2023年中国IP网络未来演进技术白皮书.pdf
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2023年中国IP网络未来演进技术白皮书2023年中国IP网络未来演进技术白皮书IP网络未来演进技术白皮书3.0增强确定性网络（EDN）第6页中兴通讯版权所有未经许可不得扩散1前言2021年6月，中兴通讯联合中国信息通信研究院及移动、电信、联通三大运营商（以下简称三大运营商）联合发布IP网络未来演进技术白皮书01（以下简称白皮书2021），提出了IP网络技术未来仍将平滑演进的预判。
2022年9月，中兴通讯再次联合中国信息通信研究院及移动、电信、联通等发布IP网络未来演进技术白皮书2.0开放服务互联网络02（以下简称白皮书2022），提出从主机互联到服务互联，提出未来IP演进方案开放服务互联网络解决方案和三大关键技术：
服务感知网络（SAN）、增强确定性网络（EDN）、网络内生安全等技术。
白皮书2022提出的开放服务互联网络需要满足业务多样化的连接需求，包括确定性的连接需求，同时开放服务互联架构需要支持从局域、城域到广域大规模增强确定性网络EDN技术。
开放服务互联基于泛在的算网共性服务构建新的能力平台，其增强的L3层网络是关键使能组件，而EDN则是增强的L3层网络连接能力的关键技术，两者的关系如下图1所示。
开放服务互联网络提供的服务将会使用不同的异构确定性技术，将会跨不同的特定确定性网络域，需要一种大规模确定性网络技术支持异构跨域互联，满足多样化业务的确定性QoS需求。
图1开放服务互联网络的整体设计IP网络未来演进技术白皮书3.0增强确定性网络（EDN）中兴通讯版权所有未经许可不得扩散第7页近年来，确定性网络成为行业发展的重要方向。
随着5G承载网络的业务与网络需求的增强，大规模确定性网络技术需求迫切。
因此，中兴通讯在未来IP网络的研究中，将白皮书2022所提的开放服务互联网络解决方案中的关键技术之一增强确定性网络（EDN）作为未来IP业务提供高质量保障的重要支撑。
本白皮书在白皮书2022提出的开放服务互联网络及其关键技术的基础上，详细阐述增强确定性网络（EDN）关键技术的场景需求、架构、关键技术、测试验证等内容。
本白皮书第二章首先定义了增强确定性网络（EDN）的相关术语。
第三章描述了开放服务互联网中的EDN需求和典型应用场景。
第四章提出了EDN的三层架构及其功能视图，包括业务层、路由层和资源层，同时提出了控制面、转发面及OAM相关架构及功能需求。
第五章介绍了EDN关键技术及解决方案。
第六章介绍了EDN的标准化进展，包括IETF、ITU-T、CCSA等国际国内标准组织的推进情况。
第七章介绍了EDN的测试验证情况。
第八章介绍了确定性网络演算实践的情况。
第九章和第十章介绍了EDN的未来发展情况和总结。
2EDN的术语及定义EDN相关的术语及定义如下：
差异化确定性服务等级DD-QoS（DifferentiatedDeterministicQoS）差异化确定性QoS（DD-QoS），基于多样化的业务需求，提出确定性的分类分级及其IP网络未来演进技术白皮书3.0增强确定性网络（EDN）第8页中兴通讯版权所有未经许可不得扩散SLA指标，完善了确定性QoS目标，基于类的确定性资源管理思想，可以根据确定性业务的类型和级别，建立分级的确定性路径，提供差异化确定性QoS保障。
增强确定性网络技术EDN（EnhancedDeterministicNetworking）增强确定性网络EDN，是一种基于大规模网络需求增强的确定性网络技术，可满足多样化的分类分级业务需求及差异化的SLA指标，达到DD-QoS目标，提供跨管理域异构互联，融合多种转发技术及能力的协同的端到端的确定性保障服务。
