劉鵬，杜宗鵬，李永競(jìng)，陸璐，段曉東

（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，北京 100053）

1 引言

傳統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)商IP網(wǎng)絡(luò)提供的主要是基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用的連通服務(wù)，僅能提供面向逐包的基于差分服務(wù)的質(zhì)量保障，很難提供逐流的基于綜合服務(wù)的質(zhì)量保障。一方面，從5G面向垂直行業(yè)的超可靠低時(shí)延通信（ultra-reliable and low latency communications，uRLLC）業(yè)務(wù)開(kāi)始提出了需要實(shí)現(xiàn)“端到端”低時(shí)延保障的需求[1]。另一方面，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為代表的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，促使更多的企業(yè)業(yè)務(wù)上云，這些業(yè)務(wù)在時(shí)延、抖動(dòng)和可靠性方面提出更為嚴(yán)苛的要求。在面向6G的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中，確定性網(wǎng)絡(luò)被納為其中最關(guān)鍵的技術(shù)之一，其潛在的應(yīng)用場(chǎng)景如沉浸式混合現(xiàn)實(shí)、全息通信等[2]，是傳統(tǒng)“統(tǒng)計(jì)復(fù)用、盡力而為”的IP網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足的。

確定性網(wǎng)絡(luò)是一種通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)行為的控制，實(shí)現(xiàn)可預(yù)期、可規(guī)劃的，將時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率等控制在確定范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。越來(lái)越多的應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的上界/下界提出了嚴(yán)格且明確的訴求，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提供的“盡力而為”服務(wù)已不能滿足。如工業(yè)中的運(yùn)動(dòng)控制需要保證毫秒級(jí)的時(shí)延和微秒級(jí)的抖動(dòng)[3]，電力差動(dòng)保護(hù)也需要毫秒級(jí)的時(shí)延保障[4]，其他如游戲、視頻業(yè)務(wù)也期望得到盡可能穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，時(shí)延和抖動(dòng)等控制在數(shù)十毫秒以內(nèi)，從而保障良好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）于2006年首先開(kāi)展確定性網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的研制，成立了“音視頻橋接工作組AVB”，研究音視頻局域網(wǎng)絡(luò)的確定性；2012年更名為“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)工作組TSN”[5]，將應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展至工業(yè)、車載以及前傳等，至今已經(jīng)發(fā)布一系列核心的標(biāo)準(zhǔn)26項(xiàng)，包含同步、流量控制、配置等內(nèi)容。國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）（于2015年成立“確定性網(wǎng)絡(luò)（deterministic networking，DetNet）工作組”，沿用TSN的技術(shù)體系，解決基于IP等網(wǎng)絡(luò)層的確定性問(wèn)題。當(dāng)前已經(jīng)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)12項(xiàng)，包括場(chǎng)景、架構(gòu)、數(shù)據(jù)面的封裝、YANG模型配置以及安全性考慮等，下一步計(jì)劃研究隊(duì)列調(diào)度的機(jī)制。3GPP從R16開(kāi)始引入TSN機(jī)制，支持最基本的5個(gè)IEEE TSN協(xié)議，并對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間同步機(jī)制和確定性服務(wù)保障增強(qiáng)，R17階段對(duì)R16進(jìn)一步增強(qiáng)，并支持基于5G的確定性能力開(kāi)放，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)研究已經(jīng)進(jìn)入R18立項(xiàng)討論階段。中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）各標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)工作委員會(huì)和特設(shè)任務(wù)組從2018年起均已經(jīng)開(kāi)展面向運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)、下一代移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的確定性網(wǎng)絡(luò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

雖然各行業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)化組織都已經(jīng)開(kāi)展確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，對(duì)于業(yè)務(wù)的確定性時(shí)延要求，目前仍然無(wú)法很好地保障。TSN的時(shí)延控制機(jī)制適用于范圍較小的二層網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于長(zhǎng)距離、拓?fù)鋸?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，TSN的可擴(kuò)展性并不夠優(yōu)異；DetNet雖然在IP層做了一些工作，但由于繼承了TSN的技術(shù)，也面臨和TSN一樣的問(wèn)題，并且DetNet目前只考慮單管理域的網(wǎng)絡(luò)[6]，可支持的業(yè)務(wù)有限。5G引入TSN還在初期階段，TSN機(jī)制的復(fù)雜性對(duì)于5G的引入是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。除了個(gè)別局域網(wǎng)的業(yè)務(wù)，大部分業(yè)務(wù)都是需要跨越多域以及多種接入方式的，所以在6G技術(shù)體系中，對(duì)于確定性網(wǎng)絡(luò)、端到端的確定性保障的研究是非常必要的。

