切片分组网关键技术研究＊

王敏学 中国移动研究院网络与IT技术研究所项目经理

袁程磊 电信科学技术研究院第五研究所硕士研究生

1 SPN网络演进目标和能力

5G无线业务和家庭业务、政企业务、数据中心互联业务等多业务发展驱动着运营商聚焦构建高效、极简和超宽承载网络，支撑全云化新业务承载和敏捷新网络运营。承载网络向着综合承载方向演进，实现大带宽、低时延、高效率和智能化承载。为面对未来电信业务的发展，重点满足5G无线业务和专线业务的综合承载需求，通过对分组承载技术方案开展深入研究和测试验证，本文提出了切片分组网络（Slicing Packet Network，SPN）的新一代承载网络技术。

SPN发展演进以新架构、新业务、新运营为目标。新架构指全新的网络和技术架构，提供低成本的极简承载网络，将承载网带宽提升10～100倍、单bit成本降低10～100倍。新业务指聚焦承载网络新业务支持，提供全云化业务承载能力，时延降低10～100倍，业务连接数提升100倍。新运营指全新运维和运营模式，提供敏捷业务部署和智能化运营能力，将OPEX降低10倍。

为实现该目标，承载网络需要满足的关键能力包括以下几点：

（1）网络容量需求：实现大于每用户1Gbit/s的吞吐量能力，并提供高吞吐量下的QoS保障，支撑持续发展的视频、全息和虚拟现实等应用。承载网需具备低成本的大带宽提供能力。

（2）低时延需求：实现小于10ms乃至1ms的端到端时延，满足交互式体验和工业控制领域的严格要求。承载网需具备确定性的低时延提供能力。

（3）灵活连接需求：连接总量数十倍增长，匹配网状流量调度要求。

（4）网络能力开放：通过软件定义网络（Software DefinedNetwork，SDN）实现网络管道能力开放，满足端到端业务协同需求。

（5）管道切片能力：多样化业务带来网络多样化要求，运营商无法为每种业务构建单独网络，承载网络需具备网络灵活切片能力以匹配多样化业务承载要求。

（6）高可靠性需求：为增强现实、工业控制、远程医疗等新领域提供超高可靠性连接。

（7）智能运维需求：未来承载网络业务模型发生根本改变，要求提供网络切片和全网状互连流量，需要更加智能化的网络运维系统，以降低网络的OPEX。

2 SPN技术架构

SPN采用ITU-T的分层网络模型，以以太网为基础技术，支持对IP、以太网、CBR（ConstantBitRate，固定比特率）业务的综合承载。SPN技术架构如图1所示，转发面包括切片传送层（SlicingTransport Layer，STL）、切片通道层（SlicingChannelLayer，SCL）、切片分组层（SlicingPacketLayer，SPL）。此外，SPN技术架构还包括实现高精度频率同步和时间同步的时间/时钟同步功能模块，和实现SPN统一管控的管理/控制功能模块。

图1 SPN网络分层模型

（1）切片传送层（STL）：切片传送层基于IEEE 802.3以太网物理层技术和OIFFlexE技术，实现高效的大带宽传送能力。

（2）切片通道层（SCL）：为业务切片提供端到端通道化组网，通过切片以太网（SlicingEthernet，SE）技术，对以太网物理接口、FLexE绑定组实现时隙化处理，提供端到端基于以太网的虚拟网络连接能力，为多业务承载提供基于L1的低时延、硬隔离切片通道。基于SE通道的OAM和保护功能，可实现端到端的切片通道层的性能检测和故障恢复能力。

（3）切片分组层（SPL）：实现对IP、以太、CBR业务的寻址转发和承载管道封装，提供L2VPN、L3VPN等多种业务的分组交换和转发能力。SPL层基于IP/MPLS/802.1Q/物理端口等多种寻址机制进行业务映射，提供对业务的识别、分流和QoS保障处理。对分组业务，基于SegmentRouting（分段路由，简称SR）增强SR-TP隧道，提供面向连接的业务承载，基于SR-BE提供面向无连接的业务承载。

