面向“新基建”业务的OTN网络时延优化方案及实践

曹飞 孟超 陆源 张立明

1.烽火通信科技股份有限公司；2.中国联合网络通信有限公司山东省分公司；3.山东省邮电规划设计院有限公司

0 引言

新型基础设施建设（简称 ：新基建），主要包括5G网络、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、数据中心、工业互联网等领域，涉及诸多产业链，是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系。新时期运营商的发展与新基建领域业务是息息相关的，其中4K/8K高清视频+VR、5G业务、政企专线、DC接入/DC互联四类创新业务将是未来运营商城域业务的发展焦点，而大带宽、低时延是5G和云时代业务的共性需求，也是大部分新基建领域业务的共性需求。

无论是大带宽还是低时延，基于波长复用的OTN光网络技术都显示了巨大的承载优势。大带宽方面，单波100G OTN网络已广泛应用在干线网络和本地网络的核心汇聚层，未来将向单波200G/400G等超100G演进。低时延方面，由于OTN网络支持设备处理信息的层级位于最底层的L0和L1层，时延接近物理极限，因此OTN网络是打造未来低时延网络的最佳选择。在时延优化方面，目前现网已部署的OTN系统还面临着一些问题：（1）组网架构多为环网，业务穿通节点多，增加了网络整体时延；（2）背靠背堆叠设备实现跨层互联从而影响时延；（3）设备器件存在优化空间，如FEC、OTN封装方式等。

本文从新基建业务需求角度出发，重点分析时延方面的需求挑战，针对OTN网络制定网络时延优化的具体方案，通过ROADM/OXC等技术减少网络层级，结合OTN一体化网络部署实现架构优化，并通过部分案例分析优化效果。

1 新基建业务对传送网需求的挑战

1.1 新基建业务需求分析

“新基建”与传送网专业强关联的领域主要是5G网络和数据中心，衍生领域包含工业互联网、人工智能等，主要特征是需要传送网提供大带宽、低时延、敏捷、安全的传输通道。新基建传送网需求分析如表1。根据表1分析，5G网络、DC互联、高品质价值政企专线和工业互联网等均提出了低时延特性需求，尤其是面向党政军和金融类的高品质专线诉求更加明显。

表1 “新基建”领域的传送网诉求分析

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1.2 时延挑战分析

超低时延的实现需要一系列技术有机结合，系统设计中如传输速率、时延、可靠性等性能指标之间常常存在着一定程度的此消彼长、相互权衡的关系，一个维度的优化往往会导致另一个维度性能的退化。因此需要针对业务类型，合理权衡与协调时延与其他性能指标实现之间的关系。网络面临的时延挑战主要分为以下几个方面：

挑战一：5G低时延需求

5G低时延是为实现eMBB移动宽带增强、mMTC大规模物联网、uRLLC超高可靠超低时延的能力而提出的。ITU、IMT-2020推进组等国内外5G研究组织机构均对5G提出了毫秒级的端到端时延要求，理想情况下端到端时延为1ms，典型端到端时延为5-10ms左右。我们目前使用的4G网络，端到端理想时延是10ms左右，LTE的端到端典型时延是50-100ms，这意味着5G将端到端时延缩短为4G的十分之一。5G网络的时延主要有3段，空口接入时延约占25%，承载网时延约占25%，核心网时延约占55%。5G网络技术中提出全光网实现低时延的重要支撑，新型的多址技术以节省调度开销，同时基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）实现网络切片并采用FlexE技术使业务流以最短、最快的路由到达目的用户。

挑战二：热备、多活数据库要求极低时延

根据数据读写时延分布，读写效率提出了苛刻的时延要求，以Oracle为例，在10ms时延下，数据库IO性能基本可以保证，满足多活等高可靠要求。数据库时延分段包含了服务器应用时延、设备时延和光纤时延。SCSI一次写需要两次指令，写指令和数据发送，一次IO需要2倍的RTT时间，只有在端到端业务时延10ms下，数据库集群读写效率才能保证。保证E2E时延＜两端应用时延+两端设备时延×2+光纤时延×2。网络时延的降低，可以成倍（2次RTT）减少E2E应用读写时延，提升数据库读写效率，获得更大收益。

