5G TSN-IP確定性時延保障方案設計及創(chuàng)新應用驗證

5GTSN-IP確定性時延保障方案設計及創(chuàng)新應用驗證工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IndustrialInternet5GTSN-IP確定性時延保障方案設計及創(chuàng)新應用驗證5GTSN-IPDeterministicDelayGuaranteeSchemeDesign)XingJianqing，WangDuyan，LiuXiwu，ChenHuawang(ChinaUnicomGuangdongBranch，Guangzhou510627，China)摘要：當前5G網(wǎng)絡在工業(yè)、電力、港口等行業(yè)的業(yè)務場景和業(yè)務類型呈爆炸式增長，不同行業(yè)的業(yè)務需求差異化顯著，而且要求嚴格的網(wǎng)絡性能指標保障。但是傳統(tǒng)網(wǎng)絡無法區(qū)分這些業(yè)務之間的優(yōu)先級高低，導致IP網(wǎng)絡的端到端SLA無法得GTSNIPR16中應運而生。首先分析傳統(tǒng)IPQoS面臨的挑戰(zhàn)，介紹5GTSN-IP實現(xiàn)原理，探討5GTSN-IP落地方案設計，最后基于典型應用場景中的不同業(yè)務需求設計測試方案，并進行測試驗證，證明了5GTSN-IP的網(wǎng)絡確定性保障能力。關鍵詞：n文章編號：1007-3043(2022)10-0059-06開放科學(資源服務)標識碼(OSID)：striessuchasindustrypowerandportsaregrowingexplosively.Thebusinessrequirementsofdifferentindustriesarehighlydifferentiated，andstrictnetworkperformanceindexKeywords：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量，但不做任何量化SLA承諾。現(xiàn)網(wǎng)中大部分業(yè)務基于最短路徑轉發(fā)，設備轉發(fā)面并不量化預留資源，在部分業(yè)務突發(fā)EF)帶寬不匹配，或者多個流匯聚等情況下，可能產(chǎn)生收稿日期：2022-08-28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，5GTSN-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)先級與調度機制，從而實現(xiàn)5G網(wǎng)絡服務質量差異化保障。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]。如郵電設計技術/2022/1059工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IndustrialInternet5GTSN-IP確定性時延保障方案設計及創(chuàng)新應用驗證圖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。231出接口4 7 45 72231出接口4 7 45 72461入接口2入接口3767654321口隊列順序利用網(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Pa)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-HopBehavior，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轉發(fā)，1ms業(yè)務和20ms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5GTSN-IP技術突破當前瓶頸，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡需求。2TSN-IP方案設計2.1TSN-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發(fā)面時延隊列調度設計，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TSN-IP系統(tǒng)③基于設備轉發(fā)面上報的流量特征數(shù)據(jù)進行建模④基于網(wǎng)絡拓撲信息，業(yè)務需求信息和流量模型建模結果進行網(wǎng)絡級規(guī)劃⑤⑤規(guī)劃結果下發(fā)設備②業(yè)務入口設備轉發(fā)面流量特征上報MER_03①業(yè)務入口設備轉發(fā)面學習流量特征MER_04⑥接口隊列規(guī)劃結果如規(guī)劃2個隊列，其中隊列劃結ER_021時延上界為0.2msMAR01(Q1)→MER01(Q1)→MER02(Q1)→MAR02Testgine_01msMER_02圖2TSN-IP實現(xiàn)原理示意圖等參數(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)轉發(fā)路徑，最終給出節(jié)點級和網(wǎng)絡級的時延上界承諾。在設備級，TSN-IP將網(wǎng)絡演算理論應用于設備端型和設備調度服務模型，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。 節(jié)點 節(jié)點n+2全局規(guī)劃算法業(yè)務流量業(yè)務流量模型建模調度能力設備服務模型計算網(wǎng)絡演算理論基礎節(jié)點n+1圖3TSN-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。2.2設備級方案設計2.2.1業(yè)務到達模型建模方法602022/10/DTPT5GTSN-IP確定性時延保障方案設計及創(chuàng)新應用驗證工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IndustrialInternetb8b76543210到達曲線輸入流的增量上界到達曲線輸入流的增量上界Arrivalcurve服務曲線系統(tǒng)所提供服務的下界icecurveRatelatencyB(t)=max(0，R(t-T))網(wǎng)絡服務能力?路徑業(yè)務特征?流數(shù)量?流量模型時延性能?