光网络低时延特性分析及优化思路

余景文　中国电信股份有限公司北京研究院高级工程师李俊杰　中国电信股份有限公司北京研究院教授级高级工程师

光网络低时延特性分析及优化思路

余景文中国电信股份有限公司北京研究院高级工程师
李俊杰中国电信股份有限公司北京研究院教授级高级工程师

总结了当前对网络时延有较高要求的4种典型业务，通过分析光网络的低时延特性，得出了具体的优化光网络时延的思路。

低时延；光网络；OTNSDH

1　引言

近几年来，网络时延（Delay/Latency）性能越来越得到人们的重视，逐渐成为通信业界的新热点。低时延网络也成为运营商所关注的发展方向。

光传送网作为最基础的承载网络，在各类通信技术中拥有最低和最稳定的时延性能。但是随着“互联网+”的深入发展，电信网络开始与各行各业深度融合，某些新兴行业和业务对网络时延提出了近乎苛刻的需求，某些需求甚至到了现有光传送网络技术和组网结构无法满足的程度。因此，非常有必要对低时延业务需求进行深入分析，从而进一步研究光传送网络的低时延优化技术，以更好地满足这些低时延业务的需求。

2　低时延的业务需求

目前，明确提出低时延需求的业务有4类：第一是金融和电子交易类用户，特别是大家耳熟能详的从事期货等产品高频交易（HFT：High Frequency Trading）的电子交易类用户；第二是基于TCP协议的高清视频类业务，包括4/8K高清视频直播和点播业务、高清视频会议、以及未来的虚拟现实（VR）等实时性要求极高的大带宽业务；第三是部分云业务，特别是虚机迁移、数据热备份和实时性要求比较高的云桌面、云支付等业务；第四是尚处于研究阶段的未来5G移动网络的传送承载业务，目前5G网络对传送承载层预留的时延指标非常苛刻，需要一些低时延传输新技术加以保障。

2.1金融/交易类业务对低时延的极致需求

在发达的金融和交易市场中（尤其是美国），高频交易（HFT：High Frequency Trading）或称为机器交易、

算法交易已经兴起多年，交易品涵盖了期货、股票、外汇等多个领域。“时间就是金钱”这句谚语在高频交易业务中充分显示的是其现实意义，因此金融和电子交易公司对低时延的追求达到极致：一方面这些公司的服务器尽可能部署在交易机构（NYSE纽约股票交易所、NASDAQ纳斯达克股票交易所、CME芝加哥期货交易所等）的服务器附近，最好是相同的机房；另一方面，这些公司对低时延传输电路的追求也达到了白热化。最为著名的案例是某HFT公司甚至建设了纽约（NYSE所在地）到芝加哥（CME所在地）的微波中继系统，其目的是追求单向时延从6.55ms到4.25ms的优化效果，如图1所示。

2.24/8K高清视频/虚拟现实等业务的高吞吐量需求

TCP协议已经成为Internet主流，TCP的确认机制保证了可靠性，但也带来了吞吐量受限的问题，参见公式（1）：TCP吞吐量受限于3个因素，带宽BW、往返时延RTT和丢包率ρ。假设带宽足够，且良好的网络质量可以不考虑丢包率，则时延成为决定性因素。如果时延过大，客户体验带宽无法提升，此时仅提高带宽无法解决问题，形象的称之为“带宽黑洞”。

目前，TCP协议包头表征拥塞窗口（CWND）大小是16位，因此CWND最大值是64K字节（65536 Bytes）；MSS（Maximum Segment Size）是最大段长度，一般是1460字节，传输网中一般可以假设丢包率为零，因此最后一项不需要考虑；假设带宽（BW）为10Gbit/s，单向时延10ms（往返时延RTT为20ms）；根据上述公式，TCP协议的最大吞吐量只有26.3Mbit/s，远低于网络带宽。

图1　纽约至芝加哥微波中继电路时延性能示意图

虽然业界也提出了一些新技术来解决TCP协议的滑动窗口受限问题，例如RFC7323将滑动窗口的总大小扩展为30bit（230= 1073725440Bytes），应用层软件采用UDP传输或者多TCP线程也可以改善滑动窗口带来的吞吐量限制；但是，这些解决方案需要网络整体的升级改造，短期内难以全面部署。基于现有的网络环境，降低时延是解决TCP协议滑动窗口受限问题的最直接和最有效的手段。

