广域确定性网络介绍

面对激增的网络应用，如高清实时视频流与工业机器控制等，传统以太网采用“尽力而为”的数据转发方式，网络中会存在大量的微突发现象，进而导致不确定的数据分组时延或网络拥塞等问题，无法实现对传送时延和抖动的准确控制。面对上述需求和问题，需要建立一种可以提供“准时、准确”数据传输服务质量的新一代网络。

确定性网络技术可以在传统以太网物理介质的基础上，利用网络资源打造的确定带宽、确定时延、确定抖动、确定丢包率等特点的应用网络，是一种能为不同行业需求提供确定性业务体验和端到端确定性服务保障的新一代网络技术。通俗而言，主要是针对工业、能源、车联网等对网络低时延、可靠性和稳定性要求极高的垂直行业，按照业务级别构建的一个有差异化服务的确定性网络。

通过近几年的理论研究和实践探索，确定性网络技术框架逐渐成熟，形成了以FlexE、SliceID切片、SDN软件定义网络、SRv6、DetNet确定性网络等为核心的多层次技术体系，适应不同的应用场景，满足带宽确定性、路径确定性、时间确定性等综合确定性需求。本文重点阐述在工业控制领域有更高诉求的时间确定性技术——即DetNet，通过更低的时延抖动满足工业控制的高精度时间要求。

新华三确定性网络技术原理简介

新华三DetNet确定性网络，是以IETF DetNet标准为基础，基于RCQF（Resilient Cycle Queuing and Forwarding，弹性周期排队转发）技术的端到端确定性数据传输方案。

RCQF核心思想是在传统以太网的基础上引入周期转发的思想，在转发节点上用时分方式划分成多个时间片T，某个确定性流的数据包只能在为其指定的时间片内发送，因此节点内的发送时延抖动被限制在1T以内。

在转发路径上的每个节点上，确定性业务流量的发送时间因为都被限制在一个特定的时间片内，所以其在该点的时延抖动就是有界的。无论增加多少个节点，前一节点的抖动并不会增加后面一个节点的抖动时延。每个节点及时吸收相应抖动，抖动不会累加、扩散。

这样，对于整个端到端转发路径，时延抖动只依赖于首节点和尾节点的抖动值，而不受中间节点个数影响，最终保证端到端的时延抖动为2T。对于新华三路由器CR16000-F/CR16000-M设备，T可达到10us级别的精度，也即新华三广域网确定性路由器可实现端到端时延抖动不超过20微秒。

RCQF技术重点解决了端到端确定性传输过程中的“低抖动”需求，同时增加了弹性能力使其适用于广域网。RCQF的弹性能力包括弹性适应传输时延、传输抖动、大带宽、大包长、接口速率，以及只要求频率同步等。

新华三确定性网络方案的四大关键技术：

（1）高精准频率同步，通过1588、同步以太等技术实现转发路径上节点间的频率同步即可，不需要时间相位同步

（2）测量与标定，通过算法及探测报文，精准测量出单个节点内、以及上下游间时延、抖动，便于后续的资源分配

（3）确定性协同，提供丰富的北向接口，与控制器协同提供全局的拓扑、接口带宽、业务等信息展示，并实时掌握业务对应的路径、接口、带宽、队列等状况，同时可用于规划确定性网络的队列映射

（4）队列映射与调度，通过测量与标定结果建立队列映射关系，由控制器进行映射关系规划和下发，路由器设备根据队列等信息进行指定周期调度转发。

全球首张广域网超低抖动确定性网络

当前，互联网的发展正由“消费型”向“生产型”转变，一批新兴的广域互联网应用场景，如远程控制、远程手术、协同制造、数字孪生等，在低时延、低抖动、高可靠，以及大带宽下确定性流和非确定性流共存等方面都对网络提出了更高的要求。传统网络“尽力而为”的技术架构难以支撑生产型互联网的需求，亟需具备确定性服务能力和差异化服务能力的新的广域网络架构。

新华三集团联合多家国内重点单位，使用CR16000-F和CR16000-M高端路由器，历时半年建设完成了全球首张确定性网络——山东确定性网络。该全球领先的网络规模超越5600公里，将成为相关企业开展行业数字化转型和高质量发展的重要技术支撑平台和骨干承载网络。

中国信息通信研究院测试项目团队对山东省确定性网络的关键性能指标进行了现网测试，主要内容包括确定性流量、非确定性流量、“确定性+非确定性”混合流量三个场景下的业务连接、带宽保障、时延及时延抖动性能。综合中国信息通信研究院两轮全面的测试验证，可以确认在山东确定性网络中，不管确定性流量条数多少、网络跨越距离及网络节点数多少，都能保证确定性业务的端到端平均时延抖动、最大时延抖动都能小于20微秒。参考业界已公开报道数据，在端到端高负载混合流量的现网测试场景下，山东省确定性网络时延抖动和确定性业务规格性能指标达到国际领先水平。

为加快科技成果转化，山东未来网络研究院正在利用该全球首张确定性网络，与山东能源、山东临工、浪潮集团、海尔卡奥斯、青医附院等单位，联合打造了“确定性网络+智慧矿山”“确定性网络+智慧矿井”“确定性网络+中国算网”“确定性网络+数字孪生”“确定性网络+远程医疗”等一批典型应用场景，显现出对推动企业技术进步和产业升级的重要作用。

