确定性承载技术和评测体系研究报告（2023年）

确定性承载技术和评测体系研究报告 (2023年) 中国信息通信研究院技术与标准研究所 2023年5月 版权声明 本报告版权属于中国信息通信研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国信息通信研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 前言 数字经济时代，行业数字化转型推动产业互联网加快发展,确定性承载需求渐增，网络连接从“尽力而为”加速向“确定性”演进。确定性网络具备端到端特性，确定性承载作为重要构成作用日趋凸显。 本报告研究了确定性承载的范畴、内涵和关键特性，分析提出了确定性承载的八类通用场景和SLA指标，构建了多层多域的确定性承载技术体系。在此基础上，聚焦剖析了分组队列、TDM细粒度、智能编排、网络演算和异构协同等关键技术进展及标准发展现状。 基于对网络和业务维度分类分级的设计思路，本报告提出了两维五级的D-cube确定性承载评测体系，适用于IP、以太网和光传输等多种类型设备和网络的确定性能力评测。在网络维度，分析提出了结合网络规模和技术能力映射的节点级、链路级、网络级、大规模高隔离和异构网络确定性的分级方法。在业务维度，探讨了性能建模分析、源宿端扣除和等效继承的端到端承载指标分解方法，为业务评估指标的分级提供支撑。 最后，本报告对于确定性承载技术的未来发展和产业应用进行了展望并提出了相关建议。希望本报告的研究成果为确定性承载技术和产业应用创新提供参考，助力支撑行业数字化转型的蓬勃发展。 本报告已作为追光计划之全光运力领航行动的成果之一。 目录 一、概述1 (一)应用与技术双轮驱动，确定性网络势在必行1 (二)建设高质量行业专网，确定性成为重要支撑1 (三)构建端到端网络能力，确定性承载作用凸显2 二、确定性承载技术体系构建2 (一)聚焦服务和技术特性，构建确定性承载体系化内涵2 (二)依托业务需求和网络能力，明确通用场景和SLA指标5 (三)分组和TDM技术融合演进，打造多层多域技术体系7 三、确定性承载技术进展分析9 (一)园区确定性逐步成熟，广域确定性取得阶段性突破9 (二)技术标准化多层面推进，不同技术成熟度存在差异11 (三)分组队列技术持续创新，推动确定性能力逐步提升16 (四)TDM细粒度技术加速推动，支撑高安全隔离应用19 (五)智能计算编排多维增强，满足差异化确定性需求21 (六)网络演算技术有待推进，实现确定性时延可承诺23 (七)异构协同调度未来可期，助力端到端确定性承载25 四、确定性承载评测方法研究26 (一)从场景到业务和网络，逐步推进评测体系构建26 (二)立足业务端到端SLA，探索承载指标分解方法27 (三)围绕多层多域技术机制，明确确定性技术指标特性32 五、确定性承载评测体系（D-cube）构建33 (一)满足网络和业务评测需求，构建两维五级评测体系33 (二)面向网络规模和技术能力，提出五级网络维度分级34 (三)基于应用场景和业务指标，给出五级业务维度分级36 六、展望与建议36 (一)机遇与挑战并存，未来五年成为发展关键期36 (二)凝聚行业技术共识，构建统一标准化体系38 (三)汇聚产业各方力量，突破共性关键技术瓶颈38 (四)构建评测服务体系，促进技术完善服务提升39 (五)做好整体发展规划，持续推进技术演进发展39 图目录 图1端到端确定性网络构成3 图2确定性承载的内涵4 图3确定性承载8类通用场景6 图4确定性承载技术图谱7 图5确定性网络技术发展历程9 图6OIFFlexE系列标准研制历程11 图7ITU-TMTN系列标准研制12 图8CCSATC6SPN网络分层架构12 图9IEEE802.1TSN系列标准14 图10CCSATC3确定性相关标准14 图11IETFDetNet系列标准15 图12确定性网络系列标准对比分析16 