01確定性網(wǎng)絡分層技術

確定性網(wǎng)絡可以分為不同的技術路線，不同的技術路線往往從不同的層次切入來構建確定性網(wǎng)絡，借助分層技術圖譜可以清晰、快速地理清各個技術路線相關技術間的關系，其中不同技術工作或適應在不同的網(wǎng)絡層次和網(wǎng)絡范圍，構成了從局域到廣域的端到端確定性網(wǎng)絡支撐。主要包括工作在L0-L1的TDM類技術和工作在L2-L3 的分組融合類技術。

在L0-L1層次，TDM類技術主要包括波分、OTN和MTN等技術。這些技術通過對時隙、波長和多路復用等技術手段來實現(xiàn)時分復用和波分復用，提高網(wǎng)絡的帶寬和資源利用率。在L2-L3層次，分組融合類技術主要包括TSN技術、DetNet/DIP/EDN技術等。這些技術主要通過對隊列技術的創(chuàng)新，并在時鐘同步、預留容錯、探測、分級分類等技術加持下，實現(xiàn)低延遲、高可靠性和網(wǎng)絡安全隔離等功能。

圖1 分層技術圖譜

L0 OTN（Optical Transport Network）技術

OTN是以波分復用技術為基礎在確定性網(wǎng)絡中采用光傳輸網(wǎng)絡技術的一種底層實現(xiàn)方式，通過光纖通道和波分復用技術，提供高帶寬和低延遲的傳輸能力，是確定性網(wǎng)絡提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸基礎。

OTN的協(xié)議標準很多，ITU為OTN定義了一整套光傳輸體系（如，光傳送網(wǎng)絡架構標準的G.872和光傳送網(wǎng)接口標準）。OTN是DWDM下一代的骨干傳送網(wǎng)，通過電交叉、光交叉、增強了監(jiān)控開銷等手段解決了傳統(tǒng)WDM網(wǎng)絡對于波長/子波長業(yè)務調(diào)度能力差，組網(wǎng)保護能力弱等問題。細粒度方面ITU-T SG15 正在開展fgOTN技術標準化工作。fgOTN技術引入以10Mbps為顆粒的幀結構，實現(xiàn)了多種顆粒度業(yè)務的接入和硬切片傳輸。

OTN作為確定性網(wǎng)絡的底層技術之一，可以為上層的應用和服務提供高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，也可以通過跨域異構協(xié)同技術來整合不同類型的網(wǎng)絡資源，實現(xiàn)跨域網(wǎng)絡的協(xié)同控制和優(yōu)化，進一步提高網(wǎng)絡的性能和服務質(zhì)量。

L1.5 FlexE（Flexible Ethernet）技術

FlexE是一種基于以太網(wǎng)時間分組直接傳輸?shù)募夹g，將以太網(wǎng)分組串行傳輸?shù)接补艿乐校瑢崿F(xiàn)高精確度的時延和帶寬保障。FlexE通過將以太網(wǎng)分組打包成固定長度的硬管道傳輸，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡中的時序同步和時隙對齊等。FlexE以捆綁、通道化和子速率三大功能為基礎，通過大帶寬接口、網(wǎng)絡通道化、子速率等特性，實現(xiàn)帶寬按需分配、通道隔離以及低時延保障。

FlexE是OIF組織基于IEEE802.3/1標準體系架構的擴展研究。FlexE采用了Clients/Group的架構，其中 Clients為MAC層，Group為PHY層，向下對PHY層進行分割，化作資源池，向上將MAC層進行重新編碼以適配PHY層，中間FlexE Shim層做好上下層的適配，以實現(xiàn)PHY層和MAC層之間的解耦。

FlexE硬切片可以做到時延穩(wěn)定、零丟包，并實現(xiàn)切片之間的硬隔離，帶寬保證等。當前在切片粒度上能達到10M或更小。FlexE技術是繼第一代IP/ETH，第二代IP/MPLS和VPN/SR之后的第三代以太網(wǎng)技術，它可以做到對以太網(wǎng)傳輸?shù)木_控制，適用于對時延和帶寬有嚴格要求的應用，如5G通信、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等。

L2 TSN（Time-Sensitive Networking）技術

TSN技術是一種局域網(wǎng) (LAN) 級的技術，可以保證數(shù)據(jù)確定性傳輸，并可以做到與背景流或其他流量共存。它基于時間同步和時鐘協(xié)同機制，通過對網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級、時間截止和時序同步的控制，來實現(xiàn)低時延和可靠的網(wǎng)絡傳輸。

