網(wǎng)絡(luò)5.0業(yè)務(wù)分類分級(jí)技術(shù)

熊泉 羅鑒 劉愛(ài)華 閻金潔

(1. 中興通訊股份有限公司武漢研發(fā)中心,武漢 430074;2. 中興通訊股份有限公司南京研發(fā)中心,南京 210012;3. 中興通訊股份有限公司深圳研發(fā)中心,深圳 518052)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)5.0[1]作為面向2030年的新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),通過(guò)做強(qiáng)網(wǎng)絡(luò),主動(dòng)向各類產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)能力。未來(lái)網(wǎng)絡(luò)需要加強(qiáng)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同,需要分析下一代網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景及用戶的多樣化業(yè)務(wù)承載需求,考慮網(wǎng)絡(luò)5.0下一代演進(jìn)方案,給出分類分級(jí)的業(yè)務(wù)指標(biāo)建議。

網(wǎng)絡(luò)5.0的未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛,主要包括信息通信技術(shù)(Information Communications Technology,ICT)基礎(chǔ)設(shè)施、移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及未來(lái)多媒體通信等應(yīng)用領(lǐng)域。不同應(yīng)用場(chǎng)景的承載需求是多維的,對(duì)業(yè)務(wù)的服務(wù)等級(jí)協(xié)議(Service-Level Agreement,SLA)需求指標(biāo)不同,因而需要制定業(yè)務(wù)分類分級(jí)方案,從而更好地滿足不同應(yīng)用的需求,推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)5.0發(fā)展與演進(jìn)。

1 網(wǎng)絡(luò)5.0典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景及需求分析

1.1 ICT基礎(chǔ)設(shè)施通信需求

新的ICT基礎(chǔ)架構(gòu)以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能為核心。這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展需要信息技術(shù)(Information Technology,IT)設(shè)施的支持,但目前IT設(shè)施尚未成為真正意義上的基礎(chǔ)設(shè)施,存在著信息系統(tǒng)碎片化的問(wèn)題,因此,IT資源的整合是必需的。在云時(shí)代信息社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)下,實(shí)現(xiàn)ICT基礎(chǔ)設(shè)施的融合對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)生了以下新的需求。

(1)超高帶寬、高服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保證(比如低丟包率、低延遲、低抖動(dòng))。

(2)確定性時(shí)延保證:轉(zhuǎn)發(fā)路徑的時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)可控,時(shí)延抖動(dòng)可測(cè)量。

(3)高可靠性,達(dá)到99.999%[2]。

1.2 移動(dòng)業(yè)務(wù)承載需求

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)范疇的擴(kuò)展,將豐富電信網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)環(huán)境,很多傳統(tǒng)行業(yè)例如汽車(chē)、醫(yī)療、能源、市政系統(tǒng)等都將參與到電信生態(tài)環(huán)境的建設(shè)中[3]。5G技術(shù)將數(shù)字化推向生活的各個(gè)場(chǎng)景,建立起全連接社會(huì),豐富了日常體驗(yàn),提升了生活質(zhì)量。5G以其多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景為移動(dòng)通信提供了新的機(jī)遇,也隨之產(chǎn)生了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此5G時(shí)代的承載網(wǎng)需要滿足以下需求。

(1)大帶寬:視頻類業(yè)務(wù)的帶寬需求持續(xù)增加。

(2)低時(shí)延:遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)控制等場(chǎng)景,有著明確的端到端低時(shí)延的需求,例如,第三代合作伙伴計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)組織(3rd Generation Partnership Project,3GPP)對(duì)于5G增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(Enhanced Mobile Broadband,eMBB)和低時(shí)延高可靠(Ultra Reliable &Low Latency Communication,uRLLC)的用戶面和控制面時(shí)延要求如表1所示。

表1 5G承載網(wǎng)時(shí)延需求

1.3 產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需求

1.3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需求

工業(yè)應(yīng)用與感知、連接、傳輸、計(jì)算和分析等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合形成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[4]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為新的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用提供支撐,進(jìn)一步變革生產(chǎn)關(guān)系,提供全新的生產(chǎn)工具,從而推動(dòng)產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí),促進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展突破。為支持智能化工業(yè)應(yīng)用,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的具體性能指標(biāo)提出了具體要求(如表2所示)。

