面向工业互联网的确定性网络协同技术白皮书（2024年）

面向工业互联网的确定性网络协同技术白皮书（2024年） 牵头编写单位：中国移动通信有限公司研究院 工业互联网产业联盟（AII） 中移智库 2024年6月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟和中国移动所有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887邮箱：aii@caict.ac.cn 编写说明 牵头编写单位： 中国移动通信有限公司研究院 本报告主要研究面向工业互联网的确定性网络协同技术，通过该研究报告可对工业互联网确定性网络的研究和后续的标准制定起到参考作用。 参与编写单位： 北京邮电大学中兴通讯股份有限公司北京科技大学浪潮集团有限公司中国信息通信研究院华为技术有限公司新华三技术有限公司紫金山实验室 编写组成员（排名不分先后）： 刘鹏、王晶、黄震宁、陆璐、许方敏、李斌、张晓琦、姜永、赵俊峰、朱瑾瑜、张恒升、付韬、李广鹏、李培、汪硕 目录 一、范围..........................................1 二、术语与缩略语.................................1三、确定性网络的标准化发展现状....................4（一）IEEE时间敏感网络TSN...................5（二）IETF确定性网络DetNet..................8（三）3GPP5G+TSN、5G+DetNet...............10（四）CCSA确定性网络.......................13四、确定性网络要解决的问题.......................14（一）保障单域网络的时延.....................15（二）保障端到端跨域网络时延的协同..........16五、端到端确定性网络协同框架.....................17（一）端到端横向跨网络域.....................18（二）端到端纵向跨功能平面协同...............20六、端到端确定性网络协同技术.....................24（一）现场网与车间网协同技术.................24（二）工厂内网与工厂外网协同技术.............25（三）移动网与承载网协同技术.................26（四）增强确定性网络协同技术.................32七、发展建议.....................................34（一）确定性网络的场景和技术分类分级........34（二）应用确定性需求和网络确定性能力映射....34（三）网络与计算确定性技术协同...............35 参考文献.........................................36 一、范围 本报告主要研究内容包括：在业界主流的确定性技术和标准的基础上，从端到端角度分析确定性网络需要解决的问题，描述了工业互联网确定性网络端到端技术协同架构。研究各技术在工业互联网部署的协同性，主要包括车间网络与现场网络、企业网络与广域网、移动网和承载网等，并给出发展建议。 二、术语与缩略语 下列缩略语与术语适用于本报告： 三、确定性网络的标准化发展现状 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。如工业中的运动控制需要保证毫秒级的时延和微秒级的抖 动[1]，电力差动保护也需要毫秒级的时延保障[2]，其他如游戏、视频业务也期望得到尽可能稳定、优质的网络服务，时延和抖动等控制在数十毫秒以内，从而保障良好的业务体验。标准化组织如电气与电子工程师协会IEEE、互联网工程任务组IETF、第三代合作伙伴计划3GPP、中国通信标准化协会CCSA等也已经开展了标准制定。 （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，如图3-1所示： TSN工作组至今已经发布一系列核心标准，包含基础标准、配置标准以及增强标准： (1)基础标准： 1)IEEEStd802.1Q-2018:桥梁和桥接网络 2)IEEEStd802.1AB-2016:站点和媒体访问控制连接发现3)IEEEStd 802.1AS-2020:时间敏感应用程序的定时和同步 4)IEEEStd802.1AX-2020:链接聚合 5)IEEEStd802.1CB-2017:可靠性的帧复制和消除 6)IEEEStd802.1CS-2020:链接本地注册协议 (2)配置标准： 1)IEEEStd802.1BA-2021:音频视频桥接（AVB）系统2)IEEEStd802.1CM-2018:时间敏感前传网络 (3)增强标准： 1)IEEE802.1ABcu-2021:站点和媒体访问控制连接发现—修正案：YANG数据模型 2)IEEE802.1ABdh-2021:站点和媒体访问控制连接发现-修正案：支持多帧协议数据单元 3)IEEEStd 802.1CBcv-2021:可靠性的帧复制和消除—修正案：信息模型、YANG数据模型和管理信息库模块。 