基于FlexE的铁路承载网切片技术演进探讨

陈郑超

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

随着铁路5G-R 专网、大数据中心建设的快速推进，对于承载网在高带宽、服务质量承诺、安全性提出了更高的要求，如何基于综合承载网来满足各类业务的承载隔离需求，降低网络建设成本，简化网络运维，成为迫切需要解决的问题。

2 承载网切片技术

2.1 网络切片需求

网络切片技术主要满足以下几个方面的需求。

1）业务差异化的需求。对于不同应用场景的业务，有着巨大的差异化需求，以往通常通过建立物理分离的业务专用网络来满足，随着铁路信息化业务的爆炸性增长，这种业务专网的方式在建设和运维成本上经济性较弱。而通过网络切片技术可以在同一物理网络上根据不同维度来划分网络资源，创建逻辑分离子网，实现综合承载，复用网络基础设施。

2）业务快速验证和部署的需求。网络切片技术可很好地解决承载网在兼容现网在用业务的同时开展新业务的验证和部署问题。如现网GSM-R 业务已经大量部署，而5G-R 等新业务与既有业务应用场景有很大的区别，需要进行业务验证部署，对于承载网的调整将严重影响铁路行车指挥安全，通过在承载网上建立全新的5G-R 切片，并基于切片部署新增的5G 业务，实现与现网在用关键业务进行硬隔离，在加快新业务的验证与部署的同时减少对既有业务的影响。

3）业务隔离的需要。铁路承载网承载多种业务，安全性差异较大的业务之间需要通过物理隔离来保证安全性，而部分业务之间则需要互联互通，同时通过统计复用方式来提高网络利用率的经济性。传统的TDM 技术通过纯粹的刚性管道对业务进行隔离，保证了安全性但也牺牲了网络的统计复用能力，降低了网络的利用率。而网络切片技术可以根据业务安全性需求来划分独立的逻辑网络资源，实现不同安全需求业务之间的安全隔离，独立进行管理维护，同时也可以实现同类业务在同一网络切片之内的统计复用和互联互通，从而提高网络总体利用率。

2.2 网络隔离技术对比

网络隔离技术实现的关键是需要实现数据平面、控制平面和管理平面等多个平面的隔离，目前可以通过多种方案实现。

1）MPLS/VPN 方案

MPLS/VPN 采用MPLS 标签技术，在数据转发平面和控制平面进行业务隔离，通过为不同业务配置相应的VPN 实例,控制平面通过MP-BGP实现VPN 实例间路由隔离，数据转发平面通过LDP 协议建立端到端标签转发路径，VPN 之间通过MP-BGP 属性进行访问控制。VPN 实例可作为网络切片应用单独使用，支持二层和三层业务的部署场景，但MPLS/VPN 自身仍然需要通过三层的IGP/BGP 协议来建立和维护VPN 转发表项，通过绑定相应的策略来实现业务的QoS。因此，只能做到业务层面的逻辑隔离，无法实现针对关键业务的硬切片隔离能力。

2）信道化子接口方案

信道化子接口方案是二层逻辑接口层面的隔离保障技木，通过在物理接口配置802.1Q 逻辑子接口来实现接入业务的隔离，配置简单，但是各隔离实例仍然共用同一物理端口的硬件转发和缓存资源，通常需要和VPN 等三层隔离技术结合使用来实现业务的逻辑隔离，仍然无法实现业务的硬切片隔离能力。

3）FlexE 接口方案

FlexE 接囗通过在以太网层/物理层（L1）之间插入中间层FlexE Shim ，将物理带宽划分为多个独立的物理时隙，各时隙拥有完全独立的转发队列和缓存资源，通过将业务实例与时隙绑定，占用专有转发平面资源，实现各业务实例间完全的物理隔离和质量保证。

3 FlexE技术原理

3.1 FlexE接口技术

FlexE 接口技术通过在传统以太网（IEEE802.3）的物理层与MAC 层间插入FlexE Shim 层，将以太网MAC 层与物理层解隅如图1所示，从而实现了FlexE 接口可以灵活匹配各类物理速率。

图1 FlexE 接口逻辑架构Fig.1 Interface logic architecture of FlexE

FlexE 基于Client/Group 架构，可以支持任意FlexE Client 在FlexE Group 上的映射与传输，从而实现逻辑通道捆绑、通道化及子速率等功能。其中：

FlexE Client：对应标准以太网络的各种物理用户接囗，支持带宽需求灵活配置，支持多种速率的以太网数据流（如10 G、40 G、N×25 G 等），并通过64B/66B 编码的方式将数据流传递至FlexE Shim 层。

FlexE Shim：作为FlexE 技术的核心架构，在以太网MAC 层与物理层中间插入独立的逻辑子层，实现以太网MAC 层与物理层解耦，通过基于Calendar 的时隙分发机制来实现不同速率的用户以太业务在物理层的分发。

FlexE Group：与IEEE 802.3 标准以太网物理层定义一致，从而实现FlexE 与传统以太网兼容运行。

FlexE 的核心功能通过FlexE Shim 层实现如图2 所示，将FlexE Group 中的100 G 或更高物理带宽划分为多个5 G 带宽的逻辑子通道，每条物理链路所对应的这一组逻辑通道被称为一个Sub-calendar。FlexE Client 原始数据流中的以太网报文以原子数据块（为64/66B 编码）为单位进行时隙切分，通过FlexE Shim 层来实现FlexE Group 与物理链路的时隙对应与分发。FlexE Client 与FlexE Group 的映射也基于calendar 机制，按照每个FlexE Client流所需带宽以及Shim 层中对应每个物理链路中逻辑通道的分布情况来计算、分配Group 中可用的时隙，实现Client 数据流在Group 中的映射和承载。

