5G TSN-IP確定性時(shí)延保障方案設(shè)計(jì)及創(chuàng)新應(yīng)用驗(yàn)證

邢劍卿，王篤炎，劉惜吾，陳華旺（中國(guó)聯(lián)通廣東分公司，廣東廣州 510627）

0 引言

傳統(tǒng)的IP 網(wǎng)絡(luò)QoS 方式，面向終端用戶有限的業(yè)務(wù)類型時(shí)（如語(yǔ)音、視頻、上網(wǎng)等），通過為不同的業(yè)務(wù)分配不同的優(yōu)先級(jí)來盡力提升服務(wù)質(zhì)量，但不做任何量化SLA 承諾?，F(xiàn)網(wǎng)中大部分業(yè)務(wù)基于最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)，設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)面并不量化預(yù)留資源，在部分業(yè)務(wù)突發(fā)較大，或者上下游加速轉(zhuǎn)發(fā)（Expedited Forwarding，EF）帶寬不匹配，或者多個(gè)流匯聚等情況下，可能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)的擁塞/瞬時(shí)擁塞，影響業(yè)務(wù)的帶寬、時(shí)延、丟包率等指標(biāo)。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)對(duì)方式是讓承載網(wǎng)絡(luò)盡量輕載，降低擁塞/瞬時(shí)擁塞的可能性，但會(huì)產(chǎn)生大量的帶寬浪費(fèi)，卻依然不能提供100%網(wǎng)絡(luò)能力保障。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下，5G TSN-IP 可以面向各類工業(yè)應(yīng)用涉及的業(yè)務(wù)流特性進(jìn)行建模和定義［1］，并在此基礎(chǔ)上，自適應(yīng)定義不同的優(yōu)先級(jí)與調(diào)度機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量差異化保障。

1 傳統(tǒng)QoS面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)是面向無連接的統(tǒng)計(jì)復(fù)用網(wǎng)絡(luò)［2］。如圖1所示，來自不同入接口的報(bào)文，匯聚后從同一個(gè)出接口發(fā)出，出接口報(bào)文輸出順序是根據(jù)報(bào)文到達(dá)出接口隊(duì)列的時(shí)機(jī)決定，先到的先發(fā)出，后到的后發(fā)出。

圖1 傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡(luò)是盡力而為網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)勢(shì)在于：充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，節(jié)省運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)投資［3］。但隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異的演進(jìn)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜多樣的嚴(yán)苛業(yè)務(wù)需求，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)面臨以下挑戰(zhàn)：

a）優(yōu)先處理，但不承諾：從RFC3246 對(duì)于EF 的定義可以看出［4］，EF 優(yōu)先級(jí)是單節(jié)點(diǎn)優(yōu)先處理的行為，但不能對(duì)業(yè)務(wù)SLA做出承諾。

b）缺少全局規(guī)劃和資源預(yù)留：DiffServ 定義的逐跳行為（Per-Hop Behavior，PHB）是一個(gè)單機(jī)行為，缺少全局視角且不能預(yù)留充足的資源，難以做到業(yè)務(wù)端到端SLA保障。

c）無差異化能力：所有關(guān)鍵業(yè)務(wù)都是EF 轉(zhuǎn)發(fā)，1 ms業(yè)務(wù)和20 ms業(yè)務(wù)等同處理［5］。

d）網(wǎng)絡(luò)輕載難以定義：突發(fā)業(yè)務(wù)引起的峰值速率比例大，可能引起瞬時(shí)擁塞［6］；此外，在保障SLA 基礎(chǔ)上，可以部署業(yè)務(wù)的數(shù)量難以量化［7］。

因此，亟需引入5G TSN-IP 技術(shù)突破當(dāng)前瓶頸，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)需求。

2 TSN-IP方案設(shè)計(jì)

2.1 TSN-IP理論基礎(chǔ)

面向5G 網(wǎng)絡(luò)確定性時(shí)延關(guān)鍵挑戰(zhàn)，TSN-IP 方案基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)演算理論的工程化探索，以創(chuàng)新的控制面時(shí)延編排算法和轉(zhuǎn)發(fā)面時(shí)延隊(duì)列調(diào)度設(shè)計(jì)，達(dá)成高價(jià)值業(yè)務(wù)端到端時(shí)延保障、低價(jià)值業(yè)務(wù)帶寬充分復(fù)用、關(guān)鍵業(yè)務(wù)隊(duì)列級(jí)隔離以及現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備平滑演進(jìn)的目標(biāo)［8］。

