SPN/MTN：使能5G切片网络
李晗 程伟强 韩柳燕 李日欣 编著
人民邮电出版社
北京
图书在版编目（CIP）数据
SPN/MTN：使能5G切片网络/李晗等编著.--北京：人民邮电出版社，2023.7
ISBN 978-7-115-61069-0
Ⅰ. ①S… Ⅱ.①李… Ⅲ.①无线电通信—移动通信—通信技术 Ⅳ. ①TN929.5
中国国家版本馆CIP数据核字（2023）第016165号
◆ 编著 李晗 程伟强 韩柳燕 李日欣
责任编辑 韦毅
责任印制 李东 焦志炜
◆ 人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 http://www.ptpress.com.cn
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本书是一本介绍SPN/MTN及其相关知识的技术专著，凝聚SPN/MTN技术主要提出者和国际标准主要贡献者的研究成果以及经验总结，系统解读SPN/MTN创新技术和标准。本书梳理SPN/MTN的理念和发展历程，剖析MTN的技术架构，介绍其接口与转发机制，以及开销与OAM、业务映射等方面的工作机制，阐释其保护技术、同步技术、管理与控制等方面的相关内容，展示MTN设备及其应用，并畅想MTN未来的发展。
SPN/MTN是ITU确立的新一代传送网技术，在传输领域首次实现了中国整体原创性技术体系在ITU的国际标准化。本书呈现了自主原创的技术内容，可为网络技术研究人员以及SPN应用涉及的各行各业的从业者提供参考。
科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，创新成果是否符合国际标准成为评估各国产业核心竞争力的重要依据，更是衡量各国创新能力的标志，是未来发展的战略制高点。因此，积极参与甚至主导国际标准的建立，是各国行业专家们的重要追求。
ITU成立于1865年，是主管信息通信技术事务的联合国机构，负责分配和管理全球无线电频谱与卫星轨道资源，制定全球电信标准，是世界上成立时间最长、行业内权威性最强的标准化组织。ITU-T部门下设的第15研究组（SG15）是制定光传输与接入技术标准最权威的国际标准化组织，全球广泛应用的SDH、OTN、PTN、GPON和DSL等技术标准均诞生于此。
长期以来，在许多领域，ITU-T SG15的标准均由国外公司主导，我很高兴看到由中国移动主导的系统性原创技术SPN/MTN在ITU-T SG15成功实现系列国际标准（7项）立项并基本完成，成为新一代的传送网技术体系，这是我国在信息通信领域技术创新的重大成果，值得宣传和推广。
《SPN/MTN：使能5G切片网络》是SPN/MTN国际标准主要贡献者的倾情之作，深度阐述了SPN/MTN的核心技术和发展历程。通过本书，读者可以全面了解SPN/MTN的技术体系和创新思路，也能领略中国在传输领域由跟随到引领所经历的艰辛而又光荣的历程。
难能可贵的是，作者从繁忙的工作中挤出时间撰写本书，与读者分享国际科技领域的新成果，介绍中国专家参与国际合作的个人经验和见解，值得赞许！期待看到更多年轻的科技工作者，特别是活跃在国际舞台上年轻的中国专家在这方面的努力和展示。
国际电信联盟秘书长
2022年12月23日于日内瓦
（按姓名音序排列）
白立荣 陈昀 崔巍 段晓东 郭凤海
李禧律 李小盼 林舒 刘卓 陆荣舵
骆兰军 吕京飞 孟文君 史君 王敏学
吴超 吴卓然 叶雯 张德朝 邹洪强
光传送网络是数字基础设施的底座，承载固定网络和移动网络的各种业务。早期传送网主要面向固话语音业务进行设计，ITU-T制定了PDH和SDH国际标准，其核心理念是基于TDM电路交换提供面向连接的电信级可靠服务、丰富的运行管理维护和50 ms内的保护倒换能力。随着互联网业务的兴起，基于分组交换的分组传送网逐渐成为主流，其典型代表技术标准是IEEE制定的以太网技术标准和IETF制定的IP/MPLS技术标准，其核心理念是基于分组交换提供面向非连接的尽力而为服务、高效的统计复用和灵活的选路能力。
