光電融合服務(wù)定制廣域網(wǎng)白皮書 2023

本白皮書版權(quán)屬于網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實驗室及其合作單位：網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實驗室北京郵電大學(xué)：肖玉明、黃韜、張晨、汪碩、謝人超、朱海龍、劉江、劉韻潔I前言延抖動、零丟包、萬億級連接等方面對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)提出全。動的通道式網(wǎng)絡(luò)向業(yè)務(wù)驅(qū)動的定制化網(wǎng)絡(luò)演進，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)即服務(wù) (NaaS)的新型承載模式。前言 I (一)廣域網(wǎng)發(fā)展新挑戰(zhàn) 1(二)光電融合新機遇 2 (一)組網(wǎng)結(jié)構(gòu) 5(二)新型光/電傳送技術(shù) 7(三)數(shù)通技術(shù) 10 NetworkingRON iperConvergedOpticalRoutingArchitectureCORA (一)技術(shù)目標(biāo) 25(二)總體架構(gòu) 31(三)關(guān)鍵技術(shù) 34(四)業(yè)務(wù)調(diào)度流程 46 (一)運營商傳統(tǒng)定價模型 47(二)面向QoS的服務(wù)定價模型 48 (一)CustomWAN的優(yōu)勢 51(二)CustomWAN的不足與未來展望 51 1(一)廣域網(wǎng)發(fā)展新挑戰(zhàn)(1)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是對傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)管理過程實現(xiàn)數(shù)字化的新(2)算力互聯(lián)網(wǎng)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的算力資源共享模式，其通2(3)新型消費互聯(lián)網(wǎng)是一種基于數(shù)字化手段的全新服務(wù)模式，ms內(nèi)，從而保證終端與云端的延的承載挑戰(zhàn)。(二)光電融合新機遇34法真正意義上承諾QoS質(zhì)量。為克服光與數(shù)通各自短板，構(gòu)建未來域網(wǎng)技術(shù)綜述5(一)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)1.IP-over-WDM組網(wǎng)結(jié)構(gòu)(IPoWDM)復(fù)用技術(shù)(WDM，WavelengthDivisionMultiplexing)的出現(xiàn)解決了新建光纜線路。在IP-over-WDM初始階段，路由62.IP-over-OTN組網(wǎng)結(jié)構(gòu)(IPoOTN) overOTN避IP層的轉(zhuǎn)發(fā)處理，在減少路由器過境流量7IPoWDMIPoOTN具備更高的調(diào)度靈活性與資源ii)IP與光層(二)新型光/電傳送技術(shù)1.分組切片網(wǎng)(SPN)inedUnit)的小顆粒通道能力，通過綜合考慮芯片設(shè)計的復(fù)雜度、大小、N8內(nèi)的逐流確定性問題。其原因是SPN確定性的實現(xiàn)繞過了分組層，帶寬來保證確定性，但這會導(dǎo)致資源效率下降；ii)時隙粒度的細化會增加數(shù)據(jù)在SPN節(jié)點的等待時間。因為受鏈路傳播與節(jié)點處理延2.下一代光傳送網(wǎng)(NG-OTN)9的端到端連接。該方案支持分組業(yè)務(wù)(具有保證帶寬要求)、及固定?？娠@著提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量與帶寬效率。但NG-OTN在面向未來業(yè)務(wù)OTN雖然向下拓展了細粒度容器，但其本質(zhì)上仍是剛性傳輸通道，(三)數(shù)通技術(shù)整形技術(shù)g，2.路徑選擇與資源預(yù)留技術(shù)(1)MPLS-TEMPLSTE有效方案，其通MPLSTE留帶寬資源，從而為服務(wù)質(zhì)量提要面向分組層，并不能對光層選路進行決策；ii)高度依賴最新、準(zhǔn)，無法提供跨域的定制化能力。(2)RSVP點上傳遞資源預(yù)留的控制信息。RSVP定義了一整套消息機制實現(xiàn)向收端定期發(fā)送，在途經(jīng)節(jié)點上建立或刷新Path狀態(tài)。由于預(yù)留狀(3)IPv4源路由IPv頭攜帶完整路由信息，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點根據(jù)該信息進QoSIPv兩類，即嚴格源路由與松(4)SR-MPLS分段路由技術(shù)(SR,SegmentRouting)解決了MPLS中協(xié)議種類多、信令復(fù)雜、可擴展性差等問題。