本文分析了當(dāng)前確定性網(wǎng)絡(luò)研究面臨的問(wèn)題，提出了端到端確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及相應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方向和推進(jìn)策略，以保障業(yè)務(wù)端到端的時(shí)延等需求。

2 確定性網(wǎng)絡(luò)要解決的問(wèn)題

2.1 網(wǎng)絡(luò)的單跳時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)的單跳時(shí)延主要由傳播時(shí)延和節(jié)點(diǎn)內(nèi)時(shí)延組成，如圖1所示。其中傳播時(shí)延是指數(shù)據(jù)包在鏈路上傳播的時(shí)延，主要取決于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的鏈路距離及鏈路傳輸速率。在一個(gè)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，鏈路距離及鏈路速率相對(duì)穩(wěn)定，因此鏈路時(shí)延幾乎沒(méi)有變化的空間。

圖1 網(wǎng)絡(luò)單跳時(shí)延

節(jié)點(diǎn)內(nèi)時(shí)延主要包括報(bào)文的處理、排隊(duì)、發(fā)送和重傳等，特別是節(jié)點(diǎn)中的排隊(duì)時(shí)延是造成長(zhǎng)尾效應(yīng)的主要因素。當(dāng)沒(méi)有任何網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)入緩沖隊(duì)列的時(shí)延幾乎為零，但是網(wǎng)絡(luò)一旦有擁塞發(fā)生，報(bào)文必須在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機(jī)）中排隊(duì)等待。這個(gè)時(shí)間不是固定的，與網(wǎng)絡(luò)繁忙程度以及隊(duì)列排隊(duì)機(jī)制相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載比較輕的時(shí)候，不需要排隊(duì)，無(wú)排隊(duì)時(shí)延；負(fù)載較重時(shí)，排隊(duì)則可能時(shí)延很大（幾十到幾百毫秒都有可能）。所以，鏈路時(shí)延的可降低空間十分有限，達(dá)到低時(shí)延進(jìn)而實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵在于減少節(jié)點(diǎn)內(nèi)的時(shí)延。

確定性網(wǎng)絡(luò)中，可以事先調(diào)度規(guī)劃好關(guān)鍵事件的發(fā)生序列。各個(gè)子系統(tǒng)之間通過(guò)通信任務(wù)的特定調(diào)度規(guī)劃和數(shù)據(jù)包的處理調(diào)度，使確定性任務(wù)處于一種無(wú)沖突的狀態(tài)，避免了信息在交換過(guò)程中不可控制的排隊(duì)，有效地降低了設(shè)備的緩存成本以及傳輸?shù)却鴮?dǎo)致的時(shí)延，從而使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)包的傳送處于確定的狀態(tài)。圖2給出了在傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)和確定性網(wǎng)絡(luò)中的端到端傳送時(shí)延的概率密度分布，可以看到確定性網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和抖動(dòng)是有上界的。

圖2 網(wǎng)絡(luò)單跳時(shí)延

2.2 網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延是指業(yè)務(wù)請(qǐng)求從客戶端發(fā)出之后，一直到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理所經(jīng)過(guò)的所有網(wǎng)絡(luò)鏈路和設(shè)備的時(shí)延。如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)端到端單向時(shí)延包括以下4種。

圖3 端到端的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

（1）無(wú)線側(cè)時(shí)延：無(wú)線側(cè)時(shí)延主要是指業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從端側(cè)發(fā)出，經(jīng)無(wú)線空口被無(wú)線電接入網(wǎng)（radio access network，RAN）接收的時(shí)延。

（2）回傳網(wǎng)時(shí)延：從基站連接至用戶面功能（user plane function，UPF）的時(shí)延，這段網(wǎng)絡(luò)不同的運(yùn)營(yíng)商采用不同的技術(shù)，如分組傳送網(wǎng)（packet transport network，PTN）、切片分組網(wǎng)（slicing packet network，SPN）以及IP無(wú)線電接入網(wǎng)（IP - RAN）技術(shù)等。

