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    5G确定性网络:我不要“尽力而为”,我要“说到做到”

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    5G确定性网络:我不要“尽力而为”,我要“说到做到”

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    2020年5G确定性网络技术与应用概览
    2020年5G确定性网络技术与应用概览

    头豹研究院

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    发布时间

    2020-10-14 00:00

    全文字数:2205字,精读时间:4分钟

    本文援引于报告《2020年5G确定性网络技术与应用概览》,首发于头豹科技创新网(www.leadleo.com)。

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    从“尽力而为”到“说到做到”

    我们现在使用的网络是一种“尽力而为”的网络。“尽力而为”网络最大的特点是仅负责数据传输,但对传输的时延、可靠性等性能不提供任何保证。“尽力而为”网络就像一条公用马路,没有高架桥,没有针对特定业务的专用通道,难以满足工业互联网、智能制造、AR与VR等对网络差异化的需求。在此背景下,2019年5月,华为提出了5G确定性网络(5G Deterministic Networking,5GDN)的概念。5GDN利用5G网络资源打造了可预期、可规划、可验证,有确定性能力的移动专网,并可提供差异化的业务体验,是一种“说到做到”的网络。

    2019年6月,华为联合30多家产业伙伴成立了5G确定性网络产业联盟及产业创新基地,积极推广5GDN。仅1年时间,5GDN分别在5G互联工厂、智慧港口、智能电网等多个应用场景落地。但5GDN的部署并不是一簇而就,需长时间的技术探索。当前,运营商可部署区域化的5GDN,尚不具备广泛部署5GDN的能力。更广泛的部署确定性网络需从硬件、协议与无线网络等几方面进行增强,从根本上改变资源调度、业务流控制的机制。今天头豹就带您捋一捋5GDN的那些关键技术。

    FlexE技术为5G切片网络中的确定性路径提供了保证

    传统的TCP/IP网络架构包括五层,分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层与应用层。以太网是物理层与数据链路层的技术。标准以太网技术下的物理端口速率是由IEEE802.3确定的,比如10GE、25GE、50GE、100GE、200GE与400GE等。随着业务和应用场景的多样化,业界出现了800G、1.6T等超高速以太网接口需求,而这些接口标准尚未形成,需要寻求其它接口类解决方案。在此背景下,FlexE技术应运而生。FlexE技术在以太网数据链路层(MAC层)与物理层(PHY层)间增加了FlexE Shim层。通过FlexE Shim层,FlexE技术实现了MAC与PHY层解耦,从而实现了灵活的速率匹配。

    FlexE技术原理

    FlexE的核心功能通过FlexE Shim层实现,FlexE Shim层将FlexE Group中的每个100GE PHY划分为20个Slot(时隙)的数据承载通道,每个PHY所对应的这一组Slot被称为一个Sub-calendar,其中每个Slot所对应的带宽为5Gbps。FlexE按照每个Client数据流所需带宽以及FlexE Shim中对应每个PHY的5G粒度Slot的分布情况,计算、分配Group中可用的Slot,形成Client到一个或多个Slot的映射。例如,下图中的25Gbps的数据流可分别由前两个PHY中的Slot合力完成,每个Slot带宽为5Gbps,因此25Gbps数据流需要五个Slot进行传输。

    FlexE传输优势

    (1)由于FlexE Group的100GE PHY中每个Slot数据承载通道的带宽为5Gbps粒度,FlexE Client可以按照5Gbps速率颗粒度进行任意数量的组合设置,支持更加灵活的多速率承载;

    (2)Client数据流由多个Slot合力传输,每个Slot相互隔离。FlexE技术实现了在物理层接口提供通道化的硬件隔离功能,并在物理层保证业务基于不同分片的隔离,是实现差异化网络的核心技术。

    TSN为部署第二层(数据链路层)确定性网络的核心技术

    由于传统以太网是基于“尽力而为”的思想设计,在数据传输时会出现分组丢失和不确定的时延,无法满足确定性网络对确定性端到端传输路径与时延的需要。2005年,IEEE802.1任务组基于传统以太网架构制定的一套用于实时音视频的二层传输协议,即AVB(Audio Video Bridging)标准。AVB标准通过时钟同步、资源预留和流量整形等技术有效降低了音视频数据在以太网传输中的最差时延,同时保持100%向后兼容传统以太网。

    随着对确定性网络需求的增加,AVB任务组在2012年更名为TSN任务组,即时间敏感网络任务组。与AVB相比,TSN对AVB已有的协议进行了补充,应用范围更加广泛,TSN 主要有4个应用方向:专业音视频(Pro AV)、汽车控制领域、商用电子领域和需要实时反馈的工业互联网领域。TSN还可以用于支持大数据的服务器之间的数据传输。

    TSN制定的802.1系列标准和协议保证了数据具有确定的低时延和抖动,满足数据传输的QoS要求,同时提供了足够的措施来实现网络中的端到端通信的安全性。

    为了保证确定性传输路径,TSN协议将网络中需求不同的流量分成不同的优先级流,将有确定性需求的流量与其余流量区分开,然后以类似时分复用的思想,通过不同的流量整形机制为高优先级流量提供确定的传输时隙,以保证时间敏感流量有一条确定的传输路径。

    5GDN相关通信设备与芯片逐渐商用

    自2017年起,华为、思科、MOXA与新华三等多家通信设备厂商成功研发出TSN网络相关的网络设备,包括交换机、网关以及通信模块。例如,华为推出了TSN交换机AR 550E。AR 550E单端口最大带宽1Gbps,具有八个10M、100M与1000M自适应电口,可通过自协商与对端设备协商端口速率及双工模式,单跳时延小于10us,抖动小于500ns,时间同步精度20ns,且支持大部分TSN协议。根据2019年8月中国工业互联网产业联盟对华为、MOXA、ADI等TSN网络设备的测试,大部分厂商生产的TSN网络设备已能较好支持部分TSN协议,包括802.1AS、802.1Qbv与802.1Qbu协议,但存在相应的问题。

    在芯片领域,BROADCOM、MARVELL与ADI等国际巨头企业已成功推出TSN芯片,中国芯片产业起步较晚,适用于TSN设备的芯片仍在研发阶段。

     

    5GDN的部署并不是一簇而就,需长时间的技术探索

    FlexE与TSN技术增强了一、二层网络(物理层与数据链路层)数据传输的确定性,但业界尚未提出成熟的第三层网络(网络层)确定性网络的部署方案。2015年10月,IETF成立确定性网络工作组(DetNet WG,Deterministic Networking Working Group),DetNet目标是在第二层桥接和第三层路由段上实现确定传输路径,这些路径可在时延、丢失分组和抖动的最坏情况下,提供确定性的传输。当前,DetNet WG仅公布了一系列的草案,关于如何在三层网络部署确定性网络还在讨论阶段。目前的几种备选方案是结合UDP/TCP服务层协议或结合基于MPLS的服务层协议实现三层的确定性网络,但这些方案并未形成标准与协议。

    相比于TSN,DetNet的工作范围更加广泛,可实现不同局域网设备数据帧的确定性传输。结合FlexE、TSN与DetNet等技术才可真正实现5GDN的广泛部署。

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