表2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能要求

廣義上講,車(chē)聯(lián)網(wǎng)(Vehicle-to-Everything,V2X)是實(shí)現(xiàn)人與車(chē)、車(chē)與車(chē)、車(chē)與路、車(chē)與云端之間的數(shù)據(jù)互通,實(shí)現(xiàn)智能交通、智能汽車(chē)、智能駕駛等功能的網(wǎng)絡(luò)。車(chē)聯(lián)網(wǎng)主要包括4個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景:車(chē)與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)(Vehicle to Network,V2N)、車(chē)車(chē)互聯(lián)(Vehicle to Vehicle,V2V)、車(chē)路互聯(lián)(Vehicle to Infrastructure,V2I)以及車(chē)人互聯(lián)(Vehicle to Pedestrian,V2P)。車(chē)聯(lián)網(wǎng)通過(guò)在人、車(chē)、路、云之間進(jìn)行信息交換,實(shí)現(xiàn)智能決策和協(xié)同控制。車(chē)聯(lián)網(wǎng)對(duì)確定性時(shí)延有嚴(yán)格的要求,以支撐車(chē)體定位、控制信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與安全性,并滿足調(diào)度系統(tǒng)的性能要求[5]。車(chē)聯(lián)網(wǎng)在各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景的SLA需求如表3所示。

表3 V2X業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)通信的SLA需求[2]

1.3.2 能源互聯(lián)網(wǎng)需求

能源互聯(lián)網(wǎng)是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)深度融合的產(chǎn)物。能源互聯(lián)網(wǎng)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ),以大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)為技術(shù)支撐,可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)萬(wàn)物互聯(lián)、人機(jī)交互、狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活[6]。根據(jù)《網(wǎng)絡(luò)5.0應(yīng)用場(chǎng)景報(bào)告》[2],能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能需求如下。

(1)時(shí)延:繼電保護(hù)應(yīng)用的時(shí)延應(yīng)小于10 ms。

(2)抖動(dòng):繼電保護(hù)應(yīng)用每個(gè)單向時(shí)延的抖動(dòng)不能超過(guò)50 μs。

(3)丟包率:風(fēng)力發(fā)電的丟包率應(yīng)小于10-6～10-9。

(4)確定性:繼電保護(hù)應(yīng)用的雙向通道時(shí)延差距應(yīng)小于200 μs。

1.3.3 智慧醫(yī)療業(yè)務(wù)需求

隨著ICT技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的持續(xù)深化應(yīng)用,醫(yī)院系統(tǒng)將全方位信息化。醫(yī)院信息化以病人信息共享為核心,采用通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)診療信息的采集、緩存與處理。面向未來(lái),更好的醫(yī)療服務(wù)需要用到超高清實(shí)時(shí)醫(yī)療影像,甚至要求提供基于沉浸式三維視頻的醫(yī)療診斷和遠(yuǎn)程服務(wù),這些也將對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)提出各種挑戰(zhàn)[7]。遠(yuǎn)程醫(yī)療以現(xiàn)代通信技術(shù)和多媒體技術(shù)為依托,為異地患者提供遠(yuǎn)距離診療服務(wù)。隨著通信及網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的發(fā)展,滿足高實(shí)時(shí)性、強(qiáng)交互性、富媒體形態(tài)的遠(yuǎn)程醫(yī)療手段逐漸嶄露頭角。常見(jiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療場(chǎng)景的傳輸帶寬及時(shí)延需求如表4所示。

表4 常見(jiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療場(chǎng)景的傳輸帶寬及時(shí)延需求[2]

隨著遠(yuǎn)程醫(yī)療手段的不斷完善,通過(guò)確保更低的和更精確的時(shí)延可以保證更安全的醫(yī)療服務(wù),實(shí)現(xiàn)高安全、高可靠的遠(yuǎn)程醫(yī)療。未來(lái)還需要確定性的傳輸時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng),即需要滿足毫秒級(jí)傳輸時(shí)延和微秒級(jí)抖動(dòng),從而能夠支持多方遠(yuǎn)程醫(yī)療協(xié)作等復(fù)雜的未來(lái)智慧醫(yī)療場(chǎng)景。

