基于SPN的專線業務承載方案

賀政 李勇 王迎春 瞿少凱 李鑫 王冬冰 劉冬梅

【摘? 要】5G時代，垂直行業專線業務是一片尚待開發的藍海，是未來運營商利潤來源的新引擎，但現網PTN只能提供業務間的軟隔離，無法滿足uRLLC場景的業務承載需求。首先描述了現有承載技術難以滿足低時延、高可靠業務需求的現狀，然后分別對普通分組、確定性分組，以及Sub-5G三種承載方案進行了對比，在時延抖動、帶寬靈活性、業務數量、標準成熟度等方面進行了分析，最后得出結論：切片技術能夠為專線業務提供質量保障，其中TSN技術可以作為切片內軟隔離的技術使用。

【關鍵詞】SPN;專線業務;切片

In 5G era， private-line services for vertical industry are a blue ocean to be developed and a new engine for telecom operators' future profit sources. However， current PTN network can only provide soft isolation and cannot meet the requirements of service bearing in URLLC scenarios. This paper first describes the current situation that the existing bearer technology is difficult to meet the needs of low delay and high reliability services， then compares the three bearer solutions of common packet， deterministic packet and Sub-5G， respectively， and analyzes the corresponding delay jitter， bandwidth flexibility， the number of services， and standardized maturity. Finally， it is concluded that the slicing technology can provide quality guarantee for private-line services， where TSN technology is used as soft isolation technology in the slice.

SPN; private service; slice

1? ?專線業務對承載網絡的要求

5G網絡面向萬物互聯，除了增強移動寬帶互聯網業務（eMBB）外，也引入了高可靠低時延通信（URLLC）。URLLC業務覆蓋了智能電網、智能工廠、車聯網等應用場景，是垂直行業數字化轉型的關鍵需求。URLLC業務對承載網絡的時延、抖動、丟包有嚴格要求，但是這些性能要求在傳統的網絡協議（IP）/多協議標記交換網絡（MPLS）上難以真正滿足，傳統IP網絡采用盡力而為的統計復用服務模型，通過傳輸控制協議（TCP）提供可靠應用的連接，但TCP協議會影響時延，TCP的滑動窗口擁塞控制機制會引起業務突發，導致網絡擁塞和時延抖動，難以提供確定性時延和低時延[1-2]。

URLLC的垂直行業應用對網絡有嚴格的低時延、低抖動、低丟包率和高可靠性的承載需求。如表1所示，3GPP TS 22.261標準定義了URLLC類業務各種場景下端到端時延、抖動、可靠性、帶寬、流量密度等多個網絡性能。

如何實現低時延高可靠的確定性網絡，是5G承載網絡技術面臨的新挑戰。

2? ? SPN專線業務承載方案研究

（1）普通分組+5G時隙顆粒方案

如圖1所示，這種方案是普通分組報文承載在標準的MTN端口上，同時具備網絡級的FlexE交叉能力，該方案標準已經成熟。

該方案基于SPN（Slicing Packet Network，切片分組網）的網絡切片，將一張物理網絡切為多張邏輯網絡，實現一網多用。具體來講，不同的切片需要在MTN接口上創建不同Client接口，網絡中MTN接口就變成了多個切片管道，并且每個管道可以配置其承載的業務類型屬性。在業務創建時，通過指定業務的相關屬性，網管/控制器自動把業務的路徑建立到對應的切片管道上，實現不同類型業務在不同管道上的隔離承載。

（2）確定性轉發+5G時隙顆粒方案

當前實現確定性網絡的傳送技術有兩類，一種是L1層時分復用（TDM）模式的管道技術，另一種是L2/L3層時延敏感（TSN）分組管道技術。

傳統的L1層管道技術類似同步數字體系（SDH）/光傳送網（OTN），采用TDM復用機制來實現。為了適應IP業務的低成本、扁平化建網需求，近期在國際電信聯盟電信標準分局（ITU-T）立項的G.mtn標準引入了以太網物理編碼子層（PCS層）的L1層管道技術，PCS層的L1層管道采用FlexE Shim層的時隙作為業務映射的容器，最小時隙為5 Gbit/s。這些技術都基于固定容器來承載業務，只能滿足容器本身點到點的確定性能，受限于容器大小，管道無法滿足分組業務靈活顆粒的要求，尤其是小顆粒要求。

TSN是IEEE 802.1制定的一系列標準，是以L2層以太網為基礎，滿足L2層時間敏感業務的新一代以太網標準。除了滿足傳統音頻和視頻業務的確定性質量外，重點滿足面向工業互聯網等垂直行業應用的需求。與L1層管道技術不同，L2層TSN技術基于以太網分組轉發架構，為了滿足L2/L3業務的確定性能，針對每條L2/L3業務流維護每流的轉發狀態，從流量特征、流量監管、隊列管理到業務調度等分組業務轉發的各流程保證每條業務的轉發性能，滿足每條業務靈活顆粒的要求。與L1層管道技術相比，TSN技術滿足業務確定性能具備如下優勢：

