5G端到端确定性网络探索与思考

1、5G+端到端确定性网络探索与思考提 纲第二部分确定性网络的技术进展与趋势第一部分确定性网络的场景与需求分析2第三部分确定性网络架构与技术探索话音型业务(确定性)传统运营商网络的按需服务能力（尽力而为 + 轻载网络）消费型互联网 (突发性、尽力而 为、不强调QoS)生产型互联网/5G/6G (确定性、差异性、 强调QoS)未来业务对网络确定性、差异性 来源：欧盟服务能力提出了更高需求3网络业务需求发生巨大变化，确定性可控成为未来趋势确定性可控典型场景举例工业互联网（工厂内网/外网）消费互联网（移动/家庭）车联网（车内/车外）VR/AR/3D通话/全息图像/交互式游戏 沉浸式交互（低时延、大带宽）

2、精仪制造/远程工控/数字孪生等 生产性业务（低时延、低抖动）自动驾驶/车路协同等业务（低时延、高可靠）4典型场景1工业互联网的时延需求5工业互联网中精密设备控制存在大量周期性控制指令，需要网络提供超低端到端 时延及抖动的控制能力。例如：伺服马达0.25ms为周期发送控制指令。DIP路由器DIP路由器伺服马达从动机械臂主动机械臂伺服马达以250 微秒为 周期，进行跨 网指令传送。以20微秒为周期，进行端到端超低时延及抖动的数据传输。以250 微秒为 周期，进行跨 网指令传送。来源：华为2012网络技术实验室典型场景2车载网时延需求6车联网将基于车载驾驶辅助系统(ADAS：激光雷达、毫米波雷达等)

3、与通信技术相 结合，实现每个车辆个体的“自动行为”；下一代车联网络需要承载全景影像、实时测距传感器输入等业务，尤其是当刹车、 转向等关键功能依赖网络来传输指令时，网络需要10ms以下的时延，0.2ms以下的 发包抖动，99.999%的可用率。确定性网络发展愿景7灵活按需切片转发路径可控时延/抖动有界概率时延时延us级抖动切片、带宽、路由等控制技术已基本实现，时延与抖动控制正成为当前确定性网络研究的核心技术问题提供细粒度、差异化服务能力光层/IP层路径精确控制跳数时延/抖动端到端ns级管控提 纲第二部分确定性网络的技术进展与趋势第一部分确定性网络的场景与需求分析8第三部分确定性网络架构与技术探索

4、确定性网络相关技术分类9确定性网络的围绕确定性抖动控制已形成了FlexE、TSN、DetNet等相对 完整的技术体系。L1确定性技术FlexE1FlexE 也 称 为 灵 活 以 太 网 ， 是 由 OIF(Optical Internetworking Forum)发布的通信协议，通过在以 太网L2和L1之间的中间层增加FlexE Shim层，实现业 务速率和物理通道速率的解耦。标准进展2011年1月，OIF成立灵活以太网研究小组2016年3月，发布了FlexE的1.0标准内容2017年3月，FlexE For IP/MPLS标准正式在BBF立项2018年9月，FlexE2.0标准正式发布，

5、包括帧格式、时间同步、OAM、隧道保护方案等基本思想：通过链路捆绑、子速率和通道化三种应用模式，承载各类速率 需求业务。最小粒度5GE1GE。通过时分复用机制，将多个FlexE Client接口的数据按照时隙 方式调度并分发至多个不同的子通道。通过PHY/MAC层协同调度，基于时隙交换保障时延，目前主要用于5G承载网 0L2确定性技术TSNTSN标准分为三个基本标准规范，每个标 准规范都可以单独使用。时间同步：网络中所有设备需要实现精确 时间同步来协商的时间界限。调度和流量整形(门控)：允许在同一网络 上共存不同优先级的流量类别，每个类别 具有不同的带宽和端到端延迟需求。通信路径的选择、预留和

6、容错：进行通信 路径选择、预留带宽和时隙等方面，并且 可以利用多条路径来实现故障排除，以防 止硬件或网络中的故障。TSN标准主要解决二层网络问题，目前主要用于工厂内网/车内网络等场景11L3确定性技术DetNet21IETF在2015年10月成立DetNet工作小组，侧重于为L3上的数据提供确定性的延迟、丢包、抖 动以及高可靠性。目前输出工作组草案包括: DetNet架构、用例、安全等；DetNet数据平面方案，包括IP和MPLS、SRv6三种；数据流信息模型、Yang模型、控制平面架构等。基本思想：借鉴TSN的机制和架构,提供L3层端到端的 确定性方案。在统计复用的基础上提供确定性时延和抖动

