韓 沛，張麗萍

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 SRv6概述

SRv6是段路由（Segment Routing，SR）和IPv6技術(shù)的結(jié)合。為了實現(xiàn)SRv6轉(zhuǎn)發(fā)，在IPv6的路由擴(kuò)展報文頭定義了一種新的報文頭SRH，該報文頭中攜帶段列表（Segment List）和Optional TLV等信息，可以實現(xiàn)設(shè)備級的路徑控制和網(wǎng)絡(luò)編程。

自從2019年華為在第三屆未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展大會上首次提出“確定性網(wǎng)絡(luò)”的概念以來，智能電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及無人駕駛礦車等垂直行業(yè)應(yīng)用場景對5G確定性網(wǎng)絡(luò)提供的高可靠性和可預(yù)期時延的需求越來越迫切。基于SRv6的5G承載網(wǎng)能將傳統(tǒng)的“應(yīng)用適配網(wǎng)絡(luò)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱纱_定網(wǎng)絡(luò)”，滿足不同行業(yè)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)能力的差異化要求，是超可靠低延遲通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）業(yè)務(wù)創(chuàng)新發(fā)展的主要驅(qū)動力。

2 確定性網(wǎng)絡(luò)

確定性網(wǎng)絡(luò)（Deterministic Networking，DetNet）是一種可提供承諾服務(wù)等級協(xié)議（Service-Level Agreement，SLA）的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過動態(tài)智能網(wǎng)絡(luò)編排和隊列算法為行業(yè)應(yīng)用提供“差異化+確定性”的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，保證高價值流量在端到端傳輸過程中具備低抖動、零丟包以及可預(yù)期時延上限等參數(shù)屬性。

DetNet依靠資源預(yù)留和隊列算法規(guī)避高優(yōu)先級流量出端口的沖突，中間節(jié)點提前為不同的流量資源預(yù)留帶寬資源，通過隊列算法調(diào)度可能發(fā)生沖突的報文，避免擁塞，為高優(yōu)先級報文提供可保證的端到端時延上限。為了保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量穩(wěn)定可靠，DetNet采用顯示路徑對滿足業(yè)務(wù)要求的報文路徑進(jìn)行約束，防止路由變更對報文傳輸造成影響。冗余保護(hù)是在復(fù)制節(jié)點復(fù)制一份完整報文，通過兩條或者多條不同路由同時傳輸，在匯聚節(jié)點保留先到的報文然后轉(zhuǎn)發(fā)，丟棄冗余報文[1-3]。通過冗余保護(hù)可做到鏈路無損切換，保證業(yè)務(wù)不會中斷。

3 DetNet相關(guān)技術(shù)原理

3.1 冗余保護(hù)原理

DetNet的可靠性是基于多發(fā)選收的原理，DetNet數(shù)據(jù)報文建立兩條或者兩條以上的路徑，將復(fù)制的報文通過不同的顯示路徑同時發(fā)送。冗余報文到達(dá)匯聚節(jié)點后，根據(jù)報文攜帶的報文編號轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先收到的報文，丟棄冗余報文。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)一條鏈路故障時，不同鏈路之間可以無損切換，不會導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。冗余保護(hù)原理如圖1所示。

圖1 冗余保護(hù)原理

3.2 確定性時延原理

數(shù)據(jù)報文在IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸時的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)不可預(yù)估，報文單跳的轉(zhuǎn)發(fā)時延一般不確定，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)的單跳時延大大增加。DetNet通過路由和隊列管理算法合理調(diào)度帶寬資源，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)確定性時延。在隊列中將DetNet流量設(shè)置為最高優(yōu)先級，并為不同的DetNet流量規(guī)劃不同的資源，避免DetNet流量和非DetNet流量以及DetNet流量之間互相影響。最后通過時間整形（Time Aware Shaper，TAS）消除設(shè)備對報文處理帶來的時間抖動，確保報文在一個可以預(yù)期的時間內(nèi)被轉(zhuǎn)發(fā)[4]。

IEEE 802.1 Qbv定義了新的TAS整形機(jī)制，通過基礎(chǔ)硬件和傳輸選擇算法提供基于時間的整形機(jī)制，如圖2所示。

圖2 TAS基本原理

DetNet報文經(jīng)過傳輸選擇模塊后，TAS機(jī)制在每個隊列前增加一個時間門控，時間門控表限定了每個時間段內(nèi)每個門控的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)DetNet報文進(jìn)入出端口隊列后，依據(jù)傳輸選擇算法和報文的優(yōu)先級選擇相應(yīng)的隊列進(jìn)入緩存。隊列被選中調(diào)度后，如果當(dāng)前的時間門控狀態(tài)為Closed，整形器處在關(guān)閉狀態(tài)，報文繼續(xù)被緩存；如果時間門控狀態(tài)為0，整形器開啟，報文可以出隊列轉(zhuǎn)發(fā)。經(jīng)過資源調(diào)度算法和TAS功能，去掉報文的時延尾巴效應(yīng)和抖動效應(yīng)后，報文時延特性如圖3所示。