4)IEEE802.1CBdb-2021:可靠性的帧复制和消除—修正案：扩展流识别功能 5)IEEEStd802.1CMde-2020:时间敏感前传网络—修正案：前端配置文件的增强，以支持新的前端接口、同步和合成标准 6)IEEEStd 802.1Qbu-2016:桥梁和桥接网络—修正案：框架优先权 7)IEEEStd 802.1Qbv-2015:桥梁和桥接网络—修正案：增强排定流量 8)IEEEStd 802.1Qca-2015:桥梁和桥接网络—修正案：路径控制和预留 9)IEEEStd 802.1Qch-2017:桥接和桥接网络—修正案：循环排队和转发 10)IEEEStd 802.1Qci-2017:桥接和桥接网络—修正案：逐流过滤和管理 11)IEEEStd 802.1Qcc-2018:桥接和桥接网络—修正案：流保留协议（SRP）增强和性能改进 12)IEEEStd 802.1Qcp-2018:桥接和桥接网络—修正案：YANG数据模型 13)IEEEStd 802.1Qcr-2020:桥梁和桥接网络—修正案：异步流量成形 14)IEEEStd 802.1Qcx-2020:桥梁和桥接网络—修正案：连接故障管理的YANG数据模型 15)IEEEStd 802.1Qat-2010:虚拟桥接局域网—修正案：流保留协议(SRP). 16)IEEEStd 802.1Qav-2009:虚拟桥接局域网—修改案：时间敏感流的转发和排队增强 TSN的标准是全球确定性网络的基础标准，其他标准组织的标准均基于TSN标准中提供的机制进一步扩展或者增强而制定。 （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网络参考模型（多域）如图2-2所示： DetNetUNI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。 当前DetNet工作组已经发布标准18项，包括场景、架构、数据面的封装、YANG模型配置以及安全性考虑等： 1)RFC8557确定性网络(DetNet)问题声明 2)RFC8578确定性网络(DetNet)应用场景3)RFC8655确定性网络(DetNet)架构4)RFC8938确定性网络(DetNet)数据面框架5)RFC8939确定性网络(DetNet)数据面:IP6)RFC8964确定性网络(DetNet)数据面:MPLS7)RFC9016确定性网络(DetNet)流和服务信息模型8)RFC9023确定性网络(DetNet)数据面:IPover TSN9)RFC9024确 定 性 网 络(DetNet)数 据 面:TSN overMPLS10)RFC9025确定性网络(DetNet)数据面:MPLS overUDP/IP11)RFC9037确定性网络(DetNet)数据面:MPLS overTSN12)RFC9055确定性网络(DetNet)安全考虑13)RFC9056确 定 性 网 络(DetNet)数 据 面:IP overMPLS14)RFC9320确定性网络(DetNet)有界时延15)RFC9546基于MPLS的确定性网络OAM16)RFC9551确定性网络OAM架构17)RFC9550确定性网络报文排序18)RFC 9566基于MPLS over UDP/IP的确定性网络报文复制、消除和排序 当前，DetNet工作组正在面向数据面进行增强和扩展，其中 需 求 文 稿 已 经 采 纳 （draft-ietf-detnet-scaling-requirements），面向规模可扩展的确定性网络进一步制定标准。 （三）3GPP5G+TSN、5G+DetNet 国际3GPP从R16开始引入TSN机制，支持最基本的5个IEEETSN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。 3GPP5G+TSN的标准发展历程如下： 1)R16阶段 TS22.261明确5G支持以太及LAN转发能力 TR22.804明确TSN作为5G系统关键特性 TS23.501提出5G作为802.1Q中TSN网桥，5GS支持TSN桥接管理和配置 TS23.502规定5G TSN控制面流程TS23.503规定5G TSNQoS配置框架TS24.519定义5G TSNDS-TT与TS-TT网元的协议设计TS24.535定义5G TSNAF与DS-TT和TS-TT的协议设计 TS29.244定义时间敏感信息的用户面控制接口详细设 计 TS29.512定义时间敏感通信的QoS等详细设计TS29.522定义时间敏感通信的能力开放 2)R17阶段 TS23.501提出TSC概念，构建TSCTSF能力 TS23.502更新IP PDU的TSC功能，TSCTSF核心网响应流程、发现和选择流程，规定TSN GM和5GS时钟TSCAI映射，澄清使用TSCTSF提供的时间同步服务 TS23.503更新TSCTSF发现和选择流程TS24.501支持时间同步TS24.535增强gPTP机制，支持PTPTS29.512支持TSC开放TS29.513TSC的策略控制流程TS29.514支持TSC开放TS29.519存储TSC数据TS29.522支持TSC开放TS29.591支持TSC开放TS