图13SPN两级切片架构和行业应用方案20 图14fgOTN映射复用结构21 图15确定性网络跨域管控系统结构图22 图16确定性网络时隙动态编排系统23 图17网络演算技术原理示意图24 图18确定性承载测评体系构建27 图19可靠性指标（RBN）分解公式27 图20可靠性指标分解示意图28 图21时延指标分解公式28 图22时延指标分解示意图28 图23时频同步指标分解公式29 图24时频同步指标分解示意图29 图25带宽指标分解公式29 图26带宽指标分解示意图30 图27承载网络时延分解示意图30 图28确定性承载D-cube评测体系33 图29确定性承载D-cube评测体系网络维度分级35 图30确定性承载D-cube评测体系业务维度分级36 图31确定性承载现状和问题分析38 图32确定性承载阶段性发展预判39 表目录 表1八类确定性通用场景的承载SLA指标6 表2各类分组队列技术特性的对比分析表16 表3各类硬软切片技术性能对比分析表20 表4确定性业务的多维SLA承载需求表21 表5不同承载技术PE和P节点时延表31 表6承载网时延分配建议表31 表7确定性承载典型技术的指标特性表32 一、概述 (一)应用与技术双轮驱动，确定性网络势在必行 行业数字化转型为确定性网络提供广阔的应用前景。随着5G、工业互联网、云计算、大数据等技术部署推广，许多行业的生产控制和视频应用等场景对带宽保障、业务隔离、低时延、低抖动和高可靠性等方面均提出了较高确定性要求。确定性网络成为支撑行业网络高质量发展的重要技术之一。 政策引导构建端到端确定性网络，保障行业专网业务高质量承载。2020年12月22日，工信部印发《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》，指出发展工业互联网的高质量网络需要开展企业外网建设，推动基础电信企业提供高性能、高可靠、高灵活、高安全的网络服务。探索云网融合、确定性网络、IPv6分段路由等新技术的部署。 技术发展为确定性网络的实现奠定坚实基础。行业数字化转型加速ICT与OT深度融合，驱使移动通信网络向确定性网络演进。3GPP从R16开始支持端到端TSN确定性能力，R17和R18将进一步提供内生确定性连接能力，包括承载网的确定性。国内IMT-2030推进组发布的6G白皮书中，“确定性网络”成为6G十大潜在关键技术之一，并涉及接入、核心和传输网的系统性优化。 (二)建设高质量行业专网，确定性成为重要支撑 5G行业虚拟专网加速发展，行业定制和业务保障成为演进重点。传统专网技术难以满足企业网络日新月异的信息化业务需求。5G技术凭借通信性能指标的大幅提升，将在工厂、能源、矿山、电力、交通等领域发挥 重要作用。在当前阶段，用户对行业网络的需求呈现差异化和碎片化,通用化的网络产品已经无法完全满足需求，需针对行业用户提供量身定制的网络服务。截至2022年底，我国5G行业虚拟专网数已超过10000个。电力、铁路等行业已开展5G自建虚拟专网的尝试。深度适配行业需求，5G行业专网已从通用走向行业定制。构建定制化网络架构和端到端业务保障体系，网络“确定性”成为重要支撑特性。 (三)构建端到端网络能力，确定性承载作用凸显 行业专网中的业务可大致包括生产控制类、生产采集类、生产检测类和信息管理类。不同类型的业务体现不同的流量特征和网络需求特征。在多业务混传和复杂业务流量流向场景下，需实现高安全、高优先等级业务的端到端质量保证。对于工业互联网、智能电网等行业，其生产类业务均提出了电信级高可靠性网络需求，需要实现端到端的网络保护机制和电信级运维能力。部署端到端确定性网络，确定性承载至关重要。 二、确定性承载技术体系构建 (一)聚焦服务和技术特性，构建确定性承载体系化内涵 端到端确定性网络主要包括确定性有线/无线接入网、确定性承载网、确定性核心网和业务网（见图1）。其中，确定性承载网主要涉及了基于L0~L3确定性技术的IP网、以太网和光传输网，重点面向5G承载、算网融合/云网融合业务承载和行业专线专网场景。 