1.3 SPN技术的设计理念
自2015年初ITU-R WP5D大会确定了5G关键能力指标后，针对5G高速率、低时延、高可靠、高精度时间同步等性能需求，以及灵活性强、支持网络切片的要求，国内外运营商纷纷开展研究，寻求5G承载网解决方案。经研究分析发现，升级原有的承载网体系无法很好地契合5G需求，具体说明如下。
◆PTN：采用分组交换，节点传输时延无法保证，难以满足URLLC业务的端到端低时延要求；无法支持硬管道隔离，无法实现端到端的网络切片。
◆OTN（Optical Transport Network，光传送网络）：适用于大带宽、大容量传输组网，但是业务灵活性较差，难以满足多种应用场景以及各种垂直行业多样化的需求。
◆IP RAN：通过IP路由协议实现交换，节点处理时延大，无法满足端到端低时延要求；无法支持硬管道隔离，无法实现端到端的网络切片；无法实现高精度的时间同步，只能新建更多的下沉时间源。
因此，要完全满足5G的特征需求，必须打破现有技术体系的桎梏，研究新一代承载网技术体系以及研制新协议匹配新一代ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）。
SPN的设计理念主要源自5G业务由生活向生产领域渗透的新需求。从3G/4G时代开始，承载网技术逐步向分组化方向发展，以适应数据业务的快速增长。随着5G时代的到来，万物互联的智能社会蓝图已经徐徐展开，各行各业都迎来了数字化、智能化转型的契机和挑战。此时，承载网所承担的使命就不仅仅是满足业务带宽快速增长的需求，而是要提供一种全方位、高质量的业务覆盖和接入服务。因此，对5G承载网来说，它既要做到高质量的无损承载，又要做到高效承载。
在产业方面，以太网凭借在数据中心、行业网、局域网和城域网的广泛应用，其协议栈、处理芯片和光模块日渐成熟完善，形成了规模巨大、技术先进、高性价比的开放生态。在以太网技术的基础上进行新一代承载网技术创新，能够更好地复用产业链资源，降低设备研制成本，缩短新技术落地周期。
无损质量的要求使得5G承载网技术需要重新考虑引入TDM机制，因为TDM机制能提供独享的时隙（带宽）资源，可以对业务数据进行有效硬隔离，进而提供确定无损的性能保证。而基于分组交换的VPN等技术则难以解决不同业务之间的带宽抢占问题，难以保证不同业务的SLA。同时，基于分组交换技术的软切片之间的竞争也会造成业务在时延、时延抖动、丢包等性能上的变化和不确定性。
针对高效承载的需求，5G承载网一方面在TDM机制的设计上要摒除复杂的帧结构和层层复用机制，尽量简洁高效；另一方面，在上层仍然支持分组业务的传输，这样对于eMBB等业务的承载，仍可以提供分组交换的高效统计复用特性。
因此，结合5G承载的需求，SPN的设计理念可以总结如下。
第一，核心技术方面，实现TDM与分组业务传输的高效融合。TDM按周期性出现的固定时隙来传输信息，在通信过程中，业务会始终占有特定时隙构成的通道，从而能够提供无损传输、确定性时延的质量保障，但存在线路利用率低的问题。而以太网采用了分组交换的方式，以报文为数据传输和交换的单位，能够实现统计复用，组网灵活，传送效率高。SPN希望能将两者有机融合，通过在以太网PCS（Physical Coding Sublayer，物理编码子层）引入64B/66B码块的时分复用机制，将TDM能力融入以太网物理层协议栈，形成独立的TDM层网络，使得整个系统既支持TDM的确定性，又支持分组交换的高效能，实现业务高效无损承载。
第二，业务能力方面，既提供基于TDM的硬切片，也提供基于差异化QoS的软切片。针对无损传输、确定性时延的业务，通过TDM的通道，为其提供硬隔离、高保障的硬切片服务；针对大带宽灵活连接的业务，通过二层、三层的路由交换及QoS保障机制，为其提供软切片服务。
第三，产业生态方面，在引入新的能力时，确保兼容以太网生态链。SPN在引入TDM能力时，采用创新的MTN层网络技术，其处于以太网的PCS，引入MTN层时，确保其独立性和透明性，在PCS以上完全兼容原有L2/L3分组交换和IP路由，在PCS以下，完全兼容以太网的物理层，使得SPN能够兼容以太网的芯片和光模块，共享以太网生态系统。
第四，网络演进方面，前向兼容已规模部署的4G移动承载网技术。进行SPN设计时，应充分考虑未来网络的过渡和演进。将4G分组移动承载网技术体系作为其分组网络业务提供的一种独立模式，支持已有业务与现有4G移动承载网设备的互联互通。为新业务提供软硬切片服务，充分利用已有的网络设备硬件，实现平滑的演进升级。
基于上述设计理念，中国移动在2017年提出SPN分层架构，如图1-8所示。SPN采用基于ITU-T的层网络模型，采用高效以太网内核，支持对IP、以太网、CBR（Constant Bit Rate，恒定比特率）业务的综合承载。SPN分层架构包括SPL（Slicing Packet Layer，切片分组层）、SCL（Slicing Channel Layer，切片通道层）、STL（Slicing Transport Layer，切片传送层）、时间/时钟同步面以及管理/控制面模块，具体说明如下。