增强确定性网络转发面技术EDP（EDNDataPlane）增强确定性网络的转发面EDP，是指EDN的转发面或数据面技术，涉及跨管理域异构互联的网络组网，可以提供多种确定性转发技术及能力，包括多种队列调度技术等。
数据面的封装需要考虑多种网络传输格式，包括IP/MPLS/SR-MPLS/SRv6等。
增强确定性网络控制面技术ECP（EDNControlPlane）增强确定性网络的控制面ECP，是指EDN的控制面技术，涉及集中式、分布式、混合式等多种架构模型，同时包括南北向接口协议扩展等。
增强确定性网络管理面技术EMP（EDNManagementPlane）增强确定性网络的管理面EMP，是指EDN的管理面技术，涉及EDN的OAM需求，封装格式及处理机制，故障检测方案和性能测量方法等。
增强确定性网络资源层（EDNResourceSub-layer）增强确定性网络的资源层，处于EDN架构的最底层，规划携带确定性能力的网络资源。
增强确定性网络路由层（EDNRouteSub-layer）增强确定性网络的路由层，处于EDN架构的中间层，构建具有确定性能力保障的确定性路径。
IP网络未来演进技术白皮书3.0增强确定性网络（EDN）中兴通讯版权所有未经许可不得扩散第9页增强确定性网络业务层（EDNServiceSub-layer）增强确定性网络的业务层，处于EDN架构的最上层，提供满足业务多样化需求的端到端差。
异化确定性QoS服务的流量调度。
增强确定性网络确定性链路（EDNDeterministicLinks）增强确定性网络的确定性链路，是基于节点、链路、带宽、buffer、队列、sub-net等资源构建的确定性虚链路，可以基于时间的确定性资源预留提供不同级别的确定性转发能力。
增强确定性网络确定性路径（EDNDeterministicPaths）增强确定性网络的确定性路径，是基于确定性链路和资源，计算满足确定性时延等约束条件的路径，建立具有确定性保障的路径。
增强确定性网络确定性业务（EDNDeterministicServices）增强确定性网络的确定性业务，是基于确定性路径和资源，将业务按照准入策略引流到相应的路径上转发。
增强确定性网络时间资源容器（EDNTime-basedResourcesContainer）增强确定性网络的时间资源容器，用于为确定性链路提供基于时间的资源保障，时间资源容器指示每调度时隙内的传输比特量。
3EDN的应用场景及需求3.1EDN的差异化确定性需求及QoS等级由于EDN应用场景的确定性业务承载需求非常广泛，不同的确定性场景和业务对确定性SLA指标的需求存在差异性，参考CCSATC3及TC614（网络5.0）等标准对确定性业务需IP网络未来演进技术白皮书3.0增强确定性网络（EDN）第10页中兴通讯版权所有未经许可不得扩散求及SLA指标的分析，业务需要进行分类分级，例如：
网络下载业务等，对时延抖动抖不敏感，是非实时业务，确定性需求主要关注带宽保障；广播类或同步音视频业务等是实时业务，只要在平滑时间内，确定性需求主要关注有界时延的需求；实时通讯类业务如生产监控、算力通信等，对时延是敏感的，确定性需求主要关注低时延需求；交互类音视频业务，如云视频会议、云游戏等，对抖动是敏感的，确定性需求主要关注时延上界、低抖动需求；生产控制类业务，如电力保护、远程控制等，对时延抖动要求高，确定性需求主要关注低时延、低抖动的需求。
由于业务需求的多样化，EDN需要提供分类分级的差异化确定性QoS服务，满足差异化的确定性业务SLA需求。
为满足确定性网络多样化应用场景和业务对时延、抖动的要求，需要对网络中确定性业务的QoS进行分级，明确确定性服务等级中每个等级对应的SLA指标。
EDNDD-QoS基于多样化的业务需求，提出确定性的分类分级及其SLA指标，完善了确定性QoS目标。