1.3.4 智慧城市信息基礎(chǔ)設(shè)施需求

智慧城市以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)為核心,通過(guò)對(duì)城市數(shù)據(jù)感知、檢測(cè)、分析,對(duì)城市生活中的各類需求作出迅速、靈活、準(zhǔn)確的反應(yīng)[8]。智慧城市建設(shè)過(guò)程中必不可少的是物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)。例如,依托運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)能力在邊緣側(cè)部署多接入邊緣計(jì)算(Multi-access Edge Computing,MEC)平臺(tái),為視頻監(jiān)控平臺(tái)提供低時(shí)延、高帶寬的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入能力和邊緣計(jì)算能力。構(gòu)建完整的云-邊-端分級(jí)計(jì)算體系,端側(cè)移動(dòng)攝像頭負(fù)責(zé)視頻采集和簡(jiǎn)單的圖像處理;邊側(cè)MEC基站匯聚層承擔(dān)視頻分析、緩存、加速和編碼能力;云端核心網(wǎng)負(fù)責(zé)給具體區(qū)域內(nèi)的邊緣云下發(fā)控制策略并收集處理結(jié)果,進(jìn)行總體控制和管理。根據(jù)《網(wǎng)絡(luò)5.0應(yīng)用場(chǎng)景報(bào)告》[2]的數(shù)據(jù),智慧城市信息基礎(chǔ)設(shè)施需求如下。

(1)超大帶寬:需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬會(huì)達(dá)到10～100 Mbit/s。

(2)低時(shí)延:對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延要求較高,要達(dá)到100 ms～1 s。

(3)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性:實(shí)時(shí)視頻采集要求低的丟包率。

1.4 未來(lái)多媒體通信需求

1.4.1 視頻類需求

目前,二維平面視頻不斷提升,已接近人眼生理極限,成為網(wǎng)絡(luò)主要流量;三維沉浸視頻成為視頻技術(shù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)趨勢(shì)。在家庭大屏場(chǎng)景中,點(diǎn)播1 s內(nèi)初始化、播放0卡頓以及快速頻道切換、高并發(fā)穩(wěn)定性等已經(jīng)成為客廳大屏點(diǎn)播視頻和直播視頻的關(guān)鍵體驗(yàn)指標(biāo),對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、丟包等提出相關(guān)需求。云化虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)可分為以全景視頻為主的弱交互和以VR游戲?yàn)橹鞯膹?qiáng)交互業(yè)務(wù),體現(xiàn)為以帶寬為主和帶寬與時(shí)延雙敏感的網(wǎng)絡(luò)要求。根據(jù)《網(wǎng)絡(luò)5.0應(yīng)用場(chǎng)景報(bào)告》[2]的數(shù)據(jù),視頻類場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能需求如下。

(1)上行網(wǎng)絡(luò):專業(yè)級(jí)的超高清直播領(lǐng)域,視頻信號(hào)回傳碼率可達(dá)到500 Mbit/s。

(2)下行帶寬:帶寬需求將達(dá)到300～800 Mbit/s,接近Gbit/s級(jí)別。

(3)低時(shí)延:云化VR、云游戲等強(qiáng)交互型視頻業(yè)務(wù)要求業(yè)務(wù)體驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)到成像時(shí)延小于20 ms。

1.4.2 全息通信類需求

全息顯示/光場(chǎng)是解決人眼輻輳調(diào)節(jié)沖突、提供裸眼3D體驗(yàn)的重要技術(shù)路線,但對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、計(jì)算規(guī)模將呈海量增長(zhǎng)[9]?，F(xiàn)階段較成熟的裸眼三維圖顯示,滿足良好用戶體驗(yàn)的帶寬需求在Gbit/s級(jí)別。全息通信類網(wǎng)絡(luò)性能需求如下:

(1)超大帶寬:真人大小的單流圖像甚至需要Tbit/s級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)帶寬;

(2)低時(shí)延:網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延需求通常達(dá)到ms級(jí)別。

2 網(wǎng)絡(luò)5.0業(yè)務(wù)需求分類和SLA指標(biāo)

2.1 業(yè)務(wù)分類

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)5.0典型應(yīng)用場(chǎng)景中的業(yè)務(wù)需求,參考異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分類機(jī)制[10],可以將業(yè)務(wù)分成以下4種典型類型。