TSN是一系列的標準，先后發(fā)布了31個，正在制定19個（https://1.ieee802.org/tsn/ 截止2023年11月1日）。它從四個維度（1. 同步；2. 延遲；3. 可靠性；4. 資源管理）出發(fā)，通過三個基本的組件（1. 時間同步；2. 調(diào)度和流量整形；3. 通信路徑的選擇、預留和容錯）間協(xié)調(diào)一致地工作，從而完整地發(fā)揮TSN實時通信的全部功能。TSN的物理層采用IEEE802.3的以太網(wǎng)或IEEE802.3cg的標準網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)鏈路層采用了橋接網(wǎng)絡，通過不同的數(shù)據(jù)流調(diào)度策略實現(xiàn)確定性，比如，CBS-基于信用的整形器、Qbv-時間感知整形器、TAS/CQF-周期性排隊與轉發(fā)、ATS-異步傳輸整形器等等。

TSN當前繼續(xù)在5G+TSN，OPC UA，垂直行業(yè)（如：802.1DP用于下一代軍民用飛機或無人機）等領域中的拓展，進一步完善TSN技術、應用場景和生態(tài)。

L3 DetNet（Deterministic Networking）技術

DetNet技術主要關注網(wǎng)絡中的第三層。DetNet旨在為數(shù)據(jù)流提供可靠和確定性的傳輸，通過引入擁塞保護、服務保障和顯式路由等機制，實現(xiàn)對網(wǎng)絡傳輸延遲、帶寬和可靠性的保障，以滿足關鍵應用對高可靠性和低延遲的要求。

2015年IETF就成立了DetNet工作組，它的標準化工作仍在持續(xù)進行中，先后發(fā)布了14篇RFCs（https://datatracker.ietf.org/wg/detnet/documents/ 截止2023年11月1日）。一方面，IETF與IEEE TSN、ITU等之間的密切合作，以確保互操作性，并簡化適用于第2層和第3層的確定性功能的實現(xiàn)；如針對FRER Extended Stream Identification Functions，在控制和管理平面方面TSN和DetNet針對流識別功能做了字段擴展，以確保功能正常的前提下提高相互間的互操作性；另一方面，自身體系完善，包括：整體架構、數(shù)據(jù)平面規(guī)范、數(shù)據(jù)流信息模型和相關YANG模型等，通過劃分服務子層和轉發(fā)子層，從數(shù)據(jù)平面、OAM、時間同步、管理、控制和安全等方面入手，達到對延遲、丟失和數(shù)據(jù)包抖動的限制以及具有高可靠性等要求。

DetNet早期主要關注單域內(nèi)的確定性，但隨著確定性網(wǎng)絡的擴展，進一步延伸到城域和廣域。當前確定性大規(guī)模端到端網(wǎng)絡成為了一大熱點（draft-ietf-detnet-scaling-requirements），探索多樣化確定性機制、時間的異步、多域異構協(xié)同、端網(wǎng)融合實現(xiàn)了諸如廣域算力網(wǎng)間的低時延無損傳輸?shù)冉鉀Q方案。

綜上所述，確定性網(wǎng)絡的分層技術包括L0 OTN、L1.5 FlexE硬管道、L2 TSN和L3 DetNet等。這些技術在網(wǎng)絡的各個層次上提供了資源分配、時序同步和服務保障等能力。通過分組與TDM的融合以及基于截止時間、基于優(yōu)先級和基于隊列調(diào)度等方案的延伸，進一步提升了網(wǎng)絡的時延保障、優(yōu)先級調(diào)度和流量管理等能力。這些技術的綜合應用可以實現(xiàn)更高效、可靠和確定性的網(wǎng)絡傳輸和服務。

02確定性網(wǎng)絡異構協(xié)同

確定性網(wǎng)絡跨域異構協(xié)同是指一整套確定性網(wǎng)絡解決方案，對異構的、跨越多個域的網(wǎng)絡資源進行整合，以實現(xiàn)端到端的、可靠的、低延遲的實時通信服務。在此類場景中，可能涉及到多種不同類型的網(wǎng)絡，如有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)等，這些網(wǎng)絡在不同的行業(yè)和應用場景中往往扮演著不同的角色，也可能跨不同運營商，如用戶通常通過某一運營商的網(wǎng)絡接入，訪問位于其它運營商網(wǎng)絡下的服務。如此一來，要實現(xiàn)異構網(wǎng)絡間的確定性，跨域異構協(xié)同不可避免

