光电融合服务定制广域网白皮书 2023

本白皮书版权属于网络通信与安全紫金山实验室及其合作单位：网络通信与安全紫金山实验室北京邮电大学：肖玉明、黄韬、张晨、汪硕、谢人超、朱海龙、刘江、刘韵洁I前言延抖动、零丢包、万亿级连接等方面对网络服务质量(QoS)提出全。动的通道式网络向业务驱动的定制化网络演进，构建网络即服务 (NaaS)的新型承载模式。前言 I (一)广域网发展新挑战 1(二)光电融合新机遇 2 (一)组网结构 5(二)新型光/电传送技术 7(三)数通技术 10 NetworkingRON iperConvergedOpticalRoutingArchitectureCORA (一)技术目标 25(二)总体架构 31(三)关键技术 34(四)业务调度流程 46 (一)运营商传统定价模型 47(二)面向QoS的服务定价模型 48 (一)CustomWAN的优势 51(二)CustomWAN的不足与未来展望 51 1(一)广域网发展新挑战(1)工业互联网是对传统制造业生产管理过程实现数字化的新(2)算力互联网是一种基于互联网的算力资源共享模式，其通2(3)新型消费互联网是一种基于数字化手段的全新服务模式，ms内，从而保证终端与云端的延的承载挑战。(二)光电融合新机遇34法真正意义上承诺QoS质量。为克服光与数通各自短板，构建未来域网技术综述5(一)组网结构1.IP-over-WDM组网结构(IPoWDM)复用技术(WDM，WavelengthDivisionMultiplexing)的出现解决了新建光缆线路。在IP-over-WDM初始阶段，路由62.IP-over-OTN组网结构(IPoOTN) overOTN避IP层的转发处理，在减少路由器过境流量7IPoWDMIPoOTN具备更高的调度灵活性与资源ii)IP与光层(二)新型光/电传送技术1.分组切片网(SPN)inedUnit)的小颗粒通道能力，通过综合考虑芯片设计的复杂度、大小、N8内的逐流确定性问题。其原因是SPN确定性的实现绕过了分组层，带宽来保证确定性，但这会导致资源效率下降；ii)时隙粒度的细化会增加数据在SPN节点的等待时间。因为受链路传播与节点处理延2.下一代光传送网(NG-OTN)9的端到端连接。该方案支持分组业务(具有保证带宽要求)、及固定。可显著提升网络服务质量与带宽效率。但NG-OTN在面向未来业务OTN虽然向下拓展了细粒度容器，但其本质上仍是刚性传输通道，(三)数通技术整形技术g，2.路径选择与资源预留技术(1)MPLS-TEMPLSTE有效方案，其通MPLSTE留带宽资源，从而为服务质量提要面向分组层，并不能对光层选路进行决策；ii)高度依赖最新、准，无法提供跨域的定制化能力。(2)RSVP点上传递资源预留的控制信息。RSVP定义了一整套消息机制实现向收端定期发送，在途经节点上建立或刷新Path状态。由于预留状(3)IPv4源路由IPv头携带完整路由信息，转发节点根据该信息进QoSIPv两类，即严格源路由与松(4)SR-MPLS分段路由技术(SR,SegmentRouting)解决了MPLS中协议种类多、信令复杂、可扩展性差等问题。SR基于源路由思想，将网络路径划分为多段并以SID来标识各段与转发节点，通过有序排列段与LDP分发标签，同时集中化控制面规避RSVP导致的大量节点间交径状态。ii)不关注底层光路的选择与变化，因此无法实现真正意义上的路由(5)SRv6ID等指标的量化承诺；ii)不支持对光层路由的感知与定制。3.队列调度技术Low的四个子队列。PQ机制优先服务高优先级子队列，若高优先级个最大队列深度，若超过该值则进行队尾丢弃。PQ的优势在于为高队列被饿死，并且当大量高优先级分组到来时，PQ无法保证每个高机制调度的队列其优先级相同。此外，还有改进版的RR机制，即接口带宽，其中权值表征了一次轮训中各队列可发送的字节数。CQ在于既保证关键业务能获得较多带宽，又可避免非关键业延指标。(3)WFQ：加权公平队列，通过业务优先级配置权重，将带宽地分给不同类型的业务。WFQ采用IP优先级作为分配带宽的权列用于时延敏感流量的转发(如语音业务)，保证该队列优先级高于分，若同时到达大量实时性业务(事实上不同实时性业务的QoS需4.确定性技术(1)确定性IP(DeterministicIP)(1)控制面：i)准入控制。DIP入口边缘节点的控制面记录各SLA可直接丢弃分组或按BE类型转发；ii)路径规划与资源预留。基于分布式或集中式路由算法预先计触发实现。(2)数据面：改进TSN循环排队转发(CQF)技术思想，不要分组与对应路径绑定，上述绑定可通过携带转发标签实现；ii)基中间节点则根据上下游节点间的周期映射关系选择对应的发送周期，路传播时延相对固定，上下游相邻节点可维持稳定的周期映射关系。受限，使得抖动存在两倍时隙宽度的理论上限；ii)基于首节点的时(2)指定周期排队转发(CSQF)时刻只能存在一个队列发送数据，而其它队列则执行数据接收操作，出口规划方式不同，CSQF支持逐跳周期规划。