面向“新基建”業(yè)務(wù)的OTN網(wǎng)絡(luò)時延優(yōu)化方案及實踐

曹飛 孟超 陸源 張立明

1.烽火通信科技股份有限公司；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司山東省分公司；3.山東省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司

0 引言

新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（簡稱 ：新基建），主要包括5G網(wǎng)絡(luò)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，涉及諸多產(chǎn)業(yè)鏈，是以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展需要，提供數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新等服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施體系。新時期運營商的發(fā)展與新基建領(lǐng)域業(yè)務(wù)是息息相關(guān)的，其中4K/8K高清視頻+VR、5G業(yè)務(wù)、政企專線、DC接入/DC互聯(lián)四類創(chuàng)新業(yè)務(wù)將是未來運營商城域業(yè)務(wù)的發(fā)展焦點，而大帶寬、低時延是5G和云時代業(yè)務(wù)的共性需求，也是大部分新基建領(lǐng)域業(yè)務(wù)的共性需求。

無論是大帶寬還是低時延，基于波長復(fù)用的OTN光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都顯示了巨大的承載優(yōu)勢。大帶寬方面，單波100G OTN網(wǎng)絡(luò)已廣泛應(yīng)用在干線網(wǎng)絡(luò)和本地網(wǎng)絡(luò)的核心匯聚層，未來將向單波200G/400G等超100G演進(jìn)。低時延方面，由于OTN網(wǎng)絡(luò)支持設(shè)備處理信息的層級位于最底層的L0和L1層，時延接近物理極限，因此OTN網(wǎng)絡(luò)是打造未來低時延網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。在時延優(yōu)化方面，目前現(xiàn)網(wǎng)已部署的OTN系統(tǒng)還面臨著一些問題：（1）組網(wǎng)架構(gòu)多為環(huán)網(wǎng)，業(yè)務(wù)穿通節(jié)點多，增加了網(wǎng)絡(luò)整體時延；（2）背靠背堆疊設(shè)備實現(xiàn)跨層互聯(lián)從而影響時延；（3）設(shè)備器件存在優(yōu)化空間，如FEC、OTN封裝方式等。

本文從新基建業(yè)務(wù)需求角度出發(fā)，重點分析時延方面的需求挑戰(zhàn)，針對OTN網(wǎng)絡(luò)制定網(wǎng)絡(luò)時延優(yōu)化的具體方案，通過ROADM/OXC等技術(shù)減少網(wǎng)絡(luò)層級，結(jié)合OTN一體化網(wǎng)絡(luò)部署實現(xiàn)架構(gòu)優(yōu)化，并通過部分案例分析優(yōu)化效果。

1 新基建業(yè)務(wù)對傳送網(wǎng)需求的挑戰(zhàn)

1.1 新基建業(yè)務(wù)需求分析

“新基建”與傳送網(wǎng)專業(yè)強關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域主要是5G網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心，衍生領(lǐng)域包含工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等，主要特征是需要傳送網(wǎng)提供大帶寬、低時延、敏捷、安全的傳輸通道。新基建傳送網(wǎng)需求分析如表1。根據(jù)表1分析，5G網(wǎng)絡(luò)、DC互聯(lián)、高品質(zhì)價值政企專線和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等均提出了低時延特性需求，尤其是面向黨政軍和金融類的高品質(zhì)專線訴求更加明顯。

表1 “新基建”領(lǐng)域的傳送網(wǎng)訴求分析

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1.2 時延挑戰(zhàn)分析

超低時延的實現(xiàn)需要一系列技術(shù)有機結(jié)合，系統(tǒng)設(shè)計中如傳輸速率、時延、可靠性等性能指標(biāo)之間常常存在著一定程度的此消彼長、相互權(quán)衡的關(guān)系，一個維度的優(yōu)化往往會導(dǎo)致另一個維度性能的退化。因此需要針對業(yè)務(wù)類型，合理權(quán)衡與協(xié)調(diào)時延與其他性能指標(biāo)實現(xiàn)之間的關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)面臨的時延挑戰(zhàn)主要分為以下幾個方面：

挑戰(zhàn)一：5G低時延需求

5G低時延是為實現(xiàn)eMBB移動寬帶增強、mMTC大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、uRLLC超高可靠超低時延的能力而提出的。ITU、IMT-2020推進(jìn)組等國內(nèi)外5G研究組織機構(gòu)均對5G提出了毫秒級的端到端時延要求，理想情況下端到端時延為1ms，典型端到端時延為5-10ms左右。我們目前使用的4G網(wǎng)絡(luò)，端到端理想時延是10ms左右，LTE的端到端典型時延是50-100ms，這意味著5G將端到端時延縮短為4G的十分之一。5G網(wǎng)絡(luò)的時延主要有3段，空口接入時延約占25%，承載網(wǎng)時延約占25%，核心網(wǎng)時延約占55%。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中提出全光網(wǎng)實現(xiàn)低時延的重要支撐，新型的多址技術(shù)以節(jié)省調(diào)度開銷，同時基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片并采用FlexE技術(shù)使業(yè)務(wù)流以最短、最快的路由到達(dá)目的用戶。

