對于許多新興服務(wù)和應(yīng)用來說，網(wǎng)絡(luò)中的低延遲尤為重要，例如無人機(jī)、工業(yè)自動化以及自動駕駛汽車等等。目前國際標(biāo)準(zhǔn)組織正在開發(fā)新技術(shù)，以滿足這些確定性應(yīng)用的要求。

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

確定性網(wǎng)絡(luò)在每個確定性流的基礎(chǔ)上提供確定的延遲。每個確定性流的數(shù)據(jù)流量在確定的有界延遲和低延遲變化約束內(nèi)傳輸。確定性網(wǎng)絡(luò)旨在為所有允許的確定性流實現(xiàn)零數(shù)據(jù)丟失，可能會拒絕或降低某些流的優(yōu)先級以確保高優(yōu)先級流的傳輸。確定性網(wǎng)絡(luò)支持廣泛的應(yīng)用，每個應(yīng)用都可以有不同的QoS要求。

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)更低的延遲意味著要丟棄更多的數(shù)據(jù)包(或需要大量的過度配置)。在確定性服務(wù)的情況下，目標(biāo)是解決長尾問題，提供有界延遲，參見圖1。

圖1：傳統(tǒng)服務(wù)與確定性服務(wù)

IEEE 802.1 時延敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN)

標(biāo)準(zhǔn)化

IEEE 802.1 工作組 (WG) 側(cè)重于以下領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)和實踐：(1) 802 LAN/MAN 架構(gòu)，(2) 802 LAN、MAN 和其他WAN之間的互聯(lián)互通，(3) 802 Security，(4) 802 整體網(wǎng)絡(luò)管理，以及 MAC 和 LLC 層之上的協(xié)議層。

IEEE 802.1工作組的時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 任務(wù)組 (TG) 負(fù)責(zé) IEEE 802 網(wǎng)絡(luò)的確定性服務(wù)，包括：

• 保證數(shù)據(jù)包傳輸
• 低丟包率
• 有界低延遲
• 低數(shù)據(jù)包延遲變化

TSN任務(wù)組從音頻視頻橋接 (AVB)任務(wù)組演變而來。

TSN 標(biāo)準(zhǔn)和項目分為三組：

1) 基礎(chǔ)技術(shù)(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(shù)據(jù)流。在網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，QoS 功能被應(yīng)用于 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(jìn)行討論。TSN 的主要媒介是 IEEE 802.3 以太網(wǎng)。涉及無線的工作也在進(jìn)行中，例如 3GPP 中的 5G – TSN 集成工作。

流量調(diào)度Scheduled Traffic (802.1Qbv) 減少了已知時間幀的延遲變化。這是通過基于時間的控制和網(wǎng)橋隊列編程實現(xiàn)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(wù)。門開/關(guān)狀態(tài)根據(jù)周期性重復(fù)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(guān)鍵流量)能夠暫停可搶占幀(即非關(guān)鍵流量)的傳輸。因此，快速流量的延遲變化減少了，并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(hù)，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(yōu)先級等基礎(chǔ)上進(jìn)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(zhì)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(yōu)先于不太緊急或彈性的流量。ATS 使用嚴(yán)格的優(yōu)先級隊列。

Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER) (802.1CB) 旨在避免由于設(shè)備故障導(dǎo)致的幀丟失。它是每幀 1+1(或 1+n)冗余功能。不需要故障檢測或切換機(jī)制。FRER 在兩個(或更多)最大不相交的路徑上發(fā)送幀，然后組合流并刪除額外的幀。

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(zhuǎn)發(fā)，提供了超越最短路徑樹 (SPT) 的 IS-IS 控制。協(xié)議沒有改變，只定義了幾個新的子 TLV，并盡可能重用現(xiàn)有的子 TLV。該概念是一種混合軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN) 方法，其中 IS-IS 提供基本功能，例如拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和默認(rèn)路徑，一個或多個控制器控制顯式樹。

