1.5 MTN层网络设计原则

1. 5G承载网技术的研究路径

在5G承载网技术的早期研究中，业界通过若干条技术路径探索，希望通过不同的方式满足5G承载网的需求。

（1）技术路径一

沿袭4G时代的分组承载网核心技术，引入FlexE接口，仍然采用分组VPN与QoS组合的技术，实现无线信号的承载。在该技术路径下，虽然引入了FlexE，但是FlexE本质是个接口技术，主要的功能是实现多端口的绑定，无法提供端到端路径层面的硬隔离和OAM保障。在组网时，FlexE接口需要在各节点接口处终结，节点转发技术的核心依旧是报文逐跳存储、查表、转发，而转发资源的统计复用是其核心特征。由于转发资源是统计复用的，数据的转发资源缺乏绝对保障手段，缺乏对不同业务数据进行硬隔离的保障机制，从而导致单一业务的节点转发时延和抖动受经过该节点的其他业务影响，进而无法满足5G URLLC业务对时延和抖动的严苛要求。

（2）技术路径二

基于OTN技术进行优化，通过L1的TDM机制保障业务独占设备硬件资源和网络资源，从而实现业务与业务之间的硬隔离，满足业务在带宽、时延、抖动等方面的要求。但是，在该技术路径下，需要将OTN和以太网/IP网络产业融合，技术难度大，产业链受限。同时，对运营商在4G时代沉淀下来的业务部署、网络管控、设备配置等一系列成熟技术造成较大冲击，落地难度较大。

图1-22 SPN/MTN技术的发展历程

（3）技术路径三

基于以太网生态为5G承载网设计新的技术体系，融合TDM和分组优势。在以太网物理层协议栈创新引入TDM层网络，实现无损、硬隔离等新特性。同时，继承IP和以太网的统计复用、灵活路由等机制，提供分组大带宽承载管道。通过多层网络技术的高效融合，实现灵活软硬管道分片，提供从L0到L3的多层业务承载能力。基于高效以太网内核，能够复用以太网芯片及光模块的成熟技术和产业规模，降低5G组网综合投入。

在4G时代，各大运营商选择以分组技术[PTN/PSN（Packet Switched Network，分组交换网）]为核心的城域承载网技术。在5G时代，中国移动以技术路径三，也就是MTN技术，作为建设5G承载网的主要技术路线，旨在满足5G时代承载网大带宽、低时延、高可靠、高精度时间同步能力、易于运维、支持切片等关键需求。基于此技术路径，中国移动联合华为等国内企业，在融合了分组、承载、光层等技术之后，提出了基于以太网内核的新一代融合承载网架构——SPN分层架构。其中，MTN是SPN的关键核心技术，主要实现MTN通道层和MTN段层的功能。

2. 引入MTN层网络的设计原则

为了使SPN在全球范围内获得更广泛的应用，在中国厂商的推动和主导下，ITU-T SG15基于切片通道层技术制定了MTN，MTN成为全球5G承载网的主流技术并实现了规模商用。MTN在以太网和FlexE技术的基础上，通过引入基于64B/66B码块的TDM时隙交叉技术，实现了超低转发时延和硬隔离，单跳设备转发时延为1~10μs。另外，通过替换空闲码块的方式，高效地实现了通道层OAM，提供端到端监视功能，支持完整层网络功能，满足电信级要求。下面详细解读一下MTN层网络的设计原则。

（1）透明传输原则

透明传输对于支持多业务传送非常重要，是传送网的基本特征。MTN层网络的透明性可以使网络在不干扰客户信号时序的情况下承载各种业务，包括各种速率的以太网业务、基于TDM的CBR业务等。

MTN层网络的设计一方面需考虑重用以太网产业链，特别是光模块和芯片，以达到广泛应用、降低组网综合投入的需要；另一方面，还需要完整支持IP协议栈，以顺应网络IP化演进的趋势。这就要求MTN层向下兼容以太网物理层和光媒介层的协议栈，向上兼容MAC层及IP层所有的分组协议体系。对以太网客户信号来说，客户侧的信号经过MTN层网络处理后，需要加上MTN段层和MTN通道层的开销，还要在网络侧以同样的物理层信号速率转发出去。这给MTN层网络的设计带来了较大的挑战。但最大的挑战在于，MTN层网络的设计在兼容以太网接口速率的基础上，既能引入MTN通道层和MTN段层的开销，又能支持满带宽流量的以太网接口数据流在MTN通道层的承载传输。

