黃韜，汪碩，黃玉棟，鄭堯，劉江，劉韻潔

（北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

1 引言

以太網(wǎng)自20世紀(jì)70年代誕生以來，由于其簡單的網(wǎng)絡(luò)連接機(jī)制、不斷提高的帶寬以及可擴(kuò)展性和兼容性而被廣泛使用，根據(jù)全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量預(yù)測報(bào)告[1]顯示，到2020年全球IP網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備將達(dá)263億臺(tái)，其中工業(yè)和機(jī)器連接設(shè)備將達(dá)122億臺(tái)，相當(dāng)于總連接設(shè)備的一半，同時(shí)高清和超高清互聯(lián)網(wǎng)視頻流量將占全球互聯(lián)網(wǎng)流量的64%。

激增的視頻流量和工業(yè)機(jī)器應(yīng)用，帶來了大量的擁塞崩潰和數(shù)據(jù)分組時(shí)延。同時(shí)，許多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，例如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)上傳和控制指令下發(fā)、遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)、無人駕駛、VR游戲等，需要將端到端時(shí)延控制在1～10 ms，將時(shí)延抖動(dòng)控制在微秒級(jí)，但傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)只能將端到端的時(shí)延減少到幾十毫秒。面對(duì)時(shí)延敏感性業(yè)務(wù)的迫切需求，如何從“盡力而為”到“準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確”地控制端到端的時(shí)延對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)。

雖然在工業(yè)領(lǐng)域，有幾個(gè)擴(kuò)展以太網(wǎng)提供了初步的確定性解決方案，例如PROFINET（process field net[2]、EthernetCAT（ethernet control automation technology）[3-4]、TTEthernet（time-triggered ethernet）[5]，HaRTES（the hard real time switch architecture）[6]，但它們要么不能相互兼容，要么不能與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備集成，很難滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)確定性要求。深入分析發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橐蕴W(wǎng)缺乏時(shí)鐘同步機(jī)制、帶寬預(yù)留等管理機(jī)制，數(shù)據(jù)分組優(yōu)先級(jí)等過濾機(jī)制，從而無法為應(yīng)用提供時(shí)延和抖動(dòng)的服務(wù)質(zhì)量（QoS, quality of service）保障。

目前，電子電氣工程師學(xué)會(huì)（IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers）和互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF, Internet Engineering Task Force）已提出了新的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。IEEE 802.1工作組（WG, Work Group）致力于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN,time sensitive network）的標(biāo)準(zhǔn)化，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前最為成熟的實(shí)現(xiàn)局域確定性網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，通過IEEE 802.1AS時(shí)鐘同步、IEEE 802.1Qcc流預(yù)留、IEEE 802.1Qch循環(huán)排隊(duì)等技術(shù)保證物理層和鏈路層的確定性時(shí)延；IETF的DetNet（Deterministic Network）工作組專注于網(wǎng)絡(luò)層（L3）及更高層次的廣域確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。此外，5G標(biāo)準(zhǔn)化工作組已將目標(biāo)定為總時(shí)延1 ms或更低，應(yīng)用層的開放通信平臺(tái) OPC UA（object linking and embedding for process control unified architecture）也在積極尋求與TSN的結(jié)合，確定性網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展充滿了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

2 確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用場景與需求

確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為當(dāng)今學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究和關(guān)注的熱點(diǎn)之一，不僅在學(xué)術(shù)領(lǐng)域有廣闊的研究空間，而且在產(chǎn)業(yè)化方面也有巨大的市場前景，因此，研究其在特定場景下的具體需求對(duì)確定性技術(shù)的發(fā)展落地具有重要意義。

2.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)系統(tǒng)全方位深度融合所形成的產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用生態(tài)，是工業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵綜合信息基礎(chǔ)設(shè)施。如圖1所示，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接架構(gòu)分為下層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和上層數(shù)據(jù)互通兩部分，其中，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)又包括工廠內(nèi)網(wǎng)、工廠外網(wǎng)。以下將從工廠內(nèi)網(wǎng)、工廠外網(wǎng)和數(shù)據(jù)互通三方面闡述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)確定性時(shí)延和抖動(dòng)的要求。

1) 工廠內(nèi)網(wǎng)

工廠內(nèi)網(wǎng)用于連接工廠內(nèi)的各種要素，包括人員（如生產(chǎn)人員、設(shè)計(jì)人員、外部人員）、機(jī)器（如裝備、辦公設(shè)備）、材料（如原材料、在制品、制成品）、環(huán)境（如儀表、監(jiān)測設(shè)備）等。工廠內(nèi)網(wǎng)與企業(yè)數(shù)據(jù)中心及應(yīng)用服務(wù)器互聯(lián)，支撐工廠內(nèi)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接架構(gòu)

如圖2所示[7]，當(dāng)前，工廠內(nèi)網(wǎng)呈現(xiàn)“兩層三級(jí)”的結(jié)構(gòu)，“兩層”是指存在“工廠IT（information technology）網(wǎng)絡(luò)”和“工廠 OT（operational technology）網(wǎng)絡(luò)”兩層技術(shù)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)；“三級(jí)”是指根據(jù)目前工廠管理層級(jí)的劃分，網(wǎng)絡(luò)也被分為“現(xiàn)場級(jí)”“車間級(jí)”“工廠級(jí)”這 3個(gè)層次，每層之間的網(wǎng)絡(luò)配置和管理策略相互獨(dú)立。

圖2 工廠內(nèi)網(wǎng)確定性時(shí)延要求

其中，三級(jí)中的工廠級(jí)的IT 管理運(yùn)營系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場實(shí)時(shí)工藝過程數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)有著強(qiáng)烈需求，比如數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)、控制指令下發(fā)等。如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級(jí)與工廠級(jí)之間高實(shí)時(shí)性、高可靠性數(shù)據(jù)通信，是目前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問題。比如鋼鐵廠、煉油廠和海上鉆井平臺(tái)等實(shí)施復(fù)雜的工業(yè)流程，數(shù)千個(gè)現(xiàn)場傳感器向工廠控制中心報(bào)告溫度、壓力和油箱填充水平，中心以自動(dòng)或人為干預(yù)的方式使用該信息來控制執(zhí)行器、啟動(dòng)新的生產(chǎn)階段、安排維護(hù)或觸發(fā)警報(bào)，其中傳感器、執(zhí)行器和控制中心之間的通信需要1～10 ms確定性時(shí)延。

當(dāng)前，滿足該要求的通常做法是修改工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議或者在關(guān)鍵生產(chǎn)流程部署獨(dú)立的專用以太網(wǎng)絡(luò)。然而，這類方式存在的互通性、擴(kuò)展性和兼容性不夠的問題，在從傳統(tǒng)工廠控制網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的過程中日益明顯，目前主流的解決方案是 TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)和 6TiSCH（IPv6 over time slotted channel hopping）[8]。

TSCH（time slotted channel hopping）是2012年IEEE發(fā)布的 802.15.4e MAC層的一種時(shí)隙信道跳頻模式，該模式使用及時(shí)同步通信和信道跳變來消除信道衰落和干擾的影響。6TiSCH是IETF成立的工作組，旨在研究IEEE 802.15.4e協(xié)議的TSCH模式下的IPv6連接，使其具有低時(shí)延、低抖動(dòng)、低功耗和高可靠性的工業(yè)級(jí)確定性特性。

如圖3所示，6TiSCH上層堆棧（IETF 6LoWPAN、RPL和CoAP）[9]具有最先進(jìn)的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。6top為操作子層，用以綁定IETF上層和IEEE 802.15.4e TSCH，它通過創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)方法來構(gòu)建和維護(hù)調(diào)度，執(zhí)行 TSCH配置和控制過程，并定義了最小的6TiSCH配置，以便實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備間的互操作性。

圖3 6TiSCH網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，6TiSCH工作組在 6top操作子層、集中式調(diào)度機(jī)制、6TiSCH遠(yuǎn)程管理接口設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)確定性方面的標(biāo)準(zhǔn)尚未完成。

發(fā)電廠目前主要采用6TiSCH協(xié)議以確保實(shí)時(shí)通信。智能電網(wǎng)應(yīng)用涵蓋了發(fā)電、輸電、配電和客戶駐地領(lǐng)域。在智能電網(wǎng)中，實(shí)時(shí)信息和可靠的電力輸送使電力系統(tǒng)更加智能，并克服了諸如組件故障、容量限制和影響電力輸送的災(zāi)難等挑戰(zhàn)。例如，實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集要求通過 IEC 61850協(xié)議傳輸?shù)?種指定消息，具有以下3組可接受的傳輸時(shí)間：快速消息、原始數(shù)據(jù)和特殊任務(wù)需要小于10 ms，中等消息需要小于100 ms，而慢速消息和非關(guān)鍵命令需要小于500 ms[10]。具有靈活調(diào)度的TSCH MAC層可以滿足IEC 61850消息傳輸時(shí)間要求。

