面向电力业务的SPN物理层硬切片隔离技术研究

        电力是国计民生的基础保障。作为电力调度和电网监控的核心平台，电力通信的安全非常重要。国家能源局发布的36号文“电力监控系统安全防护总体方案”中要求承载电力通信I/II区和III/IV区的业务通道间必须是物理隔离或时隙隔离。虽然电力业务以太化和IP化的趋势非常明确，但I/II区生产业务的安全隔离需求仍然需要继承，少数重要的差动保护业务仍然为TDM接口。第一代基于分组传送的PTN技术无法提供TDM时隙隔离的承载通道，因此无法替代SDH承载I/II区电力生产业务，在电力通信网应用受限。

        SPN（Slicing Packet Network）引入以太网的物理时隙切片技术，实现了时分复用和分组统计复用的结合，能够提供电力I/II区业务和III/IV区业务要求的物理时隙隔离能力。SPN引入了FlexE技术、N×5Gbps颗粒的MTN Channel切片通道技术、N×10Mbps的细粒度切片技术以及CBR业务承载等技术，从接口、内核、组网、TDM业务适配等多方面进行全方位的网络重构技术创新，在以太网物理层上打造出了一个具备时隙隔离、低时延、确定性时延等特性的L1~L3多业务承载技术，适合承载I/II区电力生产业务。

物理隔离技术一：FlexE技术

        传统以太网基于包进行业务的封装和复用，业务以统计复用的方式共享线路侧端口带宽资源，如发生拥塞，基于业务优先级等方式来调度，无法提供严格的业务带宽保证机制。而FlexE技术对以太网做了时隙化的改造，使得其在接口上具备了TDM的特性。

        FlexE技术在IEEE802.3的协议栈的RS和PCS层增加一个FlexE Shim层，将业务逻辑层和物理层隔开，可以实现多条客户业务在一个物理通道共享带宽。对于线路侧100Gbps速率，分为20个时隙，每个时隙占用一个66B码块，对应5Gbps带宽。这里66B码块可以视为时隙，多个时隙级联（连续或者非连续）可以提供N×5Gbps的带宽，形成不同的容器，适配不同的业务带宽要求。

        FlexE shim层的时隙划分，使得各业务带宽可基于人工来配置和指定，为业务资源提供了基于TDM的预留机制，保证了多条客户侧的业务流之间是分片物理隔离，互不影响，实现了网络分片功能，满足了业务通道的物理隔离需求。

物理隔离技术二：MTN Channel切片通道技术

        OIF定义的FlexE技术提供了基于以太网物理接口的分片机制，能提供有效的接口级隔离机制。但FlexE仅为接口级技术，标准FlexE技术终结所有FlexE client，再将业务上送IP/MPLS模块进行分组查表转发，其内部的业务调度仍然采用分组转发机制，还是无法满足电力业务物理隔离的要求。SPN扩展了FlexE，支持基于FlexE client交叉的MTN通道，在承载网络中的P节点，客户业务直接在L1层进行交叉，而不再上送MAC/IP层，也不需要恢复出完整的业务报文。

        SPN的S-XC是基于66B码块的TDM时隙交叉，省去了分组转发的成帧、组包、查表、缓存等处理过程，透明传输业务，不感知业务，是类似SDH的VC交叉，可实现极低的转发时延和物理隔离。66B码块交叉为SPN提供了独立的TDM交叉内核，为组网时构建端到端的物理隔离的切片通道MTN Channel提供了基础。

        基于IEEE 802.3码块扩展，SPN采用IDLE替换原理插入MTN通道层的OAM码块，支持连通性检测、误码时延测量等功能。SPN基于通道OAM实现MTN通道的1+1保护，可支持端到端低于1ms 的保护倒换时间，保证了MTN切片通道的可靠性。

物理隔离技术三：细粒度切片FGU技术

        FlexE/MTN技术提供了5G颗粒的切片机制，但在电力等行业，其典型的生产业务采用E1承载，带宽为2Mbps，如采用5G颗粒方式，带宽利用率很低。而且采用5G颗粒切片机制，设备能提供的硬切片数量有限，无法满足实际业务的需求。