（3）UPF處理時(shí)延：UPF作為5G核心網(wǎng)的用戶面網(wǎng)元，是RAN與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（data network，DN）之間的連接點(diǎn)，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)報(bào)文的識(shí)別和重封裝。其中，服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）映射、深度包檢測(cè)（deep packet inspection，DPI）等功能處理會(huì)帶來(lái)一定的時(shí)延。

（4）IP承載網(wǎng)時(shí)延：IP承載網(wǎng)主要指省際骨干網(wǎng)、分城域網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)，采用的是IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

通常除了局域網(wǎng)業(yè)務(wù)，其他需要訪問(wèn)外網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)都需要經(jīng)過(guò)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)域，包括跨越局域網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)商不同自治域（autonomous system，AS）的網(wǎng)絡(luò)以及不同運(yùn)營(yíng)商之間的網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)設(shè)備的確定性轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)法保障全局的確定性。當(dāng)前確定性網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)面技術(shù)如流量整形、隊(duì)列調(diào)度等均以解決單跳時(shí)延為基礎(chǔ)，缺少了基于端到端時(shí)延保障的考慮。

3 端到端確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

端到端的確定性網(wǎng)絡(luò)不僅要解決網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)報(bào)文處理的時(shí)延，也需要協(xié)同多域、多運(yùn)營(yíng)商的全局時(shí)延?；谝陨显瓌t，本文提出了端到端確定性網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 端到端確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 端到端橫向跨網(wǎng)絡(luò)域

從網(wǎng)絡(luò)域的角度看，端到端的確定性網(wǎng)絡(luò)包括3個(gè)部分：用戶側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)及跨網(wǎng)絡(luò)域。

3.1.1 用戶側(cè)

用戶側(cè)主要是指企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。以工業(yè)為例，工業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通常分為信息網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)[7]，其中離用戶站點(diǎn)較近的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)延有一定的要求。傳統(tǒng)的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)采用的總線或工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，可以保障時(shí)延，但是無(wú)法適應(yīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)趨勢(shì)下的互聯(lián)互通要求，這也是TSN深入工業(yè)想要解決的問(wèn)題。

TSN的一系列流量控制的機(jī)制，適用于企業(yè)規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，TSN在工業(yè)的融合發(fā)展趨勢(shì)[7]，促使信息和生產(chǎn)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)，應(yīng)用層語(yǔ)義一致，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)側(cè)

網(wǎng)絡(luò)側(cè)主要是指運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，包括5G無(wú)線側(cè)、接入網(wǎng)、匯聚網(wǎng)和骨干網(wǎng)。無(wú)線側(cè)的確定性是端到端確定性網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，目前暫無(wú)明確的方案，可以考慮采用資源預(yù)留的方式優(yōu)化重要業(yè)務(wù)的部分時(shí)延。匯聚和接入網(wǎng)絡(luò)主要采用PTN/SPN/IP - RAN等技術(shù)，也都在一定程度上考慮了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的需求，不過(guò)是否需要進(jìn)一步的基于二層或者三層網(wǎng)絡(luò)的確定性技術(shù)支持還有待驗(yàn)證。骨干網(wǎng)基于IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，所以基于三層的確定性技術(shù)是主要的選擇。

5G邊緣計(jì)算的興起使得數(shù)據(jù)中心和UPF逐漸融入運(yùn)營(yíng)商的融合/接入網(wǎng)絡(luò)中。以UPF為分界點(diǎn)，回傳網(wǎng)和承載網(wǎng)可能采用不同的技術(shù)和協(xié)議，這兩部分網(wǎng)絡(luò)也有不同的控制面。流量從用戶側(cè)發(fā)出，到UPF之前，通過(guò)5G系統(tǒng)的控制面來(lái)管理和配置，在UPF之后即進(jìn)入固網(wǎng)的范圍。5G系統(tǒng)對(duì)于流量的QoS有著比較復(fù)雜和較為全面的控制，但是在UPF之后，僅僅映射為固網(wǎng)IP協(xié)議的差分服務(wù)代碼點(diǎn)（differentiated services code point，DSCP）字段[8-9]，DSCP共定義了64種，但是現(xiàn)階段并未在現(xiàn)網(wǎng)中應(yīng)用。所以一方面流量在5G網(wǎng)絡(luò)中并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的確定性，另一方面在UPF之后無(wú)法得知其具體的QoS需求，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)確定性?，F(xiàn)階段3GPP開(kāi)始啟動(dòng)對(duì)確定性機(jī)制的引入，即使兩部分網(wǎng)絡(luò)都實(shí)現(xiàn)了確定性，也需要充分感知和交互，才能實(shí)現(xiàn)端到端的確定性。