圖4展示了在發(fā)電、配電和家用電表網(wǎng)絡(luò)中利用6TiSCH概念的智能電網(wǎng)架構(gòu)，其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和智能電子設(shè)備的控制（如自動(dòng)化本地站的斷路器控制器、自動(dòng)化變電站的電壓調(diào)節(jié)器和其他自動(dòng)化設(shè)備）需要滿足極低的時(shí)延要求。

2) 工廠外網(wǎng)

工廠外網(wǎng)用于連接智能工廠、分支機(jī)構(gòu)、上下游協(xié)作企業(yè)、工業(yè)云數(shù)據(jù)中心、智能產(chǎn)品與用戶等主體。智能工廠內(nèi)的數(shù)據(jù)中心/應(yīng)用服務(wù)器通過工廠外網(wǎng)與工廠外的工業(yè)云數(shù)據(jù)中心互聯(lián)。

工廠外網(wǎng)的需求主要包括4個(gè)方面：工業(yè)實(shí)體的互聯(lián)網(wǎng)接入需求、跨區(qū)域之間的互聯(lián)與隔離需求、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與混合云互聯(lián)的需求、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)廣域承載網(wǎng)絡(luò)的差異化需求（QoS、安全/保護(hù)等），當(dāng)前，滿足以上需求并廣泛使用的運(yùn)營商專線業(yè)務(wù)主要包括 MPLS（multi-protocol label switching）VPN專線和基于OTN（optical transport network） 的光網(wǎng)專線。

MPLS VPN虛擬專網(wǎng)為用戶在公共 MPLS網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建企業(yè)的虛擬專網(wǎng)，滿足其不同城市（國際、國內(nèi)）分支機(jī)構(gòu)間安全、快速、可靠的工業(yè)化通信需求，并能夠支持辦公、數(shù)據(jù)、語音、圖像等高質(zhì)量、高可靠性要求的多媒體業(yè)務(wù)?；贠TN的智能光網(wǎng)絡(luò)是大顆粒寬帶業(yè)務(wù)傳送的理想解決方案，如果企業(yè)外部專網(wǎng)的主要調(diào)度顆粒達(dá)到 Gbit/s 量級(jí)，可以考慮優(yōu)先采用 OTN 技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

隨著智能工廠的發(fā)展，各機(jī)器之間通過交換彼此的信息，或者使用超級(jí)控制器來描繪網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及各種狀態(tài)信息。工廠內(nèi)網(wǎng)需要建立在IP網(wǎng)絡(luò)之上，并且滿足確定性時(shí)延和抖動(dòng)以及遠(yuǎn)程控制的要求。而目前的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)主要局限在局域網(wǎng)的范圍，不能滿足跨局域網(wǎng)、多實(shí)時(shí)邊緣網(wǎng)絡(luò)互連的確定性業(yè)務(wù)傳輸需求，IETF的DetNet工作組目前正在解決這個(gè)問題。

3) 數(shù)據(jù)互通

數(shù)據(jù)互通是指建立數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和規(guī)范，使傳遞的數(shù)據(jù)能被有效地理解和利用，對(duì)應(yīng)協(xié)議棧的TCP/UDP 層到應(yīng)用層。

圖4 6TiSCH在智能電網(wǎng)架構(gòu)中的使用

如圖5所示，OPC UA[11-14]是一個(gè)開放通信平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)從PLC（programmable logic controller）到云、PLC之間以及PLC到上層應(yīng)用的數(shù)據(jù)互通，已被選為工業(yè) 4.0的參考標(biāo)準(zhǔn)。其中，上層應(yīng)用包括 ERP（enterprise resource planning）、MES（manufacturing execution system）、SCADA（supervisory control and data acquisition），接口為HMI。對(duì)于信息交換，OPC UA提供2種通信機(jī)制：第一種是客戶端-服務(wù)器模型，客戶端通過定義的服務(wù)訪問服務(wù)器信息；第二種通信方法是OPC UA PubSub，即發(fā)布者-訂閱者模型，這種方法允許數(shù)千個(gè)傳感器和云之間的多播通信，以及機(jī)器之間的協(xié)調(diào)通信。

圖5 工廠自動(dòng)化中的對(duì)象連接與嵌入處理控制統(tǒng)一架構(gòu)

為提高數(shù)據(jù)互通的實(shí)時(shí)性和可靠性，向現(xiàn)場設(shè)備端延伸，OPC UA正積極與IEEE TSN相結(jié)合，支持用于時(shí)間同步的IEEE 802.1 AS-Rev和用于調(diào)度的IEEE 802.1 Qbv協(xié)議，實(shí)現(xiàn)不同供應(yīng)商的工業(yè)控制器之間的開放式數(shù)據(jù)交換，以及實(shí)時(shí)的機(jī)器到機(jī)器通信。OPC UA PubSub標(biāo)準(zhǔn)目前還處于試運(yùn)行中，但已被使用Profinet、EtherCat、PowerLink等架構(gòu)的大公司采用。

2.2 5G移動(dòng)通信

2015年6月24日，國際電信聯(lián)盟（ITU）公布5G技術(shù)的正式名稱為IMT-2020。IMT-2020是第五代移動(dòng)電話行動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速度是4G網(wǎng)絡(luò)的40倍，且對(duì)時(shí)延有非常高的要求。如表1所示[15]，4.9G對(duì)應(yīng)于LTE向5G的優(yōu)化工作，實(shí)現(xiàn)了減少時(shí)延90%以上，并且5G標(biāo)準(zhǔn)化工作組已將目標(biāo)定為總時(shí)延為1 ms或更低[15]。各種標(biāo)準(zhǔn)化組織為5G的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，包括IEEE、IETF及第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP, 3rd Generation Partnership Project）和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI, European Telecommunications Standards Institute），相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將在 2020年制定完成。

1) 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖6所示，整個(gè)5G系統(tǒng)可以分為無線接入段、前傳段，以及到核心網(wǎng)絡(luò)的回程段。無線接入段負(fù)責(zé)將無線設(shè)備連接到基站，前傳段將基站連接到云無線接入網(wǎng)，而回程段將云無線接入網(wǎng)連接到核心網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)絡(luò)連接整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)，包括數(shù)據(jù)中心，為設(shè)備提供端到端的服務(wù)。

圖6 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

低時(shí)延5G的應(yīng)用包括遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛、環(huán)境監(jiān)測、娛樂和工業(yè)自動(dòng)化等。遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)需要保證1～10 ms的時(shí)延保證，自動(dòng)駕駛需要高速率以及10 ms以內(nèi)的低時(shí)延以確保快速響應(yīng)不斷變化的道路狀況，還有用于游戲和娛樂的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR,augmented reality）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR, virtual reality）需要高速率的視頻傳輸和極低時(shí)延，以避免視頻和音頻中的抖動(dòng)。預(yù)計(jì)未來5G將不斷發(fā)展以支持超低時(shí)延的端到端連接，如圖7所示，現(xiàn)有的3種5G切片服務(wù)方案包括 eMMB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、URLLC（超可靠低時(shí)延通信）和 mMTC（大規(guī)模機(jī)器類型通信）[16]。

eMBB側(cè)重于高數(shù)據(jù)速率服務(wù)，如高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和固定移動(dòng)融合。

URLLC側(cè)重于對(duì)時(shí)延敏感的服務(wù)，如自動(dòng)駕駛車輛、遠(yuǎn)程手術(shù)或無人機(jī)控制。

mMTC專注于對(duì)連接密度有很高要求的服務(wù)，如智慧城市和智能農(nóng)業(yè)。

表1 3G、4G、4.9G和5G的時(shí)延比較

圖7 5G中網(wǎng)絡(luò)切片的用例

5G承載網(wǎng)絡(luò)可以使用確定性網(wǎng)絡(luò)來提供跨切片和切片內(nèi)的傳輸。例如有2個(gè)切片A和B，確定性網(wǎng)絡(luò)通過 URLLC-A和 URLLC-B進(jìn)行傳輸服務(wù)。URLLC-A和URLLC-B具有單獨(dú)的帶寬保留，它們在不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)中，沒有資源沖突，可以保證帶寬和時(shí)延。

2.3 智慧建筑

智慧建筑的自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS, building automation system）[17]可以管理建筑的設(shè)備和傳感器，以改善居民的舒適度，減少能源消耗，并探測緊急情況，比如定期測量房間的溫度、濕度，遠(yuǎn)程控制門和燈的開關(guān)，對(duì)設(shè)備的異常狀態(tài)報(bào)警等。

