當前速讀：確定性網絡技術邁向運營商級的思考和建議

（CWW）近年來，國內外企業(yè)、標準組織、產業(yè)聯盟都在積極研究確定性網絡技術。確定性網絡是近年來業(yè)界關注的熱點之一，其根源在于信息網絡技術的應用重心從to C轉向to B，特別是以產業(yè)互聯網為代表的新興業(yè)務和應用的興起，要求網絡連接具有性能（如時延、抖動）和服務質量的確定性?，F有的以互聯網為基礎的公眾網絡只能提供“盡力而為”的質量保障，在確定性方面有天然的欠缺；而傳統的專線或專網雖然具有一定的確定性保障能力，但是綜合成本較高，并不具備大規(guī)模、高性價比應用推廣的條件。

(相關資料圖)

因此，如何讓確定性網絡技術從理論研究和實驗室驗證走向商用，特別是具備運營商規(guī)模推廣應用的基礎，將是業(yè)界下一步重點攻關的方向。本文從運營商的視角，以讓相關的技術和服務能夠讓用戶用得上、用得起、用得好為宗旨，加以分析和探討。

業(yè)務對網絡提出確定性需求，促使連接服務發(fā)生新變革

在信息網絡特別是互聯網興起的初期，以網頁瀏覽、E-mail、VoIP和簡單視頻等為主要應用類型，主要面向人的通信需求，網絡以簡單的統計復用和路由轉發(fā)為核心，提供“盡力而為”的普遍服務。然而，隨著應用的豐富，特別是高質量視頻、AR/VR和類專線業(yè)務的需求越來越多，網絡需要在普遍服務基礎上，提供差異化服務等級能力。此時，基于粗顆粒度的帶寬保障、DiffServ分級機制、RSVP-TE流量工程等手段，將網絡帶向了確定性的世界。

伴隨著社會數字化轉型的加速，以面向物的通信為主的產業(yè)互聯網逐步成為網絡連接的需求主體，不論是遠程醫(yī)療、自動駕駛還是工業(yè)制造，都需要讓網絡變得更加“及時”和“準確”，也就是實現確定性網絡。換句話說，網絡連接的使命已經從注重連通性，邁向提供可控有界的質量保障。

從歷史發(fā)展進程來看，網絡和應用一直是相互牽引驅動的，網絡能力和服務形成確定性，既是業(yè)務和應用升級換代的基礎，也是網絡連接迭代演進的動力。從運營商的視角來看，傳統以提供管道為主的網絡連接，將進一步注入新的內涵，通過為用戶和應用帶來新價值，形成連接即服務（CaaS），在此基礎上實現自身的增值發(fā)展。

從業(yè)界遇到的代表性業(yè)務需求來看，確定性網絡近期的重點是提供時延可控的能力，典型的例子有以下5種。

自動駕駛的核心要求是保證低時延，以確保駕駛的安全性。不論是采用激光雷達還是毫米波雷達，都需要對車輛的周邊環(huán)境進行實時感知判斷，按照目前業(yè)界技術發(fā)展的水平，須每隔200微秒就發(fā)送一條探測指令，因此若抖動大于200微秒，就容易造成重大事故。

遠程醫(yī)療的核心要求是醫(yī)生在遠端獨立完成手術。一般情況下，醫(yī)生需要通過網絡傳輸操作的指令到手術臺，同時需要接收網絡傳回的畫面信息及體征數據，此時端到端時延要求小于50毫秒、抖動要求小于200微秒。

智能電網需要以準時的網絡傳遞電網控制信號。在電網的繼電保護中，兩端保護設備向對端發(fā)送等量電流，并依據本地電壓與對端接收到的電流來判斷是否發(fā)生故障。為保證繼電保護的準確性，單向時間差別需要小于200微秒，抖動需小于50微秒。