3.1.3 跨網(wǎng)絡(luò)域

跨網(wǎng)絡(luò)域的情況包括跨同一個(gè)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)域，不同網(wǎng)絡(luò)域所采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可能不同；也包括跨不同運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，如用戶通常通過(guò)某一運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)接入，訪問(wèn)其他運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)。

確定性的業(yè)務(wù)流在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)域都需要被識(shí)別才能保證其快速有序的轉(zhuǎn)發(fā)，可能涉及時(shí)間同步、頻率同步、非同步技術(shù)的結(jié)合，確定性流量標(biāo)識(shí)的解析和重封裝，各域所劃分時(shí)間片的協(xié)商等機(jī)制。因此，需要跨域互通的管理系統(tǒng)來(lái)建立有效的協(xié)商和確定性轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，以保證業(yè)務(wù)流的及時(shí)到達(dá)，該系統(tǒng)可能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以及所屬運(yùn)營(yíng)商需求，通過(guò)集中式或者分布式部署。

3.2 端到端縱向跨協(xié)議層

確定性網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)包括數(shù)據(jù)面、控制面和管理面。各個(gè)功能平面包含了不同的協(xié)議，需要各協(xié)議的協(xié)同來(lái)保障端到端的確定性。

3.2.1 數(shù)據(jù)面

數(shù)據(jù)面技術(shù)是確定性網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，包括流量整形、隊(duì)列調(diào)度、標(biāo)簽解析等，這些機(jī)制規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中時(shí)間敏感流的排序和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，可以單個(gè)或者組合使用，達(dá)到不同的確定性效果。

（1）流量整形

單個(gè)業(yè)務(wù)的流量可能會(huì)呈現(xiàn)出規(guī)律性，如工業(yè)類的應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備周期性的數(shù)據(jù)采集等，對(duì)于整體的網(wǎng)絡(luò)流量，通常是無(wú)規(guī)則的。需要在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處對(duì)無(wú)規(guī)則的流量進(jìn)行整形，服從一定的規(guī)律分布，從而便于后續(xù)的處理。IEEE 802.1Qav定義了基于信任的整形，通過(guò)信任消耗和累積算法來(lái)決定每種流量是否發(fā)送和等待[10]。

（2）隊(duì)列調(diào)度

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部對(duì)報(bào)文或流的處理一般是基于隊(duì)列先進(jìn)先出（first input first output，F(xiàn)IFO）的原則，通過(guò)對(duì)報(bào)文所對(duì)應(yīng)的收發(fā)隊(duì)列的控制，可以調(diào)整其在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送的時(shí)間，從而達(dá)到逐流逐報(bào)文可控的效果。IEEE 802.1 Qbv[11]是典型的隊(duì)列調(diào)度機(jī)制，也是循環(huán)隊(duì)列調(diào)度[12]（cyclic queuing and forwarding，CQF）以及異步流量整形[13]（asynchronous traffic shaping，ATS）等調(diào)度的基礎(chǔ)。

（3）標(biāo)簽解析

消息在不同網(wǎng)段傳輸時(shí)，由于不同網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)不同，可能需要對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行重新解析和封裝。例如，從L2網(wǎng)絡(luò)到L3網(wǎng)絡(luò)，時(shí)間敏感流的關(guān)鍵字段需要從以太網(wǎng)幀中解析出來(lái)，封裝成IP報(bào)文。

（4）周期映射

一些非時(shí)間同步的確定性網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)制，如確定性IP[14]（deterministic IP，DIP），需要基于循環(huán)隊(duì)列的機(jī)制對(duì)上下游設(shè)備進(jìn)行標(biāo)簽映射。

（5）富語(yǔ)義識(shí)別

報(bào)文中可能攜帶其他的擴(kuò)展信息，如應(yīng)用的需求信息、時(shí)間戳等信息，需要能夠?qū)@些擴(kuò)展信息進(jìn)行識(shí)別，從而滿足多樣化的數(shù)據(jù)面功能的擴(kuò)展。

3.2.2 控制面

控制平面主要包括時(shí)間/頻率同步、資源預(yù)留、流聚合、拓?fù)渖珊吐窂竭x擇等。

（1）時(shí)間/頻率同步

時(shí)間或頻率同步是目前大多數(shù)確定性網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)制的基礎(chǔ)，TSN體系中大部分標(biāo)準(zhǔn)基于時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)，也有基于非時(shí)間同步的技術(shù)。