如圖2 所示，TSN-IP 的實(shí)現(xiàn)原理是在原有的網(wǎng)絡(luò)控制器基礎(chǔ)上，配置了一個(gè)專用的大腦，通過設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)面的觸手，在業(yè)務(wù)入口自動(dòng)學(xué)習(xí)業(yè)務(wù)的流量模型，評(píng)估收集各種業(yè)務(wù)的平均速率、峰值速率、突發(fā)大小等參數(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)演算理論在全局量化計(jì)算，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口處規(guī)劃高優(yōu)先級(jí)車道，量化預(yù)留資源，并給出各種業(yè)務(wù)的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，最終給出節(jié)點(diǎn)級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)的時(shí)延上界承諾。

圖2 TSN-IP實(shí)現(xiàn)原理示意圖

在設(shè)備級(jí)，TSN-IP 將網(wǎng)絡(luò)演算理論應(yīng)用于設(shè)備端口隊(duì)列，基于現(xiàn)有QoS隊(duì)列調(diào)度能力，疊加業(yè)務(wù)流量模型和設(shè)備調(diào)度服務(wù)模型，規(guī)劃時(shí)延隊(duì)列做到節(jié)點(diǎn)級(jí)時(shí)延保障。在網(wǎng)絡(luò)級(jí)，依靠全局規(guī)劃算法規(guī)劃隊(duì)列級(jí)業(yè)務(wù)路徑，并量化計(jì)算資源預(yù)留，保障業(yè)務(wù)端到端時(shí)延可靠。TSN-IP演算理論框架如圖3所示。

圖3 TSN-IP演算理論框架圖

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)演算理論基礎(chǔ)，建立業(yè)務(wù)流量模型、設(shè)備服務(wù)模型和時(shí)延上限之間的算法關(guān)系。通過基于業(yè)務(wù)時(shí)延上限需求和業(yè)務(wù)流量模型，求解設(shè)備服務(wù)模型。網(wǎng)絡(luò)演算理論基本原理如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)演算理論基本原理

2.2 設(shè)備級(jí)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 業(yè)務(wù)到達(dá)模型建模方法

基于設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)面采集上報(bào)的實(shí)時(shí)測(cè)量信息，如報(bào)文到達(dá)時(shí)間、報(bào)文長(zhǎng)度等信息，上報(bào)控制面分析模塊。

分析模塊擬合流量模型（到達(dá)曲線），保證任意時(shí)間段均為實(shí)際累計(jì)流量的上包絡(luò)。

轉(zhuǎn)發(fā)面和分析模塊間使用壓縮算法，減小上報(bào)數(shù)據(jù)量，提升信息上報(bào)效率。流量特征提取基本原理如圖5所示。

圖5 流量特征提取基本原理

2.2.2 服務(wù)模型保障方案

選取用戶隊(duì)列為時(shí)延隊(duì)列的規(guī)劃對(duì)象，不同時(shí)延隊(duì)列之間，使用差分加權(quán)輪循（Deficit Weighted Round Robin，DWRR）按照權(quán)重調(diào)度，基于算法規(guī)劃結(jié)果，為不同的時(shí)延隊(duì)列配置資源預(yù)留值/調(diào)度權(quán)重。

在頂層端口隊(duì)列使用嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)（Strict Priority，SP）調(diào)度，優(yōu)先調(diào)度時(shí)延隊(duì)列（時(shí)延敏感業(yè)務(wù)），然后調(diào)度其他隊(duì)列（非時(shí)延敏感業(yè)務(wù)）。

2.3 網(wǎng)絡(luò)級(jí)方案設(shè)計(jì)

