2021版确定性网络技术体系白皮书.pdf

未来 网络白皮书 确定性网络 技术体系白皮书 （ 2021 版） 第五届未来网络发展大会组委会 2021 年 6 月 版权声明 本白皮书版权属于 网络通信与安全紫金山实验室 所有并受法律 保护，任何个人或是组织在转载、摘编或以其他方式引用本白皮书中 的文字、数据、图片或者观点时，应注明 “ 来源： 网络通信与安全紫 金山实验室 ” 。否则将违反中国有关知识产权的相关法律和法规，对 此 网络通信与安全紫金山实验室 有权追究侵权者的相关法律责任。 编写说明 编写单位： 网络通信与安全 紫金山实验室 、 华为技术有限公司、 北京邮电大 学 、 5G 确定性网络产业联盟 、 江苏亨通光电股份有限公司 、 江苏省 未来网络创新研究院 参与单位： （排序不分先后） 东南大学、 广东省新一代通信与网络创新研究院 、 华中科技大学 、 清华大学 、 天津大学 、香港公开大学 、 西南大学 、 中国信息通信研究 院 、 中国 移动通信 研究院 、 中国联通研究院 、 中兴通讯股份有限公司 主要 编写 人员 ： （ 排序不分先后） 汪硕、王佳森、吴斌伟、 张晨、 王严严、陈平平、贾庆民、白钰 、 高新平 、 王闯 、 蒋胜 、 闫屾 、 刘冰洋 、 黄玉栋、郑尧、 彭 国宇、尹淑 文 、 黄蔚蓝 、阮韬、伍勇、 轩传吴 、 魏亮 、车杭骏 、梁文辉 、 刘爱华 、 莫益军 、 肖卿俊 、 张杰 、 刘 鹏、王丹 、 王泽林 、 刘畅 I 前 言 互联网技术已经提供种类繁多的应用服务如电子商务、视频会议、 语音通话等，取得了极大的成功。但现有“尽力而为”互联网不能很 好满足工业、农业和服务业中新兴系统如智能制造系统、无人运载系 统、超远程控制系统、智能决策系统、远程医疗系统、智慧农业系统、 视频竞技系统等的超低时延、超低抖动、超高可靠的确定性通信要求。 确定性网络用于提供实时数据传输，保证确定的通信服务质量如 超低上界的时延、抖动、丢包率，上下界可控的带宽，以及超高下界 的可靠性。确定性网络能够 满足三大产业中新兴系统的 高质量通信 需 求。 本白皮书介绍确定性网络技术特征和需求，阐述确定性网络包括 时间敏感网络（ TSN）、灵活以太网（ FlexE）、确定网（ DetNet）、 确 定性 IP（ DIP）网络、 确定性 WiFi（ DetWiFi） 、 第五代移动通信确定 性网络（ 5GDN）的技术现状、发展趋势和标准，介绍确定性网络应 用场景和案例，并 给出 确定性网络和产业融合发展的建议。 本 白皮书旨在吸引更多研究、工程和产业人员参与确定性网络的 理论研究、技术攻关 和 应用落地；通过确定性网络技术实现未来网络 变革，抓住“确定性网络 +”的技 术和经济发展机遇，推动各行业朝 着信息化、数字化、网络化和智能化的方向升级。 II III 目 录 前 言 . I 目 录 . III 一、确定性网络背景 . 1 1.1 确定性网络概念和特征 . 1 1.2 确定性网络需求和意义 . 2 1.3 确定性网络发展目标 . 5 二、确定性网络技术 . 7 2.1 灵活以太网（ FlexE） . 8 2.2 时间敏感网（ TSN） . 18 2.3 确定网（ DetNet） . 24 2.4 确定性 IP（ DIP）网络 . 36 2.5 确定性 WiFi（ DetWiFi） . 44 2.6 5G 确定性网络（ 5GDN） . 50 三、确定 性网络技术发展趋势 . 57 3.1 FlexE 技术趋势 . 57 3.2 TSN 技术趋势 . 58 3.3 DetNet 技术趋势 . 59 3.4 DIP 技术趋势 . 60 3.5 DetWiFi 技术趋势 . 62 IV 3.6 5GDN 技术趋势 . 63 四、确定性网络技术标准 . 65 4.1 FlexE 标准 . 65 4.2 TSN 标准 . 66 4.3 DetNet 标准 . 67 4.4 DIP 技术标准 . 71 4.5 DetWiFi 标准 . 72 4.6 5GDN 标准 . 74 五、确定性网络应用场景与案例 . 76 5.1 应用场景 . 76 5.2 应用案例 . 79 六、确定性网络行业发展建议 . 85 6.1 发展面临的挑战 . 85 6.2 发展阶段划分 . 87 6.3 发展对策建议 . 90 七、确定性网络未来展望 . 92 附录 A：术语与缩略语 . 93 参考文献 . 