大規模確定性網絡技術分析與展望

01確定性網絡分層技術

確定性網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絡層次和網絡范圍，構成了從局域到廣域的端到端確定性網絡支撐。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時分復用和波分復用，提高網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，實現低延遲、高可靠性和網絡安全隔離等功能。

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絡中采用光傳輸網絡技術的一種底層實現方式，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，是確定性網絡提供可靠的數據傳輸基礎。

OTN的協議標準很多，ITU為OTN定義了一整套光傳輸體系（如，光傳送網絡架構標準的G.872和光傳送網接口標準）。OTN是DWDM下一代的骨干傳送網，通過電交叉、光交叉、增強了監控開銷等手段解決了傳統WDM網絡對于波長/子波長業務調度能力差，組網保護能力弱等問題。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，實現了多種顆粒度業務的接入和硬切片傳輸。

OTN作為確定性網絡的底層技術之一，可以為上層的應用和服務提供高效、可靠的數據傳輸，也可以通過跨域異構協同技術來整合不同類型的網絡資源，實現跨域網絡的協同控制和優化，進一步提高網絡的性能和服務質量。

L1.5 FlexE（Flexible Ethernet）技術

FlexE是一種基于以太網時間分組直接傳輸的技術，將以太網分組串行傳輸到硬管道中，實現高精確度的時延和帶寬保障。FlexE通過將以太網分組打包成固定長度的硬管道傳輸，可以實現網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、網絡通道化、子速率等特性，實現帶寬按需分配、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PHY層和MAC層之間的解耦。

FlexE硬切片可以做到時延穩定、零丟包，并實現切片之間的硬隔離，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技術，它可以做到對以太網傳輸的精確控制，適用于對時延和帶寬有嚴格要求的應用，如5G通信、數據中心互聯等。

L2 TSN（Time-Sensitive Networking）技術

TSN技術是一種局域網 (LAN) 級的技術，可以保證數據確定性傳輸，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同機制，通過對網絡中數據流的優先級、時間截止和時序同步的控制，來實現低時延和可靠的網絡傳輸。

TSN是一系列的標準，先后發布了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，通過三個基本的組件（1. 時間同步；2. 調度和流量整形；3. 通信路徑的選擇、預留和容錯）間協調一致地工作，從而完整地發揮TSN實時通信的全部功能。TSN的物理層采用IEEE802.3的以太網或IEEE802.3cg的標準網絡，數據鏈路層采用了橋接網絡，通過不同的數據流調度策略實現確定性，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、ATS-異步傳輸整形器等等。

TSN當前繼續在5G+TSN，OPC UA，垂直行業（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。

L3 DetNet（Deterministic Networking）技術

DetNet技術主要關注網絡中的第三層。DetNet旨在為數據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，實現對網絡傳輸延遲、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進行中，先后發布了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?；ゲ僮餍?，并簡化適用于第2層和第3層的確定性功能的實現；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、數據平面規范、數據流信息模型和相關YANG模型等，通過劃分服務子層和轉發子層，從數據平面、OAM、時間同步、管理、控制和安全等方面入手，達到對延遲、丟失和數據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的確定性，但隨著確定性網絡的擴展，進一步延伸到城域和廣域。當前確定性大規模端到端網絡成為了一大熱點（draft-ietf-detnet-scaling-requirements），探索多樣化確定性機制、時間的異步、多域異構協同、端網融合實現了諸如廣域算力網間的低時延無損傳輸等解決方案。

綜上所述，確定性網絡的分層技術包括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、基于優先級和基于隊列調度等方案的延伸，進一步提升了網絡的時延保障、優先級調度和流量管理等能力。這些技術的綜合應用可以實現更高效、可靠和確定性的網絡傳輸和服務。

02確定性網絡異構協同

確定性網絡跨域異構協同是指一整套確定性網絡解決方案，對異構的、跨越多個域的網絡資源進行整合，以實現端到端的、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絡，如有線網絡、無線網絡、廣域網、局域網、工業以太網等，這些網絡在不同的行業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絡接入，訪問位于其它運營商網絡下的服務。如此一來，要實現異構網絡間的確定性，跨域異構協同不可避免

圖2 確定性網絡異構

多域互通

確定性網絡可能只涉及單個域內的通信，也可以跨越多個域間進行互通?？缬虍悩媴f同技術需要解決不同域之間的協議、拓撲、隔離等方面的差異性挑戰，以實現不同域的資源整合和服務協同等。

圖3 確定性網絡多域互通

隨著工業4.0和行業數字化轉型的不斷發展，各行各業紛紛定制網絡來滿足差異化、碎片化、高服務價值的應用和業務；截至2023年6月21日，我國5G行業虛擬專網已超過1.6萬個，5G行業專網已從通用走向行業定制，通過構建定制化網絡架構和端到端業務保障體系，使網絡達到超可靠、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制造、智慧港口等單一場景。

鑒于用戶需求、規格和覆蓋范圍的多樣性，確定性網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同。以下是對多域協同中確定性網絡的一些思考：

