SPN设计理念和核心技术（2023.3）

SPN设计理念和核心技术 李晗 中国移动集团级首席专家 中国移动研究院基础网络技术研究所所长2023年3月 1 SPN设计理念及基本架构 2 SPN小颗粒技术 3 总结 截止2022年9月，中国移动5G网络已覆盖360+城市，服务5.57亿5G套餐用户，已落地5G行业商用项目超10000个 中国移动已实现SPN承载5G网络回传，已部署40万端，覆盖全国县级以上城区，网络性能优异、稳定 面向5G垂直行业和政企专线等ToB业务承载，SPN将向“大”和“小”两极演进，支持SPN小颗粒技术，建设SPN省际/省内骨干网和小型化接入SPN网络，实现ToB业务端到端软、硬切片、高性能、高安全承载 SPN承载5G回传优势 SPN承载专线/专网优势 政务教育医疗 园区 25G Acc Agg Core Core 小S 接入层 汇聚层 核心层 Acc 省际/省内骨干网 Agg Core 10G 接口：50GPAM4容量：160G 100G 1.6T Core 100G/200G 12.8T 既支持软切片，又支持硬切片，以前以太网专线仅有软切片 时隙交叉，安全性高，P节点转发时延低至2us 既支持软切片，又支持硬切片 真正与无线、核心网端到端切片拉通 面向ToB业务 面向5G回传 面向ToB业务 小型化接入SPN网+SPN小颗粒SPN小颗粒SPN省际/省内骨干网+SPN小颗粒 2022年“SPN2.0赋能千行百业切片专线构建数智未来”发布会上，中国移动集团政企事业部重磅发布基础版、进阶版和定制版三款SPN切片专线产品，标志着SPN正式进入5G垂直行业和政企专线等ToB市场 基础版：切片专线 进阶版：精品切片专线 定制版：行业切片专网 共享切片，泛接入、快开通单用户专属小颗粒，超高确定性行业专享切片，行业一体化服务 行业切片toC切片 企业专属小颗粒切片 toC切片 医疗切片教育切片政务切片工业切片 切片：行业客户MTN切片 隔离：用户间VPN隔离 重路由保护：具备 SLA可视：标配 开通进度可视：可选配 张专属切片网络 MTN小颗粒切片技术，租户级专属切片 种确定传输能力 确定带宽、确定时延 重安全可靠方案类在线自助服务 1+1主备路由、逃生路径、进度、性能、拓扑可视、5G备线自助调速 全场景可定制 10M~10G带宽、点到点/多点、本地/跨市/跨省 线路拓扑可视：可选配 切片：用户小颗粒MTN交叉（FGU） 隔离：用户独享切片，物理隔离 重路由保护：具备 SLA可视：标配 开通进度可视：标配 线路拓扑可视：标配 切片：根据需求定制，两类均可选 隔离：专网与其他用户切片隔离 重路由保护：具备 SLA可视：标配 开通进度可视：可定制 线路拓扑可视：可定制 ToB低时延高可靠切片承载 SPN实现：硬隔离，单节点10微秒以内，端到端时延1毫秒以内 MEC互联和业务灵活归属承载SPN实现：full-mesh灵活连接 自动化部署和智能监测 SPN实现：自动开通，随流业务性能精确检测 固移融合承载 SPN实现：4G/5G和专线统一承载 北京移动-央视国庆阅兵、春晚直播 山西移动-新元煤矿 福建移动-远海码头 北京移动-大规模自动开通 陕西移动-亮雪工程 成都移动-腾讯“王者荣耀”赛事 江苏移动-苏州工厂 广西移动-五菱车联网 浙江移动-全网随流检测 河南移动-郑州医疗专网 青海移动-变电所监控 SPN已应用于5G传媒、教育、交通、电网、医疗以及工业园区等，差异化优势逐渐显现 5G大带宽高质量承载 SPN实现：大带宽0丢包率 重庆移动-车联网湖北移动-长航集团云南移动-红塔集团江苏移动-华恒焊接 江苏移动-无锡5G车联网四川移动-华西医院 光大证券对SPN优势点评 5 网络切片是5G的内生功能，以TDM为代表的硬切片和分组为代表的软切片技术都在争夺5G回传市场 