95 1 一、 确定性网络背景 1.1 确定性网络概念和特征 以太网自 20 世纪 70 年代诞生以来，由于其简单的网络连接机 制、不断提高的带宽以及可扩展性和兼容性而被广泛使用 。 目前， 以 太网已能支撑 各行各业 多样的应用。 根据全球移动数据流量 评估 报告显示，到 2020 年全球 IP 网络接 入设备达 263 亿，其中工业和机器连接达 122 亿，相当于总连接设备 的一半，同时高清和超高清互联网视频 约 全球互联网流量的 60%。激 增的 数据业务，如 视频 传输 、 机器 通信 ，带来了大量的拥塞崩溃 、 数 据分组延迟 、远程传输抖动，传统以太网用“尽力而为”的方式传输 数据， 只能将端到端的 时延 减少到几十毫秒 。但 许多 的新兴业务 ，例 如 智能驾驶、车联网、智慧交通、 工业 控制 、 智慧农业、 远程手术、 无人驾驶、 VR 游戏 、智能服务 等，需要将端到端时延控制在微秒到 几毫秒级，将 时延 抖动控制在微 秒 级 ，将可靠性控制在 99.9999%以 上。因此， 迫切 需要建立一种可提供“准时、准确”数据传输服务质 量的新一代网络 12025。 确定性 服务质量 （ Quality of Service， QoS） 可以提供“准时、准 确”数据传输服务质量。 五种典型的 确定性 QoS 包括 ：低时延 （ 上限 确定 ） 、 低抖动（上限确定）、低丢包率（上限确定）、高带宽（上下限 2 确定）、高可靠（下限确定）。图 1-1 表示五种典型的确定性 QoS。确 定性网络（ Deterministic Networking）是提供确定性服务质量的网络 技术，是在以太网的基础上为 多种 业务提供端到端确定性服务质量保 障的一种 新技术 1 20 25。 概 率 时延 上 限 概 率 丢包率 上 限 概 率 带宽 上 限 概 率 可靠性 下 限 下 限 图 1-1 五种典型的 确定服务质量：确定性时延、抖动、丢包率、带宽、可靠性 确定性网络特征 1210112025：能够提供确定性服务质量， 灵活切换确定性服务和非确定性服务，自主控制提供确定性服务质量 的等级，全面赋能产业升级，支撑大规模机器通信、机器视觉、 远程 操控、人工智能、工业互联网、农业互联网、智能服务业的需求，通 信服务商深入产业一线定制化弹性供给确定性网络服务，确定性网络 服务能力一体化与多样化 跨域 全局 协同 。 1.2 确定性网络需求和意义 （ 1）从战略角度：确 定性网络技术是新一代网络通信体系发展 方向，是网络、工业、农业和服务业强国的重要推动力。形成“确定 3 性网络 +”的技术和产业格局对千行百业朝着 数字化、网络化、智能 化 的 高质量发展 方向 进一步迈进具有重要意义。 （ 2）从技术层面：确定性网络是先进技术的代表，提供确定性 网络服务、构建重大网络基础设施，为占领信息技术发展的制高点提 供新的机遇。 确定性网络是通信厂商技术更新迭代的方向。 现有 以太网缺乏实 时传输质量保证机制、全局时钟和同步机制、带宽保留机制、数据包 过滤机制 等 ， 难以 保证确定性服务质量。通过时钟同步、频率同步、 流量整形、资源预留、时敏流调度、灵活切片等技术，在 融合 以太网 实现确定性网络服务，成为通信厂商重要的技术升级需求。 （ 3）从场景、产业角度：确定性网络技术的大规模落地，可以 推 动 制造业 （智能工厂，设备检修），物流业（智慧仓库，无人包裹 投递），运输业（智能港口、机场、交通），影视行业（ AR/VR），医 疗行业（远程诊疗 /手术），农牧业（智慧农场、智能产销、智能养猪） ， 服务业（智能餐厅、 服务 定制、数字营销）等 网络化、智能化 升级。 例如 ， 对于工业 控制 场景，表 1-1展示了其对确定性服务质量的要求。 表 1-1 部分工业制造场景对确定网络服务质量的要求 2 应用 时延要求 抖动要求 可靠性及传输速率 远程控制 5 毫秒 - 99.999%可靠性 , 达 10 Mbps数据传输率 离散自动运动控制 1 毫秒 1 微秒 99.9999%可靠性 , 1 Mbps 到 10 Mbps 数据传输率 离散自动化 10 毫秒 1 毫秒 99.99%可靠性 , 10 Mbps数据传输率 过程自动化远程控制 50 毫秒 20 毫秒 99.9999%可靠性 , 1 Mbps 到 100 Mbps数据传输率 过程自动化监控 50 毫秒 20 毫秒 99.999999%可靠性 , 1 Mbps 数据传输率 随着通信、计算机、机械、电子、电气、自动化等领域的技术发 4 展，全球 农业、工业、服务业 也呈现出新的发展动向。