挑战三：新型时延敏感业务使传统网络面临巨大挑战

分布式数据中心等东西向业务以及VR、工业控制、车联网等新业务类型，提出ms级时延要求，传统网络难以满足，而金融实时交易业务驱动对更低时延的“极致追求”。根据《撮合交易原则》，证券期货交易，以价格优先、时间优先为交易原则，证券公司对运营商政企专线网络提出了μs级别需求，且传统网络无法满足云资源快速响应和灵活调度的需求，云网协同业务客户期望值当前是天级开通（小于3天），未来降至分钟级。新型时延敏感业务的苛刻时延要求使得各运营商均建设了基于OTN技术的政企精品专网来满足客户诉求。新型时延敏感型业务时延需求详见图1所示。挑战四：OTT提供高质量专线，威胁运营商专线市场

图1 新型时延敏感业务时延需求

当前部分OTT专线采用了自建骨干网模式，即在接入部分，企业通过运营商的城域链路接入到OTT的就近POP点。在骨干部分，OTT在城域POP点把企业专线调度到自身的骨干网，以提供企业长途专线服务。运营商城域部分通常QoS较好，OTT骨干侧QoS好，因此可提供端到端的良好业务体验。由此运营商的压力和挑战凸显，运营商较好的为OTT专线解决了“最后一公里”问题，但是自身的链路被旁路，无法为企业带来明显效益。应对OTT自身骨干专线模式，运营商需要建设一体化OTN政企精品网，以提高差异化竞争能力（大带宽、低时延、智能管控等），同时以优质的网络、服务和单GB建设成本等优势来应对市场竞争。

2 OTN网络时延优化方案

2.1 OTN网络时延分析

（1）网络时延构成

一般网络时延由传播时延（Propagation Delay）、传输时延（Transmission Delay）、处理时延（Processing delay）、调度时延（Queuing Delay）构成，如图2所示。

图2 新型时延敏感业务时延需求

传播时延是指信号在传输介质中传播所花费的时间，与传播速度、通信距离有关。对于光传送网OTN来说，传输介质即是光纤，单向时延为5μs/km。传输时延是指站点发送或接收一个数据帧需要的时间，与数据帧长、链路速率相关，对于100G OTN传输系统来说，OTU4帧周期为1.168μs，在采用高速接口设备时传输时延在网络时延中占比较低。处理时延是指数据转发花费的时间，包括头部处理、差错校验、路由表查找等，取决于节点的处理能力和数据处理的复杂度。调度时延是指数据在输入和输出缓冲区排队花费的时间，与网络拥塞状况、队列调度机制相关。比如分组网络中应用Qos策略，可保证高质量业务的低时延要求。

网络时延影响的大小与网络工作层级呈正比关系，即工作层级越低，时延越小。交换机和路由器的处理时延一般为1ms-10ms，而OTN网络工作在OSI七层协议模型的L0/L1层，节点时延可达μs级别，LO层的光器件则可达ns级别。如表2所示。

表2 OSI对应网元时延

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（2）OTN时延测量

根据G.709关于时延测量的定义，OTN通过下插PM/TCM层的开销实现时延测量。如图3所示，时延测试发起端进行业务封装的同时在ODUk开销中打上时间戳，同时启动计时器；时间戳随着业务传递到时延测试终结端环回，反向传输给发起端；发起端接收到反向传输回来的时间戳，与计时器进行比较即可得到双向时延；考虑到OTN电路的双向对称性和路由一致性特点，往返时延的一半即可认为是单向传输时延，从而实现对网络高精度端到端时延的监控测试。

图3 OTN网络时延测量原理

2.2 OTN网络时延优化方案

OTN网络时延优化方案与影响OTN网络时延的要素息息相关，归纳为以下几点：

（1）时延影响关键要素：光纤、DCM补偿光纤、组网架构（减少背靠背节点串接）。

优化方案：光层时延主要取决于光层的物理传输路径，受物理光速限制，一般通过减少信号传输距离来降低时延，包含选择直达路由、减少跳接、通过合理的局站设置减少引接距离等，此外还可以通过电域补偿色散代替色散补偿光纤的使用（单波100G以上系统已经考虑）。

如图4所示，组网架构方面，重点地市城域核心匹配DC节点启用ROADM/OXC实现MESH化演进，节点间通过ROADM一跳直达，时延最优。传统OTN网络采取环网模式组建城域OTN网络，业务需要经过逐层转发，导致业务路径长，不仅耗费大量中间站点的传送资源，还增加整体网络时延。城域重构网络的核心层采取MESH化组网架构，任意两点间通过直达光纤实现时延优化，汇聚层每个节点配置ROADM或OXC实现业务的直达穿通，实现一跳直达核心节点，进一步降低时延。