圖3 確定性時延基本特性

4 基于SRv6的DetNet構(gòu)成

4.1 基于SRv6的冗余保護(hù)網(wǎng)絡(luò)

在DetNet中，SRv6擴(kuò)展了Optional TLV報文頭，用于攜帶匯聚節(jié)點在處理冗余報文時需要的流標(biāo)識和序列號。同時定義了新的冗余安全標(biāo)識符（Security IDentifiers，SID）和匯聚SID，用于指示報文的復(fù)制和刪除。此外，還定義了新的冗余策略，可同時實例化多個片長，指示復(fù)制報文沿著不同路徑轉(zhuǎn)發(fā)[5-7]。

基于SRv6的DetNet流量轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖4所示。首先，入節(jié)點封裝包含SRH1的外層IPv6報文頭，SRH1指示入節(jié)點到復(fù)制節(jié)點的路由。其次，復(fù)制節(jié)點對DetNet報文進(jìn)行復(fù)制，并為復(fù)制報文分別封裝包含SRH2和SRH3的外層報文頭，分別指示路徑1和路徑2兩條不同的路徑信息。其中，SRH2和SRH3攜帶流標(biāo)識和序列號。最后，匯聚節(jié)點根據(jù)SRH2和SRH3中的流標(biāo)識和序列號判斷報文是否為冗余報文，先到達(dá)的報文會被轉(zhuǎn)發(fā)，后到達(dá)的冗余報文被刪除。被轉(zhuǎn)發(fā)報文封裝包含SRH4的報文頭，指示出節(jié)點的路徑。

圖4 基于SRv6的DetNet轉(zhuǎn)發(fā)流程

4.2 基于SRv6的確定時延網(wǎng)絡(luò)

基于SRv6的確定時延網(wǎng)絡(luò)基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）架構(gòu)，采用循環(huán)指定隊列和轉(zhuǎn)發(fā)（Cyclic Specified Queue and Forwarding，CSQF）和TAS解決方案。CSQF在資源預(yù)留的基礎(chǔ)上配合出端口隊列算法通過控制器為DetNet流量在沿途每個節(jié)點上指定出端口的時間，精確規(guī)劃流量，避免擁塞[8]。

CSQF引入Cycle的概念，以時間為單位來進(jìn)行帶寬資源的預(yù)留。Cycle的長度就是時間區(qū)間的大小，在DetNet中對Cycle進(jìn)行編號，每個Cycle編號對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中某臺設(shè)備的一個具體時間區(qū)間。當(dāng)有DetNet流量時，控制器根據(jù)全網(wǎng)的流量狀態(tài)計算報文預(yù)計占用端口時間，規(guī)劃出一條滿足時延需求的路徑，并規(guī)定報文在沿途的設(shè)備上的出端口時間（即Cycle編號）用SID表示，這樣的SID組合形成一條確定性的時延網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)控制器下發(fā)給入節(jié)點設(shè)備。確定性時延網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備按照SID轉(zhuǎn)發(fā)報文，利用TAS吸納設(shè)備處理報文帶來的抖動，確保了報文端到端的時延和抖動上限能夠滿足網(wǎng)絡(luò)需求[9]。

基于CSQF的DetNet報文轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖5所示。首先，SDN控制器實時更新和維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑虲ycle信息；其次，控制器根據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)流量現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)時延的需求規(guī)劃路徑，并在沿途節(jié)點發(fā)送Cycle信息；再次，控制器根據(jù)規(guī)劃的路徑，為各節(jié)點下發(fā)SRv6封裝，報文按照規(guī)劃路徑轉(zhuǎn)發(fā)；最后，在各節(jié)點設(shè)備中利用TAS保證報文在限定的時間內(nèi)發(fā)送，消除抖動[10]。

圖5 基于CSQF的DetNet報文轉(zhuǎn)發(fā)流程

4.3 DetNet和非DetNet性能對比

國內(nèi)某廠商針對DetNet和非DetNet的時延抖動進(jìn)行了模擬測試，通過在不同的網(wǎng)絡(luò)中注入相同的流量，測試數(shù)據(jù)包到達(dá)的最大時延和最小時延，單業(yè)務(wù)模型的結(jié)果如表1所示，混合業(yè)務(wù)模型的結(jié)果如表2所示。

表1 單業(yè)務(wù)模型測試結(jié)果

表2 混合業(yè)務(wù)模型測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，無論是單業(yè)務(wù)模型還是混合業(yè)務(wù)模型，采用SRv6的確定性網(wǎng)絡(luò)的抖動明顯優(yōu)于非確定性網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié) 論

隨著5G在垂直行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，如何實現(xiàn)低延時和高可靠是5G承載網(wǎng)未來面臨的新挑戰(zhàn)。DetNet是通過犧牲可接受的時間延遲來換取時延抖動特性明顯降低的網(wǎng)絡(luò)，在強(qiáng)控制場景已有具體應(yīng)用。隨著技術(shù)不斷成熟和需求延伸，其在垂直行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。