7、。终端应用可支持、也可不支持DetNet业务 模型。网卡完成DetNet相关的数据封装， 如流ID、Sequence封装。支持集中控制、显性路由、抖动消减、拥塞保护、多径路由等。侧重于IP层调度保障，IETF相关标准体系(OAM、QoS、)正在不断完善中无线确定性技术DetWiFiDetWiFi通过时钟同步、流量调度、帧抢占、接入和介质访问控制等为 WiFi提供L1-L2确定性传输能力无线确定性技术5G与TSN通过边缘计算、网络切片、高可靠低延迟，以及与现有TSN网络之间的集成， 构建端到端确定性网络架构，实现L1-L3确定性传输51相关白皮书第五届未来网络发展大会，发布确定性网络技术体系白皮

8、书提 纲第二部分确定性网络的技术进展与趋势第一部分确定性网络的场景与需求分析16第三部分确定性网络架构与技术探索确定性网络向广域大规模演进17传输时延链路时延处理时延排队时延局域特征：拓扑七跳以内， 链路时延视为0 传输机制：全网时钟同步+TAS门控SatelliteDataceterAutomotive NetworkIn-vehIcle NetworkSmart Grid5G Mobile CommunicationsIndustrial Automation广域特征：非对称拓扑， 链路时延不可视为0 传输机制：交换机频率同步+CSQF指定周期排队 Wireless Connection

9、Wired Connection向大规模确定性演进IEEE TSN工作组提出了时钟同步、时间感知整形、循环排队转发、帧抢占等一系列机制来保障有界时延抖动传输。然而TSN是一个局域网标准，网络范围被限制在七跳以内，同步、门控等确定性转发机制缺少可扩展性。随着工厂间互联、智能电网、5G回传、远程手术等广域确定性传输需求激增，确定性转发机制亟需提升可扩展性。如何在大规模广域场景实现5G+端到端确定性网络成为当前的主要挑战！181、端到端确定性网络基础理论及关键技术(1) 开展端到端确定性网络基础理论研究(2) 参与两项国家重大项目与课题，持续攻关确定性基础理论骨干网确定性端到端确定性2020科技部重

10、点研发项目参与大规模确定性网络架构及关键技术研究项目开始探索确定性骨干网体系架构、确定性硬 隔离切片、细粒度三层软切片、大规模确定 性控制技术2020科技部重点研发课题参与宽带通信与新型网络综合应用示范-科技创新中心互联试验示范课题开始构建端到端确定性网络，验证TSN与DIP确定性骨干网的互通与协同能力基于时隙的端到端确定性网络架构基于端到端时隙映射、分配、编排，解决了接入、骨干多域融合问题20如何计算得出业务流对应的调度时隙周期是当前骨干确定性的重要工作2、骨干确定性现状CSQF (Cyclic Specific Queuing and Forwarding)是基于分段路由的周期具化的排队转

11、发机制。设备解析栈顶的SID标签获得当前节点包转发的端口和具体转发时间段（周期）信息。详见Segment Routing (SR) Based Bounded Latency-draft-chendetnet-sr-based-bounded-latency- 01（IEFT draft， Expires: November 8, 2019）21离线调度难以满足流量快速变化需求，亟需设计在线增量调度机制离线调度方案： 需要提前知道业务流量模型、网络拓扑等信息 采用最优化算法计算TT流时隙分配方案 通过控制器静态下发配置信息挑战： 计算时间过长：数小时、甚至数天求解时间 无法满足增量配置需求，添

12、加新的流量需要重新计算整个分配方案静态分配转发时隙2、骨干确定性挑战2、骨干确定性联合路由调度机制对网络路由、时隙调度进行联合优化，提出在线联合路由调度算法，实现分钟级增量调度，满足流量快速变化需求。相关成果已发表在网络领域顶级会议：Yudong Huang,Shuo Wang,Online Routing and Scheduling for Time-Sensitive Networks,ICDCS,20212、骨干确定性TSN跨域互通传统时间敏感网络局限在单域，无法满足工厂互联、远程控制跨域时间敏感场景需求提出了基于SDN的时间敏感网络跨域调度机制，实现了跨域门控列表的联合计算3、5G确