1）解決業務確定性能的根本問題。TSN技術基于分組轉發技術，在L2/L3分組層保證業務性能，從根本上解決了每條業務性能保證的問題。

2）適應業務靈活帶寬顆粒的要求。TSN技術基于分組業務特征維護每條業務的轉發狀態，能適應業務靈活帶寬顆粒的要求，提升了轉發效率。

3）滿足不同類型業務和并發業務的轉發要求。TSN技術通過業務識別、隊列和調度等技術支持不同類型的業務和并發業務的轉發性能，滿足多業務承載的性能要求。

TSN技術標準IEEE在2018年底基本標準化，在局域網中逐步得到應用;IETF針對IP/MPLS封裝和操作維護管理（OAM）部分正在進行標準化。如圖2所示，TSN技術在城域網中可以在L2/L3層提供每業務確定性能，并和L1管道技術有機結合更好地滿足小顆粒垂直行業應用的需求。但TSN技術目前應用到城域網仍有部分局限性。TSN確定性調度目前基于時間進行調度，端到端性能保證均要求部署時間同步，不要求部署時間同步的確定性調度技術仍在研究中。TSN基于時間的調度在局域網中應用忽略鏈路時延，但是在城域網中鏈路時延不能忽略，這樣給基于時間的調度機制增加了復雜性和額外的因素。TSN還有一些其它局限性待研究和解決。

TSN作為L2/L3層靈活顆粒確定性業務承載技術，當前適合作為小規模確定性業務層承載技術應用到城域網中，該技術與管道層技術可以有機結合，滿足面向5G靈活顆粒確定性業務承載需求和靈活切片的需求。在SPN網絡中，管道層技術提供基于5G顆粒的網絡靈活確定性連接，而TSN技術提供靈活小顆粒確定性業務承載，是后續確定性業務承載技術的發展方向。

綜合來講，SPN切片以太網架構主要在L1和L2層進行實施，L1層架構發展為G.mtn，L2層架構則可以考慮TSN方向。SPN提出TDM和分組技術融合的技術理念，TSN技術在傳統MAC層融合了TDM的思路;SPN可在TSN基礎上進一步增強，實現確定性業務的解決方案。圖3是一種實現方式：

該方案采用Cell硬切片+SubPort機制，實現資源隔離和任意顆粒的業務切片，可保證電路級的帶寬、時延和時延抖動，可以用于FlexE接口和普通10GE以太網組網，與FlexE標準兼容。

（3）Sub-5G時隙顆粒方案

SPN小顆粒（<5G）切片技術在業界還沒有成熟的解決方案，目前有兩種可能的方式：單級復用和多級復用。

1）單級復用方案

在時延、封裝效率、實現代價等方面，單級復用方案有一定優勢;

目前該方案沒有標準化，GE顆粒不支持穿通中間僅支持5G顆粒的網絡，需進行FlexE管道終結，后續需要完善端到端的解決方案。

2）多級復用方案

可兼容5G顆粒，GE顆粒可穿通中間支持5G顆粒的網絡，支持端到端的解決方案;

低階開銷定義：需要增加低階開銷，需要重新定義;

帶寬效率降低：由于復接封裝增加了低階OH，導致帶寬膨脹，5G slot無法復用5個GE;

時延增加：P節點需要做低階交叉時，需要解出所有低階client，每站點復用解復用會引入較大邏輯資源，增加節點時延。

Sub-5G時隙顆粒目前尚處于研究初期，后續需要考慮標準化的可行性。

3? ?方案對比

如表2所示，通過比較可以發現，目前普通分組方案較為成熟，但在同一個切片時隙內，業務之間采用統計復用的方式進行承載，時延、抖動等方面表現較差。確定性轉發方案由于采用了TSN技術，業務承載質量方面較好，但增加了網絡復雜性，并且存在全網時間同步的問題，比較適合拓撲結構簡單的網絡。Sub-5G方案秉承了G.MTN的發展理念，采用小于5G顆粒的硬管道來承載專線業務，承載質量較好，但目前業界尚未有統一標準，而且切片顆粒度仍然較大，可以承載的業務數量有限。

4? ?結束語

SPN切片技術通過提供硬隔離管道，能夠為專線業務提供確定性的質量保障。目前基于SPN的專線業務承載方案各有優缺，結合本文的分析結論，未來的發展趨勢應當秉承G.MTN硬隔離的理念持續演進，TSN技術可以作為切片內軟隔離技術使用。

參考文獻：

[1]? ? 孫大禹，汪煜堯. 下一代網絡承載傳輸系統SPN（切片分組網）研究[J]. 中國新通信， 2018，20（20）： 173.

[2]? ? 趙福川，溫建中. 5G回傳的分組切片網絡架構和關鍵技術研究[J]. 中興通訊技術， 2018，24（4）： 2-7.