（2）資源預(yù)留

資源預(yù)留是保障確定性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的資源預(yù)留協(xié)議[15]（resource reservation protocol，RSVP）或基于流量工程擴(kuò)展的資源預(yù)留協(xié)議[16]（RSVP-traffic engineering，RSVP-TE）協(xié)議目前應(yīng)用并不是特別廣泛，一方面原因是之前確定性業(yè)務(wù)并未興起，另一方面原因是降低了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。所以需要提升資源預(yù)留的粒度和準(zhǔn)確度，并且改進(jìn)廣域網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)流聚合情形下的資源預(yù)留方案。

（3）流聚合

在大多數(shù)大規(guī)模確定性網(wǎng)絡(luò)中，由于業(yè)務(wù)的多樣性，需要進(jìn)行流量聚合，詳細(xì)定義聚合策略，如開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間、流量類型和特征。

（4）拓?fù)渖?/p>

確定性網(wǎng)絡(luò)的部署可能是分階段的，演進(jìn)過(guò)程中并非所有設(shè)備都支持確定性網(wǎng)絡(luò)的功能，可能采取隧道技術(shù)或者疊加層（overlay）的方式，因此需要具備確定性網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和拓?fù)渖傻墓δ堋?/p>

（5）路徑選擇

在大多數(shù)情況下，路徑選擇與時(shí)延有一定關(guān)系，需要考慮整個(gè)流量負(fù)載和應(yīng)用的需求。確定性路徑的技術(shù)如基于IPv6的分段路由協(xié)議（segment routing IPv6，SRv6）目前已經(jīng)比較成熟，可以作為候選方案之一。

3.2.3 管理面

管理面需要實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)的跨域互通管理、資源管理配置、性能檢測(cè)、多用戶配置和能力調(diào)用等功能。

（1）跨域互通管理

配置確定性網(wǎng)絡(luò)流量在不同網(wǎng)絡(luò)域的策略，可能包括域間的資源分配和協(xié)商等功能。

（2）資源管理配置

可以是一些基本的網(wǎng)絡(luò)配置，也可以是特定的資源，如YANG模型、端口、周期映射關(guān)系等。

（3）性能監(jiān)測(cè)

通過(guò)獲取網(wǎng)絡(luò)反饋來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)策略，定位故障，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)擁塞。

（4）多用戶配置

確定性網(wǎng)絡(luò)需要考慮一定的應(yīng)用方的需求，在視頻、游戲等應(yīng)用中，涉及用戶之間的交互，因此需要保持同一應(yīng)用中多用戶的一致性，從而達(dá)到最優(yōu)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，需要同時(shí)考慮路徑選擇和流聚合策略等。

（5）能力調(diào)用

向用戶云開(kāi)放確定性網(wǎng)絡(luò)的能力，如路徑計(jì)算、門控制列表等。用戶云通常包括基本的網(wǎng)絡(luò)配置功能，但對(duì)于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理或者控制面功能，可以通過(guò)調(diào)用大網(wǎng)的能力實(shí)現(xiàn)。

4 端到端確定性網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)探索

基于第3節(jié)提出的端到端確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，本文將在數(shù)據(jù)面、控制面、管理面提出相應(yīng)的技術(shù)方案。端到端的確定性網(wǎng)絡(luò)的總體思路一方面是解決單個(gè)設(shè)備的報(bào)文處理時(shí)延，另一方面要考慮全局的跨域跨層的協(xié)同問(wèn)題。

4.1 自適應(yīng)流量整形機(jī)制

造成網(wǎng)絡(luò)時(shí)延劇增的主要原因是流量的微突發(fā)，微突發(fā)（microbrust）是指端口在非常短的時(shí)間（毫秒級(jí)別）內(nèi)收到非常多的突發(fā)數(shù)據(jù)，典型的微突發(fā)的持續(xù)時(shí)間通常在1～100 ms，以至于瞬時(shí)突發(fā)速率達(dá)到平均速率的數(shù)十倍、數(shù)百倍，甚至超過(guò)端口帶寬。微突發(fā)是網(wǎng)絡(luò)中的常見(jiàn)情況，如圖5所示，產(chǎn)生的原因包括如下3種。