基于設(shè)備隊(duì)列級(jí)時(shí)延保障能力，配合管控面的路徑、隊(duì)列、資源規(guī)劃算法，規(guī)劃設(shè)備隊(duì)列數(shù)量、隊(duì)列時(shí)延等級(jí)、隊(duì)列預(yù)留資源、業(yè)務(wù)隊(duì)列級(jí)路徑等，從而保證業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)級(jí)時(shí)延上限。

3 TSN-IP典型應(yīng)用場(chǎng)景測(cè)試驗(yàn)證

3.1 測(cè)試方案及環(huán)境搭建

基于流量特征分析器、TSN-IP 規(guī)劃工具和流量特征提取設(shè)備構(gòu)建TSN-IP 管控系統(tǒng)，與ATN1（Advantaged Transport Network）相連，接入測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。TSN-IP管控系統(tǒng)完成流量特征提取，將流量特征提取結(jié)果通知TSN-IP 規(guī)劃工具。TSN-IP 規(guī)劃工具基于流量特征數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?、業(yè)務(wù)需求信息等，算法計(jì)算設(shè)備相關(guān)端口時(shí)延隊(duì)列預(yù)留資源，以及隊(duì)列級(jí)的規(guī)劃路徑。最后，規(guī)劃結(jié)果通過Telnet/SSH（Secure Shell）下發(fā)給ATN/MER（X8A/X16A）設(shè)備。5G TSN-IP 測(cè)試方案拓?fù)鋱D如圖6所示。

圖6 5G TSN-IP測(cè)試方案拓?fù)鋱D

其中ATN1-MER1、MER1-MER2、MER2-ATN2、ATN1-ATN2 間鏈路為50GE 鏈路，MER1-MER3、MER3-MER4 間為GE 鏈路，MER4-MER2 間為10GE鏈路，從而模擬了網(wǎng)絡(luò)中多種帶寬鏈路網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的規(guī)劃部署能力。

ATN1 和ATN2 分別提供4 個(gè)GE 接口與12×GE 測(cè)試儀相連，用于接入測(cè)試儀業(yè)務(wù)模擬流量，4 個(gè)GE 接口與8×10GE 測(cè)試儀相連，用于接入測(cè)試儀模擬的背景流量。

另外，在實(shí)驗(yàn)網(wǎng)機(jī)房部署2臺(tái)測(cè)試儀，分別用于構(gòu)建業(yè)務(wù)模擬流量和背景業(yè)務(wù)流量。ATN1 模擬業(yè)務(wù)云端或者服務(wù)端，ATN2 模擬客戶側(cè)終端，構(gòu)建上下行雙向業(yè)務(wù)，驗(yàn)證部署TSN-IP 確定性方案后，三大場(chǎng)景業(yè)務(wù)時(shí)延保障能力。

3.2 應(yīng)用場(chǎng)景測(cè)試用例

本次測(cè)試選取智能電網(wǎng)、智慧港口和工廠自動(dòng)化三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景，分別對(duì)電力差動(dòng)保護(hù)、龍門吊控制業(yè)務(wù)、龍門吊視頻業(yè)務(wù)、AGV 集卡控制業(yè)務(wù)、工廠自動(dòng)控制業(yè)務(wù)等共15種業(yè)務(wù)進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)業(yè)務(wù)流量模型和網(wǎng)絡(luò)需求參考3GPP TS 122.104［9］。

3.3 典型測(cè)試用例驗(yàn)證結(jié)果

本次測(cè)試共涉及3 類典型場(chǎng)景、15 種業(yè)務(wù)、30 個(gè)測(cè)試用例，本文選取3 種典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景測(cè)試用例中的電力差動(dòng)保護(hù)、龍門吊控制業(yè)務(wù)、工廠自動(dòng)控制業(yè)務(wù)進(jìn)行重點(diǎn)分析。其中，對(duì)電力差動(dòng)保護(hù)、龍門吊控制業(yè)務(wù)進(jìn)行流量特征采集測(cè)試，對(duì)工廠自動(dòng)控制業(yè)務(wù)進(jìn)行業(yè)務(wù)確定性保障測(cè)試。

3.3.1 電力差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)