EDN基于类的确定性资源管理思想，可以根据确定性业务的类型和级别，建立分级的确定性路径，提供差异化确定性QoS保障。
从确定性业务需求的角度，可将网络中确定性业务特征分成5种类型，分别为：
带宽保障类、有界时延上限保障类、低时延保障类、低抖动保障类、低时延和低抖动保障类，每种业务类型对应的SLA指标及典型业务如表1所示：
IP网络未来演进技术白皮书3.0增强确定性网络（EDN）中兴通讯版权所有未经许可不得扩散第11页表1：
差异化确定性QoS等级EDNQoS等级Level-0Level-1Level-2Level-3Level-4业务类型带宽保障类有界时延上限保障类低时延保障类低抖动保障类低时延低抖动保障类SLA指标基本带宽保障时延上界300ms时延100ms，抖动50ms时延20ms，抖动5ms时延10ms，抖动80%）确定性测试流量和干扰背景流，业务端到端距离超过3000公里（南京-北京-南京的环回总距离），跨越CENI现网8跳非确定性路由器设备和若干跳OTN光网络设备。
由于CENI网络存在其它业务流量，实测基础网络环境存在约100us的抖动。
在CENI现网的测试结果表明，EDN样机系统不同的时隙调度模板实现了差异化的分级确定性业务接入控制和承载能力，体现优秀的端到端转发抖动控制性能（20us），能够在混合流、大规模、汇聚和重载等条件下保持稳定性。
同时，EDN样机系统能够吸收基础网络环境的抖动，体现出良好的平滑演进能力。
8面向EDN的网络演算实践确定性网络的理论基础之一是网络演算，同时，EDN也利用网络演算提供确定性网络路径选择、性能调整和优化工具。
8.1网络演算基础网络演算是一种基于到达曲线和服务曲线的端到端时延计算技术。
到达曲线是对业务流量的建模，服务曲线是对网络服务能力的建模。
并通过数学计算方式推导出业务流在网络中的端到端时延上界。
相较于传统排队论，网络演算侧重于端到端性能描述，天然适用于确定性的时延需求；相较于机器学习方法，模型可解释性强、扩展性更好。
网络演算理论分为确定网络演算（DeterministicNetworkCalculus，DNC）与随机网络演算（StochasticNetworkCalculus，SNC）两个分支。
其中DNC计算的是系统的性能边界，对应系统极限情况下（比如网络最拥塞时）的系统性能，一般用于输入模型的确定性较高的分析，如周期性业务与均匀服务模型中，IP网络未来演进技术白皮书3.0增强确定性网络（EDN）第40页中兴通讯版权所有未经许可不得扩散其资源利用率低，轻载情况时延上界估计过高，重载情况时延上界无穷大。
确定网络演算技术端到端的时延估计过于保守，时延的上界：
*）1（1*）（Dhhe，当11h其中e是节点处理时延，是初始突发时延，v是最大链路利用率，h为路径跳数，公式中只有带宽利用率很低时才能计算出时延上界，带宽利用率变高后没有时延上界。
即使轻载情况下，现网的流量时延很小，各种网络演算算法的误差很大。
另外网络中普遍存在汇聚微突发现象，导致时延分布的长尾效应。
这些会导致确定网络演算应用于IP网络有一些困难。
SNC是DNC的扩展，定义了统计性能边界，允许实际情况以一定概率超过统计边界，从而提高了资源利用率，代价是SLA保障不是100%覆盖。
另外随机概率分布未知，时延上限不够紧致也是随机网络演算的弊端。
8.2网络演算模型网络演算采用随机网络演算算法，提出基于网络质量概率演算的算法。
基于概率的网络演算设计思想由以下三部分构成：
（1）引入概率演算，业务流的微突发导致排队等待时延累积概率服从负e指数分布，通过设置概率阈值，得到突发量，来优化达到曲线中的突发量。
对于轻载情形，极大地优化微突发引起的时延抖动估计；
（2）采用上游最大服务能力，修正下游到达曲线。
上游节点的突发会进入到下游节点，根据上游节点的突发量，优化下游节点的到达曲线，进一步收紧时延上界；（3）将笼统的时延上界计算替代为逐跳时延上界考察。