圖5 網(wǎng)絡(luò)流量速率

· IP流量本身具有突發(fā)性、自相似性：業(yè)務(wù)流量的波動(dòng)，以及間歇性、不穩(wěn)定的特征。

· IP網(wǎng)絡(luò)中的入端口總帶寬超過(guò)出端口的總帶寬，如大帶寬的端口向低帶寬的出端口發(fā)送流量、相同速率的多個(gè)入端口向一個(gè)出端口發(fā)送流量。

· IP設(shè)備的盡快轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制：傳統(tǒng)的高端路由器/交換機(jī)設(shè)計(jì)理念是統(tǒng)計(jì)復(fù)用，追求大的吞吐量，IP層不處理丟包重傳。

TSN的各種有界時(shí)延（bounded latency）的機(jī)制中，都會(huì)涉及微突發(fā)的消除，如通過(guò)整形或者時(shí)隙隔離避免流量的聚集。本文提出一種自適應(yīng)的微突發(fā)抑制方案，主要思路如下：

（1）在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備執(zhí)行低時(shí)延流量的整形；

（2）在中間轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，針對(duì)端口的低時(shí)延流量進(jìn)行速率感知和整體的調(diào)整；

（3）在每個(gè)設(shè)備接口上維護(hù)一個(gè)合適的緩存深度，讓報(bào)文快速有序轉(zhuǎn)發(fā)。

通過(guò)緩存深度的自適應(yīng)調(diào)整，保持時(shí)刻的流量規(guī)則性，如圖6所示。此機(jī)制可以應(yīng)用在各種網(wǎng)絡(luò)域的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備上。

圖6 自適應(yīng)流量整形效果

4.2 控制面方案：周期性的資源預(yù)留機(jī)制

IEEE中定義的CQF引入循環(huán)隊(duì)列機(jī)制處理關(guān)鍵流，所有業(yè)務(wù)最終由設(shè)備根據(jù)隊(duì)列的周期調(diào)度來(lái)接收和發(fā)送。如果鏈路時(shí)延和處理時(shí)延相對(duì)于循環(huán)時(shí)間可以忽略不計(jì)，那么對(duì)于特定的臨界業(yè)務(wù)流，該機(jī)制可以使用兩個(gè)隊(duì)列，否則，該機(jī)制需要使用更多的隊(duì)列。如圖7所示，隊(duì)列1和2將交替打開(kāi)和關(guān)閉。當(dāng)隊(duì)列1打開(kāi)并傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，隊(duì)列2關(guān)閉并接收數(shù)據(jù)，然后隊(duì)列2打開(kāi)并傳輸數(shù)據(jù)，隊(duì)列1關(guān)閉并接收數(shù)據(jù)。

圖7 CQF隊(duì)列調(diào)度

在端到端的網(wǎng)絡(luò)中，由于業(yè)務(wù)的多樣性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不建議網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)感知每個(gè)確定性業(yè)務(wù)流的具體情況，因此需要進(jìn)行流聚合?；诹骶酆系馁Y源預(yù)留機(jī)制的方法可以描述如下。

（1）逐流地重塑從入口節(jié)點(diǎn)到出口節(jié)點(diǎn)的對(duì)時(shí)間敏感的業(yè)務(wù)流；

（2）根據(jù)目的地地址和交織安排進(jìn)行流聚合；

（3）將收斂后的流看作一個(gè)流，只維持RSVP的一個(gè)會(huì)話，從而減少網(wǎng)絡(luò)中的流數(shù)；

· 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)不感知每個(gè)業(yè)務(wù)流的進(jìn)入和退出，只感知預(yù)留帶寬的變化，不影響轉(zhuǎn)發(fā)的操作。

· 在申請(qǐng)資源預(yù)留時(shí)，入口節(jié)點(diǎn)可以考慮適當(dāng)預(yù)留更多的資源。

（4）入口節(jié)點(diǎn)到其他出口節(jié)點(diǎn)的流量將聚合到其他流中并進(jìn)入特定路徑；

（5）如果這些聚合流被轉(zhuǎn)發(fā)到同一出口節(jié)點(diǎn)，它們都將被調(diào)度到同一路徑的路由器中的3個(gè)隊(duì)列。為了將這些流盡可能均勻地分配給3個(gè)隊(duì)列，可以根據(jù)分組循環(huán)或字節(jié)數(shù)將交織流均勻地分配給3個(gè)隊(duì)列。如圖8所示，4個(gè)不同的流聚合為一個(gè)流，并且平均分布。