1) 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖8所示，BAS中通常有兩層網(wǎng)絡(luò)，上層為管理網(wǎng)絡(luò)，下層為現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。樓宇管理服務(wù)器（BMS,building management server）和人機(jī)接口（HMI,human machine interface）通過管理網(wǎng)絡(luò)連接到本地控制器（LC, local controller），本地控制器通過現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)連接到設(shè)備。管理網(wǎng)絡(luò)中使用基于IP的通信協(xié)議，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)使用非IP的現(xiàn)場協(xié)議。在現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中有各種物理接口，如RS232C和RS485，它們具有特定的時(shí)序要求。因此如果現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)被以太網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)替換，這種替換網(wǎng)絡(luò)必須支持確定性流。

圖8 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS）架構(gòu)

2) 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

在環(huán)境監(jiān)測中，BAS系統(tǒng)中的BMS以100 ms的最大測量間隔輪詢每個(gè)LC，然后執(zhí)行指定的操作。每個(gè)LC需要在一次間隔中測量幾百個(gè)傳感器，所以需要極低的測量時(shí)延，其可用性預(yù)計(jì)為99.999%。

在火災(zāi)探測中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，BAS中的BMS須關(guān)閉空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)（HVAC, heating ventilation and air conditioning）、關(guān)閉火災(zāi)百葉窗、打開消防噴淋頭、發(fā)出警報(bào)等。在這一過程中，BMS需要管理每個(gè)LC的大約10個(gè)傳感器，需要實(shí)現(xiàn)10～50 ms的測量間隔、10 ms以內(nèi)的通信時(shí)延，以及99.999 9%可用性。

在反饋控制中，BAS以各種方式利用反饋控制，其中最需要確定的是控制直流電機(jī)，這需要極短的反饋間隔（1～5 ms）、極低的通信時(shí)延（10 ms）和抖動(dòng)（小于1 ms），反饋間隔取決于設(shè)備特征和目標(biāo)控制質(zhì)量值。通常每個(gè)LC約有10個(gè)這樣的設(shè)備，且可用性需達(dá)到99.999 9%。

2.4 4K/8K/AR/VR音視頻

4K/8K/AR/VR音視頻的應(yīng)用場景包括：音視頻制作、直播、廣播、電影院、現(xiàn)場音樂會(huì)、大型場所（機(jī)場、體育場館、教堂、主題公園）的公共廣播媒體和應(yīng)急系統(tǒng)。這個(gè)行業(yè)正在從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的硬件互連轉(zhuǎn)向無線互聯(lián)，從而降低成本、提高靈活性。

1) 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為提供多媒體流所需的QoS保障，2011年IEEE發(fā)布了 IEEE 802.1 AVB[18]（audio/ video bridging）標(biāo)準(zhǔn)，其架構(gòu)如圖9所示。它在傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過保障帶寬（IEEE 802.1Qat）、限制時(shí)延（IEEE 802.1Qav）和精確時(shí)鐘同步（IEEE 802.1AS）[19-20]這3個(gè)方面的具體協(xié)議，實(shí)現(xiàn)在二層局域網(wǎng)創(chuàng)建確定性流。

圖9 音視頻橋接網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2) 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

① 實(shí)時(shí)音視頻。文件傳輸一般采用差錯(cuò)重傳保證服務(wù)質(zhì)量。實(shí)時(shí)音視頻不同于常見的文件傳輸，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)丟失或損壞的數(shù)據(jù)分組時(shí)再執(zhí)行重傳為時(shí)已晚，雖然現(xiàn)有的緩沖機(jī)制可用于提供足夠的時(shí)延以允許一個(gè)或多個(gè)時(shí)間重試，但這不是真正有效的解決方案，需要保證帶寬來消除擁塞，使用冗余路徑來提供更高的可靠性。

② 同步流播放。Pro AV（professional audio video）是在拍攝時(shí)對(duì)音頻和視頻進(jìn)行時(shí)間同步，然后通過播放系統(tǒng)的不同路徑進(jìn)行傳輸。為保證接收端音頻與視頻一致，一個(gè)音頻/視頻同步的常見容差是一個(gè) NTSC（national television standards committee）視頻幀（約33 ms），同時(shí)為保持觀眾對(duì)唇部同步的感知，時(shí)延需要在一定的合理容差范圍內(nèi)（比如10%）保持一致。

以美國ESPN為例，2014年6月，其耗資1.25億美元建造了一個(gè)1.8萬平方米，擁有最先進(jìn)廣播和后期制作技術(shù)的廣播工作室名為DC2。它具有2個(gè)Evertz EXE光纖路由器，吞吐量為46 Tbit/s，可以在工廠的1 770 km光纖上同時(shí)處理超過60 000個(gè)信號(hào)。在DC2控制臺(tái)核心內(nèi)部，音頻可嵌入視頻或獨(dú)立信號(hào)，可立即提供同步流給任何配有AVB接口的Lawo mc2-56音頻控制臺(tái)。AVB基礎(chǔ)設(shè)施取代了ESPN之前的全MADI音頻傳輸系統(tǒng)。

③ 消除回聲。如圖10所示，實(shí)線表示從有人對(duì)著麥克風(fēng)說話到聲音從揚(yáng)聲器出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)延、傳輸時(shí)延、處理時(shí)延和數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)延。虛線表示聲音播放總時(shí)延，如果總時(shí)延超過 10～15ms，將會(huì)產(chǎn)生聲學(xué)回聲，則擴(kuò)聲系統(tǒng)將無法使用，且總時(shí)延界限包括信號(hào)的所有路徑，而不僅僅是網(wǎng)絡(luò)，所以網(wǎng)絡(luò)時(shí)延必須顯著小于15 ms。

圖10 現(xiàn)場Live端到端時(shí)延模型

目前，Avid[20]的S6L系列產(chǎn)品已支持以太網(wǎng)音視頻橋接端口，提供低時(shí)延的統(tǒng)一現(xiàn)場聲音平臺(tái)。

2.5 需求小結(jié)

本節(jié)所述確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用場景有如下幾點(diǎn)共性的需求。

1) 需要有界的且極低的時(shí)延、抖動(dòng)和分組丟失率，保證端到端交付。

2) 需要標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)流信息模型。

3) 需要集中式網(wǎng)絡(luò)配置和控制系統(tǒng)。確定性網(wǎng)絡(luò)的大小沒有限制，但局限于集中管理和明確的網(wǎng)絡(luò)，需排除互聯(lián)網(wǎng)這樣的無限制的分散網(wǎng)絡(luò)。

4) 基于IPv4對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展，以開放標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一多個(gè)專有確定性網(wǎng)絡(luò)。

5) 確定性網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)共存，未使用的確定性網(wǎng)絡(luò)帶寬可用于以太網(wǎng)。

6) 需要高可靠性和可用性。

3 確定性網(wǎng)絡(luò)主要研究成果

隨著實(shí)時(shí)流量的增加和對(duì)多網(wǎng)融合的需求，傳輸網(wǎng)提出了對(duì)確定性路徑傳輸?shù)男枨?。ATM（asynchronous transfer mode）為整合電信網(wǎng)，提出了映射底三層網(wǎng)絡(luò)的整體傳輸方案，但是技術(shù)復(fù)雜，設(shè)備昂貴。傳統(tǒng)以太網(wǎng)憑借“盡力而為”的簡潔思想逐漸在傳輸網(wǎng)絡(luò)中成為主流，但因此會(huì)導(dǎo)致不可控的路由路徑、丟失分組率和傳輸時(shí)延?；谝蕴W(wǎng)成為主流的趨勢，2005年，IEEE的 802.1任務(wù)組成立 AVB任務(wù)組，用于局域網(wǎng)時(shí)延敏感的音視頻業(yè)務(wù)的傳輸。2012年，AVB任務(wù)組改名為TSN任務(wù)組，主要應(yīng)用于各種支持低延時(shí)及基于時(shí)間同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)協(xié)議。TSN與OP-CUA等相關(guān)聯(lián)盟積極協(xié)作，促進(jìn)多家標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。IETF在2015年10月成立了DetNet工作組，其專注于在第二層橋接和第三層路由段上操作的確定性數(shù)據(jù)路徑，目標(biāo)在于將確定性網(wǎng)絡(luò)通過IP/MPLS等技術(shù)擴(kuò)展到廣域網(wǎng)上。2016年5月，光聯(lián)網(wǎng)論壇（OIF, optical internetworking forum）定義了FlexE技術(shù)的接口幀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)帶寬的捆綁、通道化，為5G切片網(wǎng)絡(luò)中的確定性路徑提供了保證。本節(jié)按照IOS五層模型的順序，由下向上介紹確定性網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。表2對(duì)比了3種關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)有成果的特點(diǎn)。