为了满足频率偏差补偿以及一些管理控制的需求，以太网设计了IPG（Inter Packet Gap，报文间隙）机制，即两个报文之间的平均间隙至少有12 Byte，由不携带有效信息的IDLE（空闲）字符填充，这就为以太网的扩展带来了很大的灵活性，也为突破上述挑战提供了可能，为将这些IPG/IDLE的带宽资源用作MTN通道层和MTN段层开销奠定了技术基础。下面基于以太网的基本传输机制，分析MTN层网络在以太网基础上增加开销的可行性。

◆以太网IPG的平均值至少为12 Byte。

◆以太网的报文采用IEEE 802.3 Clause 82中的64B/66B编码规则，报文的8 Byte前导码的第1字节用作报文开始控制字符/S/，且以从/S/字符开始的8个字节，包括在位置0的/S/字符和位置1~7的其他字符，编码为一个64B/66B码块，记为S0。

◆报文末尾的IPG的第1字节用作报文结束控制字符/T/，由于以太网报文的长度被8整除后的余数可能为0~7，因此报文结束控制字符/T/在报文末尾的结束码块有T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7共8种情形。

◆以太网IPG的连续8 Byte的IDLE字符编码为一个64B/66B的空闲码块，因此，对IDLE的增、删处理，也需要以64B/66B码块为单元进行，每个空闲码块对应8个IDLE Byte。

◆以太网支持Jumbo帧（即超长帧），最大报文长度为9600 Byte。

◆在保证IPG的平均值至少为12 Byte的基础上，以太网的报文采用IEEE 802.3 Clause 82的编码规则，规定连续两个报文之间的IPG最小值可以只有1 Byte，用作/T/字符并经过编码后，一个报文的T7码块（即/T/位于8 Byte的最后一个字节情形的结束码块）后随下一个报文的S0码块（即起始码块），即编码后两个报文之间可以不存在空闲码块。

基于上述机制，可以分析出以太网中可用IDLE资源的最差情况：满流量连续发送报长为9600 Byte的Jumbo帧，两个报文之间的IPG平均为12 Byte，每个报文都以T0码块结尾，即报文结尾的结束码块中对应的8 Byte IDLE需要保留而无法用于MTN通道层和MTN段层开销，平均每个报文仅4 Byte的IPG IDLE带宽资源可用；考虑连续的两个报文及其IPG，共有8[即2×（12-8）]Byte，IDLE能提供一个可供增、删的完整空闲码块。如图1-23所示，前一个帧间隙无可供删除的空闲码块，后一个帧间隙有一个可供删除的空闲码块，可以用于MTN通道层和MTN段层开销等用途，即平均每个报文可有4 Byte的开销裕量。

在此情况下，整个开销裕量约为4/(9600＋12＋8)＝415 ppm（parts per million，百万分率，业界常用于衡量指标）。其中，还要保留200 ppm的空闲码块带宽资源，满足以太网±100 ppm频偏要求的开销，同时要为物理层的AM信号保留61 ppm的开销，因此能用于MTN层网络的开销裕量为415-200-61＝154 ppm。也就是说，即使是在最差的情况下，还有154 ppm的开销裕量可用于MTN段层和MTN通道层的开销设计。如果重用FlexE的逻辑作为MTN的段层，MTN的段层将占用约50 ppm的开销裕量；还剩余104 ppm可用于MTN通道层的开销设计。以100GE为例，104 ppm的开销意味着每个100GE接口有10.4 Mbit/s的随路带宽可用于携带OAM信息，这是足够的。更加详细的原理介绍参见5.3节。

（2）可靠性原则

以太网的66B编码设计非常健壮，在物理层运行时可以提供出色的MTTFPA，该物理层的BER能达到10-12甚至更优，并且错误分布足够随机。现有以太网的可靠性机制主要包括如下几种。

◆扰码器中的错误倍增机制。

◆66B编码有效同步头之间的2 bit汉明距离，以及不同类型有效控制码块之间的4 bit汉明距离，提供了高可信度数据包的开始位置和结束位置。

◆MAC层的FCS（Frame Check Sequence，帧检验序列），通过CRC-32保证了MAC层的数据完整性。

◆有些以太网物理层协议栈中还具备物理层FEC的能力。

在上述机制的共同作用下，以太网的MTTFPA可以达到100亿年以上，即在这样的时间范围内不会出现将一个错误包传送到上一层网络的情况。

MTN层网络的设计需要在以太网的协议栈中新增一个层。为了保证在新增这一层之后以太网的MTTFPA仍然能达到100亿年以上，新的层网络在设计时需要引入以下两种新机制。