图2 FlexE逻辑映射实现Fig.2 Logical mapping implementation of FlexE

根据FlexE 的技术特点，Client 可向上层应用提供各种灵活的带宽而不拘泥于物理带宽，根据Client 与Group 的映射关系，FlexE 可提供如下主要功能：

1)捆绑:通过多路物理链路捆绑，支持更高速率。如将8 路100 G 通道捆绑实现800 G 速率。

2)通道化:多路低速率数据流共享一路物理带宽。如在100 G 带宽上同时承载多路不同速率的数据流。

3)子速率(Sub-Rate):单一低速率数据流共享一路或者多路物理带宽，并通过特殊定义的报文头字段实现降速工作。如在100 G 物理链路上仅承载50 G 数据流。

3.2 FlexE交叉技术

FlexE 交叉技术是在FlexE 接口技术基础上，在物理层增加FlexE Client 时隙交叉和电信级OAM&保护功能，支持对于类TDM 业务的端到端的隧道组网，实现了类似于传统TDM 设备的物理隔离。同时，FlexE 交叉基于时隙交叉技术来实现业务直通转发，避免设备在分组转发过程中对于承载业务的成帧、组包、查表、缓存等处理过程，从而大大降低网络时延和抖动。

FlexE 交叉通过基于L1 时隙交换转发，通过配置时隙间交叉，实现基于固定径路和固定码率的转发处理，承载网络对于报文完全无感知，避免了分组报文转发的缓存、查表等操作，处理时延可达到μs 级别，几乎无抖动。

4 基于FlexE技术的铁路承载网应用部署建议

4.1 铁路承载网述求

随着铁路5G 专网的应用、数据中心规划建设以及网络云化进程加速，对于承载网来说不仅仅是流量的大幅提升，同时承载网也面临超低时延、高可靠、高度灵活、智能化等方面的挑战。从统一资源调度、统一运维管理、统一大数据应用等角度出发，铁路下一代承载网不仅要满足5G 专网的承载需求，同时还要满足运输调度、公安、客票、信息、智慧铁路、智能运维等其他不同方面业务的需求，支持移动、专线、宽带等数据统一承载和网络灵活演进能力。

因此铁路下一代承载网应支持超大带宽、超低时延、高精度时间同步传送、灵活组网调度、高效软硬管道能力、敏捷业务部署、网络级的分层OAM 和保护能力、高可靠性、智能管控、敏捷运维等特性。

4.2 铁路承载网应用建议

针对铁路综合承载业务场景，可以按照铁路承载业务安全性和LSA 需求在承载网上划分多个网络切片，如安全业务切片、实时视频业务切片、信息化业务切片，同时基于每个切片内创建具体业务的VPN，在切片间通过端到端FlexE 交叉进行硬隔离，切片内通过VPN 和QoS 实现业务的逻辑隔离，从而更好保证端到端业务隔离和带宽，同时具有更好的灵活性。

对于实时视频业务切片的场景，如视频监控、会议电视等实时性多媒体业务，通过切片来保证大带宽、低延时的应用场景，将符合需求的网络资源划到实时切片中，用于承载相关业务。

对于信息化业务切片场景，由于业务对承载网络SLA 无特殊需求，可以考虑在此切片中为业务预留足够带宽资源，并通过Differsev QoS 策略保证网络承载通道可用性和带宽。

对于安全业务切片场景，由于业务对安全性要求高，需要通过硬切片技术来实现端到端安全隔离保证网络来保证。

以铁路沿线的业务业务接入为例：

1) 对于5G-R 业务，接入设备侧采用FlexE 进行业务切片，对应5G-R BBU，采用独立的物理口接入承载网，可以绑定不同的VPN，并将多个BBU 业务在汇聚层共享5G-R 切片所划分的网络资源，切片内各类业务通过Diffsev QoS 进行带宽保证，配置CIR 来保证承诺带宽，业务间共享PIR 峰值带宽。切片之间通过FLexE 接口实现5G-R 切片与其他业务切片业务隔离；

2) 对于铁路信息化业务,业务末端节点可通过GPON 或以太网汇聚接入承载网络，并通过层次化VLAN 实现业务逻辑隔离和区分，绑定到不同的业务VPN，通过VPN 实现业务隔离，各类业务可以共享承载网切片内的网络资源，同时其他切片业务之间完全隔离；

3) 对于有着严格安全等级保护要求，或者对于时延、抖动等QoS 指标有着极高要求的业务，可以采用FlexE 交叉方案，采用基于业务流的TDM 的码流交叉方式，无需进行寻址，通过时隙交叉完成业务流转发。基于FlexE 交叉形成的网络切片，切片间的业务互相隔离不可见，可以实现关键业务数据包的严格隔离和带宽保证，极低时延和抖动的QoS 指标。但由于FlexE 接口的带宽颗粒度相对固定，如果所有业务均通过FIexE 交叉来实现物理硬切片,需要在全网配置大量的端到端隧道，对于网络配置、调度资源压力很大，业务部署灵活性较差，无法实现网络资源的有效复用。因此建议将FlexE交叉方案作为有严格安全性要求的重要专线业务和极低时延抖动高可靠性业务切片使用。