13、定性5G+MEC基于时隙编排，实现RAN、WAN、MEC网络时隙的端到端时隙映射与调度开展创新试验支撑发布首个确定性广域网创新试验联合华为开展了DIP大规模组网试验和测试针对NewIP体系中的确定性IP技术，联合华为基于CENI开 展了大规模组网试验与测试，孵化了全球首个确定性广域网 重大成果，并在未来网络发展大会上发布。获得央视新闻以 及多家知名媒体重点报道，以及包括电信、金融、工业、医 疗，以及国防等重大行业关注。实现了环回超5000公里、小于100us的抖动控制在CENI的北京-南京环回超5000公里级别试验环境中，首次 试验了DIP在大网上的确定性转发能力，可被控制在100us 级的抖

14、动甚至以下，有望加速孵化远程工业控制、远程手术 开刀、远程武器遥控等颠覆性业务应用。254、确定性实验基于CENI的确定性骨干网试验远程示范应用（两个）联合相关单位，基于软件定义技术，针对现有广域网流量突发、高时延、时延抖 动大、时延不确定，通过确定性可控网络技术，试验机械手臂+电机的远程控制人机交互界面通过机械手臂上的手 眼相机拍摄现场情况， 并将实时状态通过主 干网回传在操作员侧展现现场的音视频信息； 操作员通过操作工具执行操作，工 具形成控制指令，通过主干网确定 性低时延设备传给远端的机械手臂控制信息感知决策行为性能时延下 降失 稳失调失序失 真失 效26主动端从动端从动端远程遥操作示范

15、大规模端到端确定性测试方案（互通挑战）82控制中心远程工控设备TSN域DetNet域TSN域干扰流发生/接收器干扰流发生/接收器 干扰流发生/接收器干扰流发生/接收器干扰流发生/接收器干扰流发生/接收器干扰流发生/接收器时间敏感流研究在TSN域、DetNet域、端到端三个层面对大规模确定性网络的协议功能和传输性能，并开 展TSN+DetNet端到端确定性研究。推动网络5.0确定性网络测试方法标准针对TSN局域孤岛问题，构建端到端确定性网络，验证 TSN与DIP确定性骨干网的互通与协同能力，设计确定 性能力的端到端编排机制，示范典型业务应用。L2/L3融合机理，隧道型、终结型、交互型 等多类组网

16、方案，研究业务染色、标签映 射、入时隙衔接、出时隙偏移等问题。异构组网协同，交换型、网关型TSN设备， 链型、星型、环形TSN拓扑与确定性广域网 的互通与协同能力。多域智能编排，支持自动的标签同步、时隙规划、跨域路由、资源预留等能力。5、大规模确定性仿真平台29构建确定性仿真平台，可实现控制平面/数据平面的功能设计、仿真数据采集、 解析、处理等功能模块的开发验证。示范验证环境：确定性MEC网络、确定性工业互联网应用等确定性网络应用系统大数据可视化网络数据分析关 键 技 术 研 究确定性网络体系架 构与机理研究确定性网络 控制技术研究确定性网络 调度机制研究组网机制跨层协同机制资源功能抽象拓扑发

17、现 路径控制资源分配安全管理流增量式部署业务流聚合调度机制混合流共传配置合成确定性网络仿真平台控制平面功能开发支持拓扑、业务流等仿真环境的批量输入；支持集中式的业务流配置、参数设置等；平台架构适用于骨干网络的分层通用控制架构支持确定性转发、硬隔离切片的数据面架构；数据平面功能开发支持网络边缘缓存&整形；支持基于CQF，CSQF的队列调度机制；30相关研究论文确定性网络综述，通信学报，被评选 为2019年度通信学报优秀论文Shuo Wang, Binwei Wu, et,al, Large-Scale Deterministic IP Networks on CENI，IEEE INFOCOM

18、Workshop, 2021.Yudong Huang, Shuo Wang, et,al, Online Routing and Scheduling for Time-Sensitive Networks, IEEE ICDCS, 2021.Yudong Huang, Shuo Wang, et,al, TACQ: Enabling Zero-jitter for Cyclic- Queuing and Forwarding in Time-Sensitive Networks, IEEE ICC, 2021.Shuwen Yin, Shuo Wang, et,al, Critical Event-Triggered Flows Tolerance in Time-Sensitive Netwo