時延上界網(wǎng)絡計網(wǎng)絡計算算法1T23451D=Ti+bi/Ri(最大水平距離)圖4網(wǎng)絡演算理論基本原理基于設備轉發(fā)面采集上報的實時測量信息，如報文長度等信息，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到達到達特征信息業(yè)務出流量業(yè)務入流量控制器分析模塊④流量模塊④流量模塊擬合模塊③流量特征解壓還原模塊設備轉發(fā)面①流量特征提取模塊②流量特征壓縮上送模塊圖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DWRR果，為不同的時延隊列配置資源預留值/調度權重。在頂層端口隊列使用嚴格優(yōu)先級(StrictPriority，SP)調度，優(yōu)先調度時延隊列(時延敏感業(yè)務)，然后調度其他隊列(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。3TSN-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(Advan?管控系統(tǒng)完成流量特征提取，將流量特征提取結果通知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)劃結果通過Telnet/SSH(SecureShell)下發(fā)給ATN/MER(X8A/X16A)設備。5GTSN-IP測試方案拓撲圖如圖6所示。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。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郵電設計技術/2022/1061工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IndustrialInternet5GTSN-IP確定性時延保障方案設計及創(chuàng)新應用驗證測試儀測試儀3010GE0/2/700GE1/0/0EGE/1/8GE0/3/22用于測試業(yè)務模擬用于背景流量模擬現(xiàn)網(wǎng)機房_2MER3X8AGEMER4X16A現(xiàn)網(wǎng)機房_1MER1X8AMER2X8A12345TSN-IP規(guī)劃工具 (PC/Laptop)GE6789測試儀測試儀3010GE0/2/700GE1/0/0EGE/1/8GE0/3/22用于測試業(yè)務模擬用于背景流量模擬現(xiàn)網(wǎng)機房_2MER3X8AGEMER4X16A現(xiàn)網(wǎng)機房_1MER1X8AMER2X8A12345TSN-IP規(guī)劃工具 (PC/Laptop)GE6789GE50GE0/5/050GE0/5/0ATN2980C 10GE實驗網(wǎng)機房12345678TSN-IP管控系統(tǒng)流量特征分析器 GE流量特征提取(M2K)ATN1980C圖65GTSN-IP測試方案拓撲圖三大業(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3GPPTS122.104[9]。3.3典型測試用例驗證結果測試用例，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。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)務需求通信服務可用性/%端到端時延/ms承載網(wǎng)分解時延/ms計劃模擬終端數(shù)量傳輸間隔/us833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)務測試儀配置突發(fā)速率每突發(fā)報文數(shù)/個256833圖7為分析器從設備轉發(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)。建模擬合結果如圖8所示，呈現(xiàn)結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)大小等建模結果，建模結果能夠包絡目標業(yè)務流量到達曲線。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。622022/10/DTPT5GTSN-IP確定性時延保障方案設計及創(chuàng)新應用驗證工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IndustrialInternet5.00K4.00K3.00K2.00K0圖7業(yè)務達到模型監(jiān)控最終擬合結果數(shù)據(jù)包大小(Byte)025256峰值速率最大突發(fā)(Byte)平均速率圖8建模擬合結果表3龍門吊控制信號典型業(yè)務需求通信服務可用性/%端到端時延/ms承載網(wǎng)分解時延/ms計劃模擬終端數(shù)量傳輸間隔/ms6表4龍門吊控制信號業(yè)務測試儀配置包長/B突發(fā)速率每突發(fā)報文數(shù)/個突發(fā)間隔/ms2566圖9為分析器從設備轉發(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)。建模擬合結果如圖10所示。呈現(xiàn)結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)大小等建模結果，建模結果能夠包絡目標業(yè)務流量到達曲線。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。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)。2.50K2.00K0圖9業(yè)務達到模型監(jiān)控郵電設計技術/2022/1063工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IndustrialInternet5GTSN-IP確定性時延保障方案設計及創(chuàng)新應用驗證最終擬合結果數(shù)據(jù)包大小(Byte)25250峰值速率最大突發(fā)(Byte)平均速率圖10建模擬合結果表5工廠自動化運動控制典型業(yè)務需求通信服務可用性/%端到端時延/ms承載網(wǎng)分解時延/ms計劃模擬終端數(shù)量傳輸間隔/ms11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總結實驗結果表明，5GTSN-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)大腦等技術結合，可在更大范圍內實現(xiàn)網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化策略的協(xié)調，以達到提高運營商全網(wǎng)資