2.1.1 盡力而為業(yè)務(wù)

盡力而為業(yè)務(wù)主要包括數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。此類業(yè)務(wù)突發(fā)性強(qiáng),實(shí)時(shí)性要求不高,因此網(wǎng)絡(luò)不保障該類業(yè)務(wù)的帶寬、時(shí)延、可靠性等服務(wù)質(zhì)量。

2.1.2 可變速率業(yè)務(wù)

可變速率業(yè)務(wù)主要包括廣播類音視頻實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。此類業(yè)務(wù)是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)業(yè)務(wù),即在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的整形和平滑后,數(shù)據(jù)速率將趨于一個(gè)穩(wěn)定值?？勺兯俾蕵I(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延不敏感,但對(duì)帶寬有要求。可變速率業(yè)務(wù)的帶寬隨不同時(shí)間內(nèi)終端信息發(fā)送速率的變化而變化,需要指定業(yè)務(wù)流的峰值速率以及較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的平均速率。

2.1.3 有效速率業(yè)務(wù)

有效速率業(yè)務(wù)主要包括交互類音視頻實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(如VR、云游戲等)。目前的音視頻編碼采用分層編碼技術(shù)(基礎(chǔ)層和增強(qiáng)層),需要確?；A(chǔ)層數(shù)據(jù),增強(qiáng)層數(shù)據(jù)則視網(wǎng)絡(luò)資源情況而定,需要指定業(yè)務(wù)流的峰谷速率和峰值速率[11]。此類業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延敏感,因此不能采用長(zhǎng)時(shí)間平滑(整形)來(lái)消除突發(fā)。

2.1.4 恒定速率業(yè)務(wù)

恒定速率業(yè)務(wù)主要包括生產(chǎn)控制類業(yè)務(wù)。此類業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延、抖動(dòng)要求高。恒定速率業(yè)務(wù)使用的網(wǎng)絡(luò)資源需要嚴(yán)格的限定來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的獨(dú)占,即使該恒定速率業(yè)務(wù)自身不使用其占有的資源,其他業(yè)務(wù)也不能使用該資源。

2.2 SLA關(guān)鍵指標(biāo)

2.2.1 承諾帶寬

網(wǎng)絡(luò)可承諾的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的帶寬能力,包括承諾保證帶寬和容許保證帶寬。確定性帶寬與網(wǎng)絡(luò)的通道或接口類型相關(guān),在不同的網(wǎng)絡(luò)層次存在帶寬聚合和匯聚的場(chǎng)景,以提升網(wǎng)絡(luò)的利用率。吞吐量是衡量網(wǎng)絡(luò)帶寬最直接的驗(yàn)證方式。

2.2.2 確定性時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)保證時(shí)延上界,實(shí)現(xiàn)確定性時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延主要包括節(jié)點(diǎn)內(nèi)處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延、發(fā)送時(shí)延、鏈路傳播時(shí)延等。

2.2.3 確定性抖動(dòng)

網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)保證時(shí)延上界和下界,實(shí)現(xiàn)確定性抖動(dòng)。節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延(包括排隊(duì)時(shí)延)是造成抖動(dòng)的主要因素,通過(guò)增加抖動(dòng)緩沖可降低抖動(dòng)的影響,但會(huì)相應(yīng)增加網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

2.2.4 丟包率

網(wǎng)絡(luò)可保證確定性業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)丟包率。網(wǎng)絡(luò)中丟包主要有兩種情況:傳輸過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障導(dǎo)致丟包和網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)設(shè)備主動(dòng)丟包。丟包率是影響確定性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的重要因素。

2.2.5 可用性

網(wǎng)絡(luò)的可用性即網(wǎng)絡(luò)的可用程度,可以用網(wǎng)絡(luò)無(wú)故障運(yùn)營(yíng)的時(shí)間占總運(yùn)營(yíng)時(shí)間的百分比來(lái)反映。該指標(biāo)可以體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)支持的保護(hù)/恢復(fù)能力,包括網(wǎng)絡(luò)層的保護(hù)/恢復(fù)機(jī)制和業(yè)務(wù)層的保護(hù)/恢復(fù)機(jī)制。