此外，CSQF要求各上游节点某一周期所发数据将在下游节点的哪一周期到达(例如节点F点解析分组头并查询转发表执行转发。iDIP，基于时隙思想的调度将导致时间调控精度受。留分组层统计复用与底层电路交换的各自优势，在实现QoS质量可utedOpticalNetworkingRONRON有利于简化网络架构、降低组网成本，但在面向未来广域减少对电源与空间的需求以降低成本；ii)支持多速率长距覆盖。可DM支持对质量降级的光路进行重路由，从而避免服务中断；iv)减少保保护关键流量。A供细粒度的硬隔离能力；ii)移除了电层&光层路由能力，无法实现L1/L0层穿通，难以保证超低时延传输；iii)长距离传输致使跳数过抖动的不确定性；iv)无法提供多维QoS量化定制能力。创建的跨层连接(MLLink)，随后由NCE-Super根据层间连接关系等待时延进行调控。事实上，多维QoS量化定制的实现要求分组层行拉通(Overlay)，并没有将各层对等地融合在一起进行联合选路 IP层与光层的联合调度。该方案创新性地将数端口上创建多个虚拟端口，实现路由器端口资源的池化与去方向性，TN口资源，解决网络拥塞、流量不均衡等问题；ii)基于虚实映射的光未解决同一跨层连接中的QoS定制问题，同时未从确定性要求角度本白皮书提出服务定制广域网(CustomWAN，CustomizingWide(一)技术目标网络，从而提供个性化服务。，与云/边数据中心间的高质量传输。1.大容量长距离传输2.光电传送弹性化资源分配策略，实现资源按需弹性配置、避免闲置。具体方式包括：i)传统广域网光层采用WDM固定栅格分配频谱资源，限制了频谱 3.拓扑融合可重构分ii面向用户自动选择光层/TDM层旁路以实现超低时延传送；iii)灵活局或局部性能。4.分组跨层确定性域网应重点解决的问题。了对带宽也存在要求，比如1bit/s带宽必然无法满足100Kb/s业务的结果，其容错性较大，无需严格实现逐分组调控；(二)总体架构衔接不同自治域提供跨域QoS定制能力，实现用户与用户、用户与(1)CustomWAN支持跨域服务定制。通过在域间引入独立的从而解决各域因商业竞争与私密性等客观原因导致的难协同问题。网关平面根据业务需求对其进行组合，基于指标分解方式实现跨域(2)CustomWAN支持域内服务定制。在域内构建基于“分组(3)CustomWAN操作系统支持全域调度控制，向下实现对底与调配；ii)跨域联合编排。基于网关平面所形成的全局虚拟拓扑与调度的灵活性与层间协调性，但也增加了控制面的实现复杂度。(三)关键技术距离传输技术CustomWAN提升容量从三方面入手：一是提升资源维度(从时域、频域到空域)，二是提升单维度下的资源跨度(如频谱宽度、纤芯数量)，三是提高单位资源的比特效率(如调制格式等)。具体实现L2.光电融合组网结构 行探讨，但对其帧格式进行改进，合并冗余项提升传输效率)，同时Tbox带宽可变收发器(S-BVT，SliceableBandwidthVariableTransponder)，可虚拟出多个子收发器支持弹性光谱分配(信道中心频率步长为6.25GHz，GHziii现灵率适配的传输接口，具体实现思想如下：i)为单个/多个业务流建立由与转发问题。3.多层联合路由机制面向单层而言(如分组层、光层等)，而CustomWAN要求建立横跨(1)构建融合拓扑融合拓扑由上而下分别对应分组层、TDM层与光层，拓扑中节点命名+站点名+编号”的方式，例如PA0表示分组层—站点执行路由算法；各层“0”号与“1”号节点分别表示该层的“输入”表示层内的数据交换操作，如分组交换、时隙交叉等。初始拓扑中，相邻站点(即通过物理光纤相连)的光层节点间存在两条单向连接，变化)；逻辑链路表示设备间建立的连接，在拓扑中表现为分组层与TDM层的横向链路，例如PA1>PB0的分组层逻辑连接①，与率。(2)多层联合选路列形成候选路径集合。上述路径可表现为光层直通(即分组层一跳)ci)若所选为逻辑链路(即复用同层间已建连接)，则应对其上已0阐述各层资源分配与确定性分组转发的实现原理。(1)网络时延组成分析序列化时延(Ts)、及链路传播时延(Ti,j，i,j表示链路两端点)四部ii1(2)跨层确定性实现原理2-1)分组层沿路资源规划首先，在业务时延需求中扣除各层的固定时延(即传播、处理、业务经过分组层三跳传输，则其时延预算为：Lbugret=L−(TA,B+2式(4-1)&(4-2)中：a)F2e(t)表示分组层的端到端服务曲线函数。其中，F2e(t)=FF…F(0,t)，Fsi为第i个“输出”节点为业务s提供的服务曲线函数(i∈1…n，n为沿路“输出”节点总数)。令缓存队列中存在业务数据时应以d速率进行转发，以满足其3b)min(b)即为沿路所有节点中分配的最小缓存值，令各节点分配相同的缓存资源从而方便求解不等式。由于到达曲线与服行函数转换，即S=f(DS)。c)J、D分别表示业务抖动、丢包需求。2-2)TDM与光层资源适配42-3)Deadline驱动的队列调度障逐业务分组的确定性转发。