作者简介：黄玉栋，北京邮电大学网络与交换国家重点实验室研二在读，研究方向为未来网络体系架构，确定性网络，邮箱地址: hyduni@163.com.
上回介绍了确定性网络的背景，并提到确定性网络不是单一的技术，而是一系列协议和机制的合集（确定性网络：打造网络中的超级高铁）。那么到底有哪些技术，怎么实现的，成熟度怎么样？这次就接着聊一聊实现广域确定性网络的三种技术路线。
一、1层动态光电交叉/1.5层硬管道切片
最简单的确定性网络莫过于全光网，比如点到点连接的裸光纤，服务质量极为稳定，但这样的方式带宽没法统计复用、不支持点到多点传输、费用高昂、光纤资源浪费大。因此，要想灵活组网又便宜，还是要引入基于分组交换的以太网。于是就有了OTN（Optical Transport Network，光传送网络），其将电域和光域统一管理，可提供巨大的传送容量、完全透明的端到端波长连接以及电信级保护；因为OTN具有强大的开销、维护管理以及组网能力，其已成为当前广域承载的主要技术。
那OTN有没有问题？它主要有两大问题。
一是难以动态地光电交叉。OTN主要采用波分复用和时分复用技术来调度资源，其要求提前建立虚电路连接，然后才能在信道上传输信号。OTN既可以在光层做交叉，也可以在电层做交叉，还可以光电一起做交叉，但开销和复杂度越往后越高。诺基亚贝尔实验室在2019年提出了确定性动态网络（DDN）的概念以及OE（Optical-Ethernet）技术，将光层时隙资源和以太队列资源联合进行调度，动态地建立释放连接，期望时分复用达到统计复用的带宽利用效果。其采用在中间节点只处理包头、只在边缘节点进行FEC差错校验、严格优先级调度等方式降低管理控制开销，并试验了将DDN用于边缘云间的确定性互联。
二是带宽颗粒不够细、不够灵活。OTN目前最小只能到2.5Gb/s的电层带宽颗粒，为此，OIF光学互联论坛提出了FlexE灵活以太网技术，一种在1.5层提供细粒度硬管道切片、业务隔离的技术。FlexE在以太网L2/L1层之间增加了FlexE Shim层，它通过时分复用分发机制，将多个client接口的数据按照时隙方式调度并分发至多个不同的子通道，使网络即具备类似于时分复用的独占时隙、隔离性好的特性，又具备以太网统计复用、网络效率高的特性。
FlexE 有3种应用模式：链路捆绑模式、子速率模式和通道化模式。链路捆绑模式是将多个物理通道捆绑起来，形成一个大的逻辑通道，实现大流量的业务传输。子速率模式是指单条客户业务速率小于一条物理通道速率时，将多条客户速率汇聚起来共享一条物理通道，提高物理通道的带宽利用率。通道化模式是客户业务分布在多条不同物理通道的多条时隙上，多个客户共享多条物理通道。
换个简单说法，FlexE是一个接口技术，把以太网接口速率和光接口速率解耦。你可以把4个100G的接口合起来当400G的接口用，也可以把100G的接口划分出来1G给专门的业务用，目前OIF更有考虑实现MB级别的小颗粒切片。
总结一下，技术路线一是利用OE、FlexE等技术，在光层/1.5层进行调度，通过硬管道切片隔离，保证带宽层面、业务层面的确定性传输。
二、网络演算 软件定义队列
保证确定性带宽后，如何保证确定性的时延和抖动呢？技术路线一只能保证业务层面的确定性，为了保证每流、每包级别的确定性，还需要网络演算和软件定义队列技术。
在QoS保障方面，很早就有智能路由、带时延约束的路由、带宽时延联合调度等保障时延的方法，但这些方法大多类似DiffServ模型，得到的结果是统计意义上的平均时延/抖动变小了，是优化的平均指标。平均指标其实跟负载有关，负载小了平均时延自然就小了。而确定性要求的是最坏时延有界，即在有流突发、聚播等情况下，流的最大端到端时延依然不超过某个值；同时满足低时延，即最坏时延接近最小时延，从而减小时延变化（抖动）。这个时候，就需要确定性网络演算理论。