如图5所示，跨域对接方面，省干和本地网对接采用集群共电架或NNI对接取代传统的背靠背UNI方式。传统跨域互通模式采取的是UNI模式，不同层级的设备背靠背堆叠，配置支路板对接，业务需要经过“线路板-支路板-支路板-线路板”上下电层处理；优化后，如采取NNI模式，不同层级的设备通过“线路板-线路板”对接，减少了节点板卡处理时延；如采取集群模式，2个层级的2端设备简化为1端设备，进一步减少了电层处理时延。

图4 OTN组网架构优化方案（环网-MESH）

图5 OTN省本对接优化方案（传统UNI-集群/NNI）

（2）时延影响次要因素：AFEC/FEC、OTN封装方式。

优化方案：AFEC/FEC是光纤之外影响时延的最主要因素，FEC Buffer缓存有效负荷和纠错模块，引入了时延；AFEC还缓存了编码间的纠错开销，再次引入时延，多级AFEC在获得更高增益的同时，进一步加深了FIFO的深度。FEC影响级别20μs左右，AFEC影响级别100μs左右。针对FEC降低时延的具体建议如下：1）系统仿真时提升OSNR余量，减少长跨，减少FEC/AFEC的使用或尽量减少多级编码层级以降低时延。2）根据应用场景灵活配置FEC纠错能力，在满足系统误码要求的情况下，配置时延最小的FEC算法，而非纠错能力最强的FEC算法。3）通过FEC算法优化，进一步降低时延。

OTN封装，以典型的GE封装为例，时延大小为TTT+GMP＜GFP-T＜GFP-F。GFP-T方式是填充IDLE帧后，将GFP帧映射到OPU0开销中，缓冲数据多。GMP通过sigma-delta算法将客户业务均匀装载到OPU开销中。同样映射到ODU0颗粒，TTT+GMP封装时延更小。因此建议在业务封装方面，优选低时延封装模式（如GMP）来降低时延。

综上所述，OTN网络优化方案主要从组网方式、设备器件及光纤路径等方面降低时延，基本举措包含网络扁平化、减少网络层级，以及光纤优化等，可以解决时延构成的90%以上。此外，额外举措包含优化FEC性能、采用相干通信减少DCF影响等，可以解决时延构成的10%左右。

图6 OTN优化方案总结

2.3 案例分析

（1）沿“黄河轴线”一体化业务时延优化

黄河轴线JN-QH-DZ新旧动能转换区一体化，适应中心城市“圈层式”一体化趋势，满足主要经济带和城市群的连续感知要求。针对新旧动能转换综合试验区，打破干线本地格局，降低专线电路时延，提升用户感知；降低专线成本，增加市场竞争力。参照组网架构优化方案，实施省本对接及网络架构优化，通过减少路径迂回，减少设备及网络间的背靠背对接，如图7所示。

图7 OTN优化案例1-省内重客专线

一条QH至JN的100M EOS专线时延，通过加载业务电路进行测试验证，优化前后的传输时延实测数据由2785μs降低为940μs，降低了66%，如表3所示。

表3 案例1优化前后实测时延数据

（2）跨域证券专线时延优化

L证通（地市DC）到省会证券公司（XX证券）专线，客户投诉时延大，期望优化。原业务路径通过本地SDH、省干SDH网络承载，路由需经过其他地市迂回。路径：JNDXCXX大厦-XX新时空-XXDXC，电层节点多。优化方案采取PEOTN网络扁平化层级方案，采取集群方式，干线启用基于ROADM的省干+国干政企精品OTN网络承载，双向时延由12ms降低至6ms，其中由光纤路径优化带来的时延降低达5.58ms（约占93%），由设备节点优化带来的时延降低达0.31ms（约占5%），由集群减少节点处理带来的时延降低达0.11ms（约占2%），如图8所示。

图8 OTN优化案例2-集团高价值金融专线

3 结束语

新基建时代，低时延是非常重要的业务属性，波分传输技术的低时延特性为应对时延挑战提供了契机。OTN网络相比传统传输网络（比如SDH、IPRAN），以及新型承载网络（比如STN、SPN、智能城域网等），有其天然的时延优势。新时代，OTN网络既可以作为底层承载网，又可以作为面向高品质专线的业务网。现有OTN网络要在新时期业务驱动下做好时延优化，继而打造端到端一体化精品网络，为即将到来的新基建业务奠定承载基石。