1、多域協同的互聯模型

在當前多域網絡環境中，存在多種不同的互聯模型，包括樹形結構、星型拓撲、網狀布局、環形連接、雙平面等等。鑒于確定性網絡的多樣異構場景，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絡之間的差異以及成本、技術等。

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

隨著技術的發展和產品的完善，可以逐漸過渡到Option2的單跳跨域方案，通過在網絡邊界部署網關，進行轉換和映射，實現端到端的協同。

如果有能力做到全網一體化管理，實現上層業務一致性和底層轉發一致性，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，要求兩個網絡邊界設備都具備或至少一方具備兩個網絡的管控和轉發的機制，例如調度方式等。利用這些設備來實現兩個網絡之間的橋接、轉換和映射等功能，以實現跨域通信。

2、端到端QoS保障

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

除了前面介紹的分級分類、業務流關聯、路徑規劃和確定性調度外，還要做好以下工作：

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

容忍節點故障和拓撲改變：故障快速檢測、快速發現，并采用冗余設計和多發選收策略來確?？煽啃?。

3、時鐘同步

時鐘同步對于多域網絡的協同也非常重要。具體可以參見“時鐘同步”章節。下面主要針對多域網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，允許不同域內設備使用本地時鐘，通過弱同步方式穿越中間網絡，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絡的依賴，通過兩端協同來達成時間維度的確定性；在域間的入口節點還要規劃額外的緩沖區或增加deadtime作為保護帶，以應對時鐘同步過程中的漂移和抖動。

4、多種調度機制間協同

在多域環境中，通常存在多種不同的調度機制，為了實現協同，需要做好不同調度機制間的適配之外，還需做好帶寬保護，以應對突發事件和干擾。

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

其次引入協同機制：引入等待和補償機制，以適配不同調度機制之間的差異，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，以及產生對帶寬利用率降低的影響。

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

管控模式

確定性網絡的跨域協同可以采用集中式、分布式或混合式等多種管控模式。集中式管控模式將網絡決策和控制集中在中心控制器中，集中對整個網絡進行管理和協同控制。而分布式管控模式則將網絡控制器和決策功能部署在不同的域內，實現更加靈活和分布式的網絡控制?；旌鲜浇橛诙咧g。

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

而在分布式管控模式中，每個域內會存在獨立的網絡控制器或各個網元之間通過協議交互來進行路徑計算和選路，實現跨域的網絡協同。在分布式模式下，可以根據自身的網絡資源情況和需求，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，適合于復雜網絡環境和域間協同場景。

確定性路由

確定性網絡跨域協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

新型轉發承載協議：利用SRv6的可編程能力提供更為強大的三層網絡編程空間，滿足不同網絡路徑需求。結合區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，解決了大規模網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，更高效地實現了路徑選擇。

多約束路徑智能算路：通過網絡態勢實時感知底層確定性資源和網絡性能數據，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多重確定性約束路徑計算成為可能，為業務提供端到端確定性智能選路能力。

2、全域路徑計算能力

確定性網絡控制器需要擁有完備的全域路徑計算能力，包括整個網絡的拓撲信息、資源狀態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，并根據實時網絡狀態進行靈活動態調整。在算法方面，可以采用靜態路由算法或動態路由算法。

3、跨域間路由協議和域間路由優化

在跨域通信中，可能涉及不同的路由協議，因此必須確保這些協議能夠互操作和兼容，以確?？缬蛲ㄐ诺捻槙承?。

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

綜合以上優化措施，確定性網絡跨域協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：使用網絡切片來隔離不同類型的業務，以確保資源的隔離和質量保障。每個網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，以滿足不同業務、行業或用戶的差異化需求。

管道化和隊列管理：對于確定性網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

自動發現和更新：引入自動化工具和機制，能夠自動檢測網絡中的資源狀態，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，并動態平衡多條鏈路資源的利用率。這可以通過實時監測網絡負載和性能指標來實現。

負載和資源動態配比：根據用戶需求和網絡負載情況，動態調整資源的分配比例，以確保資源的高效利用。

4、跨網協同編排

跨域協同器：引入跨域協同器，可以收集和分析來自不同網絡域的信息，以制定資源管理的統一化和集約化策略。

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

綜上所述，通過確定性網絡跨域異構協同技術，可以實現不同域的資源整合和服務協同，提供更為高效、可靠和穩定的網絡服務。

03未來發展展望

確定性網絡在未來既面臨挑戰又蘊含機遇。其發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，提升確定性網絡的性能和可靠性。

2、構建統一標準化體系

通過統一的標準體系，可以促進不同廠商和產業鏈環節之間的協作和互操作能力，降低部署和維護的成本，推動確定性網絡的產業化和商用化進程。

3、解耦思路

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

4、利用人工智能進行調優

在確定性網絡中，可以利用人工智能和機器學習等技術，進行質量調優和自適應優化，提供更高質量、更為高效的網絡服務。

未來，通過不斷克服技術難題、建立統一的標準體系，提升網絡的自適應性等等，確定性網絡以其獨特的端到端確定性數據傳輸和服務，將為各行各業創造更為高效和可信賴的網絡環境，推動數字化和智能化在各個領域的發展。

審核編輯：湯梓紅