3.1 FlexE

3.1.1 概述

隨著云計(jì)算、視頻以及5G移動(dòng)通信等業(yè)務(wù)的興起，人們對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的訴求從以帶寬為主逐漸轉(zhuǎn)移到業(yè)務(wù)體驗(yàn)、服務(wù)質(zhì)量和組網(wǎng)效率上。為滿足上述需求，2011年1月，OIF成立靈活以太網(wǎng)研究小組，2015年7月發(fā)布草案，2016年3月發(fā)布了FlexE的1.0標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容（OIF-FLEXE-01.0），2017年第一季度 FlexE For IP/MPLS標(biāo)準(zhǔn)正式在 BBF（broad band forum）立項(xiàng)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)二層、三層業(yè)務(wù)基于FlexE接口的應(yīng)用模型加以定義，將FlexE接口擴(kuò)展至IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)。在OIF 2018年第三季度會(huì)議上，F(xiàn)lexE 2.0標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，包括幀格式、時(shí)間同步方案等。FlexE也稱為靈活以太網(wǎng)，是由OIF發(fā)布的通信協(xié)議，在以太網(wǎng)L2（MAC，media access control）/L1（PHY, physical layer）之間的中間層增加了FlexE Shim層，它通過時(shí)分復(fù)用分發(fā)機(jī)制，將多個(gè)client接口的數(shù)據(jù)按照時(shí)隙方式調(diào)度并分發(fā)至多個(gè)不同的子通道，使網(wǎng)絡(luò)即具備類似于時(shí)分復(fù)用（TDM, time division multiplex）的獨(dú)占時(shí)隙、隔離性好的特性，又具備以太網(wǎng)統(tǒng)計(jì)復(fù)用、網(wǎng)絡(luò)效率高的特性。FlexE在以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)速率和物理通道速率的解耦，客戶業(yè)務(wù)不一定在一個(gè)物理通道上傳遞，還可能由多個(gè)物理通道捆綁形成的一個(gè)虛擬的邏輯通道傳遞。圖11展示了FlexE數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu)。在網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)中，配置了3個(gè)FlexE隧道，其中隧道1和隧道2從左側(cè)的FlexE A組交叉?zhèn)鬏數(shù)搅擞覀?cè)的FlexE B組，隧道3交叉穿通到了右側(cè)的FlexE C組。FlexE 端到端隧道通過FlexE client 交叉實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)lexE shim通過解映射恢復(fù)出各FlexE client 的66 bit碼塊流，根據(jù) FlexE交叉單元配置的連接關(guān)系，輸出到對(duì)應(yīng)出向的 FlexE client 單元，通過其 FlexE shim 映射到FlexE group 發(fā)送出去，從而完成整個(gè)隧道的連通。

表2 關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)有成果對(duì)比

圖11 靈活以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸邏輯結(jié)構(gòu)

3.1.2 關(guān)鍵技術(shù)/標(biāo)準(zhǔn)

FlexE 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn) 3種應(yīng)用模式：鏈路捆綁模式、子速率模式和通道化模式[21]。鏈路捆綁模式是將多個(gè)物理通道捆綁起來，形成一個(gè)大的邏輯通道，實(shí)現(xiàn)大流量的業(yè)務(wù)傳輸。子速率模式是指單條客戶業(yè)務(wù)速率小于一條物理通道速率時(shí)，將多條客戶速率匯聚起來共享一條物理通道，提高物理通道的帶寬利用率。通道化模式是客戶業(yè)務(wù)在多條物理通道上的多個(gè)時(shí)隙傳遞，客戶業(yè)務(wù)分布在多條不同物理通道的多條時(shí)隙上，多個(gè)客戶共享多條物理通道。實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的 FlexE的關(guān)鍵技術(shù)包括實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的FlexE shim層結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn) FlexE端到端傳輸?shù)慕徊鎮(zhèn)魉?、監(jiān)控端到端傳輸?shù)?OAM（operation administration and maintenance）機(jī)制和提供可靠性的隧道保護(hù)技術(shù)。

1) FlexE shim層

FlexE 協(xié)議定義了一個(gè)時(shí)分復(fù)用的FlexE shim層。FlexE shim 層通過多個(gè)綁定的PHY 來承載各種IEEE 定義的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)（FlexE client）。FlexE shim 層可以支持多種以太網(wǎng)MAC分組，包括大于或小于單個(gè)物理 PHY 速率的以太網(wǎng)分組。在承載客戶業(yè)務(wù)時(shí)，先對(duì)以太網(wǎng)分組進(jìn)行64/66編碼，然后通過插入和刪除空閑塊實(shí)現(xiàn)速率適配，將業(yè)務(wù)的時(shí)隙配置插入master calendar中，master calendar 將所有時(shí)隙分配成多個(gè)成員（即sub calendar），添加FlexE 開銷，擾碼后經(jīng)過 PMA（physical medium attachment）、PMD（physical medium dependent） 發(fā)送出去。FlexE 協(xié)議定義每個(gè)物理成員PHY（注：標(biāo)準(zhǔn)為 100 GE）上傳遞一個(gè) sub calendar，sub calendar 循環(huán)分配時(shí)隙編號(hào)來劃分 66 bit碼塊順序，同一編號(hào)的碼塊在邏輯上組成一個(gè)獨(dú)立的時(shí)隙，在FlexE shim 中作為一個(gè)獨(dú)立物理帶寬資源單元分配使用。

2) FlexE業(yè)務(wù)的交叉?zhèn)魉?/p>

端到端FlexE tunnel 傳送技術(shù)是構(gòu)成L1 層承載網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)[21]。端到端FlexE隧道實(shí)現(xiàn)的核心思路是FlexE client能直接在L1層從一個(gè)FlexE組交叉到另一個(gè)FlexE組承載，而不是上傳MAC定幀后再進(jìn)行分組交換。比如，業(yè)務(wù)碼流從一個(gè) FlexE組的PHY 送到對(duì)應(yīng)的FlexE組master calendar，按配置規(guī)則提取對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)碼塊流后根據(jù)系統(tǒng)交叉配置送到交叉單元，直接輸出映射到另一個(gè) FlexE group 的 master calendar 對(duì)應(yīng)的時(shí)隙通道，通過PHY 轉(zhuǎn)發(fā)往下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3) OAM機(jī)制

采用FlexE tunnel 隧道技術(shù)的承載網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)客戶業(yè)務(wù)的端到端傳輸時(shí)，需實(shí)現(xiàn)增加 OAM開銷，以實(shí)現(xiàn)傳輸管道的端到端監(jiān)控。在承載網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)lexE 技術(shù)涉及兩層網(wǎng)絡(luò)：FlexE通道層和FlexE 段層。

FlexE通道層位于 FlexE 客戶數(shù)據(jù)層和 FlexE段層之間，實(shí)現(xiàn)客戶數(shù)據(jù)的接入/恢復(fù)、增加/刪除OAM 信息、數(shù)據(jù)流的交叉連接，以及通道保護(hù)的功能。FlexE 通道層形成的端到端連接管道稱之為FlexE隧道，它是FlexE網(wǎng)絡(luò)中傳遞的一條邏輯承載管道，客戶業(yè)務(wù)從源節(jié)點(diǎn)映射到FlexE shim，經(jīng)過邏輯承載管道后，再從 shim中解映射到目的節(jié)點(diǎn)。FlexE 通道層OAM 信息需要進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，在客戶業(yè)務(wù)復(fù)用進(jìn)入FlexE shim 層前，在客戶業(yè)務(wù)流（由66 bit碼塊組成的TDM 碼流）中按某種固定周期插入OAM 信息塊。

FlexE 段層位于FlexE通道層和物理層之間。在FlexE 段層中，實(shí)現(xiàn)接入數(shù)據(jù)流的速度適配、數(shù)據(jù)流在FlexE shim 上映射與解映射、FlexE 幀開銷的插入與提取的功能。FlexE 段層的OAM 信息來自標(biāo)準(zhǔn)定義的 FlexE 開銷幀的內(nèi)容，通過開銷幀頭、復(fù)幀幀頭信息可以提供等效 CC（continuity check）/CV（connectivity verification） 檢測，開銷幀中RPF（remote PHY fault）信息可以提供遠(yuǎn)端成員缺陷指示 RDI（remote defect indication），通過PHY map、client calendar A/B 等字段來交互鏈路帶寬以及相關(guān)時(shí)隙配置業(yè)務(wù)類型等。

4) 隧道保護(hù)

在FlexE 通道層提供保護(hù)功能，提高客戶業(yè)務(wù)在 FlexE 隧道中傳輸?shù)目煽啃浴１Ｗo(hù)方式分為“1+1”保護(hù)和“1:1”保護(hù)[21]。當(dāng)客戶業(yè)務(wù)在一條隧道中出現(xiàn)故障時(shí)，快速將客戶業(yè)務(wù)切換到另外一條隧道中進(jìn)行傳輸。

