确定性网络：打造网络里的超级高铁

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

确定性网络是指能保证业务的确定性带宽、时延、抖动、丢包率指标的网络；确定性网络技术是一种新型的服务质量（QoS）保障技术。本文面向小白科普入门，将尽量用通俗易懂的语言，深入浅出的分析确定性网络的需求由来、技术实现和未来展望。

一、需求由来

业务形态和需求的改变是网络技术变革的主要动力。

传统电话网采用面向连接的电路交换技术，其在通信前建立连接，为通信双方分配具有固定带宽的通信电路，直到通信结束再释放连接；比如早期单一的64Kbps话音业务，可以采用固定比特率进行传输，一根电话线连两头，想打多久打多久。电路交换具有实时、低速率、高质量的话音传送的优势，但缺点是带宽利用率不高。

而后一方面互联网繁荣，图片、视频、搜索等业务形态变得复杂，采用分组交换后网络就像大马路的交通，路上自行车、小汽车、公交车、大货车啥车都有，上下班高峰期容易排队和拥堵，时延和抖动等需求没有保障；

另一方面车载网络、航空航天、金融交易、电力传输和石油勘探等垂直领域，出现了大量的专用总线和实时以太网技术，其保证了流量的低时延低抖动传输，但碍于专线成本高，而各类实时以太网标准又互不兼容、且不与标准以太网兼容，所以技术封闭，没法铺到互联网大马路上。

因此，确定性网络的需求主要来自两方面：

• 兼容以太网标准：在工业自动化、智能制造等传统场景，需要用以太网统一替代几十种现场总线和实时以太网标准，融合IT网络和OT网络，实现尽力而为流与工业时延敏感流的共网传输，降低成本。
• 承载确定性业务：随着机器与机器间通信流量激增，需要在自动驾驶、远程手术、全息通信等新兴场景，结合5G等技术，打造网络里的超级高铁，实现确定性业务的端到端传输。

二、技术实现

在讲确定性网络的技术挑战前，首先要聊一下现有的互联网和工业网络是怎么做QoS服务质量保障的。

互联网怎么做QoS？

互联网主要有四种方法保证QoS：扩容/轻载、流量整形、队列调度和拥塞控制。

• 扩容/轻载：扩容就是扩带宽，两车道不够用就改四车道、八车道，让网络处于轻载的状态。现在以太网已经能做到单端口400G，当然，比较费钱。
• 流量整形：通过令牌桶、信用整形等技术，对特定端口或者流量进行限速。比如上游节点出端口带宽8Gbps，下游节点空余带宽只有2 Gbps，就要限制上游传输带宽小于2Gbps，以免下游节点拥塞。好比两车道不能八辆大卡车并排开。
• 队列调度：队列调度就是在交换机的出端口对流量进行调度，好比红绿灯。首先把包标记上不同的优先级，然后包进入对应的优先级队列，最后采用不同的队列调度算法对包进行处理。比如严格优先级算法（SP），会让高优先级的流量有就一直转发；比如加权循环调度算法（WRR），会给每个队列一个权重，按权重的比例依次进行转发，以免低优先级的流量长时间等待。
• 拥塞控制：当流量过多，缓冲队列都不够用了，网络出现拥塞丢包，就需要拥塞控制。可采用ECN、DCTCP等基于显式拥塞标记或者Timely、Swift等基于RTT往返时延的方法探测拥塞，让上游节点直至发送端降低发包速率。好比沿着拥塞地点让交警往回控制其他车辆停止通行或者绕道而行。

互联网做QoS有两大核心问题：缺少有界时延抖动的保证，以及难以应对聚播和突发流量。

• 缺少有界时延抖动保证：由于是统计复用出端口带宽资源，缺少时延维度的QoS保障机制，尽力而为转发总是会存在排队等待和拥塞的情况，业务时延在50ms-1s的量级，并存在长尾时延。
• 难以应对聚播和突发流量：由于发端流量的大小和发包时间不可控，网络中存在多条流在下游节点汇聚（Incast，聚播）以及某时刻流量激增（Burst，突发）的现象，导致网络拥塞丢包。

工业网络怎么做QoS？

工业网络对时延抖动的要求非常严格，往往要求端到端时延在几毫秒甚至几百微妙以内，以及微秒级甚至零抖动。比如离散自动化中的运动控制，要求端到端时延控制在1ms以内，抖动在1us以内，且具有99.9999%的可靠性。

要达到如此高精度的传输控制，以时间触发以太网为例，主要需要时钟同步和时隙规划这两种技术。更多时隙规划的技术细节可参考文章（一文读懂时延敏感网络的调度整形机制）

• 时钟同步：即全网时钟同步，终端设备、交换机的时钟都相同，网卡也要给包打上硬时间戳。目前有两种时钟同步方式，一种是主从模式，选出一个最精准的时钟作为主时钟，其他从时钟都听主时钟的；一种是投票模式，比如一个域内有9台设备，5台现在时钟是1:00，4台是1:01，少数服从多数，就都调整为1:00。
• 时隙规划：时隙一般是指交换机出端口的时间维度的传输资源。比如某交换机出端口带宽1Gbps，也就是1s可以传1G个bit，假设一个包有1500Byte，也就是12000bit, 那它的传输就占用出端口某一段12us的时隙资源。而占用哪一段，由它的传输开始时间决定。由于工业流量大多是周期性发送的小于MTU的包，所以可以控制终端的发包开始时间，通过全局时隙规划（时分复用），让各个包只在提前算好的时刻被“触发”发送，保证其在每跳的出端口传输时占用的时隙互不冲突，从而避免了聚播和突发的产生，实现“准时准确”传输。

确定性网络怎么实现？

确定性网络技术不是单一技术，而是一系列协议和机制的合集，通过网络切片、显性路由、资源预留、时钟/频率同步、周期映射、门控优先级队列调度、帧抢占、流量过滤和整形、多发选收等技术分别保障确定性带宽、低时延、低抖动、高可靠等QoS指标。

简单的说，它既兼容了以太网这条大马路，又借鉴了工业网络里全网同步、时隙规划、控制发包/边缘的思想，就像网络里的超级高铁，首先定点发车，然后长距传输，专道不堵车，通过周期映射和周期规划确定到站时间，并且每站定长停靠，最终保证端到端时延可预期。具体技术实现和挑战留作下回分解。

三、未来展望

由于现网缺乏严格的有界时延抖动保障机制，建筑网络高铁是未来网络发展的必然趋势。举个例子，若想在现网中获得一条从北京到南京10ms时延的线路，首先测一下有3条路可以走，时延分别是50ms、100ms和200ms，达不到要求，再需要测沿路径的链路带宽使用情况、每跳的队列长度和拥塞情况，然后通过一行行命令和ACL规则，去做优先级映射、限速整形、队列调度、拥塞控制、重路由，这当中还可能存在规则错配、影响其他业务QoS等问题，而当终于配置好满足10ms时延后，又有可能突然出现莫名的流聚合和突发，时延陡然暴增至500ms，令网络工程师通宵达旦、彻夜难眠。

而在不远的将来，可以预见确定性网络技术趋于成熟，只需要几分钟的配置时间，便可以拥有一条从北京到南京、稳定可靠的、端到端时延10ms的超级高铁线路。

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