邢劍卿，王篤炎，劉惜吾，陳華旺（中國聯(lián)通廣東分公司，廣東廣州 510627）

0 引言

傳統(tǒng)的IP 網(wǎng)絡QoS 方式，面向終端用戶有限的業(yè)務類型時（如語音、視頻、上網(wǎng)等），通過為不同的業(yè)務分配不同的優(yōu)先級來盡力提升服務質(zhì)量，但不做任何量化SLA 承諾?，F(xiàn)網(wǎng)中大部分業(yè)務基于最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)，設備轉(zhuǎn)發(fā)面并不量化預留資源，在部分業(yè)務突發(fā)較大，或者上下游加速轉(zhuǎn)發(fā)（Expedited Forwarding，EF）帶寬不匹配，或者多個流匯聚等情況下，可能產(chǎn)生網(wǎng)絡的擁塞/瞬時擁塞，影響業(yè)務的帶寬、時延、丟包率等指標。當前網(wǎng)絡的應對方式是讓承載網(wǎng)絡盡量輕載，降低擁塞/瞬時擁塞的可能性，但會產(chǎn)生大量的帶寬浪費，卻依然不能提供100%網(wǎng)絡能力保障。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下，5G TSN-IP 可以面向各類工業(yè)應用涉及的業(yè)務流特性進行建模和定義［1］，并在此基礎上，自適應定義不同的優(yōu)先級與調(diào)度機制，從而實現(xiàn)5G網(wǎng)絡服務質(zhì)量差異化保障。

1 傳統(tǒng)QoS面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡是面向無連接的統(tǒng)計復用網(wǎng)絡［2］。如圖1所示，來自不同入接口的報文，匯聚后從同一個出接口發(fā)出，出接口報文輸出順序是根據(jù)報文到達出接口隊列的時機決定，先到的先發(fā)出，后到的后發(fā)出。

圖1 傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)機制

傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡是盡力而為網(wǎng)絡。其優(yōu)勢在于：充分利用網(wǎng)絡帶寬，節(jié)省運營商的網(wǎng)絡投資［3］。但隨著5G網(wǎng)絡技術日新月異的演進和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)復雜多樣的嚴苛業(yè)務需求，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡面臨以下挑戰(zhàn)：

a）優(yōu)先處理，但不承諾：從RFC3246 對于EF 的定義可以看出［4］，EF 優(yōu)先級是單節(jié)點優(yōu)先處理的行為，但不能對業(yè)務SLA做出承諾。

b）缺少全局規(guī)劃和資源預留：DiffServ 定義的逐跳行為（Per-Hop Behavior，PHB）是一個單機行為，缺少全局視角且不能預留充足的資源，難以做到業(yè)務端到端SLA保障。

c）無差異化能力：所有關鍵業(yè)務都是EF 轉(zhuǎn)發(fā)，1 ms業(yè)務和20 ms業(yè)務等同處理［5］。

d）網(wǎng)絡輕載難以定義：突發(fā)業(yè)務引起的峰值速率比例大，可能引起瞬時擁塞［6］；此外，在保障SLA 基礎上，可以部署業(yè)務的數(shù)量難以量化［7］。

因此，亟需引入5G TSN-IP 技術突破當前瓶頸，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡需求。

2 TSN-IP方案設計

2.1 TSN-IP理論基礎

面向5G 網(wǎng)絡確定性時延關鍵挑戰(zhàn)，TSN-IP 方案基于對網(wǎng)絡演算理論的工程化探索，以創(chuàng)新的控制面時延編排算法和轉(zhuǎn)發(fā)面時延隊列調(diào)度設計，達成高價值業(yè)務端到端時延保障、低價值業(yè)務帶寬充分復用、關鍵業(yè)務隊列級隔離以及現(xiàn)網(wǎng)設備平滑演進的目標［8］。

如圖2 所示，TSN-IP 的實現(xiàn)原理是在原有的網(wǎng)絡控制器基礎上，配置了一個專用的大腦，通過設備轉(zhuǎn)發(fā)面的觸手，在業(yè)務入口自動學習業(yè)務的流量模型，評估收集各種業(yè)務的平均速率、峰值速率、突發(fā)大小等參數(shù)，基于網(wǎng)絡演算理論在全局量化計算，在網(wǎng)絡節(jié)點接口處規(guī)劃高優(yōu)先級車道，量化預留資源，并給出各種業(yè)務的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，最終給出節(jié)點級和網(wǎng)絡級的時延上界承諾。