◆在MTN段层，引入错误标记机制，避免误码污染扩散。如1.4.2节所述，对于部分以太网接口，当出现超出FEC纠错能力的误码时，FEC解码器只对无法纠错的FEC码字内的部分66B码块进行错误标记，当未被错误标记的66B码块被交换至其他通道时，就会产生误码污染扩散（详细描述请参见3.2.2节）。

◆在MTN通道层引入能容忍IDLE增、删的比特交织编码机制，使通道层能够进行简单、高效的误码检测，确保覆盖层网络的误码故障（具体机制请参见4.3.2节）。

（3）高效、可扩展的OAM机制和帧结构设计

根据透明传输原则，通过估算可知，以太网的信号流中有足够的IDLE资源可以用于设计新的层网络及OAM机制。为了设计出高效、可扩展的OAM机制，需要考虑如下原则。

◆10 Gbit/s以上的高速以太网接口中的IDLE资源是以64B/66B码块形式存在的，因此，以64B/66B码块为单元承载OAM消息是合理的选择。

◆为了最大限度地使以太网物理层不受影响，OAM码块类型应依据现有64B/66B码块的种类进行扩展，其中常用的方式是通过O码块扩展支持新的类型，如FC等。

◆为了不影响现有以太网的码块处理，并兼容现有的以太网帧处理状态机，OAM码块可以考虑放置于以太网的IPG中。

MTN要支持多路复用层次结构，需要简洁的、适用于64B/66B码块流的帧结构，确保MTN层网络能够直接在50 Gbit/s、100 Gbit/s、200 Gbit/s或400 Gbit/s等速率的以太网中简洁地运行。因此，MTN的帧结构设计需考虑如下因素。

◆OAM码块均匀分布于整个66B码块流内。

◆以OAM码块为界，构成简洁的帧结构。

◆支持以5 Gbit/s为最小颗粒的通道，适应N×5 Gbit/s管道的各种组合和扩展。

◆既要满足开销在104 ppm以内，又能够提供丰富的OAM工具。

基于上述原则，一种合适的机制是：对于N×5 Gbit/s的管道，以N×16 kbit/s（N为5G通道的数量）码块间隔为准，周期性地均匀插入OAM码块。在这种机制下，OAM码块的最大开销大约为62 ppm，能为5G管道提供3 Mbit/s的OAM带宽，既满足104 ppm的限制，又可为OAM提供足够的资源。同时，这种机制仅与5G通道的数量有关，与以太网的接口速率无关，从而能够满足未来的扩展和演进需求。另外，OAM的各种功能集对传输的要求是不同的，总体来说分为以下三大类消息。

第一类是基本的OAM消息，主要是连通性检测和层网络的BIP（Bit Interleaved Parity，比特交织奇偶性）校验消息。这类消息需要严格、快速地以固定的周期发送，以便保证基本网络的正常运行。

第二类是事件触发的消息，主要是APS（Auto Protection Switching，自动保护倒换）消息。这类消息只在发生故障需要保护倒换时才产生，但对时效性的要求也很高，以确保MTN层网络能够及时响应突发事件。

第三类是按需收发的消息，主要是DM（Delay Measurement，时延测量）消息和CV（Connectivity Verification，连通性校验）消息等。这类消息优先级较低，但是要确保按需、无损地收发。

针对这三大类消息，OAM码块主要分为两种类型。一种类型为基本码块（Basic Message，简称B码块），用于传递基本OAM消息，为了保证该类OAM消息的周期性发送，OAM基本码块也需要周期性插入业务码流中进行发送。另一种类型为非基本码块（Non-Basic Message），非基本码块可以细分为高优先级APS码块（用于传递APS消息，简称A码块）以及低优先级码块（用于传递按需发送的时延测量、CV等消息，简称L码块）。

对于非基本码块的插入有两种技术方案。一种技术方案是按需插入，在有非基本码块需要发送时，寻找最近的插入码块机会随时插入，如果有多种非基本码块需要发送，则按照优先级队列调度插入，这种技术方案可以保证快速灵活地插入非基本码块。另一种技术方案是以B—A—B—L的顺序依次预留码块机会，固定各种OAM码块的插入序列。例如，B码块的插入机会以N×32 K（K=1024）个66B码块的周期出现，每个周期都插入基本OAM消息；A码块和L码块的插入机会以N×64 K个66B码块的周期出现，每个周期按需触发插入相应OAM消息，这种技术方案对各种OAM码块的插入顺序有更为严格的规定。