聊聊確定性網絡的二三事

IETF 正致力於在確定性網絡 (DetNet) 和RAW工作組中通過 IP 路由器和無線網絡提供確定性服務。

對於許多新興服務和應用來說，網絡中的低延遲尤為重要，例如無人機、工業自動化以及自動駕駛汽車等等。目前國際標準組織正在開發新技術，以滿足這些確定性應用的要求。

 

IEEE 802.1 正致力於在其時間敏感網絡 (TSN) 任務組中支持確定性以太網服務。 3GPP 致力於提供確定性 5G，以支持超可靠和低延遲通信 (URLLC) 的使用場景。 IETF 正致力於在確定性網絡 (DetNet) 和RAW工作組中通過 IP 路由器和無線網絡提供確定性服務。

 

確定性網絡在每個確定性流的基礎上提供確定的延遲。每個確定性流的數據流量在確定的有界延遲和低延遲變化約束內傳輸。確定性網絡旨在為所有允許的確定性流實現零數據丟失，可能會拒絕或降低某些流的優先級以確保高優先級流的傳輸。確定性網絡支持廣泛的應用，每個應用都可以有不同的QoS要求。

 

在傳統網絡中，實現更低的延遲意味著要丟棄更多的數據包(或需要大量的過度配置)。在確定性服務的情況下，目標是解決長尾問題，提供有界延遲，參見圖1。

 

IEEE 802.1 時延敏感網絡 (TSN)

標準化

IEEE 802.1 工作組 (WG) 側重於以下領域的標準和實踐：(1) 802 LAN/MAN 架構，(2) 802 LAN、MAN 和其他WAN之間的互聯互通，(3) 802 Security，(4) 802 整體網絡管理，以及 MAC 和 LLC 層之上的協議層。

 

IEEE 802.1工作組的時間敏感網絡 (TSN) 任務組 (TG) 負責 IEEE 802 網絡的確定性服務，包括：

•  保證數據包傳輸
• 低丟包率
• 有界低延遲
• 低數據包延遲變化

TSN任務組從音頻視頻橋接 (AVB)任務組演變而來。

 

TSN 標準和項目分為三組：

 

1) 基礎技術(例如 802.1CB、802.1Qbv 等)

 

2) 配置(如802.1Qcp、802.1Qcc等)

 

3) 配置文件(例如，802.1BA、802.1CM、IEC/IEEE 60802 等)

                                圖2：IEEE 802.1 TSN 組件

 

TSN 功能

IEEE 802.1 將 TSN 流定義為從 Talker 到一個或多個 Listeners 的單向數據流。在網橋的轉發過程中，QoS 功能被應用於 TSN 流的幀，例如過濾和管制、整形和隊列。

 

IEEE 802.1 TSN TG 定義了廣泛的 TSN 功能。本文僅對部分功能進行討論。 TSN 的主要媒介是 IEEE 802.3 以太網。涉及無線的工作也在進行中，例如 3GPP 中的 5G – TSN 集成工作。

 

流量調度Scheduled Traffic (802.1Qbv) 減少了已知時間幀的延遲變化。這是通過基於時間的控制和網橋隊列編程實現的。每個隊列都配備了time-gates(time-gated queues)，只有在“門”打開時才能為隊列服務。門開/關狀態根據周期性重複的時間表改變。該功能需要端到端的時間同步。

 

幀搶占Frame Preemption(802.3br 和 802.1Qbu)使所謂的快速幀(即關鍵流量)能夠暫停可搶占幀(即非關鍵流量)的傳輸。因此，快速流量的延遲變化減少了，並且增加了可搶占流量的可用帶寬。幀搶占是一個鏈接本地每跳功能，也就是說不是多跳。

 

Per-Stream過濾和管制Per-Stream Filtering and Policing (802.1Qci) 提供保護，防止流量違反其帶寬分配、故障、參與攻擊等。過濾和管制決策可以在每個流、每個優先級等基礎上進行。

異步流量整形 Asynchronous Traffic Shaping (ATS) (802.1Qcr) 提供零擁塞損失，不需要時間同步。 ATS 功能的本質是通過在每一跳重新整形來平滑流量模式，以便緊急流量優先於不太緊急或彈性的流量。 ATS 使用嚴格的優先級隊列。

 

Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER) (802.1CB) 旨在避免由於設備故障導致的幀丟失。它是每幀 1+1(或 1+n)冗餘功能。不需要故障檢測或切換機制。 FRER 在兩個(或更多)最大不相交的路徑上發送幀，然後組合流並刪除額外的幀。

 

Explicit Trees by IS-IS Path Control & Reservation(802.1Qca，RFC 7813)增加了非最短路徑或顯式路徑轉發，提供了超越最短路徑樹 (SPT) 的 IS-IS 控制。協議沒有改變，只定義了幾個新的子 TLV，並儘可能重用現有的子 TLV。該概念是一種混合軟件定義網絡 (SDN) 方法，其中 IS-IS 提供基本功能，例如拓撲發現和默認路徑，一個或多個控制器控制顯式樹。

 