为了更好满足 消费市场需求， 各个产业 由规模化生产 或提供服务 向着定制化生产 或 提供服务 转变。居民生活水平的不断提升、消费需求的升级换代，促 使 各个产业 向着小众化、多元化、定制化的方向发展。 此外， 为了提 升生产 、服务 能力和效率， 三大产业 向着数字化 、 智能化 方向 转型。 新兴技术如人工智能、大数据、物联网、车联网、云计算、机器人等 蓬勃发展 ；相应地，农业、工业、服务 企业的内网、外网、数据互通 等通信模块均 随着新技术的布局而更新迭 代。总之，产品服务定制化 与产业升级 对确定性网络提出具体而多样的要求。 （ 4）从产品、服务附加值角度：各产业厂商和通信厂商希望提 高 技术水平、提升生产制造能力、扩大服务范围、提升服务能力和价 值，因而对确定性网络提出需求 。 确定性网络 为各个产业厂商、公司、机构寻找新的产品和服务附 加值提供契机。各产业厂商、公司在经过“ 确定性网络 +”升级后， 生产能力、制造能力、服务能力、产品服务定制化能力均有大幅提升， 进而提升产品服务附加值，推动各个行业发掘新的增长点。 确定性网络是通信厂商扩大服务范围的重要选项。随着通信厂商 管道化 发展，通信产业链上下游各厂商希望能够为客户提供差异化、 多样化、个性化的产品和服务，培育新的收入增长点。 工业、农业、 服务业 产值高、升级空间大，通过提供高质量的确定性网络服务，通 信厂商得以深入生产经营一线，扩展服务范围和服务多样性。 确定性网络是提升通信厂商服务价值的重要依托。确定性网络严 5 格控制端到端抖动、时延等关键指标，满足企业对 高质量通信 的需求。 网络切片等技术使得通信厂商可以提供差异化的服务，而高质量、差 异化的服务也为通信商带来新的收益空间。 1.3 确定性网络发展目标 确定性网络技术以 建设 大规模的， 可提供确定性服务质量 的 网络 为目标， 为各行各业升级提供实时、高质量、高可靠的数据传输服务， 全面赋能农业、工业、服务业升级，向高质量发展转型。具体地，确 定性网络发展有如下目标： （ 1）占领新一代网络技术发展制高点，在 融合 网络中提供确定 性服务，构建 LAN/WAN 确定性网络体系，实现局域、广域、有线、 无线确定性网络深度集成、有机融合的布局。赋能通信服务商为大规 模和超大规模农业、工业、服务园区提供定制化、确定性网络服务。 确定性网络 ： T S N 、 F l e x E 、 D e t N e t 、 D I P 、 D e t W i F i 、 5 G D N 工业 服务业农业 智慧农业 智能工业 智能服务业 智慧农场 智能产销 智能养殖 智能工厂 智能电网 智能驾驶 智慧仓库 智能港口 智能餐厅 AR/VR 视频影视 远程诊疗 / 手术 无人包裹投递 图 1-2 “确定性网络 +三 大 产业”升级 例图 （ 2）促进产业升级、提升消费者体验。通过确定性网络技术， 实现农业、工业、服务业朝着网络化和智能化方向升级，形成“确定 6 性网络 +”的产业格局，推动各行业产品质量、产品良率、服务质量 大幅提升，实现产品和服务定制化转型。 7 二 、 确定性网络技术 目前，确定性网络的技术关键在于实现确定性时延、抖动、丢包 率、带宽 和 可靠性等 1-513202325。确定性时延主要通过 时钟 同步 、频率同步、 调度整形 、资源预留等机制实现； 确定性 抖动和 丢 包率 通过优先级划分 、抖动消减、缓冲吸收 等机制 实现 ； 确定性带宽 通过网络切片和边缘计算等技术实现； 确定性 可靠性 通过 多路复用、 包复制与消除、冗余备份等 技术实现。 确定性网络 技术 目前主要包括：灵活以太网（ Flexible Ethernet， FlexE） 13，时间敏感网（ Time-sensitive Networking， TSN） 45， 确定网（ Deterministic Networking， DetNet） 6-9， DIP（ Deterministic IP）技术 202527， 确定性 WiFi（ Deterministic WiFi， DetWiFi） 16-19， 以及 5G 确定性网络（ 5G Deterministic Networking， 5GDN） 10-142324。 