确定性网络标准化发展现状、挑战及建议有哪些？

越来越多的应用对网络时延的上界/下界提出了严格且明确的诉求，传统数据通信网络提供的“尽力而为”服务已不能满足。

1.确定性网络的标准化发展现状

（一）IEEE 时间敏感网络TSN IEEE 于 2006 年首先开展确定性网络标准的研制，成立了“音视频桥接 AVB”工作组，研究音视频局域网络的确定性；2012 年更名为“时间敏感网络 TSN”工作组[3],将应用场景扩展至工业、车载以及前传等，其包括时间同步、低时延、可靠性和资源管理四个部分。

（二）IETF 确定性网络DetNet 国际互联网工程任务组 IETF 于2015 年成立“确定性网络DetNet 工作组”[4]，沿用 TSN 的技术体系，解决基于IP等网络层的确定性问题。

DetNet UNI 参考接口是确定性终端到确定性网络的连接参考点，其提供终端到确定性网络的确定性服务连接。DetNetUNI 可以提供多种能力接口，例如，它可以将与特定网络技术相关的数据封装添加到确定性网络流上；它也可以提供与预留资源相关的可用性状态信息给终端；它可以提供时钟同步服务给终端； 它也可以携带消息给未使用控制器的分组网络以便分组节点将相关资源进行预留。

（三）3GPP 5G+TSN、5G+DetNet 国际 3GPP 从 R16 开始引入 TSN 机制，支持最基本的5个IEEE TSN 协议，并对 5G 网络进行时间同步机制和确定性服务保障增强，R17 阶段对 R16 进一步增强，并支持基于5G 的确定性能力开放，当前标准研究已经完成R18 详细设计，支持了DetNet、跨域确定性。

2.确定性网络要解决的问题

确定性网络通过对网络数据转发行为进行控制，从而实现可预期、可规划的，将带宽、时延、抖动和丢包率等控制在确定的范围内[5]。其中，带宽资源可以通过资源预留协议、软硬切片资源隔离等方式实现，丢包率可以通过多发选收等技术实现。时延和抖动是确定性网络所关注的最核心的方面，包括网络的单跳时延和端到端时延[6]，通常表现在单台网络设备对于报文的收发时间的控制，以及与上下游节点的相互配合。

（一）保障单域网络的时延网络的单跳时延主要由单跳传播时延和节点内时延组成，其中传播时延是指数据包在链路上传播的时延，主要取决于网络设备之间的链路距离及链路传输速率。在一个稳定的网络拓扑中，链路距离及链路速率相对稳定，因此链路时延几乎没有变化的空间。 节点内时延主要包括报文的处理、排队、发送和重传等，特别是节点中的排队时延是造成长尾效应的主要因素。当没有任何网络拥塞，数据报文进入缓冲队列的时延几乎为零，但是网络一旦有拥塞发生，报文必须在网络设备（路由器、交换机）中排队等待。这个时间不是固定的，与网络繁忙程度以及队列排队机制相关。网络负载比较轻的时候，不需要排队，无排队时延；负载较重时，排队则可能时延很大（几十到几百毫秒都有可能）。所以，链路时延的可降低空间十分有限，达到低时延进而实现确定性网络的关键在于减少节点内的时延。

确定性网络中，可以事先调度规划好关键事件的发生序列。各个子系统之间通过通信任务的特定调度规划和数据包的处理调度，使确定性任务处于一种无冲突的状态，避免了信息在交换过程中不可控制的排队，有效地降低了设备的缓存成本以及传输等待而导致的时延，从而使得整个网络的关键数据包的传送处于确定的状态。图 4-2(a)和(b)分别给出了在传统IP网络和确定性网络中的端到端传送时延的概率密度分布，可以看到确定性网络的时延和抖动是有上界的。

（二）保障端到端跨域网络时延的协同网络的端到端时延是指业务请求从客户端发出之后，一直到数据中心进行处理所经过的所有网络链路和设备的时延。如图 4-1 所示，网络端到端单向时延包括以下4 种。（1）无线侧时延：无线侧时延主要是指业务数据从端侧发出，经无线空口被无线接入网（RAN）接收的时延。（2）回传网时延：从基站连接至用户面功能（UPF）的时延，这段网络不同的运营商采用不同的技术，如分组传送网、切片分组网以及 IP 无线接入网技术等。（3）UPF 处理时延：UPF 作为5G 核心网的用户面网元，是RAN 与数据网络（DN）之间的连接点，负责完成数据报文的识别和重封装。其中，服务质量映射、深度包检测等功能处理会带来一定的时延。UPF 的部署位置随着5G 核心网下沉，可能在城域接入、汇聚、核心、骨干等多个位置。（4）IP 承载网时延：IP 承载网主要指省际骨干网和部分城域网，以及互联网，采用的是 IP 网络技术。

通常除了局域网业务，其他需要访问外网或者互联网的业务都需要经过多个网络域，包括跨越局域网、运营商不同自治域的网络以及不同运营商之间的网络，单个设备的确定性转发无法保障全局的确定性。当前确定性网络的转发面技术如流量整形、队列调度等均以解决单跳时延为基础，缺少了基于端到端时延保障的考虑。

3.发展建议

确定性网络目前标准已经走向成熟，但是仍需在确定性网络的场景和技术分类分级、应用确定性需求和网络确定性能力映射，网络与计算确定性技术协同方面展开进一步研究：

（一）确定性网络的场景和技术分类分级端到端的确定性网络技术的协同需要根据业务需求将确定性业务映射到不同的确定性服务等级。同时，确定性网络的服务的等级，需要综合业务的需求及网络的能力，来决策确定性网络相关的技术选择和试点规划。当前确定性业务的场景需求和技术分类分级还未完全明确。为了更好地进行确定性网络技术的协同，有必要对确定性网络的场景和技术分类分级进一步研究，以满足确定性业务多样化需求和SLA 指标达成。

（二）应用确定性需求和网络确定性能力映射不同应用对网络的时延、抖动、丢包率等指标有着不同的需求，确定性网络的终极目标是保障应用确定性需求。网络QoS 越高，传输机制越复杂，成本也越高，因此不能一味地追求高质量的网络 QoS，而是要“因地制宜、对症下药”，综合考虑性能和成本之间的平衡。当前细分应用场景众多，无法直接从业务质量需求中提取出网络的确定性传输需求。为了解决上述问题，需要解决应用的确定性需求和网络的确定性能力之间的映射问题。

（三）网络与计算确定性技术协同针对工业控制系统向着广域化、云化发展的趋势，网络与计算确定性技术协同可以为下一代工业控制系统提供实时算力和实时传输保障。网络确定性主要关注的是网络的实时性能力，如时延和抖动的控制；计算确定性则更多地关注算法的稳定性和执行效率，确保计算任务能够稳定执行并在有限的时间内得到结果。网络确定性技术和计算确定性技术分属两个不同的领域，相互协同为工业系统提供融合确定性保障仍面临诸多挑战。下一步，希望与产学研各界凝聚共识，携手探索确定性网络协同技术领域，解决当前确定性网络协同技术发展过程中存在的标准体系尚不完善、关键技术尚不成熟等问题，共同推进产业发展！