當(dāng)客戶業(yè)務(wù)正常工作時(shí)，在“1+1”保護(hù)中，客戶業(yè)務(wù)可以同時(shí)在2條隧道中傳輸，在目的點(diǎn)同時(shí)檢測2條隧道的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量狀況，從服務(wù)質(zhì)量高的隧道中接收客戶業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)承載客戶業(yè)務(wù)的帶寬利用率只有50%。在“1:1”保護(hù)中，有2條承載通道隧道：主通道隧道和備通道隧道。在正常工作時(shí)，客戶業(yè)務(wù)在主通道隧道傳輸，備通道隧道可以傳輸?shù)蛢?yōu)先級(jí)客戶業(yè)務(wù)。當(dāng)主通道隧道出現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)送端和接收端協(xié)商并決策，將客戶從主通道隧道切換到備通道隧道中傳輸。由于 1:1保護(hù)模式在正常工作狀態(tài)下備用通道隧道可以傳遞其他低優(yōu)先級(jí)客戶業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)承載客戶業(yè)務(wù)的帶寬利用率可以達(dá)到100%。

3.1.3 趨勢

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以讓運(yùn)營商在一個(gè)硬件基礎(chǔ)設(shè)施中切分出多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片在設(shè)備、接入網(wǎng)、承載網(wǎng)及核心網(wǎng)方面實(shí)現(xiàn)邏輯隔離，適配各種類型服務(wù)并滿足用戶的不同需求。對(duì)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片而言，網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)質(zhì)量、安全性等專屬資源都可以得到充分保證。采用 FlexE技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)具有彈性帶寬、靈活分配的硬管道，可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的物理隔離和可靠的服務(wù)質(zhì)量，天然地實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)切片功能。FlexE 技術(shù)的物理管道捆綁、子速率、通道化的應(yīng)用模式可以承載各類速率需求的客戶業(yè)務(wù)，提高了網(wǎng)絡(luò)承載帶寬的利用率，降低了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的成本，逐步完善的OAM 功能滿足網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理需要，這些優(yōu)勢很好地滿足了5G 承載網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)需求。

3.2 AVB/TSN

3.2.1 概述

AVB（audio video bridging），即音視頻橋接技術(shù)，是IEEE 802.1任務(wù)組（TG, task group）在2005年基于以太網(wǎng)架構(gòu)制定的一套用于實(shí)時(shí)音視頻的二層傳輸協(xié)議集[22-23]。由于傳統(tǒng)以太網(wǎng)是基于“盡力而為”的思想設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)分組丟失和不確定的時(shí)延，無法滿足確定性網(wǎng)絡(luò)對(duì)確定性端到端傳輸路徑與時(shí)延的需要。AVB標(biāo)準(zhǔn)通過時(shí)鐘同步、資源預(yù)留和流量整形等技術(shù)有效降低了音視頻數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)傳輸中的最差時(shí)延，同時(shí)保持 100%向后兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)。

隨著對(duì)確定性網(wǎng)絡(luò)需求的增加，AVB TG2012年更名為TSN（time sensitive network）TG，即時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組。與AVB 相比，TSN對(duì)AVB已有的協(xié)議進(jìn)行了補(bǔ)充，應(yīng)用范圍更加廣泛，TSN主要有4個(gè)應(yīng)用方向：專業(yè)音視頻（Pro AV）、汽車控制領(lǐng)域、商用電子領(lǐng)域和需要實(shí)時(shí)反饋的工業(yè)領(lǐng)域。TSN還可以用于支持大數(shù)據(jù)的服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

TSN可以通過在以太網(wǎng)中的部署支持實(shí)時(shí)的IACS（industrial automation and control system）應(yīng)用。IEEE 802.1 TSN TG基于橋接局域網(wǎng)擴(kuò)展了傳統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，保證數(shù)據(jù)具有確定的低時(shí)延和抖動(dòng)，滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS要求，同時(shí)提供了足夠的措施來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的端到端通信的安全性，這些標(biāo)準(zhǔn)還在修訂并不斷更新，新的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)覆蓋取代舊有標(biāo)準(zhǔn)，圖12展示了AVB/TSN標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程。

3.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

為了滿足部分流量對(duì)確定性時(shí)延的要求，首先，要提供精確的時(shí)間同步機(jī)制；其次，要提供確定的傳輸路徑。AVB/TSN的思路是：首先將網(wǎng)絡(luò)中需求不同的流量[24]分成不同的優(yōu)先級(jí)流，將有確定性需求的流量與其余流量區(qū)分開；然后以類似時(shí)分復(fù)用的思想，通過不同的流量整形機(jī)制為高優(yōu)先級(jí)流量提供確定的傳輸時(shí)隙，以保證時(shí)間敏感流量有一條確定的傳輸路徑。圖13展示了TSN技術(shù)的架構(gòu)。為了在兩層網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)，TSN標(biāo)準(zhǔn)[25]提供了精確的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制，調(diào)度不同優(yōu)先級(jí)流量的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，保證確定性時(shí)延的Qos機(jī)制和配置以上標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行機(jī)制。接下來，分別就這4個(gè)方面進(jìn)行介紹。

圖12 AVB/TSN標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程

1) 時(shí)間同步機(jī)制

確定性網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本要求是提供精準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制。在 TSN協(xié)議中，IEEE 802.1AS[26-27]和更新的修訂版本IEEE 802.1AS-REV可以實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)的時(shí)間同步。IEEE 802.1AS采用IEEE 1588-2008（1588v2）[28]中的通用精確時(shí)間配置協(xié)議（gPTP, generic precision time protocol）。gPTP協(xié)議通過 BMCA（best master clock algorithm）[28]建立主從結(jié)構(gòu)形成 gPTP域，然后選出最精確的時(shí)鐘源GM（grand master）時(shí)鐘。在 gPTP域內(nèi)，主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間不斷傳遞時(shí)間信息，并將時(shí)間與 GM 時(shí)鐘進(jìn)行同步[29]。IEEE802.1 AS-REV增加了在多個(gè)時(shí)域進(jìn)行時(shí)間同步的功能，既能在某域內(nèi)GM時(shí)鐘發(fā)生故障時(shí)實(shí)現(xiàn)快速切換到其他域的功能，又能提高時(shí)間測量精度。

圖13 TSN技術(shù)架構(gòu)

2) 資源預(yù)留機(jī)制和準(zhǔn)入框架

為了增強(qiáng)TSN網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，TSN可以使用UML語言配置，IEEE 802.1 Qcp協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化了TSN的YANG模型[30-31]，為周期性監(jiān)控和報(bào)告以及配置802.1網(wǎng)橋和組件提供框架，比如配置媒體訪問控制（MAC）網(wǎng)橋，雙端口MAC中繼，虛擬局域網(wǎng)（VLAN,virtual local area network）網(wǎng)橋[32]等。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間敏感流量的優(yōu)先調(diào)度，需要有針對(duì)TSN流的資源預(yù)留和準(zhǔn)入控制機(jī)制。TSN協(xié)議中的 IEEE 802.1 Qat流預(yù)留協(xié)議（SRP, stream reservation protocol）[33]、IEEE 802.1 Qcc 增強(qiáng)型SRP和集中管理協(xié)議[34]、IEEE 802.1 CS本地鏈路保留協(xié)議（LRP, link-local reservation protocol）[35]和RAP協(xié)議（resource allocation protocol），負(fù)責(zé)路徑預(yù)留和帶寬限制，接下來詳細(xì)介紹這些協(xié)議。

AVB TG提出了目前已經(jīng)合并到IEEE 802.1Q的IEEE 802.1 Qat流預(yù)留協(xié)議（SRP, stream reservation protocol）[33]。該協(xié)議基于TSN流的資源要求和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)可用資源規(guī)定了準(zhǔn)入控制架構(gòu)，通過多址注冊協(xié)議[24]（MRP, multiple registration protocol），使用48位擴(kuò)展唯一標(biāo)識(shí)符，也稱作StreamID，來識(shí)別和注冊業(yè)務(wù)流，為 AVB流提供足夠的資源預(yù)留。此外，IEEE 802.1Qat規(guī)定了在全雙工以太網(wǎng)中保留網(wǎng)絡(luò)資源和廣告流的框架。