在确定性带宽保障方面， FlexE 通过接口技术在物理层和链路层 之间插入中间层，实现业务速率和物理通道速率的解耦，提供比传统 以太网更加灵活的带宽颗粒度，支撑高速大端口 400GE、 1TE 等演进 。 通过灵活的物理接口捆绑和逻辑接口划分，提供 子速率承载、硬管道 及隔离 等机制，构建智能端到端链路，实现网络 切片 ，支撑带宽资源 弹性灵活的分配和保障。 为保证确定性时延， IEEE TSN 工作组 和 IETF DetNet 工作组分 别聚焦于链路层和网络层的确定性技术，提出了全网时钟 /频率同步 8 机制和基于时隙的门控优先级队列调度机制，即先通过门控优先级队 列将时延敏感流和尽力而为流隔开，再从时间上或空间上将时延敏感 流隔开，从而使网络出端口不发生排队或具有有界的排队时延。 表 2-1 典型确定性网络技术 技术名称 网络层级 支持软件定义网络 技术成熟度 灵活以太网（ FlexE） L1.5 支持 实验与商用阶段 时间敏感网（ TSN） L2 支持 实验与商用阶段 确定网（ DetNet） L3 支持 标准制定阶段 确定性 IP（ DIP）网络 L2-L3 支持 实验与商用阶段 确定性 WiFi（ DetWiFi） L1-L2 支持 实验阶段 5G 确定性网络（ 5GDN） L1-L3 支持 实验与商用阶段 在无线确定性方面， 5G通过高可靠通信技术，有望实现 99.9999% 的确定性连接可靠性，通过网络切片实现确定性带宽保证，借助低延 迟技术和边缘计算 等 实现 端到端 确定性 控制 。 2.1 灵活以太网（ FlexE） 灵活以太网 （ FlexE） 是由 OIF（ Optical Internetworking Forum） 发布的通信协议， 其基本思想是通过增加时分复用的 Shim 层实现 MAC 层与 PHY 层的解耦，得到更加灵活的物理通道速率，从而实现 链路捆绑、子速率和通道化三种应用模式，承载各类速率需求业务 13。 基于灵活以太网的网络切片方案能够实现带宽按需灵活分配，并 且专用硬管道能够实现安全、低时延 的服务质量。灵活以太网技术 能 够通过 PHY/MAC 层协同调度实现时隙交换以保证时延、提高带宽利 9 用率，也能够与 SDN 技术结合实现对 L1 层的传输控制，实现 网络 动 态调整。目前灵活以太网技术主要用于 5G 承载网场景，作为未来网 络体系的基础性技术，还将进一步扩展至其他网络场景。 FlexE 技术旨在实现业务速率与物理通 道速率的解耦，多个客户 端可以共享 FlexE 组中物理通道的总速率，这一核心功能通过在传统 以太网架构的 PHY PCS子层和 MAC中间插入一个额外逻辑层 FlexE Shim 层并通过基于 calendar 的时隙分发机制来实现。 Shim 层将业务 逻辑层和物理层隔开，在 FlexE1.0 标准中可以把 FlexE 组中的每个 100GE PHY 划分成 20 个时隙的数据承载通道，每个 PHY 所对应的 这一组时隙被称为一个 sub-calendar，其中每个时隙对应的带宽为 5Gbps。根据客户端和 FlexE 组的映射关系， FlexE 可提供链路捆绑 、 子速率和通道化三种应用模式 （ 1）链路捆绑： 将多个物理通道捆绑起来，形成一个总速率的 逻辑通道，利用多个低速率物理管道来支持更高的速率的客户端，实 现大流量的业务传输，可以替代 LAG（ Link Aggregation Group，链路 聚合组）或 ECMP 并且能够避免哈希算法带来的低效率。如图 2-1 所 示， 4 路 100GE 的物理通道可以实现 400G MAC 速率传输。 10 图 2-1 链路捆绑示意图 （ 2）子速率： 当单条客户业务速率小于一条物理通道速率，多 条客户流共享一条物理通道时，能够在一条物理通道的不同时隙上分 别传递多个客户业务，多条客户业务流采用不同时隙，实现等效于物 理隔离的业务隔离，提供了一种不需要流量控制的物理通道填充方法。 提高物理通道的带宽利用率与物理通道的传递效率，实现网络切片功 能。如图 2-2所示，当客户端业务速率为 150G，一路物理通道为 100GE 时，这 150G 业务采用时分复用的思想分到两路物理通道的多个时隙 来实现传输。 图 2-2 子速率示意图 11 （ 3）通道化： 客户业务在多条物理通道上的多个时隙传递 ，分 布在多条不同物理通道的多 个 时隙上，多 个 客户共享多 个 物理通道。 