電力差動(dòng)保護(hù)是典型的低時(shí)延、高可靠需求業(yè)務(wù)之一［10］，具體性能要求如表1所示。

表1 電力差動(dòng)保護(hù)典型業(yè)務(wù)需求

根據(jù)表1 中的需求，采用測(cè)試儀模擬業(yè)務(wù)流配置如表2所示。

表2 電力差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)測(cè)試儀配置

圖7 為分析器從設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)面獲取業(yè)務(wù)特征數(shù)據(jù)，并可視化呈現(xiàn)ms級(jí)報(bào)文到達(dá)Bytes數(shù)。

圖7 業(yè)務(wù)達(dá)到模型監(jiān)控

建模擬合結(jié)果如圖8 所示，呈現(xiàn)結(jié)果與測(cè)試儀構(gòu)造特征匹配，并輸出TSN-IP 規(guī)劃工具所需的報(bào)文大小、峰值速率、平均速率、突發(fā)大小等建模結(jié)果，建模結(jié)果能夠包絡(luò)目標(biāo)業(yè)務(wù)流量到達(dá)曲線。

圖8 建模擬合結(jié)果

3.3.2 龍門吊控制信號(hào)業(yè)務(wù)

龍門吊控制也是典型的低時(shí)延、高可靠需求業(yè)務(wù)之一［11］，具體性能要求如表3所示。

根據(jù)表3 中的需求，采用測(cè)試儀模擬業(yè)務(wù)流配置如表4所示。

表3 龍門吊控制信號(hào)典型業(yè)務(wù)需求

表4 龍門吊控制信號(hào)業(yè)務(wù)測(cè)試儀配置

圖9 為分析器從設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)面獲取業(yè)務(wù)特征數(shù)據(jù)，并可視化呈現(xiàn)ms級(jí)報(bào)文到達(dá)Bytes數(shù)。

圖9 業(yè)務(wù)達(dá)到模型監(jiān)控

建模擬合結(jié)果如圖10 所示。呈現(xiàn)結(jié)果與測(cè)試儀構(gòu)造特征匹配，并輸出TSN-IP規(guī)劃工具所需的報(bào)文大小、峰值速率、平均速率、突發(fā)大小等建模結(jié)果，建模結(jié)果能夠包絡(luò)目標(biāo)業(yè)務(wù)流量到達(dá)曲線。

圖10 建模擬合結(jié)果

3.3.3 工廠自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制業(yè)務(wù)

工廠自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制是典型的超低時(shí)延、超高可靠需求業(yè)務(wù)［12］，具體性能要求如表5所示。

表5 工廠自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制典型業(yè)務(wù)需求

經(jīng)過控制面規(guī)劃和配置下發(fā)，業(yè)務(wù)最大時(shí)延始終低于需求時(shí)延和規(guī)劃時(shí)延。資源預(yù)留數(shù)據(jù)量化呈現(xiàn)，業(yè)務(wù)隊(duì)列級(jí)路徑清晰呈現(xiàn)。

業(yè)務(wù)間呈現(xiàn)差異化保障效果，并且在背景流量沖擊下，時(shí)延保障效果仍然保持良好。

4 總結(jié)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，5G TSN-IP 確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案可實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)流量特征自動(dòng)學(xué)習(xí)，在不依賴網(wǎng)絡(luò)低載的條件下，TSN-IP 技術(shù)能針對(duì)可識(shí)別的數(shù)據(jù)流進(jìn)行有效的時(shí)延和帶寬上界保障；可解決為了保障服務(wù)質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)被迫空載/低載的問題，可滿足不同業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的差異化需求，提供精細(xì)化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)保障。該技術(shù)與算網(wǎng)大腦等技術(shù)結(jié)合，可在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化策略的協(xié)調(diào)，以達(dá)到提高運(yùn)營(yíng)商全網(wǎng)資源利用率的效果。

TSN-IP 等確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與5G 的結(jié)合，不僅可以賦能工業(yè)企業(yè)提供性能穩(wěn)定的定制化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，也能為游戲、XR 等實(shí)時(shí)交互類業(yè)務(wù)提供保障，是運(yùn)營(yíng)商未來面向垂直行業(yè)多樣化需求的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。