由于現(xiàn)有的IEEE 802.1Qat采用分布式的注冊和預(yù)留方式，注冊請(qǐng)求的變更有可能使網(wǎng)絡(luò)過載從而導(dǎo)致關(guān)鍵流量類的時(shí)延。因此，TSN TG引入了IEEE 802.1Qcc[36]標(biāo)準(zhǔn)，通過減小預(yù)留消息的大小和頻率來改善現(xiàn)有SRP，使更新僅由鏈路狀態(tài)或預(yù)留改變觸發(fā)。此外，IEEE 802.1Qcc提供了一套集中式的全局管理和控制網(wǎng)絡(luò)的工具，可通過遠(yuǎn)程管理協(xié)議（如 NETCONF[37]或 RESTCONF[38]）執(zhí)行資源預(yù)留、調(diào)度和其他配置。IEEE 802.1Qcc[36]仍支持完全分布式配置，允許集中管理系統(tǒng)和分散的 Ad Hoc系統(tǒng)共存。當(dāng)與IEEE 802.1 Qca路徑控制和保留機(jī)制和流量整形結(jié)合時(shí)，該方案可以提供確定性的端到端時(shí)延和零擁塞丟失。

雖然 MRP[39]提供了有效的注冊流方法，但它保存流狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)庫限制在大約1 500 B。隨著更多業(yè)務(wù)流共存以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，數(shù)據(jù)庫成比例地增加，SRP和MRP由于注冊流狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)庫有限而無法擴(kuò)展到具有實(shí)時(shí)性IACS應(yīng)用的大型網(wǎng)絡(luò)。TSN TG引入了本地鏈路預(yù)留協(xié)議[35]，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路的兩端之間有效地復(fù)制 MRP數(shù)據(jù)庫，并在網(wǎng)橋報(bào)告新的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)時(shí)逐步復(fù)制更改。LRP還提供清除過程，當(dāng)此類數(shù)據(jù)庫的源無響應(yīng)或數(shù)據(jù)過期時(shí)，刪除復(fù)制的數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過優(yōu)化，LRP可有效處理大約1 MB的數(shù)據(jù)庫。LRP與作為信令協(xié)議的RAP一起以分布式的方式支持可擴(kuò)展的TSN網(wǎng)絡(luò)的資源預(yù)留。

3) 確定性時(shí)延的QoS機(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)確定時(shí)延，TSN利用幀搶占和流量整形機(jī)制在以太網(wǎng)鏈路中實(shí)現(xiàn)確定的傳輸路徑，目前已經(jīng)發(fā)布了幾種流控制標(biāo)準(zhǔn)。比如 IEEE 802.1 Qav[40-41]采用 CBS（credit-based shaper）機(jī)制，IEEE 802.1 Qbv 采用 Tas （time-aware shaper）機(jī)制[40]，IEEE 802.1 Qch采用CQF（cyclic queuing and forwarding）機(jī)制，IEEE 802.1 Qcr采用 ATS（asynchronous traffific shaping）機(jī)制。流量整形機(jī)制通過為高優(yōu)先級(jí)流量提供確定的傳輸時(shí)隙來提供確定的傳輸時(shí)延，避免突發(fā)流量造成的重傳和分組丟失的影響。

CBS主要應(yīng)用于AVB應(yīng)用，它利用信用這個(gè)指標(biāo)將傳輸時(shí)間分為允許高優(yōu)先級(jí)流量和普通優(yōu)先級(jí)流量傳輸這2個(gè)時(shí)隙。CBS結(jié)合SRP可以將每個(gè)網(wǎng)橋出現(xiàn)的時(shí)延限制在250 ms，但是CBS使網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延增加。因此，TSN TG提出了TAS機(jī)制，配合幀搶占機(jī)制一起提供更好的QoS，這也是目前最常使用的流量整形機(jī)制。對(duì)于符合IEEE 802.3的以太網(wǎng)幀，算入單個(gè)IEEE 802.1Q VLAN標(biāo)記和幀間間隔的幀的總長度為1 542 B，其中包括前導(dǎo)碼和幀起始定界符共8 B，以太網(wǎng)地址、以太網(wǎng)類型或長度和CRC共18 B，VLAN標(biāo)記4 B，幀有效載荷1 500 B，幀間隔12 B。與傳統(tǒng)以太網(wǎng)幀相比，增加了4 B的IEEE 802.1Q VLAN標(biāo)記。

TAS機(jī)制要求所有時(shí)間觸發(fā)的窗口時(shí)間同步，然后利用門控列表技術(shù)控制不同優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列的傳輸或等待。為了減少在時(shí)隙轉(zhuǎn)換時(shí)，低優(yōu)先級(jí)流量對(duì)高優(yōu)先級(jí)流量的干擾，TSN采用 IEEE 802.1Qbu幀搶占[42]機(jī)制，利用保護(hù)頻帶為TAS確保傳輸信道對(duì)于下一個(gè)高優(yōu)先級(jí)流量的傳輸是可用的，同時(shí)顯著減小保護(hù)頻帶的字節(jié)數(shù)。使用幀預(yù)占技術(shù)前，保護(hù)頻帶的持續(xù)時(shí)間必須與安全傳輸?shù)淖畲髱叽缫粯娱L，即1 542 B的傳輸時(shí)間；加入幀預(yù)占后，保護(hù)頻帶可以減少到幀的最小尺寸，即最小幀64 B和不能預(yù)占的剩余長度63 B的和，總共127 B。幀預(yù)搶占造成的低優(yōu)先級(jí)幀中斷只發(fā)生在鏈路層，在下一個(gè)網(wǎng)橋的接口處，被中斷的幀會(huì)被重新整合成為完整的幀。

TAS雖然有效減小了傳輸時(shí)延，但是配置復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步要求很高，CQF（cyclic queuing and forwarding），也稱蠕動(dòng)整形器（PS,peristaltic shaper），可以通過同步入口和出口的隊(duì)列操作來降低TAS配置的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o關(guān)的零擁塞丟失和有界時(shí)延，但是會(huì)導(dǎo)致更高的時(shí)延，對(duì)時(shí)間同步的要求也很高。

為了有效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，ATS（asynchronous traffic shaper）基于 UBS（urgency-based scheduler）[43-44]，通過在每一跳重塑TSN流，提供不需要嚴(yán)格時(shí)間同步的確定性時(shí)延?？傮w來說，這些提供確定性時(shí)延的流量控制機(jī)制的高效動(dòng)態(tài)配置需要更多的研究和實(shí)踐。

4) 配置TSN流量

TSN流會(huì)根據(jù)應(yīng)用需求在以太網(wǎng)報(bào)頭中的802.1Q VLAN標(biāo)記中的PCP（priority code point）和VID（VLAN ID）中定義流的不同優(yōu)先級(jí)。

TSN中有多個(gè)流管理標(biāo)準(zhǔn)，包括 IEEE 802.1CB、IEEE 802.1Qca、IEEE 802.1Qci，負(fù)責(zé)提供路徑冗余、多路徑選擇及隊(duì)列過濾。盡管標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)可以通過生成樹協(xié)議提供冗余能力，但是對(duì)于實(shí)時(shí) IACS應(yīng)用而言，在發(fā)生故障時(shí)的收斂時(shí)間太長。因此，F(xiàn)RER（frame replication and elimination for reliability）在不相交的路徑上發(fā)送關(guān)鍵流量的重復(fù)副本，用于主動(dòng)實(shí)現(xiàn)無縫數(shù)據(jù)冗余，代價(jià)是額外的帶寬消耗。PCR（path control and reservation）提供顯式轉(zhuǎn)發(fā)路徑控制所需要的協(xié)議，如預(yù)定義的保護(hù)路徑、帶寬預(yù)留、數(shù)據(jù)流冗余、流同步和流控制信息的控制參數(shù)的分配[45]，PCR與FRER、IEEE 802.1Qcc結(jié)合使用時(shí)達(dá)到快速恢復(fù)、高效路徑冗余和動(dòng)態(tài)流量管理。PSFP（per-stream filtering and policing）通過StreanID識(shí)別流，執(zhí)行相關(guān)策略，負(fù)責(zé)管理控制并防止惡意流程惡化網(wǎng)絡(luò)性能。

3.2.3 趨勢

TSN在二層網(wǎng)絡(luò)通過時(shí)分復(fù)用的思想為高優(yōu)先級(jí)流量提供了確定性網(wǎng)絡(luò)需要的傳輸路徑和傳輸時(shí)延，但是會(huì)導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)流量的時(shí)延增加，一種方法是通過適當(dāng)?shù)慕尤肟刂?，利用統(tǒng)計(jì)復(fù)用可以為時(shí)延界限提供統(tǒng)計(jì)保證[46]。如何協(xié)調(diào)傳輸時(shí)延的最大時(shí)延和平均時(shí)延是一個(gè)加速 TSN應(yīng)用部署的關(guān)鍵問題。除此之外，如何部署TSN網(wǎng)絡(luò)，是采用分布式部署還是結(jié)合SDN等技術(shù)進(jìn)行集中式部署，以及如何互聯(lián)多個(gè)封閉的 TSN網(wǎng)絡(luò)也是未來要考慮的關(guān)鍵問題。