（4）时间/时钟同步功能模块：通过更精确的时间戳处理机制和PTP报文传输机制，大大降低单节点时间和频率的误差，提供超高精度的时间同步能力。

（5）管理/控制功能模块：通过标准化的模型、接口，实现管控一体控制器对设备的管理及控制。

3 SPN转发面关键技术

3.1 STL层关键技术

根据5G需求测算城域网带宽，接入环带宽达到25G以上，汇聚环接近80GE，核心环带宽超过110G，因此对新型以太端口的需求越来越高。由于不同网络层次对于设备接口的不同需求，在城域接入层可采用高速的灰光方案，近期可优选用50GE的PAM4光接口，此外可以采用单纤双向（BiDi）光接口避免光纤不对称影响时间同步精度；在核心层和汇聚层采用彩光技术（WDM），近期可优选100GE彩光接口。对于前传，在光纤受限时，可考虑简化的基于WDM的SPN设备，实现多业务、多接口的汇聚，实现前传、中传和回传的统一承载。

灰光接口的关键技术有PAM4和KP4的FEC。PAM4电平调制可以在波特率不变的情况下，获得2倍的数据速率，大幅降低光电器件复杂度和成本；另外FEC采用成熟的KP4降低光电器件要求，增加传输距离，实现以电补光。

彩光接口需要采用基于以太网的彩光模块，这方面IEEE、OIF已有成熟标准。此外，彩光以太网需要考虑和光层串通组网，SPN业务映射到光层，实现基于ROADM（ReconfigurableOpticalAdd-DropMultiplexer，可重构光分插复用器）的光层组网，可以极大地增加网络的灵活性和健壮性。

3.2 SCL层关键技术

业界在基于以太网的隔离技术上进行了很多有益探索，例如OIF主导的FlexE技术提供了基于以太网物理接口的切片机制，能提供有效的接口级隔离机制。但FlexE当前仅为接口切片级技术，无法满足运营商网络端到端组网调度的要求，故应增加切片以太网的交叉、OAM和保护能力等特性使其扩展为端到端的层网络技术。

切片以太网（SlicingEthernet，SE）技术基于原生以太内核扩展以太网切片能力，既完全兼容当前以太网络，又避免报文经过L2/L3存储查表，提供确定性低时延、硬管道隔离的以太网L1组网能力。切片以太网核心是基于64/66B以太网码流的端到端数据通道，其关键技术包括：

（1）基于以太网码块的交叉技术：基于以太网64/66B码块的交叉技术，实现极低的转发时延和TDM管道隔离效果。

（2）端到端OAM技术：基于IEEE 802.3码块扩展，采用空闲（IDLE）帧替换原理，实现切片以太网通道（SCL）的OAM和保护功能，支持端到端的以太网L1调度和组网，可实现低于1ms的网络保护倒换时间和高精度的误码检测能力。

（3）以太网业务透明适配技术：通过转码机制，实现对多种业务到切片以太网通道的适配，具备对以太网的透明承载和CBR业务的承载。

3.3 SPL层关键技术

5G无线接入网（RAN）和核心网（CN）的网络架构演进，对移动回传网络提出Mesh化、低时延、灵活调度和高可靠的业务承载要求。而传统PTN网络静态MPLS-TP隧道和L3VPN难以匹配5G业务承载要求，需引入灵活隧道连接技术和大网L3VPN技术。并且在SPL层可以通过分组低时延转发技术进一步降低时延。

3.3.1 SR隧道技术

SR隧道作为一种源路由技术，在隧道源节点通过一系列表征拓扑路径的段路由信息（MPLS标签）来指示隧道转发路径。SR隧道技术在复用传统MPLS转发面的同时，对MPLS控制面进行简化，有利于向SDN网络架构的平滑演进。SR隧道分为面向连接的SRTP隧道和面向无连接的SR-BE隧道技术，分别适用于5G基站回传的S1南北向业务和X2东西向业务承载。

SR-TP隧道技术是基于SR-TE隧道进行面向传送增强的点到点连接隧道技术，通过扩展SR-TE隧道携带PathSegment以标识一条端到端隧道连接，并支持ITU-TG.8113.1OAM检测能力。SR-TP隧道作为SRTE隧道的传送子集，既具有SR-TE灵活性又保留了传统MPLS-TP隧道传送能力，是现有移动回传网络MPLS-TP隧道的理想演进方案。SR-TP隧道转发如图2所示。

