对于许多新兴服务和应用来说，网络中的低延迟尤为重要，例如无人机、工业自动化以及自动驾驶汽车等等。目前国际标准组织正在开发新技术，以满足这些确定性应用的要求。
IEEE 802.1 正致力于在其时间敏感网络 (TSN) 任务组中支持确定性以太网服务。3GPP 致力于提供确定性 5G，以支持超可靠和低延迟通信 (URLLC) 的使用场景。IETF 正致力于在确定性网络 (DetNet) 和RAW工作组中通过 IP 路由器和无线网络提供确定性服务。
确定性网络在每个确定性流的基础上提供确定的延迟。每个确定性流的数据流量在确定的有界延迟和低延迟变化约束内传输。确定性网络旨在为所有允许的确定性流实现零数据丢失，可能会拒绝或降低某些流的优先级以确保高优先级流的传输。确定性网络支持广泛的应用，每个应用都可以有不同的QoS要求。
在传统网络中，实现更低的延迟意味着要丢弃更多的数据包(或需要大量的过度配置)。在确定性服务的情况下，目标是解决长尾问题，提供有界延迟，参见图1。
图1：传统服务与确定性服务
IEEE 802.1 时延敏感网络 (TSN)
标准化
IEEE 802.1 工作组 (WG) 侧重于以下领域的标准和实践：(1) 802 LAN/MAN 架构，(2) 802 LAN、MAN 和其他WAN之间的互联互通，(3) 802 Security，(4) 802 整体网络管理，以及 MAC 和 LLC 层之上的协议层。
IEEE 802.1工作组的时间敏感网络 (TSN) 任务组 (TG) 负责 IEEE 802 网络的确定性服务，包括：
- 保证数据包传输
- 低丢包率
- 有界低延迟
- 低数据包延迟变化
TSN任务组从音频视频桥接 (AVB)任务组演变而来。
TSN 标准和项目分为三组：
1) 基础技术(例如 802.1CB、802.1Qbv 等)
2) 配置(如802.1Qcp、802.1Qcc等)
3) 配置文件(例如，802.1BA、802.1CM、IEC/IEEE 60802 等)
图2：IEEE 802.1 TSN 组件
TSN 功能
IEEE 802.1 将 TSN 流定义为从 Talker 到一个或多个 Listeners 的单向数据流。在网桥的转发过程中，QoS 功能被应用于 TSN 流的帧，例如过滤和管制、整形和队列。
IEEE 802.1 TSN TG 定义了广泛的 TSN 功能。本文仅对部分功能进行讨论。TSN 的主要媒介是 IEEE 802.3 以太网。涉及无线的工作也在进行中，例如 3GPP 中的 5G – TSN 集成工作。
流量调度Scheduled Traffic (802.1Qbv) 减少了已知时间帧的延迟变化。这是通过基于时间的控制和网桥队列编程实现的。每个队列都配备了time-gates(time-gated queues)，只有在“门”打开时才能为队列服务。门开/关状态根据周期性重复的时间表改变。该功能需要端到端的时间同步。
帧抢占Frame Preemption(802.3br 和 802.1Qbu)使所谓的快速帧(即关键流量)能够暂停可抢占帧(即非关键流量)的传输。因此，快速流量的延迟变化减少了，并且增加了可抢占流量的可用带宽。帧抢占是一个链接本地每跳功能，也就是说不是多跳。
Per-Stream过滤和管制Per-Stream Filtering and Policing (802.1Qci) 提供保护，防止流量违反其带宽分配、故障、参与攻击等。过滤和管制决策可以在每个流、每个优先级等基础上进行。
异步流量整形 Asynchronous Traffic Shaping (ATS) (802.1Qcr) 提供零拥塞损失，不需要时间同步。ATS 功能的本质是通过在每一跳重新整形来平滑流量模式，以便紧急流量优先于不太紧急或弹性的流量。ATS 使用严格的优先级队列。
Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER) (802.1CB) 旨在避免由于设备故障导致的帧丢失。它是每帧 1+1(或 1+n)冗余功能。不需要故障检测或切换机制。FRER 在两个(或更多)最大不相交的路径上发送帧，然后组合流并删除额外的帧。
Explicit Trees by IS-IS Path Control & Reservation(802.1Qca，RFC 7813)增加了非最短路径或显式路径转发，提供了超越最短路径树 (SPT) 的 IS-IS 控制。协议没有改变，只定义了几个新的子 TLV，并尽可能重用现有的子 TLV。该概念是一种混合软件定义网络 (SDN) 方法，其中 IS-IS 提供基本功能，例如拓扑发现和默认路径，一个或多个控制器控制显式树。
