带你读《智慧光网络:关键技术、应用实践和未来演进》——2.8.3 确定性网络技术

简介: 带你读《智慧光网络:关键技术、应用实践和未来演进》——2.8.3 确定性网络技术

2.8.3 确定性网络技术


确定性网络是近几年来产业界研究的热点,是一项实现IP 网络从“尽力而为(best-ffort)”到“准时、准确、快速”,并有效控制抖动、降低端到端时延的技术。2015 年,国际互联网工程任务组(IETF,The Internet Engineering Task Force)成立确定性网络工作组,在第二层桥接和第三层IP 上实现确定的传输路径,这些路径可以提供时延、丢包和抖动的最差界限,以此提供确定的传送服务。确定性网络是通过二、三层协同完成的。二层是通过时间敏感型网络(TSN,Time Sensitive Network)来实现确定性的,而三层则由确定性网络进行保障,从而在广域网上(如IP/MPLS)实现确定性的传输。


1.确定性网络的基本特征

确定性网络主要需要具备高精度时钟同步、零拥塞丢失、超可靠的数据包交付等基本特性。


(1)高精度时钟同步:所有网络设备和主机都可以使用IEEE 1588 精确网络时间协议将其内部时钟同步到1μs ~ 10 ns 的精度。大多数确定性网络应用程序都要求终端支持同步,一些队列算法也要求网络节点实现同步。


(2)零拥塞丢失:拥塞丢失是网络节点中输出缓冲区的分组溢出,是“尽力而为”网络中丢包的主要原因。通过调整数据包的传送并为需要提供确定性转发的业务流(也被称为关键业务流)分配足够的资源,可以有效地消除拥塞。


(3)超可靠的数据包交付:确定性网络可以通过多个路径发送序列数据流的多个副本,

并在接收端删除多余的副本,规避因设备故障引起的丢包风险。这种方式通常也被称为“双发选收”,是一种利用路径冗余实现业务可靠性传送的技术,如图2-48 所示。

image.png

图2-48 预防丢包风险的双发选收机制


(4)与尽力而为的服务共存:虽然关键业务流会消耗更多的特定资源(如链路的宽),

但在确定性网络中,“尽力而为”的业务也可以采用一定的规则进行正常传送,如采用优先级调度、分层QoS、加权公平队列等方式进行队列的调度,只是关键业务流降低了这些传统业务的可用带宽。因此,确定性网络可以被看作是在“尽力而为”网络上提供的一种QoS 确定性保障服务。


2.二层确定性网络

IEEE 802.1 于2007 年创建了音频视频桥接任务组。其目标是用以太网取代家庭中的高清多媒体接口(HDMI,High Definition Multimedia Interface)、扬声器和同轴电缆。2012 年,该任务组在时间同步、时延保证等确定性的功能方面进行了扩充,并正式更名为TSN 任务组,制订了以以太网为基础的新一代网络标准,在工业互联网等方面获得了大量的应用。


为了支持确定性,802.1 TSN 任务组又诞生了多个标准,主要有四大类:时间同步、有界低时延、超高可靠性和资源管理,如图2-49 所示。IEEE 802.1 标准大部分都局限于二层确定性网络,因此被称为二层确定性网络技术,只支持桥接网络,不支持端到端需要路由器的数据流。

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图2-49 TSN 的标准体系


3.三层确定性网络

2015 年,IETF 成立了确定性网络工作组,致力于将TSN 中开发的技术扩展到路由器,让这些技术可以扩展到跨域的WAN 中,从而支持更大规模的确定性网络,以满足未来5G/6G 的各种垂直行业应用。同IEEE 802.1cb 类似的是,当要保障业务的可靠性时,确定性网络也定义了双发选收机制,如图2-50 所示。

image.png

图2-50 确定性网络中的双发选收机制


尽管图2-50 是确定性网络中的可靠性保障,但是也体现了IETF 在低时延和可靠性等方面的设计思路,主要包括3 方面的内容:通过显式路由(Explicit Route)确保转发路径上

的低时延;通过资源预留(Resource Allocation)防止丢包并进行拥塞控制;通过业务保护(Service Protection)防止线路故障等原因造成的丢包。


目前,IETF 关注确定性网络的整体架构、数据平面规范、数据流量信息模型、YANG模型等;IEEE 802.1 TSN 工作组关注具体的技术及其算法。当二者结合起来就可以保障域内和跨域业务的确定性传送。

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