客户业务在 FlexE 上传递时，根据实际情况选择不同的时隙组合，合 理利用物理通道带宽。如图 2-3所示，用户业务具有不同的速率需求， 而物理通道只有 100GE 这一种，类似于复杂化的子速率模式，所有 这 400GE 的客户业务共享这 4 路 100GE 的 物理通道，客户业务通过 时分复用的思想分到不同物理通道 的 不同时隙中。 图 2-3 通道化示意图 2.1.1 FlexE 架构 FlexE 技术在 IEEE802.3 基础上引入了 FlexE Shim 层，可以看作 将 Shim 层 置于 PHY 层 PCS（ Physical Coding Sublayer，物理编码子 层）上与以太网的 MAC 层进行对接， FlexE 的架构如图 2-4 所示。 其中物理层的 PCS 功能模块能够实现对业务流进行 64/66 编码并进 行扰码，实现 Lane 分配和 AM（ Alignment Marker，定位标志）信息 12 块的插入。 图 2-4 FlexE Shim 结构 在 FlexE 中，主要包含 Client， Shim 和 Group 三种组件。 FlexE Client 指的是对应于网络的各种用户接口 ， 与现有 IP/Ethernet 网络中 的传统业务接口一致， FlexE Client 可根据带宽需求灵活配置 ， 支持 各种速率的以太网 MAC 数据流 （ 如 10G 40G n*25G 数据流 ， 甚至非 标准速率数据流 ） ， 并通过 64B/66B 的编码的方式将数据流传递至 FlexE Shim 层。 FlexE Group 本质上就是 IEEE 802.3 标准定义的各种 以太网 PHY 层 ， 由于重用了现有 IEEE 802.3 定义 的以太网技术 ， 使 得 FlexE 架构得以在现有以太网 MAC/PHY 基础上进一步增强。 Shim 作为核心部件，是映射或反映射 client 和 group，实现 client 对 group 的多路复用以及 group 到 client 的解复用。 2.1.2 FlexE 技术 （ 1） FlexE Shim 层 FlexE Shim 层通过对 64/66 编码后的客户端业务流进行时隙排 13 列、成员分发和开销插入三个步骤实现 FlexE 速率与物理通道解耦的 核心功能，其实现客户业务承载的工作流程就是 Shim 层实现多路复 用的过程，如图 2-5 所示。 图 2-5 FlexE Shim 业务承载流程 首先，经过了 64/66 编码，所有的 FlexE 客户端必须进行速率调 整，以匹配 FlexE 组的时钟。所适应信号的标称速率略小于 FlexE 客 户端的标称速率，以允许为 FlexE 组的 PHYs 上的对齐标记和 FlexE 开销的插入留出空间，还会生成错误控制块用于插入未使用或不可用 的日历插槽。然后，每个 FlexE 客户端的 66 比特块按照一定顺序进 入到 calendar 中， calendar 中的 66B 比特块再按照一定的顺序分配到 FlexE 组的每个 PHY 物理通道中，并且由控制功能管理每个 FlexE 客 户端被插入到哪个日历槽中，并在传输方 向的每个 FlexE PHY 上插 入 FlexE 开销 。最后每个 PHY 的 66B 比特块流通过插入对齐标记分 配到该 PHY 的 PCS 通道，在 100GBASE-R 栈的 PMA 服务接口上出 现。 14 在业务流的接收端 FlexE 再使用解复用功能恢复信号，其过程是 复用功能的逆过程，经过解扰码，恢复出 66 比特块，寻找 FlexE 开 销块，确定 sub calendar，所有 sub calendar 拼装出 master calendar， 从中找出每条客户业务流，然后通过 idle 块的插入和删除进行速度调 整，进行 64/66 反编码，恢复出原始客户业务。 1） FlexE 帧 由于 FlexE 的灵活多变，相同 的物理链路上所承载的逻辑端口可 能是不同的，这就要求在传输数据的过程中有额外的信息能够标志物 理链路具体所承载的逻辑端口情况。 FlexE Shim 层通过 Overhead 提 供带内管理通道 ， 支持在对接的两个 FlexE 接口之间传递配置管理信 息 ， 实现链路的自动协商建立 。 具体而言 ，以 100GE PHY 为例， 一 个开销复帧 （ Overhead MultiFrame） 由 32 个开销帧 （ Overhead Frame） 组成 ， 一个开销帧则由 8 个开销时隙 （ Overhead Slot） 组成。 