3 網(wǎng)絡(luò)5.0業(yè)務(wù)分類分級(jí)方法及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)5.0確定性分類分級(jí)方法

確定性需求的分類及其SLA指標(biāo)分級(jí)如圖1所示,通過(guò)確定性需求對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分級(jí),進(jìn)一步分解出每個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)的確定性能力。通過(guò)確定性分類分級(jí)方法能使網(wǎng)絡(luò)5.0的研發(fā)逐步發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)5.0按照需求的SLA指標(biāo)及技術(shù)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度來(lái)進(jìn)行業(yè)務(wù)分級(jí)。目前,網(wǎng)絡(luò)5.0將帶寬、路由保護(hù)及時(shí)間確定性需求按照主指標(biāo)均分成了4個(gè)等級(jí),并根據(jù)業(yè)務(wù)類型不同確定輔助指標(biāo)。其中最低等級(jí)是1級(jí),該等級(jí)的需求可以在近期實(shí)現(xiàn),甚至在網(wǎng)絡(luò)4.0中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。隨著確定性級(jí)別升高,技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度逐漸增大,甚至無(wú)法在全局(全球范圍)實(shí)施,只有局部技術(shù)可用。一般的業(yè)務(wù)確定性需求范圍在1～3級(jí),可以采用全局有效技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn);而第4級(jí)需求則需要采用全局有效技術(shù)和局部有效技術(shù)結(jié)合(融合)來(lái)實(shí)現(xiàn),以提高其確定性及精度。

圖1 網(wǎng)絡(luò)5.0需求分類及指標(biāo)分級(jí)

3.1.1 帶寬確定性需求

可以按對(duì)通信數(shù)據(jù)速率的要求對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分級(jí),即按帶寬的保證度來(lái)分級(jí)。根據(jù)本文研究,具體的帶寬確定性需求可分為4個(gè)等級(jí),如表5所示。

表5 帶寬確定性需求分級(jí)

3.1.2 路由保護(hù)確定性需求

路由保護(hù)確定性的分級(jí),需要考慮業(yè)務(wù)保護(hù)的需求、路由的保障能力和節(jié)點(diǎn)資源的利用率,其中節(jié)點(diǎn)資源利用率可以作為輔助指標(biāo)之一。根據(jù)本文研究,路由保護(hù)確定性需求分為4個(gè)等級(jí),如表6所示。

表6 路由保護(hù)確定性需求分級(jí)

3.1.3 時(shí)間確定性需求分級(jí)

時(shí)延是端到端路徑上數(shù)據(jù)包從發(fā)出直至到達(dá)的時(shí)間差,主要由傳輸時(shí)延和節(jié)點(diǎn)時(shí)延組成。時(shí)延抖動(dòng)是數(shù)據(jù)包最大時(shí)延和最小時(shí)延之差。在路徑固定的情況下,傳輸時(shí)延是確定值,與傳輸距離存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系;節(jié)點(diǎn)時(shí)延則與使用的技術(shù)相關(guān)。因此,節(jié)點(diǎn)時(shí)延成為影響端到端時(shí)延的關(guān)鍵因素。根據(jù)本文研究,時(shí)間確定性需求按照時(shí)延和抖動(dòng)精度兩個(gè)指標(biāo),可以分為4個(gè)等級(jí),如表7所示。

表7 時(shí)間確定性需求分級(jí)

3.2 網(wǎng)絡(luò)5.0分類分級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 路由確定性技術(shù)

在確定性網(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)數(shù)據(jù)包攜帶路由信息的方式,可以分為外掛式確定性路由和內(nèi)生式確定性路由。外掛式確定性路由在數(shù)據(jù)報(bào)頭中列出所經(jīng)過(guò)的網(wǎng)元地址(標(biāo)識(shí)),形成數(shù)據(jù)報(bào)文在傳送時(shí)的確定路徑。內(nèi)生式確定性路由將網(wǎng)元中的轉(zhuǎn)發(fā)表,按一定的算法連接起來(lái),形成多條端到端的SLA分級(jí)的確定性路徑,在數(shù)據(jù)報(bào)頭中只需要列出路由編號(hào)。

3.2.2 資源(帶寬)確定性技術(shù)