先从单节点单流看，确定性网络演算理论是说已知一条流的到达速率、突发尺寸、到达时间、以及节点的服务速率，那么就能算出来流在该节点的服务时间。从单节点多流看，已知多条流的上述信息，则可以根据卷积叠加原理，算出各条流的等待时间和服务时间，从而算出各流的逐跳最坏时延。最后从多节点多流看，也就是从全局整个系统看，若全网通过SDN的方式可管可控，已知网络和流的上述信息，则可以通过控制发包速率、调整发包时间、边缘整形等方式，得到每流通过网络系统的理论端到端时延上界，从而提前为流选择满足时延上界要求的合适的路由路径和调度方法。
其实，很早就有IntServ、异步整形器等这类基于网络演算的机制，但因为要为每流提供调度器、核心节点要维护每流状态、存在可扩展性等问题，以及广域海量流量会实时动态变化，需要强大的实时测量、全局管理、精准控制能力等原因，其未能得到广泛部署。
此外，各流的等待时间跟它的优先级有关系，在无抢占的情况下，一条流要先等比它优先级高的流传完，以及同等优先级先到的流传完后，才轮到它开始传输。显然，如果队列优先级越多，那么能够调度规划流的粒度就越细。传统交换机出端口只有8个优先级队列，是以业务类为粒度进行调度，因此，当前还提出了软件定义队列的方法，其最多每端口能创建65000个队列，希望做到每流每队列的调度粒度。通过动态地创建队列、删除队列、以及修改队列调度算法，使得调度方式更加灵活、时延计算更加精细。
三、基于周期的循环队列调度
那有没有可扩展性很强的广域确定性调度机制？有，比如多队列循环排队转发、可扩展确定性转发、周期具化的循环排队转发、Paternoster等机制，它们都是基于周期的循环队列调度机制，接下来以IETF DetNet工作组提出的周期具化的循环排队转发[1][2]（CSQF，Cycle Specified Queuing and Forwarding）机制为例进行介绍。
CSQF是基于多周期的多队列循环调度机制，其要求设备间频率同步、设备出端口队列循环排队转发、且需维护相邻节点的周期映射关系，最后将带有周期信息的分段路由标识符（SID，Segment Routing Identifier）列表附加到数据包。如下图所示，当发端想要将时间敏感的流发送给收端时，连接建立的工作流程为：（1）集中式网络控制器收集服务质量的请求。（2）控制器通过计算满足约束的可行路径和周期来生成SID。（3）控制器将SID标签栈分配给发端和沿路径的网络设备。
SID指定了在每个节点（跳）上传输数据包的出端口和传输周期。例如，4076表示在4节点的7端口的6周期传输该包。因此，启用CSQF的设备可以通过消耗数据包头标签堆栈中可用的第一个SID，以精确的预留时间来转发时间敏感数据包。此外，分段路由不仅是实现显式路由的可行方法，还是一种源路由技术，不需要在中间节点和出口节点维持每流状态，因此具有很好的可扩展性，能调度大规模海量的流量。
这种技术路线和TSN时间敏感网络的同步调度机制一脉相承，都是基于时分复用的思想；希望通过约束最大队列长度，从而控制排队时延；找到合适的逐跳传输时延，则可以保证端到端最坏时延有界。此外，DetNet还在TSN的基础上提出了显性路由、抖动消减、包复制与消除等三层确定性技术，融合TSN与DetNet是广域确定性网络的主要发展方向之一。
四、总结
最后，如下图总结，笔者认为确定性网络及其类似技术的共同点是：要解决性能保证与资源共享之间的矛盾。以太网的Best-effort分组转发就胜在能充分的实现资源共享，而未来确定性网络的趋势是：基于IP以太网，通过业务隔离、资源预留，以尽可能低的成本与开销，实现性能保证与资源共享间的均衡。
[1] https://datatracker.ietf.org/doc/html/draft-chen-detnet-sr-based-bounded-latency
[2] S. Chen, J. Leguay, S. Martin and P. Medagliani, “Load Balancing for Deterministic Networks,” 2020 IFIP Networking Conference (Networking), 2020, pp. 785-790.
【转载须知】
若转载文章为原创文章，可在相应文章下或公众号后台留言；其他非转载类文章须在文首以不小于14号字体标明转载自SDNLAB。