2.3实时性云业务的低时延需求

最典型的实时性云通信业务是虚拟机迁移，例如热迁移通常要求时延低于10ms。此外，云数据热备份、云灾备、高通量协同计算等云通信业务也有着严格的实时性要求。

随着越来越多的上层业务迁移到云上，为了满足用户体验，同样也会对云承载网络提出严格的时延需求，例如云支付业务的最佳体验需要时延低于10ms、云桌面业务的最佳体验需要时延低于20ms等。

2.45G移动通信的低时延承载需求

5G目前处于起步阶段，提出了非常远大的愿景。ITU已将5G标准正式命名为IMT-2020，我国IMT-2020（5G）推进组在2014年发布的题为《5G愿景与需求》白皮书中提出了5G的关键技术能力，包括：0.1～1Gbit/s的用户体验速率、每平方公里100万的连接数密度、毫秒（ms）级的端到端时延、每平方公里数十Tbit/s的流量密度、每小时500公里以上的移动性和数十Gbit/s以上的峰值速率见图2。

5G还是一项发展中的技术，各项性能指标尚未最终确定，但是可以确定的是5G相对于4G/LTE，对时延的要求更加苛刻。

图2　ITU-RM.2083定义的IMT-2020（5G）关键能力指标

3　光网络的时延优势

基于最基础的光纤光缆和最低的单位带宽×距离传输成本，光网络是目前主流通信技术中具有最低时延优势的技术。光网络的低时延优势源于其对业务信号处理层次极低，在全光传输距离可达范围内，除了5μs/km的光纤固有传输时延以外，光网络设备引入的时延均为ns级。OTN等传输设备进入了L1层处理，单节点的时延多数也是在10μs级（复杂封装结构下可能达到100μs级）。相对于交换机、路由器等L2、3层网络设备单节点引入的1～10ms量级的时延，光网络设备节点引入时延只有其1‰～1％。表1给出了网络中L0层至L3层各种网元引入时延的数量级分布。

表1　网络电路时延分析

4　光网络时延构成分析

进一步优化光网络电路时延需要深入分析光网络电路中的时延分布。假设有一条光网络电路长度为2000公里（5μs/km），经过了4个电中继站（100μs/站）、30个光放站点（100ns/站）。假设采用色散补偿光纤DCF进行色散补偿（0.625μs/km），整个系统经过的尾纤和跳纤总长度5km。我们简单测算一下各个部分的时延贡献比例，传输光纤时延比重大约85％左右，占据决定性位置；若再加上DCF时延，光纤整体时延比重近95％。光传送网络进入100Gbit/s时代以后全面采用相干光通信技术，线路上不再需要DCF，进一步降低了电路时延。与采用DCF的10Gbit/s光传输系统相比较，100Gbit/s光传输电路在相同的光缆路由条件下，能够降低10％左右。这也是相干光通信带来的另一个好处。在相干光通信网络中，光缆传输时延占到光网络电路时延的90％以上。

综上所述，光网络不仅是目前主流通信技术中具有最低时延优势的技术，而且光网络电路时延具有良好的可预测性。

5　光网络设备时延的构成分析

虽然光网络设备引入时延比重较低（5％左右），但是在光缆路由无法进一步优化的条件下，设备时延还能提供一定的优化空间，对于一些对时延要求积极苛刻的极端应用场景，也有较大的价值。我们对OTN和SDH等两种主要的光网络技术进行分析。

对于OTN技术，基于对100Gbit/sOTU板卡的量化分析，FEC编解码是L1层处理时延的主要来源，占比在80％以上；业务封装和成帧占据了其余的20％。业务类型和映射方式对时延的影响在μs量级，一般而言支路侧速率越低、映射路径越长，封装时延越长。更进一步研究表明，在相同条件下，GMP封装时延低于GFP-T，GFP-T封装时延低于GFP-F，但是这种差异是μs量级甚至亚μs量级，一般而言不需要考虑。