圖2 TSN-IP實現(xiàn)原理示意圖

在設備級，TSN-IP 將網(wǎng)絡演算理論應用于設備端口隊列，基于現(xiàn)有QoS隊列調(diào)度能力，疊加業(yè)務流量模型和設備調(diào)度服務模型，規(guī)劃時延隊列做到節(jié)點級時延保障。在網(wǎng)絡級，依靠全局規(guī)劃算法規(guī)劃隊列級業(yè)務路徑，并量化計算資源預留，保障業(yè)務端到端時延可靠。TSN-IP演算理論框架如圖3所示。

圖3 TSN-IP演算理論框架圖

根據(jù)網(wǎng)絡演算理論基礎，建立業(yè)務流量模型、設備服務模型和時延上限之間的算法關系。通過基于業(yè)務時延上限需求和業(yè)務流量模型，求解設備服務模型。網(wǎng)絡演算理論基本原理如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡演算理論基本原理

2.2 設備級方案設計

2.2.1 業(yè)務到達模型建模方法

基于設備轉(zhuǎn)發(fā)面采集上報的實時測量信息，如報文到達時間、報文長度等信息，上報控制面分析模塊。

分析模塊擬合流量模型（到達曲線），保證任意時間段均為實際累計流量的上包絡。

轉(zhuǎn)發(fā)面和分析模塊間使用壓縮算法，減小上報數(shù)據(jù)量，提升信息上報效率。流量特征提取基本原理如圖5所示。

圖5 流量特征提取基本原理

2.2.2 服務模型保障方案

選取用戶隊列為時延隊列的規(guī)劃對象，不同時延隊列之間，使用差分加權輪循（Deficit Weighted Round Robin，DWRR）按照權重調(diào)度，基于算法規(guī)劃結(jié)果，為不同的時延隊列配置資源預留值/調(diào)度權重。

在頂層端口隊列使用嚴格優(yōu)先級（Strict Priority，SP）調(diào)度，優(yōu)先調(diào)度時延隊列（時延敏感業(yè)務），然后調(diào)度其他隊列（非時延敏感業(yè)務）。

2.3 網(wǎng)絡級方案設計

基于設備隊列級時延保障能力，配合管控面的路徑、隊列、資源規(guī)劃算法，規(guī)劃設備隊列數(shù)量、隊列時延等級、隊列預留資源、業(yè)務隊列級路徑等，從而保證業(yè)務網(wǎng)絡級時延上限。

3 TSN-IP典型應用場景測試驗證

3.1 測試方案及環(huán)境搭建

基于流量特征分析器、TSN-IP 規(guī)劃工具和流量特征提取設備構建TSN-IP 管控系統(tǒng)，與ATN1（Advantaged Transport Network）相連，接入測試網(wǎng)絡。TSN-IP管控系統(tǒng)完成流量特征提取，將流量特征提取結(jié)果通知TSN-IP 規(guī)劃工具。TSN-IP 規(guī)劃工具基于流量特征數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡拓撲信息、業(yè)務需求信息等，算法計算設備相關端口時延隊列預留資源，以及隊列級的規(guī)劃路徑。最后，規(guī)劃結(jié)果通過Telnet/SSH（Secure Shell）下發(fā)給ATN/MER（X8A/X16A）設備。5G TSN-IP 測試方案拓撲圖如圖6所示。

圖6 5G TSN-IP測試方案拓撲圖

其中ATN1-MER1、MER1-MER2、MER2-ATN2、ATN1-ATN2 間鏈路為50GE 鏈路，MER1-MER3、MER3-MER4 間為GE 鏈路，MER4-MER2 間為10GE鏈路，從而模擬了網(wǎng)絡中多種帶寬鏈路網(wǎng)絡場景下的規(guī)劃部署能力。

ATN1 和ATN2 分別提供4 個GE 接口與12×GE 測試儀相連，用于接入測試儀業(yè)務模擬流量，4 個GE 接口與8×10GE 測試儀相連，用于接入測試儀模擬的背景流量。

另外，在實驗網(wǎng)機房部署2臺測試儀，分別用于構建業(yè)務模擬流量和背景業(yè)務流量。ATN1 模擬業(yè)務云端或者服務端，ATN2 模擬客戶側(cè)終端，構建上下行雙向業(yè)務，驗證部署TSN-IP 確定性方案后，三大場景業(yè)務時延保障能力。