圖8 流的平均分布

4.3 數(shù)據(jù)面方案：基于時(shí)間的信息交互

由于各個(gè)網(wǎng)絡(luò)域采用的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，對(duì)應(yīng)的確定性機(jī)制也可能不同，從數(shù)據(jù)面角度出發(fā)，需要進(jìn)行一定的信息交互。

假設(shè)用戶通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求，數(shù)據(jù)報(bào)文將會(huì)經(jīng)過(guò)5G回傳網(wǎng)、承載網(wǎng)，之后進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。5G回傳網(wǎng)和承載網(wǎng)目前由兩套控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)面的互通只有UPF處映射為DSCP信息，無(wú)法得知其他信息，不利于端到端時(shí)延的控制。

業(yè)界當(dāng)前提出了對(duì)數(shù)據(jù)面進(jìn)行擴(kuò)展的辦法，如應(yīng)用感知網(wǎng)絡(luò)[17]（application-aware networking，APN），可以應(yīng)用在確定性網(wǎng)絡(luò)[18]?？缬虻拇_定性網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)攜帶時(shí)間信息來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)面互通方案

· 在初始業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)，由控制面進(jìn)行交互協(xié)商各域的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間；

· 域內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)由各域獨(dú)立完成，在域間節(jié)點(diǎn)，需要對(duì)剩余時(shí)間進(jìn)行檢查，從而評(píng)估是否可以按時(shí)到達(dá)；

· 如果在某個(gè)域轉(zhuǎn)發(fā)超過(guò)約定的時(shí)間，可以進(jìn)行進(jìn)一步協(xié)商，是否更改后續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，以保障業(yè)務(wù)報(bào)文按時(shí)到達(dá)。

該方法需要不同網(wǎng)絡(luò)域的出入口設(shè)備對(duì)報(bào)文種類以及報(bào)文攜帶的時(shí)間信息進(jìn)行識(shí)別。以5G接入為例，5G數(shù)據(jù)面信息被封裝在通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（general packet radio service，GPRS）隧道傳輸用戶面協(xié)議[19]（GPRS tunnel protocol for user plane，GTP-U），UPF需要新增功能識(shí)別出對(duì)應(yīng)用的需求信息，并重新封裝在IP報(bào)文，后由承載網(wǎng)繼續(xù)傳輸。

該方法中各網(wǎng)絡(luò)域的計(jì)時(shí)由各個(gè)域完成，各域出口設(shè)備計(jì)算在該域所消耗的時(shí)間，更新剩余時(shí)間信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)域。各域的控制器可以通過(guò)分布式的協(xié)議，達(dá)成對(duì)時(shí)間計(jì)算的一致性，以及對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)策略的協(xié)商。

4.4 管理面方案：多用戶接入的配置

現(xiàn)有技術(shù)可以一定程度上保證網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延和確定性轉(zhuǎn)發(fā)，但是無(wú)法保證多用戶在同一服務(wù)下的業(yè)務(wù)一致性。當(dāng)不同用戶進(jìn)行同一種業(yè)務(wù)時(shí)，由于所處地理位置不同，所依賴的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳煌?，?huì)造成不同的時(shí)延和抖動(dòng)，從而使原本應(yīng)獲取相同時(shí)延、抖動(dòng)保障的服務(wù)，存在差異性和“不公平性”。

這種差異性無(wú)法滿足多方協(xié)作的任務(wù)，如工業(yè)的多方控制。同時(shí)，也會(huì)降低視頻/游戲等娛樂(lè)和辦公類應(yīng)用體驗(yàn)?，F(xiàn)有的技術(shù)方案主要涉及數(shù)據(jù)面和控制面的流量控制功能實(shí)現(xiàn)，還未考慮該問(wèn)題。

可以通過(guò)管理面，對(duì)業(yè)務(wù)服務(wù)節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的路徑進(jìn)行選擇，從中挑選出可以保障業(yè)務(wù)一致性的路徑。路徑選擇算法可以通過(guò)擴(kuò)展約束的最短路徑優(yōu)先（constrained shortest path first，CSPF）機(jī)制實(shí)現(xiàn)，CSPF算法基于dijkstra最短路徑算法，可以在選擇路徑的時(shí)候加入約束條件，從而挑選出合適的路徑。流程如圖10所示。