        SPN细粒度技术（FGU）采用类似SDH的TDM机制，以实现不同业务之间的严格硬隔离。FGU复帧包含20个FGU基本帧，每个FGU基本帧支持24个时隙，每时隙粒度为10Mbps。5Gbps的SCL（slicing channel layer）可承载480个10Mbps细粒度时隙，其带宽利用率接近97%。同时FGU完全兼容10GE标准以太网，可将端到端FGU专线延伸到CPE设备。

        FGU通道任一节点的出端口和入端口时隙通过管控层提前分配并固定，通过独享且确定的时隙保证严格的TDM特性。细粒度通道的P节点，基于TDM时隙交叉不感知细粒度业务报文信息，保证确定性低时延；细粒度业务独占TDM通道时隙资源，可实现抖动远小于1µs。同时OAM码块随路插入每一条细粒度通道，提供该通道的连通性检测、故障和性能监测能力，保证50ms以内的通道保护倒换。另外，FGU细粒度支持在线通道带宽无损调整，可在用户业务正常传输时对细粒度硬管道进行增大或者减小的带宽调整。

        SPN细粒度技术（FGU/fgMTN）聚焦构建端到端高效、无损、柔性带宽、灵活可靠的通道，可满足行业应用和专线业务等场景下小带宽、高隔离性、高安全性等差异化业务承载需求。

CBR业务承载技术

        我们知道PTN在承载TDM业务时，将TDM业务进行仿真处理，添加伪线、隧道标签后封装为报文形式，并基于设备的分组交换进行业务调度，在业务出口再恢复为TDM的形式。也就是说虽然其端口仍然是TDM方式，但设备内部处理是分组方式，无法保证业务通道间的物理隔离，也无法保证业务的低时延、确定性时延等需求。

        SPN的CBR（constant bit rate）业务承载技术，在接入TDM业务（如E1、STM-1等）时，端到端采用时隙码块方式，不涉及任何伪线、隧道标签的分组处理过程。SPN细粒度承载TDM业务时，先按照固定周期将业务流采用比特透明方式映射进入CBR业务容器中，再将CBR业务容器映射到FGU通道的Sub-slot时隙净荷中。这样，SPN的CBR处理方式是业务透明的，和SDH类似，能减少业务处理时延，同时基于FGU通道提供业务的物理隔离特性。当CBR业务类型为E1时，容器总长度固定为15个码块，含开始（S0）码块、13个数据（D）码块和结束（T7）码块，容器最多可装载4路E1业务，不同E1业务之间可拥有各自的时钟频率，保证了不同E1业务之间的独立性。

        SPN的CBR业务承载技术解决了原有的PWE3方式的软隔离的问题，既能保证业务带宽、误码性能，还能提供类似SDH的时延性能。

SPN设备内的隔离机制

        当前，各主流厂家的SPN设备均实现了上述FlexE技术、66B码块序列交叉S-XC和MTN Channel切片通道技术、细粒度切片技术、CBR业务承载技术。典型的设备转发架构如图1所示，其架构上包含分组转发和TDM转发两个独立的平面，支持TDM总线接口和以太网总线接口，分别对应TDM时隙转发和分组转发通道。SPN基于CBR方式，承载E1/STM-1等TDM业务，可以满足电力I/II区生产业务的物理隔离、低时延、确定性时延等要求；基于SR和VPN等分组技术可以满足电力通信III/IV区管理业务的大带宽、灵活高效转发等需求；基于EoFGU单板，提供分组业务的单板级物理隔离，类似于MSTP设备EOS单板的物理隔离机制，可以直接承载电力I/II区的以太网业务。

       SPN的细粒度硬切片、E1 CBR等技术的标准成熟，并在中国移动组织下完成了多次验证性测试、异厂家互通测试和现网试点，当前在中国移动现网已规模商用，承载了电力5G虚拟专网、大客户专线等业务。SPN的细粒度切片、E1 CBR，在国网、南网也进行了多次现网的验证性测试和试点，目前已经在现网承载电力调度数据网等业务。