3.3 DetNet

3.3.1 概述

確定性網(wǎng)絡(luò)工作組（DetNet WG, Deterministic Networking Working Group），是由IETF在2015年10月成立的小組，DetNet目標(biāo)是在第二層橋接和第三層路由段上實(shí)現(xiàn)確定傳輸路徑，這些路徑可以提供時(shí)延、丟失分組和抖動(dòng)的最壞情況界限，以此提供確定的時(shí)延。相比于TSN，DetNet的工作范圍更加廣泛，通過MPLS/IP技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)三層的確定性傳輸。

DetNet在二層網(wǎng)絡(luò)的確定性路徑的實(shí)現(xiàn)主要依靠TSN標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)?？梢钥吹?，活躍在TSN標(biāo)準(zhǔn)制定組織中的成員也廣泛活躍在 DetNet的標(biāo)準(zhǔn)制定組織中。

DetNet工作組尚未建立 IETF RFC，但目前有多個(gè) IETF草案可供參考。本文接下來會(huì)介紹DetNet工作組提出的確定性網(wǎng)絡(luò)的操作、管理和維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化的整體架構(gòu)，其支持多跳路由的時(shí)間同步、管理、控制和安全操作，以及各種形式的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置和多路徑轉(zhuǎn)發(fā)。圖 14展示了DetNet的主要架構(gòu)，圖中不同線型表示承載不同功能的抽象鏈路。

圖14 DetNet的架構(gòu)

3.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

DetNet在二層網(wǎng)絡(luò)的確定性時(shí)延主要通過TSN機(jī)制實(shí)現(xiàn)，本節(jié)不再贅述。如何在三層網(wǎng)絡(luò)部署DetNet還在討論階段，目前的幾種備選方案是結(jié)合UDP / TCP服務(wù)層協(xié)議或結(jié)合基于MPLS的服務(wù)層協(xié)議實(shí)現(xiàn)三層的確定性網(wǎng)絡(luò)。接下來從 DetNet流定義、資源規(guī)劃、流量工程和配置模型幾個(gè)方面介紹DetNet。

1) DetNet流定義

DetNet的時(shí)鐘同步主要通過TSN機(jī)制實(shí)現(xiàn)，它指定通過實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體之間的亞微秒級(jí)時(shí)間同步和在程序包中嵌入執(zhí)行時(shí)間字段[47]來減少抖動(dòng)。

DetNet流按其QoS類別分類，通過最大和最小端到端時(shí)延，以及丟失分組概率要求來定義每個(gè)流的QoS，目前確定了4種主要的DetNet流類型[47]。

DetNet堆棧模型架構(gòu)分為 DetNet服務(wù)層以及DetNet傳輸層。DetNet服務(wù)層是負(fù)責(zé)特定 DetNet服務(wù)的層，例如分組排序，流復(fù)制/重復(fù)消除和分組編碼，而DetNet傳輸層負(fù)責(zé)可選地通過底層網(wǎng)絡(luò)提供的路徑為DetNet流提供擁塞保護(hù)[42]。DetNet可以有多個(gè)分層拓?fù)?，其中每個(gè)下層拓?fù)錇楦邔油負(fù)浞?wù)。DetNet節(jié)點(diǎn)之間相互連接形成子網(wǎng)絡(luò)，這些子網(wǎng)絡(luò)，例如二層TSN網(wǎng)絡(luò)或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光傳輸網(wǎng)絡(luò)（OTN, optical transport network）[47]，可以通過兼容服務(wù)支持DetNet流量。

為了低層流量能夠更精確地針對(duì)高層流量類型來實(shí)施不同的排隊(duì)、整形和轉(zhuǎn)發(fā)策略，DetNet模糊了網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層的界限，二層網(wǎng)絡(luò)可以通過流ID 和 DetNet控制字（CW, control word）識(shí)別DetNet流類型和對(duì)應(yīng)屬性相關(guān)的上層信息。為此，DetNet流需要標(biāo)準(zhǔn)化跨層或異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的流屬性映射，DetNet考慮了3種主要的轉(zhuǎn)發(fā)方法：IP路由、MPLS標(biāo)簽交換、以太網(wǎng)橋接。對(duì)于在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)，每個(gè)DetNet數(shù)據(jù)分組都附加或封裝有多個(gè)流ID（IP、MPLS或以太網(wǎng)）。這使DetNet能夠在IP和非IP網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行路由和轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互操作性。

2) 資源規(guī)劃

在資源管理方面，DetNet有集中式和分布式這2種路徑設(shè)置方式。集中路徑設(shè)置類似于IEEE TSN的集中管理模型，利用 PCE（path computation element）和基于分組的IP或非IP網(wǎng)絡(luò)的信息傳播來實(shí)現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。分布式路徑設(shè)置利用內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議流量工程（IGP-TE）信令協(xié)議開發(fā)了類似于IEEE 802.1Qat、IEEE 802.1Qca和MRP信令協(xié)議的初始設(shè)計(jì)規(guī)范。

為了補(bǔ)充DetNet流量控制機(jī)制（包括整形、調(diào)度和搶占），每個(gè)節(jié)點(diǎn)（或集中設(shè)置的中央控制器）需要有和附近網(wǎng)絡(luò)共享網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的能力[47]。例如共享當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的資源使用狀態(tài)、鄰居節(jié)點(diǎn)及其關(guān)系的屬性等。目前還沒有規(guī)定如何實(shí)現(xiàn)這種能力，但是這對(duì)于全局規(guī)劃流量、實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

3) 流量工程

IETF流量工程架構(gòu)和信令工作組考慮將流量工程（TE, traffic engineering）架構(gòu)用于分組和非分組網(wǎng)絡(luò)[48]，定義控制和管理DetNet流的關(guān)鍵概念、功能以及不同層面之間的關(guān)系，使用戶和操作員可以動(dòng)態(tài)地輕松控制、測量和管理流，還引入了QoS參數(shù)的快速恢復(fù)和確定性邊界。DetNet WG采用類似于軟件定義網(wǎng)絡(luò)范例的方法，為DetNet起草了一套TE架構(gòu)，與IEEE TSN的IEEE 802.1Qcc管理方案和集中式 SDN方法具有相似之處。整個(gè)架構(gòu)分為應(yīng)用層面、控制層面和網(wǎng)絡(luò)平面。在控制層面對(duì)DetNet流進(jìn)行全局規(guī)劃。

4) DetNet配置模型

DetNet能夠在各種支持 DetNet的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體之間實(shí)現(xiàn)無縫配置和重配置，草案[49]定義了 DetNet分布式、集中式和混合式的配置模型及其相關(guān)屬性，還介紹了在集中配置模型中傳遞網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)的YANG模型。

在分布式配置模型中，控制信息通過 IGP和RSVP-TE等協(xié)議來執(zhí)行，草案中沒有詳細(xì)介紹。集中式配置模型的控制信息通過 CUC（centralized user configuration）和 CNC（central network controller）配置，集中式配置模型[49]被定義了以下主要屬性。

① DetNet拓?fù)鋵傩?，指定拓?fù)湎嚓P(guān)屬性，例如節(jié)點(diǎn)類型，是否具有數(shù)據(jù)分組復(fù)制和消除功能（PREF, packet replication and elimination fuction）以及排隊(duì)管理算法。

② DetNet路徑配置屬性，指定網(wǎng)絡(luò)路徑相關(guān)屬性，例如約束條件（所需的最小/最大時(shí)延）和使用PCE（具有PREF）的顯式路由。

③ DetNet流配置屬性，指定DetNet流屬性，例如流ID、優(yōu)先級(jí)、流量規(guī)范和封裝方法。

④ DetNet狀態(tài)屬性，指定流狀態(tài)反饋屬性，例如流性能（時(shí)延、丟失分組、監(jiān)管/過濾）和PREF狀態(tài)。

DetNet流量的大多數(shù)控制功能通過和IEEE TSN TG相同的機(jī)制實(shí)現(xiàn)，目前，DetNet服務(wù)和傳輸層協(xié)議正在考慮各種協(xié)議和技術(shù)選項(xiàng)。根據(jù)文獻(xiàn)[50]，數(shù)據(jù)平面協(xié)議的2個(gè)最突出的部署候選者是基于本地IP傳輸層的UDP /TCP服務(wù)層和在分組交換網(wǎng)絡(luò)傳輸層上基于MPLS的基于偽線[51]的服務(wù)層。

3.3.3 趨勢

與給定L2網(wǎng)段中包含的TSN流控制操作和服務(wù)相比，預(yù)計(jì) DetNet流控制操作將具有更大的規(guī)模和更高的復(fù)雜性。DetNet流量控制將在互操作性、控制數(shù)據(jù)開銷以及保證各種L2網(wǎng)段的QoS指標(biāo)方面帶來若干挑戰(zhàn)。此外，不同網(wǎng)段的所有者之間可能會(huì)出現(xiàn) QoS服務(wù)水平協(xié)議的不同要求。

