面向“新基建”業務的OTN網絡時延優化方案及實踐

曹飛 孟超 陸源 張立明

1.烽火通信科技股份有限公司；2.中國聯合網絡通信有限公司山東省分公司；3.山東省郵電規劃設計院有限公司

0 引言

新型基礎設施建設（簡稱 ：新基建），主要包括5G網絡、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、數據中心、工業互聯網等領域，涉及諸多產業鏈，是以新發展理念為引領，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，面向高質量發展需要，提供數字轉型、智能升級、融合創新等服務的基礎設施體系。新時期運營商的發展與新基建領域業務是息息相關的，其中4K/8K高清視頻+VR、5G業務、政企專線、DC接入/DC互聯四類創新業務將是未來運營商城域業務的發展焦點，而大帶寬、低時延是5G和云時代業務的共性需求，也是大部分新基建領域業務的共性需求。

無論是大帶寬還是低時延，基于波長復用的OTN光網絡技術都顯示了巨大的承載優勢。大帶寬方面，單波100G OTN網絡已廣泛應用在干線網絡和本地網絡的核心匯聚層，未來將向單波200G/400G等超100G演進。低時延方面，由于OTN網絡支持設備處理信息的層級位于最底層的L0和L1層，時延接近物理極限，因此OTN網絡是打造未來低時延網絡的最佳選擇。在時延優化方面，目前現網已部署的OTN系統還面臨著一些問題：（1）組網架構多為環網，業務穿通節點多，增加了網絡整體時延；（2）背靠背堆疊設備實現跨層互聯從而影響時延；（3）設備器件存在優化空間，如FEC、OTN封裝方式等。

本文從新基建業務需求角度出發，重點分析時延方面的需求挑戰，針對OTN網絡制定網絡時延優化的具體方案，通過ROADM/OXC等技術減少網絡層級，結合OTN一體化網絡部署實現架構優化，并通過部分案例分析優化效果。

1 新基建業務對傳送網需求的挑戰

1.1 新基建業務需求分析

“新基建”與傳送網專業強關聯的領域主要是5G網絡和數據中心，衍生領域包含工業互聯網、人工智能等，主要特征是需要傳送網提供大帶寬、低時延、敏捷、安全的傳輸通道。新基建傳送網需求分析如表1。根據表1分析，5G網絡、DC互聯、高品質價值政企專線和工業互聯網等均提出了低時延特性需求，尤其是面向黨政軍和金融類的高品質專線訴求更加明顯。

表1 “新基建”領域的傳送網訴求分析

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1.2 時延挑戰分析

超低時延的實現需要一系列技術有機結合，系統設計中如傳輸速率、時延、可靠性等性能指標之間常常存在著一定程度的此消彼長、相互權衡的關系，一個維度的優化往往會導致另一個維度性能的退化。因此需要針對業務類型，合理權衡與協調時延與其他性能指標實現之間的關系。網絡面臨的時延挑戰主要分為以下幾個方面：

挑戰一：5G低時延需求

5G低時延是為實現eMBB移動寬帶增強、mMTC大規模物聯網、uRLLC超高可靠超低時延的能力而提出的。ITU、IMT-2020推進組等國內外5G研究組織機構均對5G提出了毫秒級的端到端時延要求，理想情況下端到端時延為1ms，典型端到端時延為5-10ms左右。我們目前使用的4G網絡，端到端理想時延是10ms左右，LTE的端到端典型時延是50-100ms，這意味著5G將端到端時延縮短為4G的十分之一。5G網絡的時延主要有3段，空口接入時延約占25%，承載網時延約占25%，核心網時延約占55%。5G網絡技術中提出全光網實現低時延的重要支撐，新型的多址技術以節省調度開銷，同時基于軟件定義網絡（SDN）和網絡功能虛擬化（NFV）實現網絡切片并采用FlexE技術使業務流以最短、最快的路由到達目的用戶。

挑戰二：熱備、多活數據庫要求極低時延

根據數據讀寫時延分布，讀寫效率提出了苛刻的時延要求，以Oracle為例，在10ms時延下，數據庫IO性能基本可以保證，滿足多活等高可靠要求。數據庫時延分段包含了服務器應用時延、設備時延和光纖時延。SCSI一次寫需要兩次指令，寫指令和數據發送，一次IO需要2倍的RTT時間，只有在端到端業務時延10ms下，數據庫集群讀寫效率才能保證。保證E2E時延＜兩端應用時延+兩端設備時延×2+光纖時延×2。網絡時延的降低，可以成倍（2次RTT）減少E2E應用讀寫時延，提升數據庫讀寫效率，獲得更大收益。