为了便于路径的搜索和计算，需要逐跳IP网络未来演进技术白皮书3.0增强确定性网络（EDN）中兴通讯版权所有未经许可不得扩散第41页的计算节点的时延上界，保障端到端时延的确定性。
通过以上解决方案，可以大大优化时延上界估计，明显减弱长尾效应，同时适用于轻载和重载情形，支持转发面多种调度方式。
网络演算算法模型如图17所示，到达曲线由多段组成，其中多端口汇聚导致的报文碰撞演算出突发量M，峰值速率p根据上游实际等效速率进行优化，上游的突发量累积到下游演算出实际突发b，再根据不同的转发面调度方式，构建出不同的服务曲线。
图17网络演算建模需求参数包括从设备侧获取的调度方式及整形器参数、端口数据的周期内流速、端口服务能力，业务流获取的参数包括T-spec参数和端到端时延需求，以及配置的概率阈值和获取的拓扑数据。
根据最大业务包长、链路带宽、调度算法及整形参数和周期内流速，可以精确刻画业务的到达曲线，达到数据轻量级需求。
算法可以对微突发定量化描述，通过概率的演算极大地优化微突发引起的时延抖动估计，能够识别大流速汇聚到小带宽的情形，从而避免局部拥塞。
在轻载的情形下可以有效收紧时延上界。
通过网络演算规划工具具有以下功能：
时间数据brMTRpIP网络未来演进技术白皮书3.0增强确定性网络（EDN）第42页中兴通讯版权所有未经许可不得扩散1.对业务进行路径选择，并预留相应的资源；2.对网络进行性能仿真；3.对网络流量进行调优。
8.3网络演算仿真与验证图18网络演算测试组网图通过算法的仿真和实际设备的测试验证，业务流端到端的时延上界准确度达到90%以上。
如图18所示，为实际设备的组网图，共6个节点，配置5组共25条确定性业务流，背景流15条，多组流之间有多次汇聚。
通过测试仪发送业务流并测量不同业务流的端到端时延，并与网络演算部署和计算的端到端时延上界值对比，端到端时延准确度达到90%以上。
随着业务流带宽的增加，轻载和重载情形下的准确度都能达到90%，极大的优化了传统网络演算端到端时延估计过高的弊端。
网络演算可以优化全网的平均路径边界时延，降低带宽利用率，达到流量负载均衡。
在大IP网络未来演进技术白皮书3.0增强确定性网络（EDN）中兴通讯版权所有未经许可不得扩散第43页规模拓扑的仿真下，对比传统的路由算法，可以将平均路径边界时延降低10%-24%；平均带宽利用率降低12%-38%；高带宽利用率的链路占比降低，例如超过80%利用率的占比降低30%-75%，使得网络更不容易出现拥塞，负载更均衡。
9EDN的未来发展IP未来网络技术发展历来存在“演进”和“革命”技术路线之争，其实两种技术路线最关键的焦点在于未来网络技术的兼容性问题。
EDN从设计上就考虑了与现有IP网络的兼容性考虑，EDN可以基于现有的IP网络QoS架构增强，因此，支持和现有IP网络互联互通。
随着EDN技术架构、核心理念和关键技术方案的推广，预计EDN代表的增强确定性服务能力将逐步成为IP未来网络的基础能力之一。
10总结IP网络自诞生之日起，在过去的数十年中已经取得了巨大的成功，IP网络作为IP化业务开放服务的基础，随着5G/B5G、云网融合、算力网络、工业自动化、行业数字化等多样化IP业务的发展，呈现出泛在、开放、服务化的持续发展趋势，但是传统IP网络只能提供尽力而为的BE（Best-Effert）服务能力越来越限制IP基础网络对多样化业务的服务质量。
EDN在DetNet的基础上构建了面向IP未来网络的增强确定性QoS服务能力，通过凝聚行业共识目前已经形成了完整的技术体系并将逐步完成标准化。
开放服务互联有了EDN内生确定性的支持，将推动IP网络朝着未来持续演进！
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