对于SDH技术，由于容器颗粒比较小，业务类型对封装和映射时延的影响相对比较大，特备是以太网业务在SDH网络中一般采用GFP-F封装，相对于TDM的封装时延有明显增加，随着ETH包长的增长，封装时延也会变长。理论分析和实验室测试均表明，SDH设备若采用低阶VC12映射，封装时延会显著增加，达到ms量级；若采用高阶VC4映射，封装时延为10μs至100μs量级。以太网业务帧长度越大，封装时延越长，其影响在VC12低阶封装条件下更加显著。

6　光网络时延优化思路

基于光网络时延构成的量化分析，光纤传输时延占据光网络电路时延的90％以上，因此光网络时延的首要优化举措是路由优化，尽可能降低路由长度。优化路由距离的时延优化结果非常容易量化，每减少1公里的路由距离，业务双向传输时延（RTT）减低10μs。

如光缆路由不具备进一步优化空间，光网络依旧可以提供一些额外的时延性能优化手段。但是需要明确的是，大部分技术优化手段所能优化的幅度都比较小。

（1）提高传输速率：这是非常好理解的技术手段，相同的业务数据量，传输时延与传输速率成反比；

（2）减少光电光OEO再生次数：每次OEO再生都需要引入FEC编解码、封装、解封装的一系列操作，带来100μs量级的时延。

（3）采用OTN传输技术：OTN的业务封装和映射时延相对于SDH技术有明显优势，在相同条件下低时延业务应当优先选择OTN技术承载。

（4）选择合适的FEC纠错算法：在能够满足无电中继传输以及系统性能、余量需求的前提下，应当选择低时延的FEC纠错算法，降低FEC编解码带来的时延。

（5）考虑采用RAMAN放大器：RAMAN放大器一方面不需要掺铒光纤（EDF）作为放大介质，避免了EDF带来的额外时延，另一方面还可以有效延长全光传输距离，减少OEO再生引入的时延。

7　结束语

随着时延（Delay/Latency）性能越来越得到人们的关注，低时延网络也成为运营商所关注的发展方向。光传送网作为最基础的承载网络，在各类通信技术中拥有最低和最稳定的时延性能，因此成为低时延传输业务的主要承载技术。理论分析及实验测试均表明，光纤传输时延占总时延的90％以上，因此时延优化的首要目标是优化光缆路由、减少路由迂回；通过对设备转发时延的进一步分析表明，还可通过优化FEC算法、采用OTN承载以太网业务、减少再生次数等技术手段进一步优化传送网的时延指标。

［1］The TABB Group LLC Report.High-Frequency Trading Is 77％ofUKMarket［R］.TABB，2011（1）.

［2］The TABB Group LLC Report.The Value of a Millisecond：Finding the Optimal Speed of a Trading Infrastructure［R］.TABB，2008（4）.

唯亚威出席中国光网络研讨会，助力下一代高速生态系统演进

唯亚威（Viavi Solutions）于近日出席了在京举办的第16届光网络研讨会，并与来自业内的专家、运营商代表、电信研究院、业内主要设备厂商、光纤厂商等行业代表分享公司最新的技术和动态。此次研讨会旨在关注光通信产业最新的发展现状、面临的问题以及未来发展趋势。

在下午举办的光网络专题会场，唯亚威中国区技术经理沙慧军就“Viavi唯亚威助力下一代高速生态系统演进”为主题详细阐述了移动互联网及基于云构架趋势下的数据需求将迎来爆炸性增长，所有网络的任何节点都在面临着带宽迅速蚕食的巨大压力，因此所有产业生态圈都在积极投入大量资源进行下一代更高速、更经济可靠的网络接口及系统的研制和验证（第二代100G系统接口、400GE、OTUCn、50GE、200GE、FlexE、FlexO等）。Viavi唯亚威作为全球领先的测试方案提供商，其创新性测试平台正帮助整个产业链克服相应的技术难点，加快整个下一代网络的发展及演进。

Analysis of the optical network latency and the optimize methods

YU Jingwen，LI Junjie

this paper concludes four sorts of typical low latency services.Based on the study of the latency characteristic of the optical network，the paper puts forward some corresponding optimize methods.

low latency；optical network；OTN；SDH

（2016-06-27）