挑戰三：新型時延敏感業務使傳統網絡面臨巨大挑戰

分布式數據中心等東西向業務以及VR、工業控制、車聯網等新業務類型，提出ms級時延要求，傳統網絡難以滿足，而金融實時交易業務驅動對更低時延的“極致追求”。根據《撮合交易原則》，證券期貨交易，以價格優先、時間優先為交易原則，證券公司對運營商政企專線網絡提出了μs級別需求，且傳統網絡無法滿足云資源快速響應和靈活調度的需求，云網協同業務客戶期望值當前是天級開通（小于3天），未來降至分鐘級。新型時延敏感業務的苛刻時延要求使得各運營商均建設了基于OTN技術的政企精品專網來滿足客戶訴求。新型時延敏感型業務時延需求詳見圖1所示。挑戰四：OTT提供高質量專線，威脅運營商專線市場

圖1 新型時延敏感業務時延需求

當前部分OTT專線采用了自建骨干網模式，即在接入部分，企業通過運營商的城域鏈路接入到OTT的就近POP點。在骨干部分，OTT在城域POP點把企業專線調度到自身的骨干網，以提供企業長途專線服務。運營商城域部分通常QoS較好，OTT骨干側QoS好，因此可提供端到端的良好業務體驗。由此運營商的壓力和挑戰凸顯，運營商較好的為OTT專線解決了“最后一公里”問題，但是自身的鏈路被旁路，無法為企業帶來明顯效益。應對OTT自身骨干專線模式，運營商需要建設一體化OTN政企精品網，以提高差異化競爭能力（大帶寬、低時延、智能管控等），同時以優質的網絡、服務和單GB建設成本等優勢來應對市場競爭。

2 OTN網絡時延優化方案

2.1 OTN網絡時延分析

（1）網絡時延構成

一般網絡時延由傳播時延（Propagation Delay）、傳輸時延（Transmission Delay）、處理時延（Processing delay）、調度時延（Queuing Delay）構成，如圖2所示。

圖2 新型時延敏感業務時延需求

傳播時延是指信號在傳輸介質中傳播所花費的時間，與傳播速度、通信距離有關。對于光傳送網OTN來說，傳輸介質即是光纖，單向時延為5μs/km。傳輸時延是指站點發送或接收一個數據幀需要的時間，與數據幀長、鏈路速率相關，對于100G OTN傳輸系統來說，OTU4幀周期為1.168μs，在采用高速接口設備時傳輸時延在網絡時延中占比較低。處理時延是指數據轉發花費的時間，包括頭部處理、差錯校驗、路由表查找等，取決于節點的處理能力和數據處理的復雜度。調度時延是指數據在輸入和輸出緩沖區排隊花費的時間，與網絡擁塞狀況、隊列調度機制相關。比如分組網絡中應用Qos策略，可保證高質量業務的低時延要求。

網絡時延影響的大小與網絡工作層級呈正比關系，即工作層級越低，時延越小。交換機和路由器的處理時延一般為1ms-10ms，而OTN網絡工作在OSI七層協議模型的L0/L1層，節點時延可達μs級別，LO層的光器件則可達ns級別。如表2所示。

表2 OSI對應網元時延

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（2）OTN時延測量

根據G.709關于時延測量的定義，OTN通過下插PM/TCM層的開銷實現時延測量。如圖3所示，時延測試發起端進行業務封裝的同時在ODUk開銷中打上時間戳，同時啟動計時器；時間戳隨著業務傳遞到時延測試終結端環回，反向傳輸給發起端；發起端接收到反向傳輸回來的時間戳，與計時器進行比較即可得到雙向時延；考慮到OTN電路的雙向對稱性和路由一致性特點，往返時延的一半即可認為是單向傳輸時延，從而實現對網絡高精度端到端時延的監控測試。

圖3 OTN網絡時延測量原理

2.2 OTN網絡時延優化方案

OTN網絡時延優化方案與影響OTN網絡時延的要素息息相關，歸納為以下幾點：

（1）時延影響關鍵要素：光纖、DCM補償光纖、組網架構（減少背靠背節點串接）。

優化方案：光層時延主要取決于光層的物理傳輸路徑，受物理光速限制，一般通過減少信號傳輸距離來降低時延，包含選擇直達路由、減少跳接、通過合理的局站設置減少引接距離等，此外還可以通過電域補償色散代替色散補償光纖的使用（單波100G以上系統已經考慮）。

如圖4所示，組網架構方面，重點地市城域核心匹配DC節點啟用ROADM/OXC實現MESH化演進，節點間通過ROADM一跳直達，時延最優。傳統OTN網絡采取環網模式組建城域OTN網絡，業務需要經過逐層轉發，導致業務路徑長，不僅耗費大量中間站點的傳送資源，還增加整體網絡時延。城域重構網絡的核心層采取MESH化組網架構，任意兩點間通過直達光纖實現時延優化，匯聚層每個節點配置ROADM或OXC實現業務的直達穿通，實現一跳直達核心節點，進一步降低時延。