挑戰(zhàn)二：熱備、多活數(shù)據(jù)庫要求極低時延

根據(jù)數(shù)據(jù)讀寫時延分布，讀寫效率提出了苛刻的時延要求，以O(shè)racle為例，在10ms時延下，數(shù)據(jù)庫IO性能基本可以保證，滿足多活等高可靠要求。數(shù)據(jù)庫時延分段包含了服務(wù)器應(yīng)用時延、設(shè)備時延和光纖時延。SCSI一次寫需要兩次指令，寫指令和數(shù)據(jù)發(fā)送，一次IO需要2倍的RTT時間，只有在端到端業(yè)務(wù)時延10ms下，數(shù)據(jù)庫集群讀寫效率才能保證。保證E2E時延＜兩端應(yīng)用時延+兩端設(shè)備時延×2+光纖時延×2。網(wǎng)絡(luò)時延的降低，可以成倍（2次RTT）減少E2E應(yīng)用讀寫時延，提升數(shù)據(jù)庫讀寫效率，獲得更大收益。

挑戰(zhàn)三：新型時延敏感業(yè)務(wù)使傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)面臨巨大挑戰(zhàn)

分布式數(shù)據(jù)中心等東西向業(yè)務(wù)以及VR、工業(yè)控制、車聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)務(wù)類型，提出ms級時延要求，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)難以滿足，而金融實時交易業(yè)務(wù)驅(qū)動對更低時延的“極致追求”。根據(jù)《撮合交易原則》，證券期貨交易，以價格優(yōu)先、時間優(yōu)先為交易原則，證券公司對運營商政企專線網(wǎng)絡(luò)提出了μs級別需求，且傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無法滿足云資源快速響應(yīng)和靈活調(diào)度的需求，云網(wǎng)協(xié)同業(yè)務(wù)客戶期望值當(dāng)前是天級開通（小于3天），未來降至分鐘級。新型時延敏感業(yè)務(wù)的苛刻時延要求使得各運營商均建設(shè)了基于OTN技術(shù)的政企精品專網(wǎng)來滿足客戶訴求。新型時延敏感型業(yè)務(wù)時延需求詳見圖1所示。挑戰(zhàn)四：OTT提供高質(zhì)量專線，威脅運營商專線市場

圖1 新型時延敏感業(yè)務(wù)時延需求

當(dāng)前部分OTT專線采用了自建骨干網(wǎng)模式，即在接入部分，企業(yè)通過運營商的城域鏈路接入到OTT的就近POP點。在骨干部分，OTT在城域POP點把企業(yè)專線調(diào)度到自身的骨干網(wǎng)，以提供企業(yè)長途專線服務(wù)。運營商城域部分通常QoS較好，OTT骨干側(cè)QoS好，因此可提供端到端的良好業(yè)務(wù)體驗。由此運營商的壓力和挑戰(zhàn)凸顯，運營商較好的為OTT專線解決了“最后一公里”問題，但是自身的鏈路被旁路，無法為企業(yè)帶來明顯效益。應(yīng)對OTT自身骨干專線模式，運營商需要建設(shè)一體化OTN政企精品網(wǎng)，以提高差異化競爭能力（大帶寬、低時延、智能管控等），同時以優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)和單GB建設(shè)成本等優(yōu)勢來應(yīng)對市場競爭。

2 OTN網(wǎng)絡(luò)時延優(yōu)化方案

2.1 OTN網(wǎng)絡(luò)時延分析

（1）網(wǎng)絡(luò)時延構(gòu)成

一般網(wǎng)絡(luò)時延由傳播時延（Propagation Delay）、傳輸時延（Transmission Delay）、處理時延（Processing delay）、調(diào)度時延（Queuing Delay）構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 新型時延敏感業(yè)務(wù)時延需求

傳播時延是指信號在傳輸介質(zhì)中傳播所花費的時間，與傳播速度、通信距離有關(guān)。對于光傳送網(wǎng)OTN來說，傳輸介質(zhì)即是光纖，單向時延為5μs/km。傳輸時延是指站點發(fā)送或接收一個數(shù)據(jù)幀需要的時間，與數(shù)據(jù)幀長、鏈路速率相關(guān)，對于100G OTN傳輸系統(tǒng)來說，OTU4幀周期為1.168μs，在采用高速接口設(shè)備時傳輸時延在網(wǎng)絡(luò)時延中占比較低。處理時延是指數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)花費的時間，包括頭部處理、差錯校驗、路由表查找等，取決于節(jié)點的處理能力和數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。調(diào)度時延是指數(shù)據(jù)在輸入和輸出緩沖區(qū)排隊花費的時間，與網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況、隊列調(diào)度機制相關(guān)。比如分組網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用Qos策略，可保證高質(zhì)量業(yè)務(wù)的低時延要求。