对此，将上述不等式组求得的5“Deadline”包含两层“界限”含义：其一是转S6(四)业务调度流程iv果下达给各域控制器v)下达设备配置指令。各域控制器将调度策略价机制NaaS模式势必重新定义网络定价方式，使得运营商能够从7增强的服务能力中获益，最终推动基于流量的传统计费模式向基于(一)运营商传统定价模型进程，引发“公地悲剧”问题；ii)一刀切的定价方式无法满足多元QoS异化定价要求。2.使用量定价模型QoS需求进行针对性定价；ii)费用与用户实际使用量挂钩，费用的83.拥塞感知定价模型4.优先级定价模型IP体系，并对按优先级分类后的模型无法解决定量化QoS指标(如1ms，100μs)的定价问题，因此很大程度上限制了业务的区分粒度，进一步导致无法为QoS可承诺配的服务定价。(二)面向QoS的服务定价模型9变革，进而为用户提供多维QoS量化可承诺的承载能力，实现服务式，进而推动基于流量的传统计费模式向基于QoS计费转变。虽然QoS违约补偿机制，然而前者对于QoS需求的区分粒度不足，只能提供基于人为设定的定性化业务区分，难以满足定量QoS指标的针的新型网络定价模型，通过联合考虑资源需求及服务质量两项因素，elineDeadlineii)在物理资源方面，围绕业务承载所预留的沿路带宽与缓存资源进定价，若用户欲获得QoS承诺，则既要购买物理资源也要购买服务过程中可与传统定价模型配合使用，即若用户想体验QoS可承诺的其后续发展方向进行展望。(一)CustomWAN的优势从而实现跨域QoS定制，通过构建三层组网结构以融合各层优势，effort承载的同时提升网络资源效率。(二)CustomWAN的不足与未来展望i)组网结构复杂。为实现更高的调度灵活度与QoS性能保证，iimWANLAccessControlListBest-effortnect列calRoutingArchitectureCustomizedQueueCyclicQueueingandForwardingConstraint-basedRoutingLabelDistributionProtocolConstrainedShortestPathFirstpecifiedQueueingandardingNetworkDetNetDeterministicNetworkDeterministicIPDifferentiatedServicesCodePointiplexingplicitRouteObjectFineGranularityUnitFirst-in-First-OutGenericMappingProcedureInteriorGatewayProtocol载LabelDistributionProtocolLowLatencyQueueMediaAccessControlMulti-ProtocolLabelSwitchingNaaSNetworkasaServiceNG-OTNNextGenerationOTNandintenanceOpticalDataUnitOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingOpticalSignalNoiseRatioOpticalServiceUnitOpticalTransportNetworkProgrammableLogicControlPriorityQueueQuadratureAmplitudeModulationQualityofServiceReconfigurableOpticalAdd-DropMultiplexerRoutedOpticalNetworkingRRound-RobinResourceReservationProtocolSynchronousDigitalHierarchySoftwareDefinedNetworkSegmentIDService-LevelAgreementSlicingPacketNetworkSegmentRoutingSharedRiskLinkGroupsSegmentRoutingHeader由gIPvTransportBoxTimeDivisionMultiplexingTrafficEngineeringTimeSensitiveNetworkIUserNetworkInterfaceRVirtualRealityWavelengthDivisionMultiplexingWeightedFairQueueRRWeightedRound-RobinXReXtendedReality[1]中国互联网络信息中心.第51次中国互联网络发展状况统计报告[EB/OL].https///NMediaFile/2023/0322/MAIN16794576367190GBA2HA1KQ.pdf02.[2]Solotko,S.TheInstantaneousCloud:EmergingConsu