3.2 應用場景測試用例

本次測試選取智能電網(wǎng)、智慧港口和工廠自動化三大業(yè)務場景，分別對電力差動保護、龍門吊控制業(yè)務、龍門吊視頻業(yè)務、AGV 集卡控制業(yè)務、工廠自動控制業(yè)務等共15種業(yè)務進行測試，相關業(yè)務流量模型和網(wǎng)絡需求參考3GPP TS 122.104［9］。

3.3 典型測試用例驗證結(jié)果

本次測試共涉及3 類典型場景、15 種業(yè)務、30 個測試用例，本文選取3 種典型業(yè)務場景測試用例中的電力差動保護、龍門吊控制業(yè)務、工廠自動控制業(yè)務進行重點分析。其中，對電力差動保護、龍門吊控制業(yè)務進行流量特征采集測試，對工廠自動控制業(yè)務進行業(yè)務確定性保障測試。

3.3.1 電力差動保護業(yè)務

電力差動保護是典型的低時延、高可靠需求業(yè)務之一［10］，具體性能要求如表1所示。

表1 電力差動保護典型業(yè)務需求

根據(jù)表1 中的需求，采用測試儀模擬業(yè)務流配置如表2所示。

表2 電力差動保護業(yè)務測試儀配置

圖7 為分析器從設備轉(zhuǎn)發(fā)面獲取業(yè)務特征數(shù)據(jù)，并可視化呈現(xiàn)ms級報文到達Bytes數(shù)。

圖7 業(yè)務達到模型監(jiān)控

建模擬合結(jié)果如圖8 所示，呈現(xiàn)結(jié)果與測試儀構造特征匹配，并輸出TSN-IP 規(guī)劃工具所需的報文大小、峰值速率、平均速率、突發(fā)大小等建模結(jié)果，建模結(jié)果能夠包絡目標業(yè)務流量到達曲線。

圖8 建模擬合結(jié)果

3.3.2 龍門吊控制信號業(yè)務

龍門吊控制也是典型的低時延、高可靠需求業(yè)務之一［11］，具體性能要求如表3所示。

根據(jù)表3 中的需求，采用測試儀模擬業(yè)務流配置如表4所示。

表3 龍門吊控制信號典型業(yè)務需求

表4 龍門吊控制信號業(yè)務測試儀配置

圖9 為分析器從設備轉(zhuǎn)發(fā)面獲取業(yè)務特征數(shù)據(jù)，并可視化呈現(xiàn)ms級報文到達Bytes數(shù)。

圖9 業(yè)務達到模型監(jiān)控

建模擬合結(jié)果如圖10 所示。呈現(xiàn)結(jié)果與測試儀構造特征匹配，并輸出TSN-IP規(guī)劃工具所需的報文大小、峰值速率、平均速率、突發(fā)大小等建模結(jié)果，建模結(jié)果能夠包絡目標業(yè)務流量到達曲線。

圖10 建模擬合結(jié)果

3.3.3 工廠自動化運動控制業(yè)務

工廠自動化運動控制是典型的超低時延、超高可靠需求業(yè)務［12］，具體性能要求如表5所示。

表5 工廠自動化運動控制典型業(yè)務需求

經(jīng)過控制面規(guī)劃和配置下發(fā)，業(yè)務最大時延始終低于需求時延和規(guī)劃時延。資源預留數(shù)據(jù)量化呈現(xiàn)，業(yè)務隊列級路徑清晰呈現(xiàn)。

業(yè)務間呈現(xiàn)差異化保障效果，并且在背景流量沖擊下，時延保障效果仍然保持良好。

4 總結(jié)

實驗結(jié)果表明，5G TSN-IP 確定性網(wǎng)絡技術方案可實現(xiàn)對業(yè)務流量特征自動學習，在不依賴網(wǎng)絡低載的條件下，TSN-IP 技術能針對可識別的數(shù)據(jù)流進行有效的時延和帶寬上界保障；可解決為了保障服務質(zhì)量網(wǎng)絡被迫空載/低載的問題，可滿足不同業(yè)務對網(wǎng)絡性能的差異化需求，提供精細化的網(wǎng)絡服務保障。該技術與算網(wǎng)大腦等技術結(jié)合，可在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化策略的協(xié)調(diào)，以達到提高運營商全網(wǎng)資源利用率的效果。

TSN-IP 等確定性網(wǎng)絡技術與5G 的結(jié)合，不僅可以賦能工業(yè)企業(yè)提供性能穩(wěn)定的定制化網(wǎng)絡服務，也能為游戲、XR 等實時交互類業(yè)務提供保障，是運營商未來面向垂直行業(yè)多樣化需求的關鍵網(wǎng)絡技術。