網(wǎng)絡(luò)時延影響的大小與網(wǎng)絡(luò)工作層級呈正比關(guān)系，即工作層級越低，時延越小。交換機和路由器的處理時延一般為1ms-10ms，而OTN網(wǎng)絡(luò)工作在OSI七層協(xié)議模型的L0/L1層，節(jié)點時延可達(dá)μs級別，LO層的光器件則可達(dá)ns級別。如表2所示。

表2 OSI對應(yīng)網(wǎng)元時延

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（2）OTN時延測量

根據(jù)G.709關(guān)于時延測量的定義，OTN通過下插PM/TCM層的開銷實現(xiàn)時延測量。如圖3所示，時延測試發(fā)起端進(jìn)行業(yè)務(wù)封裝的同時在ODUk開銷中打上時間戳，同時啟動計時器；時間戳隨著業(yè)務(wù)傳遞到時延測試終結(jié)端環(huán)回，反向傳輸給發(fā)起端；發(fā)起端接收到反向傳輸回來的時間戳，與計時器進(jìn)行比較即可得到雙向時延；考慮到OTN電路的雙向?qū)ΨQ性和路由一致性特點，往返時延的一半即可認(rèn)為是單向傳輸時延，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)高精度端到端時延的監(jiān)控測試。

圖3 OTN網(wǎng)絡(luò)時延測量原理

2.2 OTN網(wǎng)絡(luò)時延優(yōu)化方案

OTN網(wǎng)絡(luò)時延優(yōu)化方案與影響OTN網(wǎng)絡(luò)時延的要素息息相關(guān)，歸納為以下幾點：

（1）時延影響關(guān)鍵要素：光纖、DCM補償光纖、組網(wǎng)架構(gòu)（減少背靠背節(jié)點串接）。

優(yōu)化方案：光層時延主要取決于光層的物理傳輸路徑，受物理光速限制，一般通過減少信號傳輸距離來降低時延，包含選擇直達(dá)路由、減少跳接、通過合理的局站設(shè)置減少引接距離等，此外還可以通過電域補償色散代替色散補償光纖的使用（單波100G以上系統(tǒng)已經(jīng)考慮）。

如圖4所示，組網(wǎng)架構(gòu)方面，重點地市城域核心匹配DC節(jié)點啟用ROADM/OXC實現(xiàn)MESH化演進(jìn)，節(jié)點間通過ROADM一跳直達(dá)，時延最優(yōu)。傳統(tǒng)OTN網(wǎng)絡(luò)采取環(huán)網(wǎng)模式組建城域OTN網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)需要經(jīng)過逐層轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致業(yè)務(wù)路徑長，不僅耗費大量中間站點的傳送資源，還增加整體網(wǎng)絡(luò)時延。城域重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的核心層采取MESH化組網(wǎng)架構(gòu)，任意兩點間通過直達(dá)光纖實現(xiàn)時延優(yōu)化，匯聚層每個節(jié)點配置ROADM或OXC實現(xiàn)業(yè)務(wù)的直達(dá)穿通，實現(xiàn)一跳直達(dá)核心節(jié)點，進(jìn)一步降低時延。

如圖5所示，跨域?qū)臃矫?，省干和本地網(wǎng)對接采用集群共電架或NNI對接取代傳統(tǒng)的背靠背UNI方式。傳統(tǒng)跨域互通模式采取的是UNI模式，不同層級的設(shè)備背靠背堆疊，配置支路板對接，業(yè)務(wù)需要經(jīng)過“線路板-支路板-支路板-線路板”上下電層處理；優(yōu)化后，如采取NNI模式，不同層級的設(shè)備通過“線路板-線路板”對接，減少了節(jié)點板卡處理時延；如采取集群模式，2個層級的2端設(shè)備簡化為1端設(shè)備，進(jìn)一步減少了電層處理時延。