如圖5所示，跨域對接方面，省干和本地網對接采用集群共電架或NNI對接取代傳統的背靠背UNI方式。傳統跨域互通模式采取的是UNI模式，不同層級的設備背靠背堆疊，配置支路板對接，業務需要經過“線路板-支路板-支路板-線路板”上下電層處理；優化后，如采取NNI模式，不同層級的設備通過“線路板-線路板”對接，減少了節點板卡處理時延；如采取集群模式，2個層級的2端設備簡化為1端設備，進一步減少了電層處理時延。

圖4 OTN組網架構優化方案（環網-MESH）

圖5 OTN省本對接優化方案（傳統UNI-集群/NNI）

（2）時延影響次要因素：AFEC/FEC、OTN封裝方式。

優化方案：AFEC/FEC是光纖之外影響時延的最主要因素，FEC Buffer緩存有效負荷和糾錯模塊，引入了時延；AFEC還緩存了編碼間的糾錯開銷，再次引入時延，多級AFEC在獲得更高增益的同時，進一步加深了FIFO的深度。FEC影響級別20μs左右，AFEC影響級別100μs左右。針對FEC降低時延的具體建議如下：1）系統仿真時提升OSNR余量，減少長跨，減少FEC/AFEC的使用或盡量減少多級編碼層級以降低時延。2）根據應用場景靈活配置FEC糾錯能力，在滿足系統誤碼要求的情況下，配置時延最小的FEC算法，而非糾錯能力最強的FEC算法。3）通過FEC算法優化，進一步降低時延。

OTN封裝，以典型的GE封裝為例，時延大小為TTT+GMP＜GFP-T＜GFP-F。GFP-T方式是填充IDLE幀后，將GFP幀映射到OPU0開銷中，緩沖數據多。GMP通過sigma-delta算法將客戶業務均勻裝載到OPU開銷中。同樣映射到ODU0顆粒，TTT+GMP封裝時延更小。因此建議在業務封裝方面，優選低時延封裝模式（如GMP）來降低時延。

綜上所述，OTN網絡優化方案主要從組網方式、設備器件及光纖路徑等方面降低時延，基本舉措包含網絡扁平化、減少網絡層級，以及光纖優化等，可以解決時延構成的90%以上。此外，額外舉措包含優化FEC性能、采用相干通信減少DCF影響等，可以解決時延構成的10%左右。

圖6 OTN優化方案總結

2.3 案例分析

（1）沿“黃河軸線”一體化業務時延優化

黃河軸線JN-QH-DZ新舊動能轉換區一體化，適應中心城市“圈層式”一體化趨勢，滿足主要經濟帶和城市群的連續感知要求。針對新舊動能轉換綜合試驗區，打破干線本地格局，降低專線電路時延，提升用戶感知；降低專線成本，增加市場競爭力。參照組網架構優化方案，實施省本對接及網絡架構優化，通過減少路徑迂回，減少設備及網絡間的背靠背對接，如圖7所示。

圖7 OTN優化案例1-省內重客專線

一條QH至JN的100M EOS專線時延，通過加載業務電路進行測試驗證，優化前后的傳輸時延實測數據由2785μs降低為940μs，降低了66%，如表3所示。

表3 案例1優化前后實測時延數據

（2）跨域證券專線時延優化

L證通（地市DC）到省會證券公司（XX證券）專線，客戶投訴時延大，期望優化。原業務路徑通過本地SDH、省干SDH網絡承載，路由需經過其他地市迂回。路徑：JNDXCXX大廈-XX新時空-XXDXC，電層節點多。優化方案采取PEOTN網絡扁平化層級方案，采取集群方式，干線啟用基于ROADM的省干+國干政企精品OTN網絡承載，雙向時延由12ms降低至6ms，其中由光纖路徑優化帶來的時延降低達5.58ms（約占93%），由設備節點優化帶來的時延降低達0.31ms（約占5%），由集群減少節點處理帶來的時延降低達0.11ms（約占2%），如圖8所示。

圖8 OTN優化案例2-集團高價值金融專線

3 結束語

新基建時代，低時延是非常重要的業務屬性，波分傳輸技術的低時延特性為應對時延挑戰提供了契機。OTN網絡相比傳統傳輸網絡（比如SDH、IPRAN），以及新型承載網絡（比如STN、SPN、智能城域網等），有其天然的時延優勢。新時代，OTN網絡既可以作為底層承載網，又可以作為面向高品質專線的業務網。現有OTN網絡要在新時期業務驅動下做好時延優化，繼而打造端到端一體化精品網絡，為即將到來的新基建業務奠定承載基石。