基于SPN的专线业务承载方案

贺政 李勇 王迎春 瞿少凯 李鑫 王冬冰 刘冬梅

【摘  要】5G时代，垂直行业专线业务是一片尚待开发的蓝海，是未来运营商利润来源的新引擎，但现网PTN只能提供业务间的软隔离，无法满足uRLLC场景的业务承载需求。首先描述了现有承载技术难以满足低时延、高可靠业务需求的现状，然后分别对普通分组、确定性分组，以及Sub-5G三种承载方案进行了对比，在时延抖动、带宽灵活性、业务数量、标准成熟度等方面进行了分析，最后得出结论：切片技术能够为专线业务提供质量保障，其中TSN技术可以作为切片内软隔离的技术使用。

【关键词】SPN;专线业务;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   专线业务对承载网络的要求

5G网络面向万物互联，除了增强移动宽带互联网业务（eMBB）外，也引入了高可靠低时延通信（URLLC）。URLLC业务覆盖了智能电网、智能工厂、车联网等应用场景，是垂直行业数字化转型的关键需求。URLLC业务对承载网络的时延、抖动、丢包有严格要求，但是这些性能要求在传统的网络协议（IP）/多协议标记交换网络（MPLS）上难以真正满足，传统IP网络采用尽力而为的统计复用服务模型，通过传输控制协议（TCP）提供可靠應用的连接，但TCP协议会影响时延，TCP的滑动窗口拥塞控制机制会引起业务突发，导致网络拥塞和时延抖动，难以提供确定性时延和低时延[1-2]。

URLLC的垂直行业应用对网络有严格的低时延、低抖动、低丢包率和高可靠性的承载需求。如表1所示，3GPP TS 22.261标准定义了URLLC类业务各种场景下端到端时延、抖动、可靠性、带宽、流量密度等多个网络性能。

如何实现低时延高可靠的确定性网络，是5G承载网络技术面临的新挑战。

2    SPN专线业务承载方案研究

（1）普通分组+5G时隙颗粒方案

如图1所示，这种方案是普通分组报文承载在标准的MTN端口上，同时具备网络级的FlexE交叉能力，该方案标准已经成熟。

该方案基于SPN（Slicing Packet Network，切片分组网）的网络切片，将一张物理网络切为多张逻辑网络，实现一网多用。具体来讲，不同的切片需要在MTN接口上创建不同Client接口，网络中MTN接口就变成了多个切片管道，并且每个管道可以配置其承载的业务类型属性。在业务创建时，通过指定业务的相关属性，网管/控制器自动把业务的路径建立到对应的切片管道上，实现不同类型业务在不同管道上的隔离承载。

（2）确定性转发+5G时隙颗粒方案

当前实现确定性网络的传送技术有两类，一种是L1层时分复用（TDM）模式的管道技术，另一种是L2/L3层时延敏感（TSN）分组管道技术。

传统的L1层管道技术类似同步数字体系（SDH）/光传送网（OTN），采用TDM复用机制来实现。为了适应IP业务的低成本、扁平化建网需求，近期在国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）立项的G.mtn标准引入了以太网物理编码子层（PCS层）的L1层管道技术，PCS层的L1层管道采用FlexE Shim层的时隙作为业务映射的容器，最小时隙为5 Gbit/s。这些技术都基于固定容器来承载业务，只能满足容器本身点到点的确定性能，受限于容器大小，管道无法满足分组业务灵活颗粒的要求，尤其是小颗粒要求。

TSN是IEEE 802.1制定的一系列标准，是以L2层以太网为基础，满足L2层时间敏感业务的新一代以太网标准。除了满足传统音频和视频业务的确定性质量外，重点满足面向工业互联网等垂直行业应用的需求。与L1层管道技术不同，L2层TSN技术基于以太网分组转发架构，为了满足L2/L3业务的确定性能，针对每条L2/L3业务流维护每流的转发状态，从流量特征、流量监管、队列管理到业务调度等分组业务转发的各流程保证每条业务的转发性能，满足每条业务灵活颗粒的要求。与L1层管道技术相比，TSN技术满足业务确定性能具备如下优势：