在線游戲的核心在于用戶體驗的保障。為保證游戲的公平性，參與游戲的分布式玩家需要得到服務器的同步響應。因此端到端的網絡時延越低、抖動越小，玩家的游戲體驗越好。

AI監(jiān)控的核心是要保證多個攝像頭的時延同步。AI監(jiān)控的應用方式正從事后追蹤變?yōu)閷崟r預警，因此需要將不同攝像頭拍攝的畫面?zhèn)骰胤掌鬟M行AI分析，為確保不同攝像頭之間傳回的畫面能夠逐幀對齊，要求相應的時延抖動越低越好。

確定性網絡結合固網和移動網不同特點加以區(qū)別對待

從提供服務的角度而言，確定性網絡應該是一種端到端的服務能力，也就是說不論服務的對象是通過固網還是移動網接入，都應該提供全程的確定性保障。但是從現有網絡的特質來看，目前在固網和移動網上引入確定性，其側重點各有不同。其中，固網因網絡帶寬資源相對富裕、傳統上實現QoS保障的技術手段較多，在確定性方面的側重點應突出對L1~L3的協議的優(yōu)化，方便在報文處理和調度上針對網絡性能提供可控保障；而移動網因為傳統上空口資源受限、QoS機制比較單一，應更多考慮如何設計合理化的SLA指標，從不同業(yè)務的共性特征上提供差異化的可控保障。

固網引入確定性的關注點

從廣義上來看，固網的確定性就是要在一定范圍內針對特定業(yè)務，部署提供確定性能力保證的Ethernet/IP網絡技術。其主要考慮的是時延、抖動和丟包率指標，但是需要特別指出的是，從綜合性價比的角度來看，追求苛刻時延不應成為確定性網絡應用的首要目標。事實上，在很多應用場景中，用戶要求的是時延或抖動指標的有界性，并非一味追求最低值，用戶的應用系統完全有能力根據網絡提供的確定性指標（范圍）加以調整和適配，其不能接受的是性能指標的無序和無界變動。

而從技術實施上看，在L1層業(yè)界共識是通過TDM的時隙化來實現確定性網絡，在L2層是以IEEE定義的TSN（Time Senstive Networking，時間敏感網絡）為主來實現，在L3層則是以IETF定義的DetNet（Deterministic Networking，確定性網絡）為主來實現。不論是TSN還是DetNet，其本質都是在分組統計復用的“盡力而為”轉發(fā)模式基礎上，通過引入時隙轉發(fā)原理，提供確定性轉發(fā)。

正如上述分析指出，時延和抖動是目前確定性網絡主要攻關的對象，如何有效對其進行控制和調度，成為了固網特別是IP網絡需要解決的核心問題。傳統的IP轉發(fā)機制即使配合了資源預留及優(yōu)先級調度，也無法實現確定性時延，主要原因是對每個數據分組的行為缺乏控制，導致了排隊形成了微突發(fā)，從而引起“長尾效應”。

當前固網的網絡時延主要由鏈路時延和節(jié)點內時延兩大部分組成，其中前者還可以細分為發(fā)送時延和傳播時延，后者可細分化處理時延和排隊時延。在一個穩(wěn)定的網絡拓撲中，鏈路距離及鏈路速率相對穩(wěn)定，因此鏈路時延幾乎沒有什么變化的空間。而在不同負載的情況下，節(jié)點內部時延的變動很大，目前“長尾效應”主要就是由節(jié)點內時延引起的。從“盡力而為”的IP轉發(fā)，到路徑可控的MPLS TE、SRv6轉發(fā)，IP廣域網一直靠大帶寬概率性地達成時延目標，在高負載和流量突發(fā)時依然無法提供確定性時延保障。因此需要通過新的確定性技術，消除因排隊帶來的轉發(fā)抖動，從“大概率保證服務質量”變?yōu)椤按_定性保證服務質量”，從而帶來數據轉發(fā)面的實質進步。