資源(帶寬)確定性主要包含4個(gè)方面的內(nèi)容,分別是業(yè)務(wù)流分類、流量監(jiān)管和流量整形、資源預(yù)留以及資源管控。

業(yè)務(wù)流分類:要實(shí)現(xiàn)差異化服務(wù)就需要對(duì)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的流量按照一定的規(guī)則進(jìn)行分類,然后根據(jù)流量的類別為他們提供不同的服務(wù)(不同的轉(zhuǎn)發(fā)速率、時(shí)延、抖動(dòng)等)。網(wǎng)絡(luò)5.0通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)頭攜帶的業(yè)務(wù)分類分級(jí)標(biāo)識(shí)進(jìn)行流分類。

流量監(jiān)管和流量整形:流量監(jiān)管指對(duì)輸入流量進(jìn)行控制,通過(guò)監(jiān)督進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的流量速率,丟棄超出限定的流量,使進(jìn)入的流量始終被限制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi);而流量整形對(duì)流量輸出速率做出調(diào)整,通過(guò)限制流量與突發(fā),使報(bào)文以比較均勻的速率向下游發(fā)送,起到“削峰填谷”的作用。

資源預(yù)留:網(wǎng)絡(luò)為業(yè)務(wù)流在路徑中每個(gè)節(jié)點(diǎn)上預(yù)留足夠的緩存和帶寬資源,以保證對(duì)資源有要求的業(yè)務(wù)流不會(huì)因?yàn)榫彺婧蛶挷蛔愣霈F(xiàn)丟包的現(xiàn)象。

資源管控:網(wǎng)絡(luò)需要提供資源的測(cè)量、檢測(cè)等能力,主要包括以下4種能力。

(1)可監(jiān)測(cè):體現(xiàn)業(yè)務(wù)、隧道、通道路徑和拓?fù)滟Y源可視的能力。

(2)可測(cè)量:體現(xiàn)帶外操作管理維護(hù)(Operations,Administration and Maintenance,OAM)、帶內(nèi)OAM的丟包/時(shí)延/流量性能指標(biāo)測(cè)量的能力。

(3)可管控:體現(xiàn)基于SLA指標(biāo)上限的路徑計(jì)算、優(yōu)化和資源預(yù)留的能力。

(4)可預(yù)測(cè):體現(xiàn)資源數(shù)據(jù)的分析、推斷預(yù)測(cè),提升運(yùn)營(yíng)維護(hù)的能力。

3.2.3 時(shí)間確定性

時(shí)間確定性由時(shí)頻同步和時(shí)延/抖動(dòng)控制兩方面來(lái)保障。

時(shí)頻同步:網(wǎng)絡(luò)可提供高精度時(shí)間同步和定位服務(wù)的支撐能力。確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要支持精準(zhǔn)頻率同步、時(shí)間同步,以支撐“按時(shí)、準(zhǔn)時(shí)”的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。

時(shí)延/抖動(dòng)控制:網(wǎng)絡(luò)通過(guò)各類隊(duì)列調(diào)度和時(shí)隙管理等機(jī)制實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)時(shí)延和抖動(dòng)的精準(zhǔn)控制,從而保障時(shí)延/抖動(dòng)的確定性。

4 網(wǎng)絡(luò)5.0業(yè)務(wù)分類分級(jí)的報(bào)文封裝

4.1 業(yè)務(wù)分類分級(jí)封裝

網(wǎng)絡(luò)5.0根據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)特性,將業(yè)務(wù)分為4大類,除了盡力而為業(yè)務(wù)外,其余類型的業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)各有不同的要求。在業(yè)務(wù)分類的基礎(chǔ)上,按照不同的需求,對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)一步分級(jí),業(yè)務(wù)分級(jí)主要是對(duì)業(yè)務(wù)類型在帶寬、時(shí)延以及抖動(dòng)方面的進(jìn)一步細(xì)化,每一級(jí)別提供不同的精度能力。

轉(zhuǎn)發(fā)面需要識(shí)別業(yè)務(wù)分類分級(jí)標(biāo)識(shí)。針對(duì)每一種業(yè)務(wù)級(jí)別,都需要提供相關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)面技術(shù)作為支撐,如限速、整形、隊(duì)列調(diào)度或時(shí)隙調(diào)度等,從而滿足網(wǎng)絡(luò)5.0的4大領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