圖2 確定性網(wǎng)絡異構

多域互通

確定性網(wǎng)絡可能只涉及單個域內(nèi)的通信，也可以跨越多個域間進行互通。跨域異構協(xié)同技術需要解決不同域之間的協(xié)議、拓撲、隔離等方面的差異性挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)不同域的資源整合和服務協(xié)同等。

圖3 確定性網(wǎng)絡多域互通

隨著工業(yè)4.0和行業(yè)數(shù)字化轉型的不斷發(fā)展，各行各業(yè)紛紛定制網(wǎng)絡來滿足差異化、碎片化、高服務價值的應用和業(yè)務；截至2023年6月21日，我國5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)已超過1.6萬個，5G行業(yè)專網(wǎng)已從通用走向行業(yè)定制，通過構建定制化網(wǎng)絡架構和端到端業(yè)務保障體系，使網(wǎng)絡達到超可靠、低時延的“確定性”能力，非常適用于需要實時高可靠性的工業(yè)制造、智慧港口等單一場景。

鑒于用戶需求、規(guī)格和覆蓋范圍的多樣性，確定性網(wǎng)絡的范圍將擴展至多個域，不可避免地涉及到不同域之間的連接和異構協(xié)同。以下是對多域協(xié)同中確定性網(wǎng)絡的一些思考：

1、多域協(xié)同的互聯(lián)模型

在當前多域網(wǎng)絡環(huán)境中，存在多種不同的互聯(lián)模型，包括樹形結構、星型拓撲、網(wǎng)狀布局、環(huán)形連接、雙平面等等。鑒于確定性網(wǎng)絡的多樣異構場景，建議考慮采用RFC4364中提出的三種跨域VPN方案。這三種互聯(lián)方式具有廣泛代表性，覆蓋了從松散到緊密耦合、從分段到端到端的各種情況，具體選擇還取決于網(wǎng)絡之間的差異以及成本、技術等。

如果網(wǎng)絡之間的差異較大，成本和技術限制較多，可以考慮采用Option1的背靠背方案，實現(xiàn)跨域通信。

隨著技術的發(fā)展和產(chǎn)品的完善，可以逐漸過渡到Option2的單跳跨域方案，通過在網(wǎng)絡邊界部署網(wǎng)關，進行轉換和映射，實現(xiàn)端到端的協(xié)同。

如果有能力做到全網(wǎng)一體化管理，實現(xiàn)上層業(yè)務一致性和底層轉發(fā)一致性，可以考慮采用Option3的多跳跨域方案，這樣可以更好地利用端側設備，在維護目標側信息的同時，也維護好沿途信息的傳遞，減輕中間設備的負擔。

建議，在當前階段采用Option2方案，要求兩個網(wǎng)絡邊界設備都具備或至少一方具備兩個網(wǎng)絡的管控和轉發(fā)的機制，例如調(diào)度方式等。利用這些設備來實現(xiàn)兩個網(wǎng)絡之間的橋接、轉換和映射等功能，以實現(xiàn)跨域通信。

2、端到端QoS保障

為了實現(xiàn)端到端的QoS保障，首先需要對流進行嚴格規(guī)范。在工業(yè)應用中，流的特征通常是可預知的，例如按周期或大小。因此，可以根據(jù)這些特征來規(guī)劃和管理流量。

除了前面介紹的分級分類、業(yè)務流關聯(lián)、路徑規(guī)劃和確定性調(diào)度外，還要做好以下工作：

入口流量調(diào)節(jié)：預先計劃調(diào)整入口流量，通過可擴展的排隊和增強的緩沖區(qū)容量來平衡不同速率和周期之間的適配。

容忍節(jié)點故障和拓撲改變：故障快速檢測、快速發(fā)現(xiàn)，并采用冗余設計和多發(fā)選收策略來確保可靠性。

3、時鐘同步

時鐘同步對于多域網(wǎng)絡的協(xié)同也非常重要。具體可以參見“時鐘同步”章節(jié)。下面主要針對多域網(wǎng)絡做相應的擴展說明：建議采用主備時鐘、邊緣設備應具備授時功能、降低對時鐘同步的依賴等。比如，采用解耦思路，允許不同域內(nèi)設備使用本地時鐘，通過弱同步方式穿越中間網(wǎng)絡，以保證兩端時鐘同步，在抖動壓縮的確定性方案中就是利用降低對時鐘同步和中間網(wǎng)絡的依賴，通過兩端協(xié)同來達成時間維度的確定性；在域間的入口節(jié)點還要規(guī)劃額外的緩沖區(qū)或增加deadtime作為保護帶，以應對時鐘同步過程中的漂移和抖動。