流预留协议Stream Reservation Protocol(SRP) 增强和性能改进 (802.1Qcc)：提供时间敏感网络 (TSN) 配置相关属性。802.1Qcc 描述了 TSN 用户和网络配置的三种模型(完全分布式、集中式网络/分布式用户和完全集中式模型)。每个模型规范都定义了网络中不同实体之间的用户/网络配置信息的逻辑流。
TSN 的未来展望
TSN 标准化仍在进行中。IEC/IEEE 60802 TSN 工业自动化规范是 IEC SC65C/WG18 和 IEEE 802 的联合项目。这项联合工作将提供一个双重标志标准，既是国际电工委员会 (IEC) 也是 IEEE 标准。
OPC UA建立在 TSN、DetNet 和 5G 之上。与TSN相关的多个OPC UA工作项正在进行中。其中之一是FLC(Field Level Communications)工作组，主要基于 IEC/IEEE 60802 规范以及相关评定规范。
3GPP 支持确定性传输 (URLLC)
标准化
5G的三大应用场景包括增强移动宽带(eMMB)、海量机器通信(mMTC)和超高可靠低时延通信(uRLLC)。其中URLLC让5G 成为支持无线确定性和时间敏感通信应用的最佳候选人。
5G R15引入了多项功能，消息传输的单向延迟低至 1 毫秒，可靠性高达 99.999%。R16则添加了更多 URLLC 功能，以支持低至 0.5 毫秒的单向延迟和高达 99.9999% 的可靠性。
URLLC 功能
R15研究之初即成立工作项目，来研究子载波间隔、灵活帧结构以及短时隙调度等时延降低技术。截至R16，3GPP先后完成了URLLC用例的性能评估工作、物理层各信道的增强以及URLLC与eMBB上行复用等技术的研究及标准化，但仍然有很多优化工作预计留至R17来研究。
5G 定义了强大的传输模式，以提高适用于数据和控制无线电信道的可靠性。多天线传输、多载波的使用以及独立无线电链路上的数据包复制都进一步提高了可靠性。
时间同步已嵌入到蜂窝无线电系统中，作为其运行的重要组成部分。设备由基站进行时间校准，以补偿它们不同的传播延迟。无线网络组件本身也是时间同步的。这是为时间关键应用程序提供同步的良好基础。
除了5G RAN功能，5G系统还为以太网组网和URLLC提供核心网(CN)解决方案。5G CN 支持本地以太网协议数据单元 (PDU) 会话。对于5G系统层面的用户面冗余，5G支持通过包括RAN、CN和传输网在内的5G系统建立冗余用户面路径。通过在终端设备中使用具有 RAN 双连接功能的单个用户设备 (UE) 或通过在终端设备中使用多个 UE，实现冗余路径。此外，5G还可以提供虚拟网络 (5G-VN) 和 LAN 组，将资源分配给特定组的成员。
5G 的所有这些新的 URLLC 功能为在确定性场景中使用 5G 提供了良好的设计和坚实的基础，甚至可以作为独立解决方案或确定性网络的一部分。
图 3：系统架构视图，5GS 显示为确定性节点(此处为 TSN 网桥)
图3展示了 5G 系统架构，其中 5G 系统被视为 TSN bridge。图里指定了一种新的转换功能(称为 DS-TT 和 NW-TT)，用于保存和转发用户平面数据包，以消除抖动，其中 5G 系统 (5GS) 被集成为连接TSN 网络的桥梁。5GS 包括 TSN Translator (TT) 功能，用于将 5GS 适配到用户平面和控制平面的 TSN 域。
URLLC 的未来展望
5G URLLC 功能与 TSN 和确定性网络功能非常匹配。因此，可以集成这三种技术以提供端到端的确定性连接，即输入/输出设备与其控制器之间的连接。集成已经包括了对必要的基本桥接/路由功能和 TSN/DetNet 附加组件的数据平面支持，但是控制和管理平面需要进一步的标准化工作。
IETF 确定性网络 (DetNet)
标准化
IETF DetNet WG(工作组)属于路由领域 (Routing Area, RTG) ，主要研究路由协议和信令协议。其专注于在第 2 层桥接和第 3 层路由段上运行的确定性数据路径，此类路径可以提供对延迟、丢失和数据包抖动的限制以及具有高可靠性。DetNet WG的范围包括：整体架构、数据平面规范、数据流信息模型和相关 YANG 模型。
IETF DetNet WG 和 IEEE 802.1 TSN TG 之间有着密切的合作。
DetNet 在 IP/MPLS 层运行，其初始范围是在单一管理控制下或在一个封闭的管控组内的网络实现确定性保障。
解决方案文档指定了支持 DetNet 的节点所需的程序和行为，其规范侧重于可互操作的实现。定义了以下两个数据平面：