流預(yù)留協(xié)議Stream Reservation Protocol(SRP) 增強(qiáng)和性能改進(jìn) (802.1Qcc)：提供時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 配置相關(guān)屬性。802.1Qcc 描述了 TSN 用戶和網(wǎng)絡(luò)配置的三種模型(完全分布式、集中式網(wǎng)絡(luò)/分布式用戶和完全集中式模型)。每個模型規(guī)范都定義了網(wǎng)絡(luò)中不同實體之間的用戶/網(wǎng)絡(luò)配置信息的邏輯流。

TSN 的未來展望

TSN 標(biāo)準(zhǔn)化仍在進(jìn)行中。IEC/IEEE 60802 TSN 工業(yè)自動化規(guī)范是 IEC SC65C/WG18 和 IEEE 802 的聯(lián)合項目。這項聯(lián)合工作將提供一個雙重標(biāo)志標(biāo)準(zhǔn)，既是國際電工委員會 (IEC) 也是 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。

OPC UA建立在 TSN、DetNet 和 5G 之上。與TSN相關(guān)的多個OPC UA工作項正在進(jìn)行中。其中之一是FLC(Field Level Communications)工作組，主要基于 IEC/IEEE 60802 規(guī)范以及相關(guān)評定規(guī)范。

3GPP 支持確定性傳輸 (URLLC)

標(biāo)準(zhǔn)化

5G的三大應(yīng)用場景包括增強(qiáng)移動寬帶(eMMB)、海量機(jī)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(yīng)用的最佳候選人。

5G R15引入了多項功能，消息傳輸?shù)膯蜗蜓舆t低至 1 毫秒，可靠性高達(dá) 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(dá) 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(jié)構(gòu)以及短時隙調(diào)度等時延降低技術(shù)。截至R16，3GPP先后完成了URLLC用例的性能評估工作、物理層各信道的增強(qiáng)以及URLLC與eMBB上行復(fù)用等技術(shù)的研究及標(biāo)準(zhǔn)化，但仍然有很多優(yōu)化工作預(yù)計留至R17來研究。

5G 定義了強(qiáng)大的傳輸模式，以提高適用于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包復(fù)制都進(jìn)一步提高了可靠性。

時間同步已嵌入到蜂窩無線電系統(tǒng)中，作為其運行的重要組成部分。設(shè)備由基站進(jìn)行時間校準(zhǔn)，以補(bǔ)償它們不同的傳播延遲。無線網(wǎng)絡(luò)組件本身也是時間同步的。這是為時間關(guān)鍵應(yīng)用程序提供同步的良好基礎(chǔ)。

除了5G RAN功能，5G系統(tǒng)還為以太網(wǎng)組網(wǎng)和URLLC提供核心網(wǎng)(CN)解決方案。5G CN 支持本地以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PDU) 會話。對于5G系統(tǒng)層面的用戶面冗余，5G支持通過包括RAN、CN和傳輸網(wǎng)在內(nèi)的5G系統(tǒng)建立冗余用戶面路徑。通過在終端設(shè)備中使用具有 RAN 雙連接功能的單個用戶設(shè)備 (UE) 或通過在終端設(shè)備中使用多個 UE，實現(xiàn)冗余路徑。此外，5G還可以提供虛擬網(wǎng)絡(luò) (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(shè)計和堅實的基礎(chǔ)，甚至可以作為獨立解決方案或確定性網(wǎng)絡(luò)的一部分。

圖 3：系統(tǒng)架構(gòu)視圖，5GS 顯示為確定性節(jié)點(此處為 TSN 網(wǎng)橋)

