確定性網(wǎng)絡(luò)，這條網(wǎng)絡(luò)“超級高鐵”有多絕？

近日，國家發(fā)改委批復(fù)同意8地啟動建設(shè)國家算力樞紐節(jié)點(diǎn)，拉開了國家級算力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的大幕。算力網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度策略不但依賴算因子，也依賴網(wǎng)因子。其中網(wǎng)因子中的關(guān)鍵指標(biāo)之一就是時(shí)延抖動。確定性網(wǎng)絡(luò)因其具備提供確定的丟包和抖動的能力，成為支撐算力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)。

究竟何為確定性網(wǎng)絡(luò)?它與現(xiàn)存的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有什么區(qū)別?下面讓我們來揭開它神秘的面紗。

幾十毫秒到幾毫秒

以太網(wǎng)里的超級高鐵

自上世紀(jì)70年代3Com公司發(fā)明以太網(wǎng)以來，由于其簡單的網(wǎng)絡(luò)連接機(jī)制、充沛的帶寬以及可擴(kuò)展性和兼容性而被廣泛使用，但是，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)絡(luò)采用的是“盡力而為”的方式傳輸數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)對傳送時(shí)延和抖動的準(zhǔn)確控制。對于許多新興業(yè)務(wù)，例如智能駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、智慧交通、工業(yè)控制、智慧農(nóng)業(yè)、遠(yuǎn)程手術(shù)、無人駕駛、VR游戲、智能服務(wù)等來說，需要精確地控制端到端時(shí)延和抖動，傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)就顯得力不從心了。因此，需要建立一種可提供“準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確”數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量的新一代網(wǎng)絡(luò)，能夠具備確定時(shí)延、確定抖動、確定丟包率的能力?？梢哉f，確定性網(wǎng)絡(luò)是一種提供確定性服務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上為多種業(yè)務(wù)提供端到端確定性服務(wù)質(zhì)量保障的一種新技術(shù)。

確定性網(wǎng)絡(luò)就好比在以太網(wǎng)絡(luò)里建設(shè)了一條超級高鐵，能夠有效時(shí)鐘同步、零擁塞丟失、超可靠的數(shù)據(jù)包交付，并與“盡力而為”的服務(wù)共存。此外，還可以像高鐵一樣進(jìn)行定點(diǎn)發(fā)車、長距傳輸，通過周期映射和周期規(guī)劃確定到站時(shí)間，并且每站定長停靠，最終保證端到端時(shí)延可預(yù)期。

確定性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建離不開芯片底座

為了實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)，需要在網(wǎng)絡(luò)中融合諸多新的技術(shù)如融合高精度時(shí)間同步技術(shù)、確定性隊(duì)列技術(shù)、FlexE技術(shù)及高性能硬件OAM等。集成如此超大規(guī)模的功能，也對芯片設(shè)計(jì)提出了一系列要求：

5納秒超高精度時(shí)間同步能力：

這是支撐確定性轉(zhuǎn)發(fā)路徑測量與標(biāo)識的基礎(chǔ)。確定性轉(zhuǎn)發(fā)路徑需要所有轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元基于同一個(gè)時(shí)間標(biāo)識，各個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元基于全局統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)選擇報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)機(jī)，進(jìn)而達(dá)到縮短時(shí)延與抖動的效果;

極限芯片資源占用：

每一項(xiàng)單技術(shù)模塊都會占用不少的芯片資源，在業(yè)界單單是FlexE MAC資源規(guī)模就可以獨(dú)立做一個(gè)芯片(如2019年Microchip單獨(dú)發(fā)布了一款META-DX1的FlexE芯片)，而確定性網(wǎng)絡(luò)必須將更多的功能融合在一起，對整個(gè)芯片資源利用效率提出極高的要求;

多接口、多速率適配：

為了滿足各種工業(yè)場景使用，確定性網(wǎng)絡(luò)要適配各種帶寬速率，從GE到400GE。在一個(gè)架構(gòu)中同時(shí)適配多速率物理接口，并且要能夠?qū)崿F(xiàn)多種速率靈活切換和對多速率的自適應(yīng);

靈活可編程：

確定性技術(shù)發(fā)展方興未艾，未來技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還在不斷發(fā)展，因此只有可編程的靈活模組才能不斷滿足對確定性技術(shù)的持續(xù)探索。

確定性網(wǎng)絡(luò)必由之路：抖動壓縮方案

目前，業(yè)內(nèi)探討最多的確定性網(wǎng)絡(luò)方案包括時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)和基于CSQF的廣域網(wǎng)確定性時(shí)延抖動方案。前者能夠?qū)τ谥匾臄?shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級傳輸，但對于非重要的數(shù)據(jù)排隊(duì)的情況可能會更加嚴(yán)重。后者通過時(shí)隙映射，周期性排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)方式，保障網(wǎng)絡(luò)的整體通暢，還是具有較大的平均延遲，為此，新華三集團(tuán)提出了建設(shè)確定性網(wǎng)絡(luò)的新思路：基于抖動壓縮的簡單實(shí)現(xiàn)確定性傳輸?shù)脑瓌?chuàng)方案。