确定时隙 传输性能稳定保障：不受其他切片客 硬户流量负载变化影响 切 分组报文区分机制+QoS保障机制 传输性能较稳定保障：高突发、高负 载时，低优先级切片可能会受到影响软 切 片具备防错连能力，确保切片内业务不会被发送到其他节点或端口片 切片内业务不会泄漏到网络管理或控制通道中，客户无需感知网络控制平面 硬切片技术路线：TDM叠加分组 代表技术：POTN/MOTN 软切片技术路线：分组自身增强 代表技术 OTN处理芯片 OTN光模块 POTN设备板卡 路由器处理芯片 IP/SRv6 协议栈复杂，需要多芯片叠加，无法沿用以太网产业链 OTN ETHMAC ETHPHY 以太网协议栈 POTN协议栈 L1增强：FlexE(灵活以太网） 仅实现接口隔离，交换内核采用分组，无法支持硬切片 IP 以太网MAC FlexESHIM网PHY L2增强：TSN （时间敏感网络） 时间同步 门控调度 pMAC抢占发送 基于时间对分组流量进行优化调度实现低时延 L3增强：SRv6 （IPv6段路由） 通过源地址路由以及SDN实现确定路由调度和资源保障 针对硬切片，中国移动提出“分组内生TDM”的创新技术路线 基于TDMInsideEthernet的理念，实现分组交换与TDM融合，面临三大架构设计挑战 无损：TDM实现硬切片，电信级，低时延 灵活：分组实现软切片，灵活路由，统计复用高效：充分利用以太网芯片和光模块产业生态 ITU-TSG15Q11工作组主席，IEEEfellow高度评价： “有必要定义一种适合于以太网的新的TDM技术，而不是将现有具有独立完整管理的TDM技术简单地与以太网技术叠加。中国移动（CMCC）率先开创了这项技术。” •L3：IP •L2：MAC 以太网协议栈挑战1：如何在以太网协议栈中引入TDM层网络 DWDM/ROADM MEDIUM PCS scramblerFECPMAPMD AN MPLS-TP MAClayer SR-TP/SR-BE 以太网物理层有多个子层，在哪个子层引入TDM，如何选取TDM所需的定长单元实现交叉连接 挑战3：如何保持以太网协议栈的可靠性设计 以太网协议物理层要求确保其错误收包平均间隔时间（MTTFPA）能达到宇宙寿命级别（>100亿年），引入TDM交叉连接打破了MAC与PHY的固定对应，会产生误码扩散效应，如何解决？ 挑战2：如何在不增加速率情况下构建TDM开销 TDM层网络需要丰富的开销（CC，CV,APS,REI,RDI,LF,RF,BIP，DM, LM...），为了重用以太网协议栈和芯片不能改变以太网信号结构，为了重用以太网光模块，不能增加信号速率 •L1：PHY •L0：Optics 在以太网协议栈中引入TDM层网络 提出在以太网PCS（物理编码子层）上半部分构建TDM层网络的架构设计和基本机制 SPN层网络架构层网络帧处理层网络基本原理 IEEE模型802.3 MAC 变长的以太网报文 MAC层与以太网完全兼容 …… Packet IPG Packet RS 64b/66b 业务适配 MTNPathAPMTNPathFwEP MTNPathsubnetwork MTNPathFP 接口适配 交叉连接 MTN Path 层 MTN Section … … … … … 层 定长66B原子码块 S D D D D T I I S D D D D D D D T …… S D D D D T I O S D D D D D D D T …… OAM码块替换 时隙与信道的映射 如何在不改变以太网信号结构情况下进行TDM交叉连接：提出基于PCS层66B码块为原子交换单元以及时隙与信道的映射机制实现TDM和分组融合，同时也保证了低时延 如何在不增加速率情况下构建开销：提出OAM码块替换IDLE码块的开销机制 