SR基于源路由思想，將網(wǎng)絡(luò)路徑劃分為多段并以SID來標(biāo)識各段與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，通過有序排列段與LDP分發(fā)標(biāo)簽，同時集中化控制面規(guī)避RSVP導(dǎo)致的大量節(jié)點間交徑狀態(tài)。ii)不關(guān)注底層光路的選擇與變化，因此無法實現(xiàn)真正意義上的路由(5)SRv6ID等指標(biāo)的量化承諾；ii)不支持對光層路由的感知與定制。3.隊列調(diào)度技術(shù)Low的四個子隊列。PQ機制優(yōu)先服務(wù)高優(yōu)先級子隊列，若高優(yōu)先級個最大隊列深度，若超過該值則進行隊尾丟棄。PQ的優(yōu)勢在于為高隊列被餓死，并且當(dāng)大量高優(yōu)先級分組到來時，PQ無法保證每個高機制調(diào)度的隊列其優(yōu)先級相同。此外，還有改進版的RR機制，即接口帶寬，其中權(quán)值表征了一次輪訓(xùn)中各隊列可發(fā)送的字節(jié)數(shù)。CQ在于既保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)能獲得較多帶寬，又可避免非關(guān)鍵業(yè)延指標(biāo)。(3)WFQ：加權(quán)公平隊列，通過業(yè)務(wù)優(yōu)先級配置權(quán)重，將帶寬地分給不同類型的業(yè)務(wù)。WFQ采用IP優(yōu)先級作為分配帶寬的權(quán)列用于時延敏感流量的轉(zhuǎn)發(fā)(如語音業(yè)務(wù))，保證該隊列優(yōu)先級高于分，若同時到達大量實時性業(yè)務(wù)(事實上不同實時性業(yè)務(wù)的QoS需4.確定性技術(shù)(1)確定性IP(DeterministicIP)(1)控制面：i)準(zhǔn)入控制。DIP入口邊緣節(jié)點的控制面記錄各SLA可直接丟棄分組或按BE類型轉(zhuǎn)發(fā)；ii)路徑規(guī)劃與資源預(yù)留?；诜植际交蚣惺铰酚伤惴A(yù)先計觸發(fā)實現(xiàn)。(2)數(shù)據(jù)面：改進TSN循環(huán)排隊轉(zhuǎn)發(fā)(CQF)技術(shù)思想，不要分組與對應(yīng)路徑綁定，上述綁定可通過攜帶轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)簽實現(xiàn)；ii)基中間節(jié)點則根據(jù)上下游節(jié)點間的周期映射關(guān)系選擇對應(yīng)的發(fā)送周期，路傳播時延相對固定，上下游相鄰節(jié)點可維持穩(wěn)定的周期映射關(guān)系。受限，使得抖動存在兩倍時隙寬度的理論上限；ii)基于首節(jié)點的時(2)指定周期排隊轉(zhuǎn)發(fā)(CSQF)時刻只能存在一個隊列發(fā)送數(shù)據(jù)，而其它隊列則執(zhí)行數(shù)據(jù)接收操作，出口規(guī)劃方式不同，CSQF支持逐跳周期規(guī)劃。此外，CSQF要求各上游節(jié)點某一周期所發(fā)數(shù)據(jù)將在下游節(jié)點的哪一周期到達(例如節(jié)點F點解析分組頭并查詢轉(zhuǎn)發(fā)表執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)。iDIP，基于時隙思想的調(diào)度將導(dǎo)致時間調(diào)控精度受。留分組層統(tǒng)計復(fù)用與底層電路交換的各自優(yōu)勢，在實現(xiàn)QoS質(zhì)量可utedOpticalNetworkingRONRON有利于簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、降低組網(wǎng)成本，但在面向未來廣域減少對電源與空間的需求以降低成本；ii)支持多速率長距覆蓋?？蒁M支持對質(zhì)量降級的光路進行重路由，從而避免服務(wù)中斷；iv)減少保保護關(guān)鍵流量。A供細粒度的硬隔離能力；ii)移除了電層&光層路由能力，無法實現(xiàn)L1/L0層穿通，難以保證超低時延傳輸；iii)長距離傳輸致使跳數(shù)過抖動的不確定性；iv)無法提供多維QoS量化定制能力。創(chuàng)建的跨層連接(MLLink)，隨后由NCE-Super根據(jù)層間連接關(guān)系等待時延進行調(diào)控。事實上，多維QoS量化定制的實現(xiàn)要求分組層行拉通(Overlay)，并沒有將各層對等地融合在一起進行聯(lián)合選路 IP層與光層的聯(lián)合調(diào)度。該方案創(chuàng)新性地將數(shù)端口上創(chuàng)建多個虛擬端口，實現(xiàn)路由器端口資源的池化與去方向性，TN口資源，解決網(wǎng)絡(luò)擁塞、流量不均衡等問題；ii)基于虛實映射的光未解決同一跨層連接中的QoS定制問題，同時未從確定性要求角度本白皮書提出服務(wù)定制廣域網(wǎng)(CustomWAN，CustomizingWide(一)技術(shù)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，從而提供個性化服務(wù)。，與云/邊數(shù)據(jù)中心間的高質(zhì)量傳輸。1.