圖3展示了 5G 系統(tǒng)架構(gòu)，其中 5G 系統(tǒng)被視為 TSN bridge。圖里指定了一種新的轉(zhuǎn)換功能(稱為 DS-TT 和 NW-TT)，用于保存和轉(zhuǎn)發(fā)用戶平面數(shù)據(jù)包，以消除抖動，其中 5G 系統(tǒng) (5GS) 被集成為連接TSN 網(wǎng)絡(luò)的橋梁。5GS 包括 TSN Translator (TT) 功能，用于將 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(wǎng)絡(luò)功能非常匹配。因此，可以集成這三種技術(shù)以提供端到端的確定性連接，即輸入/輸出設(shè)備與其控制器之間的連接。集成已經(jīng)包括了對必要的基本橋接/路由功能和 TSN/DetNet 附加組件的數(shù)據(jù)平面支持，但是控制和管理平面需要進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

IETF 確定性網(wǎng)絡(luò) (DetNet)

標(biāo)準(zhǔn)化

IETF DetNet WG(工作組)屬于路由領(lǐng)域 (Routing Area, RTG) ，主要研究路由協(xié)議和信令協(xié)議。其專注于在第 2 層橋接和第 3 層路由段上運行的確定性數(shù)據(jù)路徑，此類路徑可以提供對延遲、丟失和數(shù)據(jù)包抖動的限制以及具有高可靠性。DetNet WG的范圍包括：整體架構(gòu)、數(shù)據(jù)平面規(guī)范、數(shù)據(jù)流信息模型和相關(guān) 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，其初始范圍是在單一管理控制下或在一個封閉的管控組內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)確定性保障。

解決方案文檔指定了支持 DetNet 的節(jié)點所需的程序和行為，其規(guī)范側(cè)重于可互操作的實現(xiàn)。定義了以下兩個數(shù)據(jù)平面：

• IP：使用 IP 和傳輸協(xié)議報頭信息來支持 DetNet [RFC 8939]
• MPLS：使用標(biāo)簽來支持 DetNet [RFC 8964

轉(zhuǎn)發(fā)特性是通過將網(wǎng)絡(luò)資源(例如鏈路帶寬和緩沖區(qū)空間)分配給 DetNet流，并通過保護(hù)數(shù)據(jù)包來實現(xiàn)的。未使用的預(yù)留資源可以用于非 DetNet 數(shù)據(jù)流的傳輸，實現(xiàn)不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)流共網(wǎng)傳輸。

下面定義了從源到目的層的轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)：

• 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(shù)據(jù)包延遲變化)
• 丟包率：在傳輸過程中丟失，可以應(yīng)用極低的丟包值
• 無序數(shù)據(jù)包傳送的上限：一些確定性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序無法容忍任何亂序傳送

確定性網(wǎng)絡(luò)有一個區(qū)別(和 TSN 類似)，它只關(guān)注端到端延遲、延遲變化和亂序的最壞情況值，平均值或典型值并不重要，因為它們不會影響實時系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的能力。

確定性網(wǎng)絡(luò)功能：

• 擁塞保護(hù)
• 服務(wù)保障
• 顯式路由

擁塞保護(hù)意味著沿 DetNet流的路徑分配資源，例如緩沖區(qū)空間或鏈路帶寬。

擁塞保護(hù)通過使用適當(dāng)設(shè)計的隊列消除了與擁塞相關(guān)的損失，因此不會因缺少緩沖存儲而丟棄數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)融合到公共 IP 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上。擁塞保護(hù)的很多功能都需要確定性網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步，然而，時間同步不在確定性網(wǎng)絡(luò)討論的范圍內(nèi)，因為它并不影響互操作性。時間同步應(yīng)該由適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案提供，例如，由較低的層提供。