1）解决业务确定性能的根本问题。TSN技术基于分组转发技术，在L2/L3分组层保证业务性能，从根本上解决了每条业务性能保证的问题。

2）适应业务灵活带宽颗粒的要求。TSN技术基于分组业务特征维护每条业务的转发状态，能适应业务灵活带宽颗粒的要求，提升了转发效率。

3）满足不同类型业务和并发业务的转发要求。TSN技术通过业务识别、队列和调度等技术支持不同类型的业务和并发业务的转发性能，满足多业务承载的性能要求。

TSN技术标准IEEE在2018年底基本标准化，在局域网中逐步得到应用;IETF针对IP/MPLS封装和操作维护管理（OAM）部分正在进行标准化。如图2所示，TSN技术在城域网中可以在L2/L3层提供每业务确定性能，并和L1管道技术有机结合更好地满足小颗粒垂直行业应用的需求。但TSN技术目前应用到城域网仍有部分局限性。TSN确定性调度目前基于时间进行调度，端到端性能保证均要求部署时间同步，不要求部署时间同步的确定性调度技术仍在研究中。TSN基于时间的调度在局域网中应用忽略链路时延，但是在城域网中链路时延不能忽略，这样给基于时间的调度机制增加了复杂性和额外的因素。TSN还有一些其它局限性待研究和解决。

TSN作为L2/L3层灵活颗粒确定性业务承载技术，当前适合作为小规模确定性业务层承载技术应用到城域网中，该技术与管道层技术可以有机结合，满足面向5G灵活颗粒确定性业务承载需求和灵活切片的需求。在SPN网络中，管道层技术提供基于5G颗粒的网络灵活确定性连接，而TSN技术提供灵活小颗粒确定性业务承载，是后续确定性业务承载技术的发展方向。

综合来讲，SPN切片以太网架构主要在L1和L2层进行实施，L1层架构发展为G.mtn，L2层架构则可以考虑TSN方向。SPN提出TDM和分组技术融合的技术理念，TSN技术在传统MAC层融合了TDM的思路;SPN可在TSN基础上进一步增强，实现确定性业务的解决方案。图3是一种实现方式：

该方案采用Cell硬切片+SubPort机制，实现资源隔离和任意颗粒的业务切片，可保证电路级的带宽、时延和时延抖动，可以用于FlexE接口和普通10GE以太网组网，与FlexE标准兼容。

（3）Sub-5G时隙颗粒方案

SPN小颗粒（<5G）切片技术在业界还没有成熟的解决方案，目前有两种可能的方式：单级复用和多级复用。

1）单级复用方案

在时延、封装效率、实现代价等方面，单级复用方案有一定优势;

目前该方案没有标准化，GE颗粒不支持穿通中间仅支持5G颗粒的网络，需进行FlexE管道终结，后续需要完善端到端的解决方案。

2）多级复用方案

可兼容5G颗粒，GE颗粒可穿通中间支持5G颗粒的网络，支持端到端的解决方案;

低阶开销定义：需要增加低阶开销，需要重新定义;

带宽效率降低：由于复接封装增加了低阶OH，导致带宽膨胀，5G slot无法复用5个GE;

时延增加：P节点需要做低阶交叉时，需要解出所有低阶client，每站点复用解复用会引入较大逻辑资源，增加节点时延。

Sub-5G时隙颗粒目前尚处于研究初期，后续需要考虑标准化的可行性。

3   方案对比

如表2所示，通过比较可以发现，目前普通分组方案较为成熟，但在同一个切片时隙内，业务之间采用统计复用的方式进行承载，时延、抖动等方面表现较差。确定性转发方案由于采用了TSN技术，业务承载质量方面较好，但增加了网络复杂性，并且存在全网时间同步的问题，比较适合拓扑结构简单的网络。Sub-5G方案秉承了G.MTN的发展理念，采用小于5G颗粒的硬管道来承载专线业务，承载质量较好，但目前业界尚未有统一标准，而且切片颗粒度仍然较大，可以承载的业务数量有限。

4   結束语

SPN切片技术通过提供硬隔离管道，能够为专线业务提供确定性的质量保障。目前基于SPN的专线业务承载方案各有优缺，结合本文的分析结论，未来的发展趋势应当秉承G.MTN硬隔离的理念持续演进，TSN技术可以作为切片内软隔离技术使用。

参考文献：

[1]    孙大禹，汪煜尧. 下一代网络承载传输系统SPN（切片分组网）研究[J]. 中国新通信， 2018，20（20）： 173.

[2]    赵福川，温建中. 5G回传的分组切片网络架构和关键技术研究[J]. 中兴通讯技术， 2018，24（4）： 2-7.