總體來看，應從3個方面的協同來實現固網的確定性：一是帶寬確定性，一般以用戶能夠達到的峰值帶寬為衡量指標，通過入口帶寬限速、網絡優(yōu)先級服務等策略，通過帶寬的預留提供概率性保證；二是路徑/時延確定性，以高效的方式指定路徑，為用戶提供不同類型的路徑選擇；三是抖動確定性，采用周期性調度、預留資源等新的機制，確保所有報文的傳送時延被嚴格限制在一定范圍內。

其中，在帶寬確定性方面，目前常用的手段是借助FlexE（靈活以太網）切片實現端到端帶寬保障。FlexE是通過在MAC與PHY層之間引入FlexE Shim層，實現傳統以太技術增強，目前能夠以5G顆粒度將100G以上鏈路切片分為多路物理帶寬，從而實現端到端、物理隔離和靈活帶寬能力。

在路徑/時延確定性方面，業(yè)界比較看好基于SRv6（Segment Routing IPv6，基于IPv6的段路由)提供轉發(fā)低時延路徑及高可靠的故障保護。SRv6是基于源路由的下一代轉發(fā)技術，采用TI-FLA（與拓撲無關的無環(huán)路備份路徑）提供鏈路及節(jié)點保護，在故障時，現流量快速切換到備份路徑轉發(fā)，而且將中斷時間降到了毫秒級。

在抖動確定性方面，重點關注基于DIP（Deterministic IP，確定性IP）等技術實現端到端時延抖動可控。DIP的原理是基于傳統IP引入周期轉發(fā)機制，通過控制每個數據包在逐跳的轉發(fā)時間來減少微突發(fā)，消除“長尾效應”，最終實現端到端有界時延的確定性。DIP邊緣整形能力可以在網絡邊緣的PE設備上，將到達時間不規(guī)律的報文整形到按時間劃分的不同周期中；DIP周期映射能力能實現報文在網絡中的P或出口PE設備上逐跳轉發(fā)的時延控制，不用查看報文所屬的流，從而簡化了P節(jié)點的實現，同時避免了三層各種隧道封裝時P節(jié)點無法識別流的問題。此外，結合SRv6路徑規(guī)劃，通過轉發(fā)路徑規(guī)劃控制和逐跳轉發(fā)資源預留，能進一步保證確定的時延。但是，客觀來看，DIP技術在標準化方面還處于初期，業(yè)界支持力度比較有限，仍需要不斷完善。

移動網引入確定性的關注點

相對于固網來說，移動網過去一直作為廣域網的接入段而存在，其以解決to C的廣覆蓋和普遍性接入為主，缺乏面向應用的個性化需求適應能力，雖然5G的uRLLC提出了相關的要求，但是具體實現上并不理想。從以5G為代表的移動網支持確定性出發(fā)，我們認為首先應面向不同行業(yè)的典型應用，從信息網絡業(yè)務的個性化需求入手，提煉出共性的確定性需求，從而設計對應的SLA和技術保障。

結合前期對用戶需求的分析和梳理，我們發(fā)現移動網主要的確定性需求可以歸納為帶寬（重點是上行帶寬）、時延、可靠性、可用性、定位（移動網場景下位置的確定尤為關鍵）和安全隔離等幾個維度。因此，應盡快對移動網的上述維度指標進行明確定義，從而形成不同等級的SLA，重點面向to B應用提供差異化保障服務。從技術實現上看，對于上述關鍵維度有不同的選擇方案。

在上行大帶寬方面，主要關注單UE在最優(yōu)信道條件下的性能上限，包括在特定頻率上的單載波、載波聚合（R15）和超級上行（R16），其中在單載波方面可考慮以幀結構的變化實現帶寬的提升，當然考慮到今后頻率發(fā)展，毫米波也應該納入關注的要點中。