图1端到端确定性网络构成 来源：中国信息通信研究院 确定性承载的内涵从技术和服务2个维度出发，定义了5个内部基础能力和5个外部关键指标（见图2）。 首先，确定性承载本质提供的是网络确定性承载服务，并通过多层技术的组合实现确定性服务质量的保障。 （1）网络确定性承载服务：网络满足一种或多种业务对一项或多项确定性服务质量（SLA）要求。比如电力行业（虚拟）专网要满足工业远程控制对端到端确定性时延的承载服务质量要求，同时满足电力通信中差动保护业务对高可靠、低时延及确定性双向时延差的承载服务质量要求等。 （2）网络确定性承载技术：网络支持满足确定性承载服务相应的承载技术能力。从网络分层的角度，通过L0~L3不同的层次技术及其组合满足确定性承载服务的需求。比如L1层TDM技术、L2层TSN技术以及L3层DetNet技术等。 内在能力 时延/抖动控制能力 维度2：确定性承载技术 从网络分层的角度定义L0~L3的 确定性承载技术。 维度1：确定性承载服务 同时支持满足行业应用的一种或 多种业务的确定性服务质量SLA。 2 个维度 确定性路由和转发能力 资源预留/调度能力（切片） 5 外在特性 个基础能力 5 时延确定性 带宽确 个 •确定性低时延 •承 关 （时延上界） 键 •确定性低抖 指 （时延 标 • 图2确定性承载的内涵 来源：中国信息通信研究院 基于服务和技术两个维度，确定性承载应该具备以下5个内在能力，以实现确定性网络的外在关键特性。 （1）资源预留与调度能力：具备路径计算与资源预留能力，从而实现转发路径和资源保障的确定性。 （2）时延/抖动控制能力：通过各类队列调度转发和时隙复用等机制实现业务时延和抖动的精准控制，从而保障时延和抖动的确定性。 （3）确定性路由和转发能力：通过各类分组隧道、TDM通道和光波长等技术实现路由和转发的确定性。 （4）精准时频同步能力：通过全网精准的频率同步和时间同步技术，支撑“按时、准时”的确定性转发服务。 （5）保护和恢复能力：通过不同类型的保护和恢复能力，支持在多种网络故障情况下，提供高可用的业务承载服务。 确定性承载的5个内在能力最终支撑提供5个外在关键指标，包括时延确定性、带宽确定性、高可用性、时频同步精度和安全隔离性。 （1）时延确定性：具备确定性的时延（即时延的上界）和确定性的时延抖动（即时延的上界和下界），部分确定性业务要求低时延和低抖动特性。 （2）带宽确定性:应在轻载和拥塞的各种场景下均提供承诺的带宽特性，包括承诺保证带宽(CIR)和容许保证带宽（PIR）。 （3）高可用性：需具备大于99.999%及以上的高可用性，甚至长期无丢包特性。高可用性涉及业务和网络两个层面指标，通常通过业务层面指标来验证网络层面指标。 （4）时频同步精度：同步业务和高等级时延敏感类业务需承载网络具备高精度和超高精度的时频同步能力。业界也在积极探索研究不依赖全网时频同步来实现IP网的确定性承载技术。 （5）安全隔离性：具备基于物理隔离或时隙隔离的硬切片能力，或基于分组标签逻辑隔离的软切片能力，适配不同程度的业务安全隔离需求。 (二)依托业务需求和网络能力，明确通用场景和SLA指标 从行业承载需求出发，工业互联网、智能电网和云视频成为确定性需求程度较高的应用场景。针对不同的确定性业务分类、承载需求特性和网络应用范围定义了确定性承载的八类通用场景，包括现场生产控制、远程生产控制、生产监控、生产采集、视频AI、AR/VR高体验视频、关键控制类和精准测量定位类（图3）。 图3确定性承载8类通用场景 来源：中国信息通信研究院 基于典型行业的确定性业务端到端SLA指标，从带宽、时延、抖动、可靠性、时频同步、隔离度等维度聚类分解了八类确定性通用场景的承载SLA指标如下表1所示。 表1八类确定性通用场景的承载SLA指标 编号 通用场景 典型行业应用 承载特征 确定性承载SLA 承诺带宽 时延 抖动 隔离度 可靠性 1 园