圖4 OTN組網(wǎng)架構(gòu)優(yōu)化方案（環(huán)網(wǎng)-MESH）

圖5 OTN省本對接優(yōu)化方案（傳統(tǒng)UNI-集群/NNI）

（2）時延影響次要因素：AFEC/FEC、OTN封裝方式。

優(yōu)化方案：AFEC/FEC是光纖之外影響時延的最主要因素，F(xiàn)EC Buffer緩存有效負(fù)荷和糾錯模塊，引入了時延；AFEC還緩存了編碼間的糾錯開銷，再次引入時延，多級AFEC在獲得更高增益的同時，進(jìn)一步加深了FIFO的深度。FEC影響級別20μs左右，AFEC影響級別100μs左右。針對FEC降低時延的具體建議如下：1）系統(tǒng)仿真時提升OSNR余量，減少長跨，減少FEC/AFEC的使用或盡量減少多級編碼層級以降低時延。2）根據(jù)應(yīng)用場景靈活配置FEC糾錯能力，在滿足系統(tǒng)誤碼要求的情況下，配置時延最小的FEC算法，而非糾錯能力最強的FEC算法。3）通過FEC算法優(yōu)化，進(jìn)一步降低時延。

OTN封裝，以典型的GE封裝為例，時延大小為TTT+GMP＜GFP-T＜GFP-F。GFP-T方式是填充IDLE幀后，將GFP幀映射到OPU0開銷中，緩沖數(shù)據(jù)多。GMP通過sigma-delta算法將客戶業(yè)務(wù)均勻裝載到OPU開銷中。同樣映射到ODU0顆粒，TTT+GMP封裝時延更小。因此建議在業(yè)務(wù)封裝方面，優(yōu)選低時延封裝模式（如GMP）來降低時延。

綜上所述，OTN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案主要從組網(wǎng)方式、設(shè)備器件及光纖路徑等方面降低時延，基本舉措包含網(wǎng)絡(luò)扁平化、減少網(wǎng)絡(luò)層級，以及光纖優(yōu)化等，可以解決時延構(gòu)成的90%以上。此外，額外舉措包含優(yōu)化FEC性能、采用相干通信減少DCF影響等，可以解決時延構(gòu)成的10%左右。

圖6 OTN優(yōu)化方案總結(jié)

2.3 案例分析

（1）沿“黃河軸線”一體化業(yè)務(wù)時延優(yōu)化

黃河軸線JN-QH-DZ新舊動能轉(zhuǎn)換區(qū)一體化，適應(yīng)中心城市“圈層式”一體化趨勢，滿足主要經(jīng)濟帶和城市群的連續(xù)感知要求。針對新舊動能轉(zhuǎn)換綜合試驗區(qū)，打破干線本地格局，降低專線電路時延，提升用戶感知；降低專線成本，增加市場競爭力。參照組網(wǎng)架構(gòu)優(yōu)化方案，實施省本對接及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化，通過減少路徑迂回，減少設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)間的背靠背對接，如圖7所示。

圖7 OTN優(yōu)化案例1-省內(nèi)重客專線

一條QH至JN的100M EOS專線時延，通過加載業(yè)務(wù)電路進(jìn)行測試驗證，優(yōu)化前后的傳輸時延實測數(shù)據(jù)由2785μs降低為940μs，降低了66%，如表3所示。

表3 案例1優(yōu)化前后實測時延數(shù)據(jù)

（2）跨域證券專線時延優(yōu)化

L證通（地市DC）到省會證券公司（XX證券）專線，客戶投訴時延大，期望優(yōu)化。原業(yè)務(wù)路徑通過本地SDH、省干SDH網(wǎng)絡(luò)承載，路由需經(jīng)過其他地市迂回。路徑：JNDXCXX大廈-XX新時空-XXDXC，電層節(jié)點多。優(yōu)化方案采取PEOTN網(wǎng)絡(luò)扁平化層級方案，采取集群方式，干線啟用基于ROADM的省干+國干政企精品OTN網(wǎng)絡(luò)承載，雙向時延由12ms降低至6ms，其中由光纖路徑優(yōu)化帶來的時延降低達(dá)5.58ms（約占93%），由設(shè)備節(jié)點優(yōu)化帶來的時延降低達(dá)0.31ms（約占5%），由集群減少節(jié)點處理帶來的時延降低達(dá)0.11ms（約占2%），如圖8所示。

圖8 OTN優(yōu)化案例2-集團(tuán)高價值金融專線

3 結(jié)束語

新基建時代，低時延是非常重要的業(yè)務(wù)屬性，波分傳輸技術(shù)的低時延特性為應(yīng)對時延挑戰(zhàn)提供了契機。OTN網(wǎng)絡(luò)相比傳統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)（比如SDH、IPRAN），以及新型承載網(wǎng)絡(luò)（比如STN、SPN、智能城域網(wǎng)等），有其天然的時延優(yōu)勢。新時代，OTN網(wǎng)絡(luò)既可以作為底層承載網(wǎng)，又可以作為面向高品質(zhì)專線的業(yè)務(wù)網(wǎng)。現(xiàn)有OTN網(wǎng)絡(luò)要在新時期業(yè)務(wù)驅(qū)動下做好時延優(yōu)化，繼而打造端到端一體化精品網(wǎng)絡(luò)，為即將到來的新基建業(yè)務(wù)奠定承載基石。