CENI未来网络核心网确定性网络升级

新华三CR16000-F和CR16000-M系列高端路由器在山东未来网络完成全球首张确定性网络的建设，树立了新华三在确定性网络新领域的技术实力。因此，新华三集团又进一步加强与紫金山实验室、江苏未来网络创新研究院等深入合作，在CENI全国骨干网中完成了确定性网络的改造升级。

未来网络试验设施（CENI）作为我国通信和信息领域首个国家重点科技基础设施，是国务院《国家重大科技基础设施建设中长期规格（2012-2030）》中优先安排的设施之一。CENI骨干网络建设规模覆盖南京、北京、合肥、深圳、广州、上海、西安等全国40个大中城市。

在本次CENI骨干网改造升级确定性网络的过程中新华三集团承建了其中14个骨干节点，并且经过中国信息通信研究院作为第三方单位进行了综合的验收，各项功能指标、性能指标保持领先，为确定性网络服务和东数西算等应用的部署和优化提供了良好的网络基础。

图：CENI骨干网确定性网络升级拓扑

新华三承建的14个全国骨干节点，在信通院第三方验证中进行了三组测试，如图中1、2、3三条链路，通过跨长距离骨干网、多网络节点，验证在综合实际网络中确定性网络的功能和性能表现。本次验证使用128-9000可变字节的确定性和9000固定字节的非确定性混合业务，进行对比，确定性业务平均抖动小于10us，最大抖动不超过18us，非确定性业务平均抖动90us左右，最大抖动超过110us。上述第三方测试数据说明，在新华三承建的CENI骨干网确定性改造中，通过CR16000-F确定性路由器可以有效保证端到端的时延抖动在20微秒以下。

同时，为了进一步验证确定性网络在网络拥塞条件下对时延抖动的确定保障，进行了南京-武汉-南京链路上高负载（75Gbps确定性业务+25Gbps非确定性业务，增加SRv6封装后已超过链路100G接口带宽）情况下的验证，确定性业务流量无丢包，平均抖动10us左右，最大抖动19.8us，非确定性业务会出现拥塞丢包，平均抖动12ms，最大抖动85ms。

上述拥塞情况下，非确定业务会拥塞丢包，但是系统可保证确定性业务的不丢包以及端到端20微秒的抖动；同时，100Gbps链路承载75Gbps的确定性业务的能力，也是业界领先的水平。

综合信通院的验证结果并参考业界公开的报道数据，CENI确定性网络在规模、传输距离、时延抖动、零丢包、确定性业务规格等主要性能指标达到了国际领先水平。

新华三未来工厂确定性智慧园区

确定性网络可在多种场景中得到应用，发挥其极低的丢包率和确定的端到端传输时延抖动等优势，例如工业互联网、远程医疗、无人驾驶、VR游戏等。新华三技术有限公司CR16000-F/CR16000-M确定性网络路由器在新华三未来工厂进行了面向远程工业生产制造的确定性服务场景验证和应用。

在该应用中新华三技术有限公司联合了江苏省未来网络创新研究院、新华三未来工厂、新华三集团等几家行业头部企业进行了横跨南京、杭州广域的确定性网络场景的技术验证落地。验证过程中，结合了有线、无线多种接入方式以及融合局域网、广域网确定性网络技术，达到端到端确定性业务在带宽、时延、抖动等多方面的保障，满足远程工业生产制造对网络的苛刻要求。

此次应用的远程控制中心部署在南京江苏未来网络创新研究院，被控制的智能小车设在杭州新华三未来工厂，广域网确定性通过CENI骨干网部署在南京和杭州的新华三高端路由器CR16000-F承载。

图：CR16000-F路由器确定性网络远程控制应用

图：远程控制应用AGV小车实时监控画面

本次应用针对实际远程控制生产中可能遇到的各类网络诉求，设计了四大场景，以视频监控实时观测远程控制智能AGV小车的行进动作效果：

（1） 在不拥塞的情况下采用非确定路径承载控制信号流

图：网络不拥塞+非确定性路径远程操控

说明：蓝色曲线表示AGV小车接收到控制指令的发包频率(hz)，黄色曲线表示小车的实时运行速度(m/s)；下同。

（2） 在拥塞的情况下采用非确定(BE)路径承载控制信号流

图：网络不拥塞+确定性路径远程操控

（3） 在不拥塞的情况下采用确定性路径承载控制信号

图：网络拥塞+非确定性路径远程操控

（4） 在拥塞的情况下采用确定性路径承载控制信号流

图：网络拥塞+确定性路径远程操控

最终通过验证发现在各种极限场景下，远程控制智能小车无论在网络空闲还是拥塞状态下，采用新华三CR16000-F路由器广域网确定性承载路径，都可以达到稳定的控制指令传送最终达到稳定的运行速度（场景2、4）；而使用非确定性路径承载，只有网络空闲时才能一定程度上保证相应的频率和速率（场景1），在网络拥塞时，控制效果非常不理想（场景3）。

通过该远程控制的实际应用部署，可以充分说明新华三确定性网络方案可满足远程工业精准控制的要求，对超远距离工业机器人控制、工业设备控制及超远距离远程手术等应用场景具有重要的试验价值和示范效应。