4、多種調(diào)度機制間協(xié)同

在多域環(huán)境中，通常存在多種不同的調(diào)度機制，為了實現(xiàn)協(xié)同，需要做好不同調(diào)度機制間的適配之外，還需做好帶寬保護，以應對突發(fā)事件和干擾。

首先域間節(jié)點（例如網(wǎng)關）支持多種調(diào)度機制，確保域間不同調(diào)度機制間轉換和映射，以適應不同場景的需求。

其次引入?yún)f(xié)同機制：引入等待和補償機制，以適配不同調(diào)度機制之間的差異，這樣可能會增加緩沖和時延。如，通過對關鍵流量設置GuardBand來保護其不受不必要的影響，以及產(chǎn)生對帶寬利用率降低的影響。

綜上所述，多域確定性網(wǎng)絡需要綜合考慮各種因素，根據(jù)具體場景和需求進行合理的規(guī)劃和配置，并通過合理的互連模式，以實現(xiàn)高效可靠的多域協(xié)同通信。

管控模式

確定性網(wǎng)絡的跨域協(xié)同可以采用集中式、分布式或混合式等多種管控模式。集中式管控模式將網(wǎng)絡決策和控制集中在中心控制器中，集中對整個網(wǎng)絡進行管理和協(xié)同控制。而分布式管控模式則將網(wǎng)絡控制器和決策功能部署在不同的域內(nèi)，實現(xiàn)更加靈活和分布式的網(wǎng)絡控制。混合式介于二者之間。

在集中式管控模式中，網(wǎng)絡中存在一個集中的網(wǎng)絡控制器，負責整個網(wǎng)絡的路徑計算、路由選擇和資源管理。該控制器會全局感知網(wǎng)絡拓撲和資源情況，通過搜集和分析網(wǎng)絡狀態(tài)信息，為不同的傳輸路徑選擇最佳的路由、調(diào)度方式，并通過南向接口指導相應設備執(zhí)行。

而在分布式管控模式中，每個域內(nèi)會存在獨立的網(wǎng)絡控制器或各個網(wǎng)元之間通過協(xié)議交互來進行路徑計算和選路，實現(xiàn)跨域的網(wǎng)絡協(xié)同。在分布式模式下，可以根據(jù)自身的網(wǎng)絡資源情況和需求，獨立地做出最佳的路徑選擇和路由決策，具有更強的靈活性和可擴展性，適合于復雜網(wǎng)絡環(huán)境和域間協(xié)同場景。

確定性路由

確定性網(wǎng)絡跨域協(xié)同中的路由問題需要綜合考慮不同域之間的路由計算和路徑選擇能力：

1、智能選路

新型轉發(fā)承載協(xié)議：利用SRv6的可編程能力提供更為強大的三層網(wǎng)絡編程空間，滿足不同網(wǎng)絡路徑需求。結合區(qū)域劃分的標簽壓縮和高效的多路徑計算算法（如eKSP路徑計算算法，解決了大規(guī)模網(wǎng)絡路徑計算性能問題，提高了路徑計算的效率和準確性），降低時間復雜度和提高路徑壓縮率，更高效地實現(xiàn)了路徑選擇。

多約束路徑智能算路：通過網(wǎng)絡態(tài)勢實時感知底層確定性資源和網(wǎng)絡性能數(shù)據(jù)，支持基于時延、抖動、帶寬等多重確定性約束條件下的智能路徑計算。SRv6的可編程性使得實現(xiàn)多重確定性約束路徑計算成為可能，為業(yè)務提供端到端確定性智能選路能力。

2、全域路徑計算能力

確定性網(wǎng)絡控制器需要擁有完備的全域路徑計算能力，包括整個網(wǎng)絡的拓撲信息、資源狀態(tài)和傳輸需求等方面的綜合考量。路徑計算必須綜合考慮帶寬、延遲、帶寬保障等多種因素，并根據(jù)實時網(wǎng)絡狀態(tài)進行靈活動態(tài)調(diào)整。在算法方面，可以采用靜態(tài)路由算法或動態(tài)路由算法。

