5G承载分组小颗粒专线技术
发布时间：2022-07-21 作者：中兴通讯 张宝亚，宋兵 阅读量：
在国内企业数字化转型大背景下，行业ToB应用成为5G产业链的热点。相对于传统政企专线，在业务云化的推动下，入云专线已成为运营商增加业务粘性的关键抓手。这些行业应用对5G承载网络提出的新需求，对传统分组承载技术带来了新挑战：5G初期的大颗粒切片技术已经难以满足业务多样化的需求，国内三大运营商开始关注兆级别小颗粒专线业务。
行业应用给传统分组承载技术带来挑战
行业应用通过5G网络的FlexE切片提供服务，ToB切片业务和ToC业务对网络的服务等级协议（Service-Level Agreement，SLA）需求存在较大差异。业界根据切片业务资源和服务增值功能需求，提出了尊享、专享和优享的分级服务模型：尊享业务要求网络提供独占转发物理带宽，并具备零丢包、抖动小、确定性时延的高可靠性能保证；专享业务要求独享LSP（Layered Service Provider，LSP），提供业务带宽、时延高质量转发；优享业务共享LSP，依靠QoS（Quality of Service，服务质量）实现高优先级业务服务保障。其中，尊享业务面向ToB行业URLLC场景的需求，例如生产控制类的工业互联网、电力差动保护业务和VIP政企业务， 不仅要求保证带宽，更提出了网络高可靠（零丢包）和低时延确定性的服务要求。 在网络资源上，ToB业务提出了更严格的业务资源保证和安全隔离需求，需通过专用网络资源保障重要生产类业务的高安全性。除了SLA要求外，入云业务也要求推动云和网的关系趋向于融合，业务中的流量和流向更加复杂，需要对未来业务进行创新，例如动态创建独享带宽专线就对专线业务的可编程能力和智能业务发放提出了较高的要求。
上述ToB的需求对分组承载技术提出很大的挑战。而FlexE切片最小颗粒度是5Gbps，不适合给单一客户做切片使用，运营商迫切需要寻找新的资源预留技术实现VPN/EVPN业务级别的切片服务。
为此，业界提出了不同的小颗粒专线技术方案：某国内运营商采用基于L1层的小颗粒技术，类似SDH机制，但实现成本较高；此外，基于分组HQoS（Hierarchical Quality of Service，分层QoS）的应用及RFC7625，业界提出了IP分组小颗粒技术，该技术基于业务实现逐跳的资源预留能力，从而在网络上为特定的VPN用户实现硬专线服务。
5G分组小颗粒专线技术原理
传统统计复用网络是尽力而为的转发，不同优先级业务可以互相抢占，高优先级业务受到低优先级业务包长等影响，而且网络侧最多只有8个队列对应8类业务，大大限制了QoS能力。通过在网络侧引入基于HQoS的带宽预留和小颗粒引流技术实现5G分组小颗粒专线，可满足5G业务质量要求。
带宽预留原理
基于传统QoS能力不足，RFC7625提出了IP Harden-pipe的概念，其核心原理在于网络中的每条流量都通过HQoS进行限速管理（见图1）。
图1 IP Hardened Pipe基本原理
RFC7625（IP Hardened Pipes）转发面QoS技术，避免了传统分组转发业务中网络侧只能支持8个队列，无法充分利用设备大队列和多级QoS能力的情况，实现了更加灵活的带宽保证。
IP Hardened Pipes通过逐跳HQoS保证，实现更好的SLA保证机制。其采用的是高优先级根队列限速加Shaper机制，避免和其他队列互相抢占调度资源，模拟兆级别的带宽独享的硬管道（见图2）。硬管道内部子队列进行正常QoS调度，极大提升差异化服务能力，保证确定性转发。
图2 IP分组小颗粒对业务提供QoS保障能力
RFC7625（IP Hardened Pipes）小颗粒切片技术，物理层切片技术不仅可以实现链路的资源切片，还可以实现端到端网络资源的切片，进而提供端到端时延确定性。在转发层支持MPLS-SR/SRv6技术，为VPN业务提供具有源路由的网络可编程能力，提供通过PCEP（Path Computation Element Communication Protocol，路径计算单元通信协议）的切片业务从基站到UPF选路的能力，通过SR-BE提供VPN业务的泛在连接。
基于QoS可以实现灵活的带宽管理，业务的颗粒最小为1Mbps，可以灵活提供匹配时延敏感业务颗粒的Nx1Mbps带宽，并且每个小颗粒信道都有对应的物理时隙，可以实现任意场景下的资源保障和严格物理隔离，在小颗粒信道上支持当前的L2/L3 VPN服务。
小颗粒引流技术
虽然IP Hardened Pipes实现了带宽预留能力，但在传统MPLS/SR转发节点不识别业务信息的情况下，业务要走到预留的QoS队列需要通过一定技术来实现。为此，业界提出了多种技术标准，现达成业内共识的技术是状态无关（即协议无关）的小颗粒技术：用户信息随业务流携带，每条转发节点根据业务流信息进行QoS入队处理，从而实现业务带宽保证。CISCO最早提出了基于SRv6随流小颗粒技术草案。
中兴通讯在CISCO草案基础上，利用IPv6头中的Flow Label定义了10bit的分组小颗粒切片业务标识，可以基于SRv6 BE/SRv6 Policy承载业务实现小颗粒承载。
分组小颗粒带宽预留与转发原理
对于制定的VPN业务，小颗粒带宽预留可以基于命令或PCEP进行逐跳配置：每个业务分配一个小颗粒标志ID，该ID基于全网或者控制器算路算出的SRv6-TE Policy显式路径上的节点进行带宽预留配置。在业务PE节点转发时，只要携带上小颗粒ID，则每条网元上都可以通过预留的带宽进行转发，从而实现独立带宽保障。
分组小颗粒的标准情况
随流的分组小颗粒目前在SRv6和SR-MPLS领域都已经有个人提案，其基本目标都是在数据报文中携带VPN用户信息，以便和RFC7625定义的队列带宽预留实现无状态绑定。
当前分组小颗粒的带宽预留是基于命令行、管控逐跳，或全网配置，配置工作量比较大。未来也会出现新的动态路由协议，实现分组小颗粒的扩散，允许小颗粒信息只在边缘业务节点配置，简化配置工作量。同时，可以结合SDN实现小颗粒的动态调优、动态带宽调整、动态服务等增值服务。
总结
综上所述，ToB行业应用推动5G承载网的技术不断演进，分组小颗粒硬切片技术能够适应运营商政企业务创新服务，解决5G通信网络与垂直行业结合应用中的痛点问题。采用分组小颗粒技术，可以为高价值ToB行业用户提供独享带宽。分组小颗粒采用QoS技术，带宽可以灵活动态调整，不中断业务。此外，带宽颗粒度可以达到1Mbps级别，用户的带宽可以从M级到G级灵活分配。
当前分组小颗粒技术已成为行业热点，并已在运营商网络开始进行试点。该技术可以根据ToB行业的业务切片需求，在一张物理承载网上提供尊享、专享和优享等差异化服务，极大地提升了5G承载网的资源利用率和业务提供能力，有助于实现5G赋能千行百业的产业升级目标。
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