)GE;

時(shí)延增加：P節(jié)點(diǎn)需要做低階交叉時(shí)，需要解出所有低階client，每站點(diǎn)復(fù)用解復(fù)用會(huì)引入較大邏輯資源，增加節(jié)點(diǎn)時(shí)延。

Sub-5G時(shí)隙顆粒目前尚處于研究初期，后續(xù)需要考慮標(biāo)準(zhǔn)化的可行性。

3? ?方案對(duì)比

如表2所示，通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，目前普通分組方案較為成熟，但在同一個(gè)切片時(shí)隙內(nèi)，業(yè)務(wù)之間采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用的方式進(jìn)行承載，時(shí)延、抖動(dòng)等方面表現(xiàn)較差。確定性轉(zhuǎn)發(fā)方案由于采用了TSN技術(shù)，業(yè)務(wù)承載質(zhì)量方面較好，但增加了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，并且存在全網(wǎng)時(shí)間同步的問(wèn)題，比較適合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)。Sub-5G方案秉承了G.MTN的發(fā)展理念，采用小于5G顆粒的硬管道來(lái)承載專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)，承載質(zhì)量較好，但目前業(yè)界尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而且切片顆粒度仍然較大，可以承載的業(yè)務(wù)數(shù)量有限。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

SPN切片技術(shù)通過(guò)提供硬隔離管道，能夠?yàn)閷?zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)提供確定性的質(zhì)量保障。目前基于SPN的專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)承載方案各有優(yōu)缺，結(jié)合本文的分析結(jié)論，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)當(dāng)秉承G.MTN硬隔離的理念持續(xù)演進(jìn)，TSN技術(shù)可以作為切片內(nèi)軟隔離技術(shù)使用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]? ? 趙福川，溫建中. 5G回傳的分組切片網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 中興通訊技術(shù)， 2018，24（4）： 2-7.