3、跨域間路由協(xié)議和域間路由優(yōu)化

在跨域通信中，可能涉及不同的路由協(xié)議，因此必須確保這些協(xié)議能夠互操作和兼容，以確保跨域通信的順暢性。

為了優(yōu)化跨域路徑選擇，我們可以采用基于負載均衡和優(yōu)先級的策略，根據(jù)各域的資源狀況和傳輸需求來選擇最佳的跨域路徑，從而提高網(wǎng)絡的利用率、性能和可靠性。

綜合以上優(yōu)化措施，確定性網(wǎng)絡跨域協(xié)同中的路由問題將會得到更為高效、可靠和靈活的解決，為各種確定性業(yè)務提供端到端的智能路徑選擇能力，以滿足多領域多樣化的通信需求。

域間資源管理

針對多域確定性網(wǎng)絡資源管理，可以采用以下方法：

1、資源通道化

切片技術：使用網(wǎng)絡切片來隔離不同類型的業(yè)務，以確保資源的隔離和質(zhì)量保障。每個網(wǎng)絡切片都可以靈活定義自己的邏輯拓撲、SLA需求、可靠性和安全等級，以滿足不同業(yè)務、行業(yè)或用戶的差異化需求。

管道化和隊列管理：對于確定性網(wǎng)絡資源采用管道化和隊列的管理方式，以確保資源的可預測性和可控性。

2、資源的管理

自動發(fā)現(xiàn)和更新：引入自動化工具和機制，能夠自動檢測網(wǎng)絡中的資源狀態(tài)，并進行實時更新。這有助于避免資源沖突和提高資源利用效率。

防止碰撞：采用碰撞避免機制，如虛通道流量控制（VCFC），來管理資源的分配，以避免資源沖突和競爭。

3、資源的利用率

自動選擇和動態(tài)平衡：引入智能算法和策略，可以自動選擇最適合的資源配置，并動態(tài)平衡多條鏈路資源的利用率。這可以通過實時監(jiān)測網(wǎng)絡負載和性能指標來實現(xiàn)。

負載和資源動態(tài)配比：根據(jù)用戶需求和網(wǎng)絡負載情況，動態(tài)調(diào)整資源的分配比例，以確保資源的高效利用。

4、跨網(wǎng)協(xié)同編排

跨域協(xié)同器：引入跨域協(xié)同器，可以收集和分析來自不同網(wǎng)絡域的信息，以制定資源管理的統(tǒng)一化和集約化策略。

智能協(xié)同編排：通過智能算法和機器學習技術，跨域協(xié)同器可以做出準確的決策，以優(yōu)化資源的分配和利用。這可以幫助實現(xiàn)資源管理的智能化。

綜上所述，通過確定性網(wǎng)絡跨域異構協(xié)同技術，可以實現(xiàn)不同域的資源整合和服務協(xié)同，提供更為高效、可靠和穩(wěn)定的網(wǎng)絡服務。

03未來發(fā)展展望

確定性網(wǎng)絡在未來既面臨挑戰(zhàn)又蘊含機遇。其發(fā)展前景涵蓋以下幾個關鍵方向：

1、克服共性關鍵技術障礙

通過創(chuàng)新研究和工程實踐，推動關鍵技術的突破和進步，提升確定性網(wǎng)絡的性能和可靠性。

2、構建統(tǒng)一標準化體系

通過統(tǒng)一的標準體系，可以促進不同廠商和產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)之間的協(xié)作和互操作能力，降低部署和維護的成本，推動確定性網(wǎng)絡的產(chǎn)業(yè)化和商用化進程。

3、解耦思路

在確定性網(wǎng)絡的設計和研究過程中，可以采用解耦思路，創(chuàng)新性地將不同網(wǎng)絡層次和模塊進行解耦，提高網(wǎng)絡的靈活性和可擴展性。

4、利用人工智能進行調(diào)優(yōu)

在確定性網(wǎng)絡中，可以利用人工智能和機器學習等技術，進行質(zhì)量調(diào)優(yōu)和自適應優(yōu)化，提供更高質(zhì)量、更為高效的網(wǎng)絡服務。

未來，通過不斷克服技術難題、建立統(tǒng)一的標準體系，提升網(wǎng)絡的自適應性等等，確定性網(wǎng)絡以其獨特的端到端確定性數(shù)據(jù)傳輸和服務，將為各行各業(yè)創(chuàng)造更為高效和可信賴的網(wǎng)絡環(huán)境，推動數(shù)字化和智能化在各個領域的發(fā)展。

審核編輯：湯梓紅