- IP：使用 IP 和传输协议报头信息来支持 DetNet [RFC 8939]
- MPLS：使用标签来支持 DetNet [RFC 8964
转发特性是通过将网络资源(例如链路带宽和缓冲区空间)分配给 DetNet流，并通过保护数据包来实现的。未使用的预留资源可以用于非 DetNet 数据流的传输，实现不同优先级业务流共网传输。
下面定义了从源到目的层的转发参数：
- 最小和最大端到端延迟：及时交付，以及源自这些约束的有界抖动(数据包延迟变化)
- 丢包率：在传输过程中丢失，可以应用极低的丢包值
- 无序数据包传送的上限：一些确定性网络应用程序无法容忍任何乱序传送
确定性网络有一个区别(和 TSN 类似)，它只关注端到端延迟、延迟变化和乱序的最坏情况值，平均值或典型值并不重要，因为它们不会影响实时系统执行任务的能力。
确定性网络功能：
- 拥塞保护
- 服务保障
- 显式路由
拥塞保护意味着沿 DetNet流的路径分配资源，例如缓冲区空间或链路带宽。
拥塞保护通过使用适当设计的队列消除了与拥塞相关的损失，因此不会因缺少缓冲存储而丢弃数据包。它还可作为减少延迟变化的工具，例如，可以将敏感的非 IP 网络融合到公共 IP 网络基础设施上。拥塞保护的很多功能都需要确定性网络节点的时间同步，然而，时间同步不在确定性网络讨论的范围内，因为它并不影响互操作性。时间同步应该由适当的解决方案提供，例如，由较低的层提供。
服务保护解决数据包错误和设备故障，例如，数据包复制和消除(防止故障)、数据包编码(防止数据包错误)、重新排序(确保按顺序交付)，可以通过这些技术来确保服务保护。确定性网络定义的 PREOF 是：数据包复制功能(PRF：在多条路径上发送带有排序信息的相同数据包的副本)、 冗余消除功能(PEF：根据收到的数据包的排序信息和历史记录丢弃重复项)、以及数据包排序功能(POF：恢复原始数据包顺序，因为无序交付会影响目的地的缓冲量以正确处理接收到的数据)。数据包复制和消除不会对故障做出反应和纠正，这些功能完全是被动的。数据包编码(也称为网络编码)将信息编码成多个传输单元，使用多条路径发送它们，并在另一端组合这些单元。
显式路由可用于解决路由或桥接协议收敛的影响(即临时中断)。
确定性网络功能在协议栈的两个相邻子层中实现：
1)DetNet 服务子层：为协议栈和应用程序中的更高层提供 DetNet服务(例如，服务保护)
2)DetNet 转发子层：支持底层网络中的 DetNet服务(例如，通过提供显式路由和拥塞保护)到 DetNet流
图 4：DetNet 数据平面协议栈
TSN 流的第 3 层等效项称为 DetNet流。DetNet流是唯一符合流标识符的数据包序列，并将向其提供确定性网络服务。它包括为支持 DetNet 服务和转发子层而添加的任何确定性网络标头。
确定性网络相关机制需要两个属性：
- Flow-ID：标识数据包所属的流
- 序列号：识别重复数据包并重新排序数据包
确定性网络的未来展望
确定性网络的标准化仍在进行中。IETF DetNet 和 IEEE TSN 之间将继续密切合作，以确保互操作性，并简化适用于第 2 层和第 3 层的确定性功能的实现。例如，IEEE P802.1CBdb(FRER Extended Stream Identification Functions)专注于将用于流识别功能的字段扩展到任意掩码匹配，这对于组合 TSN 和 DetNet 的组合网络场景至关重要。控制和管理平面相关工作是 DetNet WG 的下一个重点。
结论
过去，基于分组的网络旨在承载除了对延迟非常敏感/实时应用流量之外的所有流量。随着时间的推移，利用确定性技术的发展，基于分组的网络也在不断发展，以整合对要求苛刻的应用程序的支持。
TSN、DetNet 和 5G URLLC 可以满足确定性应用的组网需求，通过融合网络提供超可靠、低延迟的连接。TSN 和 DetNet(用于有线)和 5G(用于无线)技术是确定性传输网络中的完美搭档。需要对这些技术进行一定程度的整体集成，以提供满足确定性要求的端到端连接。
例如，无线 5G 域和有线 TSN/DetNet 域上的时间同步是必需的，因为无论连接它们的网络技术如何，一个共同的参考时间对于确定的端点是必不可少的。提供有限的低延迟可能还需要 TSN、DetNet、和 5G之间的集成，这取决于部署中使用的确定性工具。端到端的超可靠性对必要的不相交转发路径的特性进行调整。支持整体集成的第一步是使用基于 SDN 的方法完成的，TSN、DetNet 和 URLLC 基础技术已准备就绪，它们的组合部署迫在眉睫。