大容量長距離傳輸2.光電傳送彈性化資源分配策略，實現(xiàn)資源按需彈性配置、避免閑置。具體方式包括：i)傳統(tǒng)廣域網(wǎng)光層采用WDM固定柵格分配頻譜資源，限制了頻譜 3.拓撲融合可重構(gòu)分ii面向用戶自動選擇光層/TDM層旁路以實現(xiàn)超低時延傳送；iii)靈活局或局部性能。4.分組跨層確定性域網(wǎng)應(yīng)重點解決的問題。了對帶寬也存在要求，比如1bit/s帶寬必然無法滿足100Kb/s業(yè)務(wù)的結(jié)果，其容錯性較大，無需嚴格實現(xiàn)逐分組調(diào)控；(二)總體架構(gòu)銜接不同自治域提供跨域QoS定制能力，實現(xiàn)用戶與用戶、用戶與(1)CustomWAN支持跨域服務(wù)定制。通過在域間引入獨立的從而解決各域因商業(yè)競爭與私密性等客觀原因?qū)е碌碾y協(xié)同問題。網(wǎng)關(guān)平面根據(jù)業(yè)務(wù)需求對其進行組合，基于指標(biāo)分解方式實現(xiàn)跨域(2)CustomWAN支持域內(nèi)服務(wù)定制。在域內(nèi)構(gòu)建基于“分組(3)CustomWAN操作系統(tǒng)支持全域調(diào)度控制，向下實現(xiàn)對底與調(diào)配；ii)跨域聯(lián)合編排?；诰W(wǎng)關(guān)平面所形成的全局虛擬拓撲與調(diào)度的靈活性與層間協(xié)調(diào)性，但也增加了控制面的實現(xiàn)復(fù)雜度。(三)關(guān)鍵技術(shù)距離傳輸技術(shù)CustomWAN提升容量從三方面入手：一是提升資源維度(從時域、頻域到空域)，二是提升單維度下的資源跨度(如頻譜寬度、纖芯數(shù)量)，三是提高單位資源的比特效率(如調(diào)制格式等)。具體實現(xiàn)L2.光電融合組網(wǎng)結(jié)構(gòu) 行探討，但對其幀格式進行改進，合并冗余項提升傳輸效率)，同時Tbox帶寬可變收發(fā)器(S-BVT，SliceableBandwidthVariableTransponder)，可虛擬出多個子收發(fā)器支持彈性光譜分配(信道中心頻率步長為6.25GHz，GHziii現(xiàn)靈率適配的傳輸接口，具體實現(xiàn)思想如下：i)為單個/多個業(yè)務(wù)流建立由與轉(zhuǎn)發(fā)問題。3.多層聯(lián)合路由機制面向單層而言(如分組層、光層等)，而CustomWAN要求建立橫跨(1)構(gòu)建融合拓撲融合拓撲由上而下分別對應(yīng)分組層、TDM層與光層，拓撲中節(jié)點命名+站點名+編號”的方式，例如PA0表示分組層—站點執(zhí)行路由算法；各層“0”號與“1”號節(jié)點分別表示該層的“輸入”表示層內(nèi)的數(shù)據(jù)交換操作，如分組交換、時隙交叉等。初始拓撲中，相鄰站點(即通過物理光纖相連)的光層節(jié)點間存在兩條單向連接，變化)；邏輯鏈路表示設(shè)備間建立的連接，在拓撲中表現(xiàn)為分組層與TDM層的橫向鏈路，例如PA1>PB0的分組層邏輯連接①，與率。(2)多層聯(lián)合選路列形成候選路徑集合。上述路徑可表現(xiàn)為光層直通(即分組層一跳)ci)若所選為邏輯鏈路(即復(fù)用同層間已建連接)，則應(yīng)對其上已0闡述各層資源分配與確定性分組轉(zhuǎn)發(fā)的實現(xiàn)原理。(1)網(wǎng)絡(luò)時延組成分析序列化時延(Ts)、及鏈路傳播時延(Ti,j，i,j表示鏈路兩端點)四部ii1(2)跨層確定性實現(xiàn)原理2-1)分組層沿路資源規(guī)劃首先，在業(yè)務(wù)時延需求中扣除各層的固定時延(即傳播、處理、業(yè)務(wù)經(jīng)過分組層三跳傳輸，則其時延預(yù)算為：Lbugret=L?(TA,B+2式(4-1)&(4-2)中：a)F2e(t)表示分組層的端到端服務(wù)曲線函數(shù)。其中，F(xiàn)2e(t)=FF…F(0,t)，F(xiàn)si為第i個“輸出”節(jié)點為業(yè)務(wù)s提供的服務(wù)曲線函數(shù)(i∈1…n，n為沿路“輸出”節(jié)點總數(shù))。令緩存隊列中存在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時應(yīng)以d速率進行轉(zhuǎn)發(fā)，以滿足其3b)min(b)即為沿路所有節(jié)點中分配的最小緩存值，令各節(jié)點分配相同的緩存資源從而方便求解不等式。由于到達曲線與服行函數(shù)轉(zhuǎn)換，即S=f(DS)。c)J、D分別表示業(yè)務(wù)抖動、丟包需求。2-2)TDM與光層資源適配42-3)Deadline驅(qū)動的隊列調(diào)度障逐業(yè)務(wù)分組的確定性轉(zhuǎn)發(fā)。對此，將上述不等式組求得的5“Deadline”包含兩層“界限”含義：其一是轉(zhuǎn)S6(四)業(yè)務(wù)調(diào)度流程iv果下達給各域控制器v)下達設(shè)備配置指令。各域控制器將調(diào)度策略價機制NaaS模式勢必重新定義網(wǎng)絡(luò)定價方式，使得運營商能夠從7增強的服務(wù)能力中獲益，最終推動基于流量的傳統(tǒng)計費模式向基于(一)運營商傳統(tǒng)定價模型進程，引發(fā)“公地悲劇”問題；ii)一刀切的定價方式無法滿足多元QoS異化定價要求。