圖10 多用戶接入配置

（1）聲明業(yè)務(wù)需求，可以參考APN技術(shù)，將時(shí)延、抖動(dòng)等需求寫(xiě)入報(bào)文；

（2）根據(jù)業(yè)務(wù)需求輸入對(duì)CSPF路徑約束的條件，CSPF算法模塊可以輸出所有滿足條件的路徑；

（3）通過(guò)路徑選擇模塊選擇最優(yōu)的路徑，并通過(guò)RSVP協(xié)議進(jìn)行資源預(yù)留，最后開(kāi)始業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸。

通過(guò)此方法，可以保障多用戶接入的確定性，提升用戶本身以及和用戶交互的其他用戶的參與體驗(yàn)。

5 端到端確定性網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)策略思考

確定性網(wǎng)絡(luò)雖然已經(jīng)初具技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，但仍然存在可擴(kuò)展性等的問(wèn)題，至今仍未得到廣泛的部署。并且，新型業(yè)務(wù)也在逐步發(fā)展過(guò)程中，業(yè)務(wù)特性以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)的具體指標(biāo)要求仍需伴隨網(wǎng)絡(luò)能力的增強(qiáng)進(jìn)一步明確。對(duì)于面向6G的端到端確定性網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)策略，建議如下。

（1）確定性局域網(wǎng)方案先行，帶動(dòng)廣域網(wǎng)的確定性需求和方案發(fā)展。

從標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展來(lái)看，當(dāng)前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以較好地應(yīng)用于局域網(wǎng)，并且已經(jīng)得到產(chǎn)業(yè)界的多方面驗(yàn)證，廣域網(wǎng)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)仍然在探索和完善階段?？梢允紫韧七M(jìn)確定性技術(shù)在局域網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，從而擴(kuò)展至廣域網(wǎng)的范圍，進(jìn)而推進(jìn)端到端的確定性技術(shù)方案部署。

（2）根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特性和需求，形成分級(jí)分階段多樣化的確定性方案。

確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以采用多種技術(shù)的組合，從而保障差異化的確定性網(wǎng)絡(luò)能力，兼顧成本和業(yè)務(wù)需求。6G的應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)于工業(yè)、電力等對(duì)確定性時(shí)延、可靠性要求苛刻的企業(yè)生產(chǎn)類業(yè)務(wù)，采用嚴(yán)格的確定性方案；對(duì)于混合現(xiàn)實(shí)、全息等用戶消費(fèi)類業(yè)務(wù)，可以考慮采用非嚴(yán)格的弱確定性方案，成本低、易于部署。

（3）聯(lián)合業(yè)界產(chǎn)學(xué)研各方力量，推進(jìn)確定性網(wǎng)絡(luò)方案的部署驗(yàn)證。

確定性網(wǎng)絡(luò)的方案驗(yàn)證目前還不夠豐富，并且缺乏結(jié)合具體業(yè)務(wù)的方案試驗(yàn)，無(wú)法向業(yè)界提供強(qiáng)有力的價(jià)值證明，距離規(guī)模部署還有一定的距離。建議聯(lián)合業(yè)界各方，集中力量完善端到端確定性技術(shù)方案，廣泛尋求試驗(yàn)驗(yàn)證的環(huán)境，推進(jìn)確定性網(wǎng)絡(luò)的部署落地。

6 結(jié)束語(yǔ)

確定性網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)自提出以來(lái)已經(jīng)發(fā)展了十幾年，至今已經(jīng)初步形成完善的技術(shù)體系，隨著通信技術(shù)的提升以及產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，確定性網(wǎng)絡(luò)的需求和應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷的豐富。近幾年確定性網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐步應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于廣域網(wǎng)的確定性，是當(dāng)前業(yè)界的一大難題，成熟的方案有限。

業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延等要求是端到端的，單獨(dú)解決某一段網(wǎng)絡(luò)的確定性轉(zhuǎn)發(fā)問(wèn)題并不能有效保障整體的確定性。本文基于6G的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)趨勢(shì)，分析了端到端確定性網(wǎng)絡(luò)需求，以及當(dāng)前相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展，并提出了端到端確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)，對(duì)于其中的一些關(guān)鍵功能，給出了相應(yīng)的解決思路。最后，針對(duì)確定性網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前發(fā)展和部署的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的建議，呼吁業(yè)界廣泛開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，共同促進(jìn)技術(shù)和新型業(yè)務(wù)的發(fā)展。