流預留協議Stream Reservation Protocol(SRP) 增強和性能改進 (802.1Qcc)：提供時間敏感網絡 (TSN) 配置相關屬性。 802.1Qcc 描述了 TSN 用戶和網絡配置的三種模型(完全分佈式、集中式網絡/分佈式用戶和完全集中式模型)。每個模型規範都定義了網絡中不同實體之間的用戶/網絡配置信息的邏輯流。

 

TSN 的未來展望

TSN 標準化仍在進行中。 IEC/IEEE 60802 TSN 工業自動化規範是 IEC SC65C/WG18 和 IEEE 802 的聯合項目。這項聯合工作將提供一個雙重標誌標準，既是國際電工委員會 (IEC) 也是 IEEE 標準。

 

OPC UA建立在 TSN、DetNet 和 5G 之上。與TSN相關的多個OPC UA工作項正在進行中。其中之一是FLC(Field Level Communications)工作組，主要基於 IEC/IEEE 60802 規範以及相關評定規範。

 

3GPP 支持確定性傳輸 (URLLC)

標準化

5G的三大應用場景包括增強移動寬帶(eMMB)、海量機器通信(mMTC)和超高可靠低時延通信(uRLLC)。其中URLLC讓5G 成為支持無線確定性和時間敏感通信應用的最佳候選人。

 

5G R15引入了多項功能，消息傳輸的單向延遲低至 1 毫秒，可靠性高達 99.999%。 R16則添加了更多 URLLC 功能，以支持低至 0.5 毫秒的單向延遲和高達 99.9999% 的可靠性。

 

URLLC 功能

R15研究之初即成立工作項目，來研究子載波間隔、靈活幀結構以及短時隙調度等時延降低技術。截至R16，3GPP先後完成了URLLC用例的性能評估工作、物理層各信道的增強以及URLLC與eMBB上行複用等技術的研究及標準化，但仍然有很多優化工作預計留至R17來研究。

 

5G 定義了強大的傳輸模式，以提高適用於數據和控制無線電信道的可靠性。多天線傳輸、多載波的使用以及獨立無線電鏈路上的數據包複製都進一步提高了可靠性。

 

時間同步已嵌入到蜂窩無線電系統中，作為其運行的重要組成部分。設備由基站進行時間校準，以補償它們不同的傳播延遲。無線網絡組件本身也是時間同步的。這是為時間關鍵應用程序提供同步的良好基礎。

除了5G RAN功能，5G系統還為以太網組網和URLLC提供核心網(CN)解決方案。 5G CN 支持本地以太網協議數據單元 (PDU) 會話。對於5G系統層面的用戶面冗餘，5G支持通過包括RAN、CN和傳輸網在內的5G系統建立冗餘用戶面路徑。通過在終端設備中使用具有 RAN 雙連接功能的單個用戶設備 (UE) 或通過在終端設備中使用多個 UE，實現冗餘路徑。此外，5G還可以提供虛擬網絡 (5G-VN) 和 LAN 組，將資源分配給特定組的成員。

 

5G 的所有這些新的 URLLC 功能為在確定性場景中使用 5G 提供了良好的設計和堅實的基礎，甚至可以作為獨立解決方案或確定性網絡的一部分。

圖 3：系統架構視圖，5GS 顯示為確定性節點(此處為 TSN 網橋)

 

圖3展示了 5G 系統架構，其中 5G 系統被視為 TSN bridge。圖裡指定了一種新的轉換功能(稱為 DS-TT 和 NW-TT)，用於保存和轉髮用戶平面數據包，以消除抖動，其中 5G 系統 (5GS) 被集成為連接TSN 網絡的橋樑。 5GS 包括 TSN Translator (TT) 功能，用於將 5GS 適配到用戶平面和控制平面的 TSN 域。

 

URLLC 的未來展望

5G URLLC 功能與 TSN 和確定性網絡功能非常匹配。因此，可以集成這三種技術以提供端到端的確定性連接，即輸入/輸出設備與其控制器之間的連接。集成已經包括了對必要的基本橋接/路由功能和 TSN/DetNet 附加組件的數據平面支持，但是控制和管理平面需要進一步的標準化工作。

 

IETF 確定性網絡 (DetNet)

標準化

IETF DetNet WG(工作組)屬於路由領域 (Routing Area, RTG) ，主要研究路由協議和信令協議。其專注於在第 2 層橋接和第 3 層路由段上運行的確定性數據路徑，此類路徑可以提供對延遲、丟失和數據包抖動的限制以及具有高可靠性。 DetNet WG的範圍包括：整體架構、數據平面規範、數據流信息模型和相關 YANG 模型。

 

IETF DetNet WG 和 IEEE 802.1 TSN TG 之間有著密切的合作。

 

DetNet 在 IP/MPLS 層運行，其初始範圍是在單一管理控制下或在一個封閉的管控組內的網絡實現確定性保障。

 