2.使用量定價模型QoS需求進行針對性定價；ii)費用與用戶實際使用量掛鉤，費用的83.擁塞感知定價模型4.優(yōu)先級定價模型IP體系，并對按優(yōu)先級分類后的模型無法解決定量化QoS指標(biāo)(如1ms，100μs)的定價問題，因此很大程度上限制了業(yè)務(wù)的區(qū)分粒度，進一步導(dǎo)致無法為QoS可承諾配的服務(wù)定價。(二)面向QoS的服務(wù)定價模型9變革，進而為用戶提供多維QoS量化可承諾的承載能力，實現(xiàn)服務(wù)式，進而推動基于流量的傳統(tǒng)計費模式向基于QoS計費轉(zhuǎn)變。雖然QoS違約補償機制，然而前者對于QoS需求的區(qū)分粒度不足，只能提供基于人為設(shè)定的定性化業(yè)務(wù)區(qū)分，難以滿足定量QoS指標(biāo)的針的新型網(wǎng)絡(luò)定價模型，通過聯(lián)合考慮資源需求及服務(wù)質(zhì)量兩項因素，elineDeadlineii)在物理資源方面，圍繞業(yè)務(wù)承載所預(yù)留的沿路帶寬與緩存資源進定價，若用戶欲獲得QoS承諾，則既要購買物理資源也要購買服務(wù)過程中可與傳統(tǒng)定價模型配合使用，即若用戶想體驗QoS可承諾的其后續(xù)發(fā)展方向進行展望。(一)CustomWAN的優(yōu)勢從而實現(xiàn)跨域QoS定制，通過構(gòu)建三層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)以融合各層優(yōu)勢，effort承載的同時提升網(wǎng)絡(luò)資源效率。(二)CustomWAN的不足與未來展望i)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為實現(xiàn)更高的調(diào)度靈活度與QoS性能保證，iimWANLAccessControlListBest-effortnect列calRoutingArchitectureCustomizedQueueCyclicQueueingandForwardingConstraint-basedRoutingLabelDistributionProtocolConstrainedShortestPathFirstpecifiedQueueingandardingNetworkDetNetDeterministicNetworkDeterministicIPDifferentiatedServicesCodePointiplexingplicitRouteObjectFineGranularityUnitFirst-in-First-OutGenericMappingProcedureInteriorGatewayProtocol載LabelDistributionProtocolLowLatencyQueueMediaAccessControlMulti-ProtocolLabelSwitchingNaaSNetworkasaServiceNG-OTNNextGenerationOTNandintenanceOpticalDataUnitOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingOpticalSignalNoiseRatioOpticalServiceUnitOpticalTransportNetworkProgrammableLogicControlPriorityQueueQuadratureAmplitudeModulationQualityofServiceReconfigurableOpticalAdd-DropMultiplexerRoutedOpticalNetworkingRRound-RobinResourceReservationProtocolSynchronousDigitalHierarchySoftwareDefinedNetworkSegmentIDService-LevelAgreementSlicingPacketNetworkSegmentRoutingSharedRiskLinkGroupsSegmentRoutingHeader由gIPvTransportBoxTimeDivisionMultiplexingTrafficEngineeringTimeSensitiveNetworkIUserNetworkInterfaceRVirtualRealityWavelengthDivisionMultiplexingWeightedFairQueueRRWeightedRound-RobinXReXtendedReality[1]中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心.第51次中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計報告[EB/OL].https///NMediaFile/2023/0322/MAIN16794576367190GBA2HA1KQ.pdf02.[2]Solotko,S.TheInstantaneousCloud:EmergingConsu