Overhead Slot 如图 2-6 中黑色数据块 所 示 ， 实际上是一个 64/66B 的原子数据 块。 Overhead Slot 每隔 1023 个 “ 20 Blocks” 出现一次 ， 但每个 Overhead Slot 中所包含字段是不同的。开销帧中 ， 第一个 Overhead Slot 中包含 “ 0 x4B” 的控制字符与 “ 0 x5” 的 “ O Code” 字符等信息。在信息传 送过程 ， 对接的两个 FlexE 接口之间通过控制字符与 “ O Code” 字符 的匹配确定第一个开销帧 ， 从而在二者之间建立了一个独立于图 2-6 绿色 Slot 的数据通道之外的管理信息通道 ， 实现对接的两个接口之 间配置信息的预先协商 等。例如 ， 某个 FlexE Client 数据流在发送端 的 FlexE Shim/Group 中的数据通道 Slot 映射信息位置等内容传送到 15 接收端后 ， 接收端可以从数据通道中根据发送端的 Slot 映射等信息 恢复该 FlexE Client 的数据流。 FlexE 的带内管理还可以交互两个接 口之间的链路状态信息 ， 传递 RPF（ Remote PHY Fault） 等 OAM 信 息。 图 2-6 FlexE 帧结构示意图 （ 以 100GE 为例 ） 30 2） calendar 结构 FlexE Shim 使用 calendar 将 FlexE 组的每个 PHY 的 sub calendar 上的 66比特块位置分配给每个 FlexE客户端。 calendar的粒度为 5G， 每 100G 的 FlexE 组可以分为 20 个时隙，每个时隙都能够容纳一个 66 比特块。支持两种 calendar 配置 :“ A” 和 “ B” calendar 配置。提 供这两个 calendar 配置是为了方便重新配置。 对于 n 个绑定 100GBASE-R 的 PHY 组成的 FlexE 组， calendar 的逻辑长度为 20n。按 calendar 分配的比特块被分配到长度为 20 的 n 个 sub calendar。并进入到 FlexE 组的 PHY 中传输。 FlexE 通过为每一个 Client 提供 Slot/Calendar 配置可更改机制， 实现所需带宽的动态调整。 FlexE 中，对接的两个接口之间通过开销 管理通道实时传递体现 Client 在 Group 中映射关系的两种不同 Calendar 配置信息： A 和 B（ 分别由 “0”或 “1”bit 表示 ） 。两组 Calendar A/B 可以动态切换，从而实现对应 Client 的带宽可调整。任意一个 16 Client 的带宽在两组 Calendar A/B 之间可能是不同的，通过切换，并 进一步结合系 统应用控制可以实现无损带宽调整。 Calendar A/B 的切 换通过开销管理通道内嵌的 Request/Acknowledge 机制实现。 （ 2） 交叉传输 FlexE 一层交叉是 FlexE 的一个重要应用，用于数据中继过程中 减少数据的传输 时 延。 FlexE 一层交叉是指一个 FlexE 组接收端收到 的数据不通过 FlexE 客户端 （ Client） 进入到 MAC 层 ，而是直接从 FlexE 客户端转发到另一个 FlexE 组的客户端 ，如图 2-7 所示，数据 从 PE（源）向 PE（宿）发送，途径的交换机为 P，数据到达 P 时不 会将数据传向 MAC 层，而是通 过交叉传输的方式直接从 Shim 层传 向下一个节点，并在到达目的接收端再解码上传数据 。 这种交叉传输 的方式是实现端到端 FlexE tunnel 的核心，是构成了 L1 层承载网的 基础。 图 2-7 FlexE tunnel 传输示意图 （ 3） FlexE tunnel 运行管理和维护 由于在 FlexE 中，数据通过一个端到端的“隧道”直接进行传输， 不再通过 MAC 层所获取的信息决定下一跳的转发，所以 FlexE tunnel 17 技术的实现需要额外的信息来进行传输管道的端到端监控和数据的 传输控制，因此在 FlexE中加入了携带 OAM（ Operation, Administration and Maintenance， 运行管理和维护）的信息块。 