图1-8 SPN分层架构
◆SPL：实现对IP、以太网、CBR业务的寻址转发和承载管道封装，提供L2VPN、L3VPN、CBR透传等多种业务类型。SPL基于IP/MPLS/802.1Q/物理接口等多种寻址机制进行业务映射，支持对业务进行识别、分流、QoS保障等处理。
◆SCL：采用基于TDM时隙的MTN通道层和MTN段层技术，为网络业务和切片提供端到端通道。SCL通过对以太网物理端口的时隙化切分，提供端到端基于以太网的虚拟网络连接能力，为多业务承载提供基于L1的确定性低时延、硬隔离切片通道。
◆STL：提供IEEE 802.3以太网物理层编解码和光媒介处理，实现高效的大带宽传送能力。
◆时间/时钟同步面：在核心节点支持部署高精度时钟源，具备基于IEEE 1588v2的高精度时间同步传送能力，满足5G基本业务的同步需求。另外，还需要支撑5G协同业务场景的高精度时间同步。
◆管理/控制面：具备面向SDN架构的管理、控制能力，提供业务和网络资源的灵活配置服务，并具备自动化和智能化的网络运维能力。
SPN各层的数据格式如图1-9所示。
图1-9 SPN各层的数据格式
SPN中的SPL支持L2与L3的分组交换。L3的交换对象是IP报文，依靠查询目的IP地址和源IP地址完成IP报文的交换转发。L2的交换转发技术与L3类似，只是交换转发对象为以太网帧。在MAC层，对一个或者若干个IP报文添加以太网帧封装，交换转发时，依靠查询以太网帧的目的MAC地址和源MAC地址完成以太网帧的交换转发。
SPN中的SCL在L1工作，在这里，以太网帧被编码为一串66B码块序列（66B Block Sequence）流，SCL的L1交换技术就是面向这一串66B码块序列流，首先，其交换转发依赖于66B码块序列流从一个逻辑端口到另一个逻辑端口的配置，不需要像IP报文或以太网帧那样进行复杂耗时的查表转发。其次，由于SPN的L1交换转发采用严格TDM轮询调度，所以不同业务流之间严格隔离，互不干扰。最后，由于交换转发对象为66B码块流，转发设备只需针对每条流存储若干个66B码块即可，相较于IP报文或以太网帧的转发设备，缓存数据量大大减少，从而显著降低了设备的转发时延，避免了转发抖动。
SPN中的STL在L1和L0工作，这里的数据格式是“0”“1”比特信号以及基于这些“0”“1”比特信号调制而产生的光信号。
5G时代，采用SPN技术方案构建的承载网架构如图1-10所示。SPN作为面向综合业务的承载网技术方案，能够实现对无线/回传、企业专线/专网、家庭宽带接入等高质量要求业务的综合承载，具备在一张物理网络上进行资源切片并隔离的能力，为多种业务提供差异化的承载服务（例如带宽、时延、抖动等方面）。相较前一代承载网技术，SPN技术性能大幅提升，单比特成本大幅下降，实现带宽提升10倍、时延性提升10倍、时间同步精度提升10倍、单比特承载成本降低一个数量级。SPN采用高效以太网内核，通过IP、以太网、光的高效融合，实现L0~L3的多层次组网，构建多种类型的管道切片支持能力。通过L2、L3的以太网交换、MPLS-TP和SR-TP等技术，实现各种分组业务的灵活连接调度。通过L1基于64B/66B码块的TDM交换，实现业务的硬管道隔离和带宽保障，提供低时延的业务承载管道。通过光层波长调度能力，支持大带宽平滑扩容和大颗粒业务调度。通过SDN集中管控，实现开放、敏捷、高效的网络新运营体系。
图1-10 5G SPN承载网架构
SPN具有以下4种基本技术特征。
第一，SDN集中管控。基于SDN理念，实现开放、敏捷、高效的网络运营和运维体系。支持业务部署和运维的自动化能力，以及感知网络状态并进行实时优化的网络自优化能力；同时，基于SDN的管控融合架构，提供简化网络协议、开放网络、跨网络域或技术域业务协同等能力。
第二，电信级故障检测和性能管理。具备电信级的分层OAM故障检测和性能管理能力，支持通过OAM机制对网络中各逻辑层次、各类网络连接、各类业务进行连通性、丢包率、时延和抖动等的检测及管理。
第三，高可靠的网络级保护。具备网络级的分层保护能力，支持基于设备转发面预置保护倒换机制，在转发面检测到故障后进行电信级快速保护倒换。同时，支持基于SDN控制面实时刷新网络状态，在感知网络状态变化后，自动为业务重新计算最优路径。
第四，软硬网络切片。承载网切片是实现E2E（End to End，端到端）网络切片的重要基础，它是SDN技术与转发设备能力相结合的产物。网络切片将网络设施和应用网络解耦，呈现细粒度可打包的差异化承载能力，匹配垂直行业对不同服务质量的诉求，支撑多业务运营和云网协同。SDN控制器负责对物理网络资源进行抽象和调度，针对切片网络的带宽、时延等业务需求，基于MTN Client和MTN Channel等管道切片技术，将业务调度到合适的资源上，从而保证业务的承载诉求。
总结起来，SPN具备以下四大技术创新，具体参见本书第1~2页。
如果想进一步了解SPN硬切片、OAM、可靠性和统一管控等关键技术及其价值，可参见附录A.1节。