广域确定性网络技术概述

导言

在前不久结束的第六届未来网络发展大会上，确定性网络技术吸引了众多目光。现场展台上，来自新华三的高端路由产品CR16000实现的超低抖动确定性转发技术，满足了100GE和10GE两种端口速率下广域网传输时延抖动低于20us，达到了国际领先水平。基于该技术的紫光股份智能工厂远程精准控制系统，在现场演示中得到了观众和媒体的称赞和认可，还在央视新闻中秀了一把身影。
确定性网络受到如此多关注，笔者就在本文带大家深入浅出地了解一下，究竟什么是确定性网络技术，该技术能产生什么价值，用在哪些场景满足什么需求，有哪些技术标准等。

什么是确定性网络

确定性网络的意义在于，通过对以太网络中数据的转发行为的控制，来满足低时延、低抖动、高可靠等技术指标，为网络业务提供准时准确可靠的服务，为应用提供端到端的确定性服务质量保障，从而能在传统的“尽力而为”网络上达到专线的效果，为工业、能源、车联网等对网络确定性要求极高的行业，按照业务级别提供差异化的服务。
确定性网络不是单一技术，而是一系列协议和机制的合集，通过网络切片、显式路由、资源预留、时钟/频率同步、周期映射、门控优先级队列调度、帧抢占、流量过滤和整形、多发选收等技术分别保障确定性低时延、低抖动、高可靠、高带宽等QoS指标。

为什么需要确定性网络

确定性网络的需求和应用场景主要来自两方面：
一是要统一工业网络总线标准并兼容以太网标准。在工业自动化、智能制造、能源等时延敏感场景所采用的工业网络中，同时存在几十种现场总线和实时以太网标准，网络构建成本高，网络间的互联互通难度大。为了融合IT和OT网络，需要基于以太网制定统一的确定性传输标准，实现时延敏感流量与传统互联网流量（尽力而为转发的流量）的共网传输，降低网络部署复杂度和成本。
二是在广域网上承载确定性业务。互联网在消费领域取得了巨大成功，面向生产领域将遇到巨大的挑战。随着互联网的发展进入下半场，以工业互联网为代表的产业数字化转型发展，促使更多的企业业务上云，这些业务在时延、抖动和可靠性方面提出更为严格的要求；同时，随着跨越广域网的机器间通信流量激增，越来越多的应用，比如自动驾驶、远程手术、全息通信等新兴场景应用，也对传输时延的上下限提出了严格且明确的需求，要求网络支持端到端的确定性传输。因此，未来的网络技术演进，在要求海量连接的同时，也要求网络具备确定性服务能力。
传统IP数据通信网络提供的是基于统计复用的传输服务，其特点是“尽力而为”式的转发，仅能提供面向逐包的基于差分服务的质量保障，很难提供逐流的基于综合服务的质量保障，因此在保证传输的确定性方面是比较困难的。其主要不足有两方面：
一是缺少有界的时延抖动保证：因为当前网络采用的是统计复用的QoS策略，没有针对时延的QoS保障机制，无法避免排队等待和拥塞的情况，在拥塞时业务时延可能达到几十毫秒甚至更高的量级，并存无法消除长尾时延，抖动不可控。
二是难以应对突发流量：发端流量的大小和发包时间都不可控，所以在网络节点中会存在流量汇聚和产生微突发，导致网络拥塞排队，增大传输时延，甚至产生丢包。
确定性网络能够解决互联网QoS策略的不足，满足应用对确定性保障的需求，成为了网络技术研究发展的重要方向。
如果拿快递做比喻，传统的IP网络是“您的商品将在今天下午2点到6点间送达，请于这段时间在家中等候”，而确定性网络是“您的快递将在今天下午3点半准时送达，请在这个时间点在家中等候”，显然对于客户来说，“准时送达”的服务能带来更好的体验，也更有利于合理规划和控制。

确定性网络技术标准

确定性网络在局域网中以TSN标准为代表，在广域网中以DetNet标准为代表。
 TSN
TSN（Time-Sensitive Networking）即时间敏感网络，主要面向局域网应用场景。TSN的前身是AVB 任务组，于2012年更名为TSN任务组，从音视频领域延伸至工业、汽车、移动通信领域的技术，用于解决网络的高带宽、高实时性、高传输质量需求。TSN演进的驱动力在于把以太网技术应用到时延敏感场景，可以实现统一承载，简化为一张物理网络。TSN在以太网中实现确定性的最小时间延时的协议族，定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性，以确保数据实时、确定和可靠地传输。
TSN工作组已经制定了多项技术标准，一些新的标准也在不断推进和完善。

 TSN标准体系

 DetNet
DetNet工作组由IETF在2015年成立，把确定性网络延伸到三层网络，同时兼顾二层网络。相比于TSN，DetNet 的工作范围更加广泛，通过SR/MPLS/IP 技术，实现跨广域网的确定性传输。目前，DetNet工作组已经推出了一部分RFC标准，其他的技术草案也在积极讨论当中。

                             DetNet RFC标准

新华三广域确定性网络实践

确定性转发基于时间的调度，和传统IP网络基于统计复用的调度方式有很大的不同，需要设备支持高精度的时钟同步和精准的周期轮换调度。广域网因传输链路长，链路传输时延不可忽略，因此其时延抖动保障的难度更高。在本次未来网络发展大会中亮相的新华三广域网确定性路由器，突破了一系列软硬件难题，实现了芯片级的灵活切片调度管理，达到了100GE和10GE两种端口速率下微秒级的端到端传输抖动控制，并在CENI（未来网络试验设施）网络上完成了规模化部署。经权威部门测试，在跨越多个广域网节点，200G双向共网传输，注入100%负载，150G确定性业务，50G非确定性业务，128-9000字节变长包的测试场景下，实现了确定性流量零丢包、时延抖动低于20微秒；同时，在异构网络对接测试中，在途径13个节点，13000公里距离下，确定性流量零丢包、时延抖动低于50微秒。测试结果表明，新华三广域网确定性路由器的传输的各项指标均达到国际先进水平。
为了探索广域确定性网络的应用场景，新华三和合作伙伴联合部署了远程控制实验网络，通过南京的终端控制远在杭州工厂的AGV小车。对比实验表明，基于确定性网络的远程控制更加稳定可靠，AGV小车的运动表现远优于基于传统互联网的远程控制。

广域确定性网络技术目前还处于探索试验阶段，相信随着确定性网络技术的不断完善，在未来，确定性网络能够满足越来越多的应用场景，为产业互联网和新兴生活应用赋能，推动产业的持续升级。