數(shù)據(jù)報(bào)文中需要明確定義業(yè)務(wù)分類分級(jí)字段。根據(jù)本文統(tǒng)計(jì),業(yè)務(wù)類型字段至少需要2 bit,用于區(qū)分上文定義的4種業(yè)務(wù)。例如,0b00表示盡力而為業(yè)務(wù);0b01表示可變速率業(yè)務(wù);0b10表示有效速率業(yè)務(wù);0b11表示恒定速率業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)級(jí)別字段則用于區(qū)分相同業(yè)務(wù)類型的不同級(jí)別,根據(jù)本文統(tǒng)計(jì),其同樣至少需要2 bit。業(yè)務(wù)類型可以進(jìn)一步分為4個(gè)級(jí)別,每個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)一種帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)的精度,級(jí)別范圍為1～4,級(jí)別的數(shù)值越大,表示精度要求越高。對(duì)于盡力而為的業(yè)務(wù)類型,級(jí)別字段用于表示優(yōu)先級(jí),級(jí)別數(shù)值越大,代表其優(yōu)先級(jí)越高。

4.2 路由封裝

盡力而為業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高,只要路由可達(dá)即可,一般使用動(dòng)態(tài)路由技術(shù)。除盡力而為業(yè)務(wù)以外,其他三類業(yè)務(wù)需要采用確定性路由技術(shù),確定性路由不隨網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶?shí)時(shí)變化而發(fā)生改變。這一技術(shù)確保了確定性業(yè)務(wù)的傳輸路徑相對(duì)固定,為資源預(yù)留技術(shù)提供了基礎(chǔ)的保障,同時(shí)路徑的固定也為時(shí)延的精確計(jì)算提供了可能,是保證有界時(shí)延和抖動(dòng)的重要技術(shù)。

為了減少甚至避免網(wǎng)絡(luò)中間媒介錯(cuò)誤或者設(shè)備故障導(dǎo)致丟包,需要提供路由保護(hù)功能。對(duì)抖動(dòng)和丟包要求不高的業(yè)務(wù),可以使用快速重路由技術(shù)實(shí)現(xiàn)路由保護(hù),當(dāng)檢測(cè)到主路徑發(fā)生故障時(shí),切換到備份路徑繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)抖動(dòng)、丟包和失序要求高的業(yè)務(wù),則需要引入多包多路徑技術(shù),如報(bào)文復(fù)制、消除、重排序功能,將業(yè)務(wù)報(bào)文復(fù)制成多份在多條路徑上傳輸,接收側(cè)再消除多余副本并進(jìn)行重新排序。

根據(jù)上述路由需求,需要在報(bào)文封裝中定義路由標(biāo)識(shí),預(yù)留4 bits,用于指示數(shù)據(jù)報(bào)文的路由特性。路由標(biāo)識(shí)總體上是由控制面/管理面根據(jù)業(yè)務(wù)需求和配置策略生成,在轉(zhuǎn)發(fā)面形成路由轉(zhuǎn)發(fā)表,由網(wǎng)元設(shè)備針對(duì)攜帶不同路由標(biāo)識(shí)的報(bào)文進(jìn)行對(duì)應(yīng)的查表、轉(zhuǎn)發(fā)處理。

在長(zhǎng)度為4 bits的路由標(biāo)識(shí)字段中,0b0000保留;0b0001表示路由保護(hù)的主路由;0b0010表示路由保護(hù)中的備份路由;0b0011～0b1110分別表示12條確定性路由;0b1111表示動(dòng)態(tài)路由,提供盡力而為轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了網(wǎng)絡(luò)5.0業(yè)務(wù)分類分級(jí)的相關(guān)技術(shù),分析了網(wǎng)絡(luò)5.0面向未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景和承載需求,制定了網(wǎng)絡(luò)5.0業(yè)務(wù)分類分級(jí)的方案,包括業(yè)務(wù)分類方法和SLA指標(biāo),提出了確定性分類分級(jí)方法及關(guān)鍵技術(shù),給出了網(wǎng)絡(luò)5.0分類分級(jí)的報(bào)文封裝需求,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)5.0分類分級(jí)的部署,從而更好地滿足不同應(yīng)用的需求,推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)5.0的發(fā)展與演進(jìn)。