低时延光网络技术白皮书

低时延光网络技术白皮书中国电信集团公司2016年6月目录1概述...................................................................................................................................12低时延的业务需求............................................................................................................12.1金融/交易类业务对低时延的极致需求................................................................................12.24K/8K高清视频/虚拟现实等业务的高吞吐量需求............................................................32.3实时性云业务的低时延需求..................................................................................................42.45G移动通信的低时延承载需求...........................................................................................53光网络的时延优势及构成分析.........................................................................................63.1光网络的时延优势.................................................................................................................63.2光网络时延构成分析.............................................................................................................83.3光网络设备时延的构成分析................................................................................................103.4光网络时延性能的显性化监测............................................................................................124光网络时延的优化举措...................................................................................................134.1光网络时延优化的基本举措................................................................................................134.2光网络时延优化的高级举措................................................................................................144.3总结.......................................................................................................................................15图表目录图1纽约至芝加哥微波中继电路时延性能示意图.....................................................................2图2ITU-RM.2083定义的IMT-2020(5G)关键能力指标.........................................................5图3OSI七层模型时延比较示意图.............................................................................................7表1网络电路时延分析................................................................................................................7表2非相干光网络电路时延分布量化分析表............................................................................8表3相干光网络电路时延分布量化分析表................................................................................9表4SDH承载的FE业务时延测试结果表.................................................................................11表5FEC不同工作模式时延结果...............................................................................................12图4OTN时延测试（DM）技术原理示意图...............................................................................13中国电信低时延光网络技术白皮书11概述近几年来，网络时延（Delay/Latency）性能越来越得到人们的重视，逐渐成为通信业界的新热点。低时延网络也成为运营商所关注的发展方向。光传送网作为最基础的承载网络，在各类通信技术中拥有最低和最稳定的时延性能。但是随着“互联网+”的深入发展，电信网络开始与各行各业深度融合，某些新兴行业和新兴业务对网络时延提出了近乎苛刻的需求，某些需求甚至到了现有光传送网络技术和组网结构无法满足的程度。因此，非常有必要对低时延业务需求进行深入分析，从而进一步研究光传送网络的低时延优化技术，以更好的满足这些低时延业务的需求。本白皮书将首先分析低时延业务需求和降低网络时延的现实意义，然后量化分析光传送网络中的时延分布，最后提出光传送网时延性能优化策略。2低时延的业务需求目前明确提出低时延需求的业务有四类：第一是金融和电子交易类用户，特别是大家耳熟能详的从事期货等产品高频交易（HFT:HighFrequencyTrading）的电子交易类用户；第二是基于TCP协议的高清视频类业务，包括4K/8K高清视频直播和点播业务、高清视频会议、以及未来的虚拟现实（VR）等实时性要求极高的大带宽业务；第三是部分云业务，特别是虚机迁移、数据热备份和实时性要求比较高的云桌面、云支付等业务；第四是尚处于研究阶段的未来5G移动网络的传送承载业务，目前5G网络对传送承载层预留的时延指标非常苛刻，需要一些低时延传输新技术加以保障。2.1金融/交易类业务对低时延的极致需求中国电信低时延光网络技术白皮书2信息不对称是交易盈利的不二法则，时延越低，意味着你的信息比别人快，你的订单比别人先到达交易中心，你也就越容易盈利。在发达的金融和交易市场中（尤其是美国），高频交易（HFT:HighFrequencyTrading）或称为机器交易、算法交易已经兴起多年，交易品涵盖了期货、股票、外汇等多个领域。有统计数据显示,2009年HFT交易量在美国全国总交易量中的比例达到61%，2012这个数据攀升到70%，而英国在2011年甚至达到过77%[i]。早在2008年，美国咨询公司TABBGroup给出的题为《TheValueofaMillisecond:FindingtheOptimalSpeedofaTradingInfrastructure》的研究报告中就指出，对于一个在美国电子交易市场的交易公司而言，如果其交易系统处理时间（包括传输时延）比竞争对手慢5毫秒（ms），它将损失1%的利润，如果慢10ms，则损失扩大到10%[ii]。图1纽约至芝加哥微波中继电路时延性能示意图“时间就是金钱”这句谚语在高频交易业务中充分显示的其现实意义，早在2007年，InformationWeek杂志在一篇题为《WallStreet‘sQuestToProcessDataAtTheSpeedOfLight》的报道中，就宣称在美国电子金融交易市场，1ms的时延优势的价值是1亿美元。2014年美国一家名为VirtueFinancial的HFT公司准备上市前公开披露的报告显示其在过去5年共1278个交易日中，只有1中国电信低时延光网络技术白皮书3个交易日是亏损的。2014年华尔街畅销书作家迈克尔·刘易斯所著图书《FlashBoys》的出版（2015年4月中信出版社引入中文版，题为《高频交易员：华尔街的速度游戏》），则让普罗大众认识了高频交易这个专业词汇，也将其炒作成了年度热门词汇。HFT的发展使得金融和电子交易公司对低时延的追求达到极致：一方面这些公司的服务器尽可能部署在交易机构（NYSE纽约股票交易所、NASDAQ纳斯达克股票交易所、CME芝加哥期货交易所等）的服务器附近，最好是相同的机房；另一方面，这些公司对低时延传输电路的追求也达到了白热化。举两个例子：一个案例是2011年底，美国运营商Level3提取一条从纽约到洛杉矶的低时延10G电路（该电路时延比竞争对手低350us，大约降低1.5%），虽然为了降低1.5%的时延，Level3付出了2.5倍建设成本代价，但是拍卖价格是普通电路的50倍。另一个案例是美国的HFT公司甚至建设了纽约（NYSE所在地）到芝加哥（CME所在地）的微波中继系统；如图1所示，相对于光纤系统，微波系统单向时延从6.55ms降低至4.25ms；原因有两个方面：一是光纤折射率大约1.5，空气中折射率大约1，微波信号传输速度大约是光纤信号传输速度的1.5倍；二是光缆路由必须避让自然屏障和建筑物，微波信号可以直达，路由长度可以更短。2.24K/8K高清视频/虚拟现实等业务的高吞吐量需求TCP协议已经成为Internet主流，TCP的确认机制保证了可靠性，但也带来了吞吐量受限的问题，参见如下公式：TCP吞吐量受限于三个因素，带宽BW、往返时延RTT和丢包率ρ。假设带宽足够，且良好的网络质量可以不考虑丢包率，则时延成为决定性因素。如果时延过大，客户体验带宽无法提升，此时仅提高带宽无法解决问题，形象的称之为“带宽黑洞”。吞吐量≤𝐦𝐢𝐧(𝐁𝐖,𝐂𝐖𝐍𝐃𝐑𝐓𝐓,𝐌𝐒𝐒𝐑𝐓𝐓×𝟏𝛒)中国电信低时延光网络技术白皮书4目前TCP协议包头表征拥塞窗口（CWND）大小是16位，因此CWND最大值是64K字节（65536Bytes）；MSS（MaximumSegmentSize）是最大段长度，一般是1460字节，传输网中一般可以假设丢包率为零，因此最后一项不需要考虑；假设带宽（BW）为10Gbps，单向时延10ms（往返时延RTT为20ms）；根据上述公式，TCP协议的