OAM 是一个特殊的 信息块，是基于 IEEE802.3 码块的扩展，符合 64/66 编码规范，并且 具备特殊的标志，可 以在接收端被识别和提取。 为了保证数据在网络中传输的可靠性，需要在 FlexE tunnel 中传 输时对数据进行保护。 FlexE tunnel 技术中保护策略在业务数据正在 传输的 tunnel 出现故 障时快速将客户业务 切 换到另外一条 tunnel 进 行传输 ，其保护模式分为“ 1+1” 保护和 “ 1:1” 保护 两种。 如图 2-8 所示，“ 1+1”保护模式允许数据 同时在两条 tunnel 中传 输 ，并在传输 目的点同 时检测两条 tunnel 的 数据传输的 质量，从 传输 质量高的 tunnel 中接收客户业务 数据。 图 2-8 FlexE tunnel“ 1+1”保护模式 如图 2-9 所示，“ 1： 1”保护模式存在两条承载通道 tunnel：主通 道 tunnel 和备通道 tunnel。在正常工作时，客户业务 在主通道 tunnel 传输，备通道 tunnel 可以传输低优先级客户业务。当主通道 tunnel 出 现故障 时，发送到和接收端协商并决策，同时将客户从主通道 tunnel 切换到备通道 tunnel 中传输。 18 图 2-9 FlexE tunnel“ 1： 1”保护模式 2.2 时间敏感网（ TSN） 时间敏感网（ Time-sensitive Networking， TSN） 用于 解决二层网 络 确定性保证 问题 12，目前主要 应 用于汽车控制领域、工厂内网 、 智能电网、 5G 等场景 。 TSN 通过一系列协议标准实现零拥塞丢包的 传输，提供 有 上界 保证 的低时延和抖动，为时延敏感流量提供确定性 传输保证。 2.2.1 TSN 架构 TSN 形成场景和网络架构如图 2-10 到图 2-13 所示 526。 根据 网元在网络中的位置， TSN 架构中的核心元素 可以分 为网关、桥设备、 端设备三个角色 。 网关设备主要部署于 TSN 域边缘，实现跨 层 及跨 异构 域之间的互通。网桥设备主要部署于 TSN 域内部，实现域内的 互联互通。端设备则指具备时间敏感网络功能的工业设备，包括 车、 工业自动化设备等 。 19 5 G 网 智能电网 汽车控制网络 工厂内网 无线连接 有线连接 图 2-10 TSN 形成场景 发送端 接收端 网络配置信息 网络配置信息 网络配置信息 网络配置信息 图 2-11 全分布式用户和网络 发送端 接收端 网络配置信息 网络配置信息 中央网络配置器 图 2-12 集中式网络、分布式用户 发送端 接收端 网络配置信息 中央网络配置器 中央用户配置器 图 2-13 全集中式网络和用户 TSN 桥将控制面和数据面分开。 控制协议作为高层的实体，如 SDN 控制器可以代替分布式协议提供控制能力。数据面包括了一个 20 MAC 中继节点和至少两个端口，如图 2-14 所示 26。 SDN 控制 控 制 面 数 据 面 中继 端 口 端 口 高层实体 MAC 桥 L AN L AN 图 2-14 IEEE 802.1 TSN 桥 2.2.2 TSN 技术 为了实现局域网的确定性传输，时间敏感网络实现 了 精确的网络 时间同步机制，调度不同优先级流量的流量整形机制 、 资源预留机制 和时间敏感 流量配置 机制 。 图 2-15 TSN 技术体系 （ 1） 时间同步机制 精准的网络时间同步是实现确定性网络的基础，在 TSN协议中， 21 IEEE 802.1 AS 和更新的修订版本 IEEE 802.1AS-REV 可以实现亚微 秒级的时间同步。 IEEE 802.1AS 采用 IEEE 1588-2008 中的通用精确 时间配置协议，简称 gPTP 协议。 gPTP 协议通过 BMCA 算法建立主 从结构形成 gPTP域，然后选出最精确的时钟源作为 GrandMaster（ GM） 时钟。在 gPTP 域内，主时钟和从时钟之间不断传递时间信息，并将 时间与 GM 时钟进行同步。 IEEE802.1 AS-REV 增加了在多个时域进 行时间同步的功能和冗余的能力，既能在某域内 GM 时钟发生故障 时实现快速切换到其他域的功能，还能提高时间测量精度。目前还存 在时间精度与硬件成本之间的权衡问题。 （ 2） 网络流量整形机制 为了实现确定延迟， TSN 利用帧抢占和流量整形机制在以太网链 路中实现确定的传输路径，流量整形机制通过为高优先级流量提供确 定的传输时隙来提供确定的传输时延，避免突发流量造成的重传和丢 包的影响。目前已经发布了几种流控制标准，比如 IEEE 802.1Qav （ Credit-based Shaper， CBS）， IEEE 802.1Qbv（ Time-aware Shaper， TAS） ， 802.1Qch（ Cyclic Queuing and Forwarding， CQF） 和 IEEE 802.1Qcr（ Asynchronous Traffic Shaping， ATS） 。 . . 交 换 模 块 q 1 : T T q n : B E 全局时钟 门控 列表 G a t e G a te . . T 1 : 0 1 1 1 1 1 1 1 T 2 : 0 0 0 0 0 0 0 0 T 3 : 1 0 0 0 0 0 0 0 T 4 : 0 1 1 1 1 1 1 1 . 入 端 口 出 端 口 图 2-16 TSN 门控调度 22 CBS 整形器 ： CBS 主要应用于音视频流量，它利用信用指标将 传输时间分为允许高优先级流量和普通优先级流量传输 的 两个时隙。 CBS 可以将单跳延迟限制在 250 微秒，但是增加了网络平均延迟。 TAS 整形器 ： TAS 可以提供更精确的确定性时延保障。 TAS 机制 要求所有网络节点的时间同步，然后利用门控列表控制不同优先级队 列的传输。 TAS 虽然有效减小了传输 时延，但是配置复杂，对网络节 点的时间同步 精度 要求很高。 CQF 整形 器 ： CQF 可以通过同步入口和出口的队列操作以降低 TAS 配置的复杂性，实现与网络拓扑无关的零拥塞丢失和有界延迟， 但对时间同步的要求也很高。 ATS 整形器 ： 为了有效利用网络带宽， ATS 基于 UBS（ Urgency- based Scheduler），通过在每一跳重塑 TSN 流，提供无需严格时间同 步的确定性时延。 为了减少低优先级流量对高优先级流量的干扰， IEEE 802.1 Qbu 帧抢占机制允许高优先级的流量打断低优先级流量的传输，帧抢占造 成的低优先级帧中断只发生在链路层，在下一个网桥的接口处，被中 断的帧会被重新整合成完整的帧。 Qbu 显著减小保护频带的字节数。 （ 3） 资源预留机制 为了实现对时间敏感流量的优先调度，需要有针对 TSN 流的资 源预留和准入控制机制。 资源预留机制负责路径预留和带宽限制。 资源预留 机制有分布式和集中式两种。 IEEE 802.1 Qat 流预留协 议（ Stream Reservation Protocol， SRP）基于 TSN 流的资源要求和当 23 前网络可用资源规定了准入控制 架构，通过多址注册协议，使用 48 位扩展唯一标识符来识别和注册业务流，为 AVB 流提供足够的资源 预留。由于 Qat 采用分布式的注册和预留方式，注册请求的变更有可 能使网络过载从而导致关键流量类的延迟。 IEEE 802.1Qcc 通过减小 预留消息的大小和频率来改善 SRP，使更新仅由链路状态或预留改变 触发。 Qcc 提供了一套集中式的全局管理和控制网络的工具，可通过 远程管理协议（如 NETCONF 或 RESTCONF）执行资源预留，调度 和其他配置。 MRP（ Multiple Registration Protocol） 提供了有效 的注册流方法， 但它保存流状态信息的数据库限制在大约 1500 字节。随着更多业务 流共存以及网络规模的增加，数据库成比例地增加， SRP 和 MRP 由 于注册流状态信息的数据库有限而无法扩展到具有实时性 IACS应用 的大型网络。 本地链路预留协议（ Link-local Registration Protocol， LRP）在点对点链路的两端之间有效地复制 MRP 数据库，并在网桥 报告新的网络状态时逐步复制更改。 LRP 还提供清除过程，当此类数 据库的源无响应时，删除复制的数据库。 （ 4） 配置 TSN 流量 TSN 流会根据应用需求在以太网 报头中的 802.1Q VLAN 标记中 的 PCP （ Priority Code Point） 和 VID（ VLAN ID） 中定义流的不同 优先级。 TSN 中有多个流管理标准，包括 IEEE 802.1CB（ FRER， Frame Replication and Elimina