解決方案文檔指定了支持 DetNet 的節點所需的程序和行為，其規範側重於可互操作的實現。定義了以下兩個數據平面： 

• IP：使用 IP 和傳輸協議報頭信息來支持 DetNet [RFC 8939]
• MPLS：使用標籤來支持 DetNet [RFC 8964

轉發特性是通過將網絡資源(例如鍊路帶寬和緩衝區空間)分配給 DetNet流，並通過保護數據包來實現的。未使用的預留資源可以用於非 DetNet 數據流的傳輸，實現不同優先級業務流共網傳輸。

 

下面定義了從源到目的層的轉發參數：

• 最小和最大端到端延遲：及時交付，以及源自這些約束的有界抖動(數據包延遲變化)
• 丟包率：在傳輸過程中丟失，可以應用極低的丟包值
• 無序數據包傳送的上限：一些確定性網絡應用程序無法容忍任何亂序傳送

確定性網絡有一個區別(和 TSN 類似)，它只關注端到端延遲、延遲變化和亂序的最壞情況值，平均值或典型值並不重要，因為它們不會影響實時系統執行任務的能力。

 

確定性網絡功能： 

• 擁塞保護
• 服務保障
• 顯式路由

擁塞保護意味著沿 DetNet流的路徑分配資源，例如緩衝區空間或鏈路帶寬。

 

擁塞保護通過使用適當設計的隊列消除了與擁塞相關的損失，因此不會因缺少緩衝存儲而丟棄數據包。它還可作為減少延遲變化的工具，例如，可以將敏感的非 IP 網絡融合到公共 IP 網絡基礎設施上。擁塞保護的很多功能都需要確定性網絡節點的時間同步，然而，時間同步不在確定性網絡討論的範圍內，因為它並不影響互操作性。時間同步應該由適當的解決方案提供，例如，由較低的層提供。

服務保護解決數據包錯誤和設備故障，例如，數據包複製和消除(防止故障)、數據包編碼(防止數據包錯誤)、重新排序(確保按順序交付)，可以通過這些技術來確保服務保護。確定性網絡定義的 PREOF 是：數據包複製功能(PRF：在多條路徑上發送帶有排序信息的相同數據包的副本)、 冗餘消除功能(PEF：根據收到的數據包的排序信息和歷史記錄丟棄重複項)、以及數據包排序功能(POF：恢復原始數據包順序，因為無序交付會影響目的地的緩衝量以正確處理接收到的數據)。數據包複製和消除不會對故障做出反應和糾正，這些功能完全是被動的。數據包編碼(也稱為網絡編碼)將信息編碼成多個傳輸單元，使用多條路徑發送它們，並在另一端組合這些單元。

 

顯式路由可用於解決路由或橋接協議收斂的影響(即臨時中斷)。

 

確定性網絡功能在協議棧的兩個相鄰子層中實現：

 

1)DetNet 服務子層：為協議棧和應用程序中的更高層提供 DetNet服務(例如，服務保護)

 2)DetNet 轉發子層：支持底層網絡中的 DetNet服務(例如，通過提供顯式路由和擁塞保護)到 DetNet流

                                                                    圖 4：DetNet 數據平面協議棧

 

TSN 流的第 3 層等效項稱為 DetNet流。 DetNet流是唯一符合流標識符的數據包序列，並將向其提供確定性網絡服務。它包括為支持 DetNet 服務和轉發子層而添加的任何確定性網絡標頭。

 

確定性網絡相關機制需要兩個屬性： 

• Flow-ID：標識數據包所屬的流
• 序列號：識別重複數據包並重新排序數據包

確定性網絡的未來展望

確定性網絡的標準化仍在進行中。 IETF DetNet 和 IEEE TSN 之間將繼續密切合作，以確保互操作性，並簡化適用於第 2 層和第 3 層的確定性功能的實現。例如，IEEE P802.1CBdb(FRER Extended Stream Identification Functions)專注於將用於流識別功能的字段擴展到任意掩碼匹配，這對於組合 TSN 和 DetNet 的組合網絡場景至關重要。控制和管理平面相關工作是 DetNet WG 的下一個重點。

結論

過去，基於分組的網絡旨在承載除了對延遲非常敏感/實時應用流量之外的所有流量。隨著時間的推移，利用確定性技術的發展，基於分組的網絡也在不斷發展，以整合對要求苛刻的應用程序的支持。

 

TSN、DetNet 和 5G URLLC 可以滿足確定性應用的組網需求，通過融合網絡提供超可靠、低延遲的連接。 TSN 和 DetNet(用於有線)和 5G(用於無線)技術是確定性傳輸網絡中的完美搭檔。需要對這些技術進行一定程度的整體集成，以提供滿足確定性要求的端到端連接。

 

例如，無線 5G 域和有線 TSN/DetNet 域上的時間同步是必需的，因為無論連接它們的網絡技術如何，一個共同的參考時間對於確定的端點是必不可少的。提供有限的低延遲可能還需要 TSN、DetNet、和 5G之間的集成，這取決於部署中使用的確定性工具。端到端的超可靠性對必要的不相交轉發路徑的特性進行調整。支持整體集成的第一步是使用基於 SDN 的方法完成的，TSN、DetNet 和 URLLC 基礎技術已準備就緒，它們的組合部署迫在眉睫。