在空口低時延方面，主要可以通過增加子載波間隔、引入非時隙調度、上行免調度、信道搶占等手段來實現。需要特別指出的是，信道搶占技術是在uRLLC與eMBB物理資源復用的情況下，讓uRLLC通過搶占eMBB信道實現優(yōu)先發(fā)送，會對eMBB用戶體驗帶來巨大影響，非特殊情況一般不建議采用。

在可靠性增強方面，主要可以通過在空口對時、頻、空資源的分層次冗余實現，具體的手段有PDCCH CCE聚合增強、專用低碼率MCS表、PUSCH/PDSCH重復傳輸、PDCP復制和Multi-TRP等。

在可用性增強方面，主要可以通過基站、承載網和核心網的硬件設備的備份冗余，以及終端的雙鏈路接入等相互結合來實現。

在定位能力方面，對10米級的定位主要借助北斗等GNSS系統進行，對米級和分米級的定位主要借助基站5G信號傳播到達時間差和方位差實現，對厘米級的定位則需要借助多方平臺和技術增強（如在室外通過北斗+差分來實現）。

在安全隔離方面，主要可以通過對無線網部分和核心網部分采用物理隔離和邏輯隔離實現，物理隔離主要采用專用的網元設備（如基站、C-IWF、UPF、5GC等），邏輯隔離主要采用網絡切片、VPN等實現。

下一步應面向商用加快創(chuàng)新突破

總體而言，確定性網絡技術已經在原理上取得了長足的進步，并在實驗室和現網開展了一定的仿真試驗和試點，驗證了技術上的可行性。但是，確定性網絡距離規(guī)模商用還有較長的路要走，特別是從提升技術方案的便捷性和性價比角度，仍需重點解決以下幾個問題。

技術的完善性

現有的多種技術，在解決局部問題上有所突破，但是要在運營商網絡規(guī)模使用，特別是跨廣域網部署，仍然需要有全局的端到端的突破。舉例而言，TSN技術需要逐流維護狀態(tài)，但在大規(guī)模網絡的匯聚節(jié)點存在因為性能方面的原因無法實現逐流控制的問題，因此目前還不適用大規(guī)模網絡；DetNet技術只實現了L3層的可靠性保障，尚未實現轉發(fā)時延控制，其時延保障仍需要L2層引入TSN，增加了部署難度；而DIP技術雖然對TSN機制加以了改進，但仍然沒法解決轉發(fā)設備的時間同步、大規(guī)模逐流調度等難題。

技術的標準化

雖然多個標準組織對確定性網絡技術開展了工作，并形成了多個標準，但是仍缺乏總體性、系統化的共識標準體系，特別是在不同標準銜接時還存在空缺。以5G的TSN為例，目前3GPP沒有定義承載網的確定性轉發(fā)機制，不利于端到端網絡保障；也沒有定義TSN AF和CNC之間的接口，不便于異廠商的互聯互通。

技術的易用性

總的來說，確定性網絡的引入一定是在現有網絡技術和協議上進行改動，即做“加法”引入新的機制，但是過多的“加法”必然增加設備的復雜度，特別是很多實現機制需要與硬件進行耦合，一方面增加了規(guī)模部署的成本，另一方面也帶來了迭代升級的難度。因此，需要適當考慮在現有技術方式上做“減法”，尤其是在協議改造的復雜度和實現效果間實現平衡，以綜合性價比為第一追求目標。

可喜的是，目前業(yè)界已充分認識到了這些問題，產業(yè)鏈上下游都在為實現確定性網絡的規(guī)模商用而努力，其中包括國內外的標準組織、運營商和設備廠商，他們正在攜手開展協議的優(yōu)化定制、技術的標準化等工作，相信在未來的幾年內，確定性網絡有望實現運營商規(guī)模應用。

*本文首發(fā)于《通信世界》

2022年11月10日 第21期 總第907期

原文標題：確定性網絡技術邁向運營商級的思考和建議

關鍵詞： 確定性網絡技術 走向商用