段层开销机制：重用FlexE5Gbps颗粒的帧开销，实现物理接口的隔离、绑定及子速率功能 扰码20*blocks20*blocks20*blocks 不增加速率情况下构建OAM开销 提出基于0x4B+0xC为特征的OAM码块标识方法；提出以N*16k为准周期的MTN帧结构，解决了IDLE 码块随机出现与OAM码块需要确定位置的问题;提出BABL的OAM帧结构，实现了开销信息可扩展 MTN时隙+66B码块交换 提出以N×20x5Gbps为循环的时隙交换机制，确保任意以太网速率接口可统一交叉调度 1 0 1 0 OAM码块标识+复帧结构 提出BABLOAM复帧机制，使用O码块承载OAM，基于0x4B+0xC为特征标识OAM码块，形成了高效、灵活的OAM机制 Basic1 APS Basic2 Lowpriority 0 9 8 7 46 3 12 2 1 1 1 1 1 5 1 1 11 9 8 7 56 234 0 9 8 7 46 3 12 2 1 1 1 1 1 5 1 1 11 9 8 7 56 234 1 1 新的协议栈 L3：IP SR-TP/SR-BE MPLS-TP L2：MAC MAClayer 向上兼容IP层协议 L1：PHY 向下兼容以太接口 L0：Optics DWDM/ROADM MTN层 交换及OAM机制 MTN接口+帧结构 提出以N×16k为准周期的MTN帧结构，解决了以太变长帧与TDM确定周期协同调度问题 新的技术效果 低时延 66Bit交换单元，远短于传统TDM 码块既来即发，本地存储时间短 确定性 基于TDM交换，确保链路0丢包 可预知入/出时隙，避免拥塞 OAM简单 开销码块替换空闲码块，链路利用率高 0x4B+0xC标识OAM码块，经济简单 BABL复帧机制承载OAM，灵活可扩展 物理层误码处理机制确保100亿年MTTFPA可靠性 创新物理层误码检测及误码扩散抑制机制 64B/66B转置BIP算法 传统BIP编码 创新转置编码 数据流误码检测：解决了因IDLE块的增删而无法采用BIP进行校验的问题，能够普遍用于物理层64B/66B码流的数据完整性检测 实现了100亿年MTTFPA可靠性 通过物理层数据流误码检测和通道误码扩散抑制，将SPN层网络的MTTFPA提升至100亿年（宇宙年限）之上，满足了端到端网络可靠性要求 针对FEC无法纠错的66B码流，提出基于E码块的误码抑制机制 CH1 CH2 CH3 I 66B交叉 CH4 CH1 CH2 CH3 E 66B交叉 CH4 CH1 CH2 CH3 CH4 CH1 CH2 CH3 CH4 解决误码问题 误码影响 通道误码扩散抑制：通过E码块替换FEC无法纠错的codeword的码块，解决了因66B码块跨channel交换造成的误码扩散问题 SPN性能业界优异，网络质量稳定 SPN是中国移动原创技术，是目前业界唯一既支持硬切片又支持软切片的5G承载技术 SPN低时延、超高精度同步、硬切片特性，实现了多项性能突破，较传统传输技术性能显著提升，达到业界最优，且网络质量稳定 中国移动SPN网络已覆盖全国县级以上城区,有力支撑5G商用。自2019年建网至今，运行质量良好，性能稳定。 SPN/MTN成为新一代传输网国际标准，并在全网规模应用 SPN作为中国提出的原创性技术体系，已成为ITU-T新一代传送网国际标准体系 在ITU-TMTN系列标准的基础性技术方案中，中国原创性占比超过70% 首次实现ITU-T标准对CCSA行业标准的引用 198919992019 SDHOTNMTN 接口 架构 管理 设备 保护 演进 同步 小颗粒 G.707G.803G.784G.783 G.841 G.709G.8 74 72 G.8 98 G.7G.873.1 G.8312 G.8 310 G.8 350 G.8 32