图2 SR-TP隧道转发模型

SR-BE隧道通过IGP协议自动扩散SR节点标签生成，可在IGP域内生成Fullmesh隧道。SR-BE隧道简化了隧道的规划和部署，适用于面向无连接的X2等业务承载。

3.3.2 大网L3VPN技术

SPN借助分层L3VPN组网和基于云化、服务化的集中管控技术应对大规模L3VPN组网。分层L3VPN组网将L3VPN区分核心域和接入域并分层分域部署，避免了众多接入域间直接互联，大幅降低设备压力及运维难度。此外，SPN采用集中L3VPN管控技术，既能继承PTN静态L3VPN运维经验，又可借助集中大数据分析技术实现业务可视、故障自愈、业务精细监控能力。

3.3.3 分组转发层低时延技术

分组低时延转发技术主要通过改善转发机制实现，首先要识别具有低时延业务标识的报文，然后对标识为低时延业务的报文进行快速转发，不进行队列处理，如果在转发此报文时，出方向接口上正在转发其他低优先级报文时，可对其进行抢占，从而实现快速转发。具体实现技术可参见IEEE802.1TSN（Time-SensitiveNetworking）工作组已发布的IEEE802.1Qbu帧抢占（Frame Preemption）和IEEE 802.3br散布直通流量（InterspersingExpressTraffic）技术。

通过快速分组转发技术，单节点转发时延可降低至10μs级别。TSN技术可作为SPN实现快速分组转发的机制之一。

4 超高精度同步技术

超高精度时间同步需要采用新的时间源技术和时间传送技术。应对新的网络构架，还需要新型接口的同步技术，以及控制层面的同步维护管理技术，具体包括以下4种技术：

（1）超高精度的时间基准源，同步精度优于±50ns，具体可采用新型卫星接收技术，高稳定频率源技术等。

（2）超高精度时间同步传送，可采用超高精度时间戳技术，使时间戳单元的精度优于±1ns。

（3）高精度的同步专用接口，可考虑1GE光同步接口、1PPS同步输出接口，支持新型带内业务接口同步，包括FlexE接口同步和eCPRI接口同步。

（4）智能时钟技术，为超高精度同步完的运行维护提供支撑，核心功能包括同步网自动规划、图形化动态同步状态查询、同步配置和运行状态监测和分析、智能故障定位、实时同步性能监控分析等。

5 SDN集中管控技术

SDN作为5G关键技术之一，可概括为“网络集中控制、设备转发/控制分离、网络开放可编程”。软件定义网络采用业务应用层、网络控制层和设备转发层的三层架构，提升5G网络资源利用率、业务快速布放、业务灵活调度以及网络开放可编程能力。此外，SDN控制器作为网络智能运营系统具备端到端管控能力、自动运维及分析能力、开放运营能力的发展趋势。

为适应SPN网络架构的变化，新的智能运营系统需要在服务架构、业务模型、驱动策略、运营流程、可靠性安全性保障等关键技术做出改变。其关键技术包括低耦合服务架构设计、自动化管理流程设计、端到端策略管理、统一开放模型设计、基于集群管理的高可靠性等。

在标准化接口方面，SPN设备和控制器将具备标准南向接口，采用BGP-LS、PCEP、Netconf协议。北向接口采用基于Netconf的统一接口。

6 结束语

本文从5G及专线业务对承载网的新需求出发，提出SPN技术体系。介绍和分析SPN架构特征和关键技术，转发面三层新技术包括STL层新的光层技术，SCL层切片以太网技术、SPL层SR隧道技术、大网L3VPN技术和分组转发层低时延技术等，此外SPN技术还包括超高精度同步技术、SDN集中管控技术，一系列新技术的融合共同构建新一代的承载网技术。

从2016年年底开始，中国移动联合华为、中兴、烽火等公司，针对5G等综合业务承载需求、SPN网络架构和关键技术进行深入探索和论证，经过一年多的SPN技术方案研制、系列设备开发和组网测试验证，表明SPN能够满足5G及其他城域网业务综合承载的需求。