4 確定性網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢分析

4.1 實(shí)現(xiàn)跨廣域網(wǎng)的確定性業(yè)務(wù)

當(dāng)前TSN標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)相當(dāng)成熟，已有廠商推出支持TSN特性的交換芯片和支持部分特性的TSN交換機(jī)，而DetNet目前進(jìn)展還處于場景、需求、架構(gòu)的前期階段，離提供L3/L2融合的確定性服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)和方案還有一定距離。目前已發(fā)布的工作組草案包括：基本的 DetNet架構(gòu)、用例、安全，DetNet數(shù)據(jù)平面的IP和MPLS方案，DeNet配置模型中的數(shù)據(jù)流信息模型、YANG模型等。DetNet工作組下一步計(jì)劃包括：數(shù)據(jù)平面流的控制和轉(zhuǎn)發(fā)；數(shù)據(jù)配置信息模型，包括YANG模型、DetNet OAM模型；DetNet QoS保障技術(shù)。

確定性業(yè)務(wù)在跨域場景并且多條確定性業(yè)務(wù)流場景下，每條流的特性配置包括帶寬、時(shí)延、分組長度、發(fā)送頻率、在端口的入時(shí)間窗口和出時(shí)間窗口，以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)間的出、入時(shí)間窗口的匹配；在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部針對(duì)確定性業(yè)務(wù)流的資源分配包括時(shí)隙分配、循環(huán)間隔、帶寬預(yù)留、門狀態(tài)控制、流隊(duì)列映射、搶占狀態(tài)、多條流的資源沖突判斷等。這些增加的技術(shù)復(fù)雜度是否導(dǎo)致應(yīng)用的局限性，比如局限在一定范圍內(nèi)的局域網(wǎng)內(nèi)，還有待進(jìn)一步的研究分析。

4.2 處理好革新式架構(gòu)和演進(jìn)式部署的關(guān)系

目前，確定性網(wǎng)絡(luò)的部署采取平滑演進(jìn)的方式，基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)部署，在新加入的流標(biāo)識(shí)和流機(jī)制中都兼容了傳統(tǒng)機(jī)制，雖然浪費(fèi)了部分網(wǎng)絡(luò)資源，但是降低了部署以太網(wǎng)的成本，大大加快了確定性網(wǎng)絡(luò)的部署和研究。隨著確定性網(wǎng)絡(luò)部署程度的增加，如何減少為兼容傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)造成的開銷也是一個(gè)值得考慮的方向。

部署確定性網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)關(guān)鍵問題是采用集中式部署還是分布式部署，具體在建立同步時(shí)鐘、流量控制、資源預(yù)留等方面都有體現(xiàn)。集中式部署和分布式部署分別具有特定的部署優(yōu)勢和缺點(diǎn)。TSN基礎(chǔ)設(shè)施和協(xié)議必須支持確定的端到端時(shí)延和可靠性，為了支持各種相關(guān)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施變得更加復(fù)雜。因此，簡化的TSN管理機(jī)制對(duì)于降低復(fù)雜性同時(shí)滿足確定性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵需求至關(guān)重要。集中式部署可以從 SDN的實(shí)施和管理中受益，例如在建立同步時(shí)鐘時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步而在網(wǎng)絡(luò)實(shí)體之間周期性進(jìn)行的定時(shí)信息的交換會(huì)在控制層面引入額外的開銷，而采用集中式的時(shí)間同步系統(tǒng)，如基于SDN[52-53]的設(shè)計(jì)，僅需在中央控制器之間進(jìn)行控制信息的交換，可以幫助控制平面減少開銷。但是，集中式部署可能導(dǎo)致運(yùn)營商的新基礎(chǔ)設(shè)施成本，且容易發(fā)生單點(diǎn)故障，而分布式方案雖然可以避免這類問題，但是在控制平面需要更多的開銷。或許可以在集中式和分布式的性能，以及現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)的使用和新基礎(chǔ)架構(gòu)的部署之間權(quán)衡，確立一種混合應(yīng)用的模型。

4.3 確定性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)設(shè)計(jì)故障和容錯(cuò)等安全機(jī)制

到目前為止，IEEE 802.1安全工作組已經(jīng)解決了IEEE 802.1網(wǎng)絡(luò)中通用的安全和隱私問題，即支持網(wǎng)絡(luò)實(shí)體（即終端站和網(wǎng)橋）之間的安全通信的功能。這個(gè) TG詳細(xì)介紹了許多標(biāo)準(zhǔn)和修訂，專注于提供身份驗(yàn)證、授權(quán)、數(shù)據(jù)完整性和機(jī)密性。安全協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)與支持TSN的網(wǎng)絡(luò)的集成需要在未來的研究和標(biāo)準(zhǔn)化中得到解決。例如，需要調(diào)查安全堆棧開銷對(duì)TSN流的影響以及安全開銷對(duì)在以太網(wǎng)LAN上運(yùn)行的OT相關(guān)應(yīng)用程序的影響[8]。

由于 DetNet集成了 IT（物理數(shù)據(jù)中心）和OT（物理操作點(diǎn)），因此安全性是DetNet架構(gòu)和協(xié)議的一個(gè)重要方面。先前的 OT網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)具有“空中缺口”，即與外部世界完全隔離的OT網(wǎng)絡(luò)，因此IT和OT的融合也將重點(diǎn)放在安全協(xié)議上，需要可擴(kuò)展的、靈活的以及可以移植到 OT網(wǎng)絡(luò)組件的高效安全堆棧。此外，隨著新興的“霧”計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展，即基本上將IT移動(dòng)到 OT附近，必須密切檢查交通和監(jiān)控條件，因?yàn)槿魏稳肭侄伎赡軐?dǎo)致災(zāi)難性的情況。盡管已經(jīng)發(fā)布了許多針對(duì)確定性網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)和推薦實(shí)踐，仍需要進(jìn)行更多的基準(zhǔn)測試，以便為行業(yè)和消費(fèi)者市場提供保證。

4.4 確定性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)確保各層技術(shù)間的融合

在IP網(wǎng)中劃分出時(shí)隙提供硬管道是確保低時(shí)延的關(guān)鍵，不同網(wǎng)絡(luò)層次上有不同的解決方案：FlexE是MAC層以下技術(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的管道隔離，不解決同一管道內(nèi)的流量搶占問題；TSN是鏈路層技術(shù)，基于流方式按照時(shí)間片進(jìn)行流的剛性調(diào)度，可以解決同一管道內(nèi)不同流傳輸?shù)乃矔r(shí)沖突，比如通過 IEEE802.1 Qat流預(yù)留協(xié)議、IEEE 802.1Qcc協(xié)議、IEEE 802.1CS協(xié)議和RAP協(xié)議提供資源預(yù)留機(jī)制，通過 IEEE 802.1Qav、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qch和 IEEE 802.1Qcr等協(xié)議提供幀搶占和流量整形機(jī)制，來保證確定性業(yè)務(wù)流的實(shí)時(shí)傳送；DetNet借鑒TSN的二層流的確定性傳輸技術(shù)，擴(kuò)展到 IP層，重點(diǎn)解決IP層的確定性業(yè)務(wù)傳送，比如類似TSN IEEE 802.1Qcc的集中路徑設(shè)置和 IEEE 802.1Qat的分布路徑設(shè)置，但還沒有流量控制機(jī)制的設(shè)計(jì)。將各層間的技術(shù)有效融合，以及結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)研究檢查網(wǎng)橋中資源預(yù)留要求的預(yù)測模型，從而有效地管理隊(duì)列和調(diào)度，有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，降低技術(shù)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)成本，需要產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的更多探討。

5 結(jié)束語

確定性網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的充分重視，針對(duì)現(xiàn)有以太網(wǎng)“盡力而為”、無法保證提供QoS保障的狀況，關(guān)于確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法也各有特點(diǎn)，呈現(xiàn)出百家爭鳴的現(xiàn)狀，然而確定性網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)是一致的，即要建設(shè)一個(gè)提供確定性時(shí)延、抖動(dòng)和低分組丟失率，為用戶提供更好服務(wù)質(zhì)量的可靠網(wǎng)絡(luò)。本文介紹了目前確定性網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的主要研究成果，由于篇幅所限，并沒有將所有的項(xiàng)目一一列舉，只選擇了其中比較具有代表性的技術(shù)和架構(gòu)。期望通過綜述該領(lǐng)域的已有研究成果，探討分析研究目標(biāo)和方法，總結(jié)研究思路，從而為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考和幫助。