服務(wù)保護(hù)解決數(shù)據(jù)包錯誤和設(shè)備故障，例如，數(shù)據(jù)包復(fù)制和消除(防止故障)、數(shù)據(jù)包編碼(防止數(shù)據(jù)包錯誤)、重新排序(確保按順序交付)，可以通過這些技術(shù)來確保服務(wù)保護(hù)。確定性網(wǎng)絡(luò)定義的 PREOF 是：數(shù)據(jù)包復(fù)制功能(PRF：在多條路徑上發(fā)送帶有排序信息的相同數(shù)據(jù)包的副本)、 冗余消除功能(PEF：根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包的排序信息和歷史記錄丟棄重復(fù)項)、以及數(shù)據(jù)包排序功能(POF：恢復(fù)原始數(shù)據(jù)包順序，因為無序交付會影響目的地的緩沖量以正確處理接收到的數(shù)據(jù))。數(shù)據(jù)包復(fù)制和消除不會對故障做出反應(yīng)和糾正，這些功能完全是被動的。數(shù)據(jù)包編碼(也稱為網(wǎng)絡(luò)編碼)將信息編碼成多個傳輸單元，使用多條路徑發(fā)送它們，并在另一端組合這些單元。

顯式路由可用于解決路由或橋接協(xié)議收斂的影響(即臨時中斷)。

確定性網(wǎng)絡(luò)功能在協(xié)議棧的兩個相鄰子層中實現(xiàn)：

1)DetNet 服務(wù)子層：為協(xié)議棧和應(yīng)用程序中的更高層提供 DetNet服務(wù)(例如，服務(wù)保護(hù))

2)DetNet 轉(zhuǎn)發(fā)子層：支持底層網(wǎng)絡(luò)中的 DetNet服務(wù)(例如，通過提供顯式路由和擁塞保護(hù))到 DetNet流

圖 4：DetNet 數(shù)據(jù)平面協(xié)議棧

TSN 流的第 3 層等效項稱為 DetNet流。DetNet流是唯一符合流標(biāo)識符的數(shù)據(jù)包序列，并將向其提供確定性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。它包括為支持 DetNet 服務(wù)和轉(zhuǎn)發(fā)子層而添加的任何確定性網(wǎng)絡(luò)標(biāo)頭。

確定性網(wǎng)絡(luò)相關(guān)機(jī)制需要兩個屬性：

• Flow-ID：標(biāo)識數(shù)據(jù)包所屬的流
• 序列號：識別重復(fù)數(shù)據(jù)包并重新排序數(shù)據(jù)包

確定性網(wǎng)絡(luò)的未來展望

確定性網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化仍在進(jìn)行中。IETF DetNet 和 IEEE TSN 之間將繼續(xù)密切合作，以確保互操作性，并簡化適用于第 2 層和第 3 層的確定性功能的實現(xiàn)。例如，IEEE P802.1CBdb(FRER Extended Stream Identification Functions)專注于將用于流識別功能的字段擴(kuò)展到任意掩碼匹配，這對于組合 TSN 和 DetNet 的組合網(wǎng)絡(luò)場景至關(guān)重要。控制和管理平面相關(guān)工作是 DetNet WG 的下一個重點。

結(jié)論

過去，基于分組的網(wǎng)絡(luò)旨在承載除了對延遲非常敏感/實時應(yīng)用流量之外的所有流量。隨著時間的推移，利用確定性技術(shù)的發(fā)展，基于分組的網(wǎng)絡(luò)也在不斷發(fā)展，以整合對要求苛刻的應(yīng)用程序的支持。

TSN、DetNet 和 5G URLLC 可以滿足確定性應(yīng)用的組網(wǎng)需求，通過融合網(wǎng)絡(luò)提供超可靠、低延遲的連接。TSN 和 DetNet(用于有線)和 5G(用于無線)技術(shù)是確定性傳輸網(wǎng)絡(luò)中的完美搭檔。需要對這些技術(shù)進(jìn)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)如何，一個共同的參考時間對于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，這取決于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(zhuǎn)發(fā)路徑的特性進(jìn)行調(diào)整。支持整體集成的第一步是使用基于 SDN 的方法完成的，TSN、DetNet 和 URLLC 基礎(chǔ)技術(shù)已準(zhǔn)備就緒，它們的組合部署迫在眉睫。