對于輕載網(wǎng)絡(luò)而言，它無需全網(wǎng)設(shè)備都支持CSQF，只需在入網(wǎng)和出網(wǎng)兩端支持抖動壓縮即可，從而兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。通過路徑規(guī)劃、時(shí)延檢測和抖動壓縮三步，抖動壓縮方案實(shí)現(xiàn)了端對端確定性時(shí)延、抖動和零丟包?？梢哉f，這一種方案同時(shí)兼顧了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)和基于CSQF的廣域網(wǎng)確定性時(shí)延抖動方案的優(yōu)點(diǎn)。

從硬件上來看，新華三確定性網(wǎng)絡(luò)的新方案，不但繼承了可編程FlexE模組的高精度時(shí)鐘能力、網(wǎng)絡(luò)切片能力還融合確定性業(yè)務(wù)隊(duì)列能力，更增加了對10G/GE等低速率接口的支持，滿足確定性網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)場景各種帶寬下的應(yīng)用需求。大幅提高了網(wǎng)絡(luò)的兼容性，無需開辟新的路徑就可以將確定性網(wǎng)絡(luò)所需要的關(guān)鍵硬件能力統(tǒng)一集成。

從軟件上來看，也繼承和擴(kuò)展了SRv6可編程能力，創(chuàng)新性地通過SRv6 SID攜帶確定性網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)信息，并支持北向?qū)涌刂破鬟M(jìn)行全局的確定性路徑和發(fā)送窗口編排，為確定性網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署提供了能力。

驗(yàn)證結(jié)果表明，在高優(yōu)先級隊(duì)列不擁塞情況下，即使是多跳跨域環(huán)境，基于抖動壓縮方案端對端抖動的范圍也能控制在一個(gè)合理區(qū)間之內(nèi)。新方案對調(diào)度周期的閥值、抖動范圍和偏移等參數(shù)都能靈活控制。相比于TSN的兼容性差和CSQF的較高部署成本，基于抖動壓縮的廣域網(wǎng)確定性時(shí)延抖動方案表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢。

千公里，6微秒抖動，

不斷完善的確定性網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐

在新華三與江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院和合作實(shí)踐測試中，各場景均實(shí)現(xiàn)了確定性流的時(shí)延抖動控制在15微秒以內(nèi)，在業(yè)界率先突破了確定性流和非確定性并存的問題。同時(shí)，中國信息通信研究院測試結(jié)果表明：“在12G確定性+80G背景流量高負(fù)載下，經(jīng)過上千公里的傳輸，由新華三高端路由器構(gòu)建的確定性網(wǎng)絡(luò)確定性流量平均時(shí)延抖動6微秒、最大時(shí)延抖動僅為14微秒，實(shí)現(xiàn)了廣域網(wǎng)端到端確定性流量抖動低于20微秒的研究目標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平”。

從實(shí)踐來看，新華三確定性網(wǎng)絡(luò)的新方案時(shí)間進(jìn)度和交付成果上均超出了預(yù)期，并得到了江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院的肯定和認(rèn)可。這也顯示出新華三在確定性網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)上具備了以下核心能力：1、確定性方案覆蓋局域網(wǎng)、廣域網(wǎng);2、支持跨地域、多節(jié)點(diǎn)間確定性傳輸;3、支持多業(yè)務(wù)并發(fā)，確定性流與非確定性流共存;4、支持確定性業(yè)務(wù)K級以上，端對端抖動20us以下。

未來網(wǎng)絡(luò)將走向全域端對端確定性

在未來，會有大量的智能機(jī)器接入網(wǎng)絡(luò)，“面向機(jī)器的通信”將產(chǎn)生許多新型網(wǎng)絡(luò)功能需求。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對象和服務(wù)模式的轉(zhuǎn)變使得“大帶寬等于高質(zhì)量”的假設(shè)不再普遍適用，信息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臏?zhǔn)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)層的確定性成為了未來網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵需求之一。

隨著產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)，原有的兩層三級(兩層指的是IT和OT兩層網(wǎng)絡(luò)、三級指的是工廠、車間、現(xiàn)場三級)架構(gòu)將會變成模糊，變得更加扁平、高效。網(wǎng)絡(luò)的邊界也會進(jìn)一步延展，由原先一地一控制，發(fā)展到有線無線融合、多地協(xié)同控制的局面，通過遠(yuǎn)程控制達(dá)到有序、無縫地對接，這就需要跨越廣域網(wǎng)端對端確定性傳輸，需要從局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)、再到局域網(wǎng)的全域端對端確定性傳輸。

相信伴隨著確定性網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，將會給產(chǎn)業(yè)帶來變革式發(fā)展，并助力農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)網(wǎng)絡(luò)化和智能化升級，大幅提升產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品良率和服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新格局。