随着业务的高速发展和光通信波分复用技术的成熟，ITU-T制定了OTN标准体系，其核心理念是为SDH、以太网和IP/MPLS等业务提供高速长距离大容量承载、子波长速率交叉连接及复用、丰富的光层电层运行管理维护和保护恢复能力。
随着移动通信的蓬勃发展，传输技术演进的一个重要方向是面向移动回传网络。长期以来，移动回传网络基本上都是重用或借鉴已有的固定网络承载技术。1G/2G语音时代，移动回传主要重用PSTN承载的SDH技术。3G/4G时代，面向移动互联网和视频等数据业务，移动回传主要采用基于IP/MPLS的IP RAN技术，或基于MPLS-TP的、具有电信级增强和面向连接特性的PTN技术。5G时代的eMBB、URLLC和mMTC三大应用场景，对回传网络提出了基于灵活切片的大带宽、低时延、高精度时间同步和高可靠等需求，基于TDM的刚性传输技术或基于分组交换的柔性传输技术都难以单独支撑5G承载需求，因此迫切需要一种新的传输技术体系。
在此背景下，中国移动面向5G提出了“无损+高效灵活”的承载理念，构建了融合TDM和分组技术的新一代传送网技术体系——切片分组网络（SPN）。SPN采用以太网作为基础底层，充分利用以太网芯片和光模块等产业链生态，同时考虑引入TDM机制以保证电信级的服务，而且上层还要保持对灵活的分组服务的支持。SPN首次提出在以太网协议栈中嵌入TDM子层，实现了一种全新的MTN传输接口。SPN提出了以64B/66B码块为原子单元的时隙交换机制，并替换以太网空闲码块实现OAM开销插入的机制，构建了MTN新型帧结构。SPN提出了MTN段层和通道层的映射结构和单级复用体系，实现了基于N×5 Gbit/s灵活粒度的切片调度和适配。SPN基于MTN实现了以太网MAC与PHY解耦，并通过引入错误标识机制和新型编码机制，避免了误码污染扩散，提升了系统可靠性。综上，SPN首次在传输领域实现了软硬切片的灵活提供和基于切片的差异化业务统一承载。这些创新构成了ITU-T MTN标准的基石，具有系统性和原创性的特点。
SPN作为由中国提出的原创性技术体系，成功在ITU-T完成MTN接口、架构、管理、设备、保护、演进、同步等7项完整的国际标准系列立项，现主要标准已制定完成并获得通过。SPN/MTN成为ITU-T继SDH、OTN之后发布的新一代传送网技术体系。这也是中国在光通信领域首次以成体系的技术主导国际标准，标志着中国在5G传输技术领域处于国际领先水平。
SPN/MTN已经形成产业，并在网络上广泛部署，走出了一条“面向国家重大需求、依托国家重大专项、深度实施技术创新、带动引领产业发展、主导成为国际标准”的科技创新路线。本书的作者是SPN/MTN核心理念和关键技术的提出者，也是SPN/MTN国际标准和行业标准的主要编辑人。本书系统地介绍了SPN/MTN的诞生和发展历程、设计理念、技术架构、关键机制、标准体系、组网应用等内容。本书体系性强、结构完整、概念清晰，讲解深入浅出，实用性强、可读性好。
SPN/MTN作为5G与光传送网络的桥梁，实现了时分复用与统计复用技术的无缝融合，作为光传送网络的新体系，打开了广阔的创新空间。相信随着SPN/MTN研究与应用的深入，相关的技术还会继续发展。
中国工程院院士
发展数字经济是把握新一轮科技革命和产业变革新机遇的战略选择。数字经济发展速度快、辐射范围广、影响程度深，正推动生产方式、生活方式和治理方式深刻变革，成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、改变全球竞争格局的关键力量。数字经济的发展高度依赖信息基础设施，光传送网络是信息基础设施的坚实底座，是5G、有线宽带和算力网络的重要基础。
纵观传输技术的发展历史，那是一个技术创新不断涌现、技术融合不断发展的过程。一方面，向宽带化高速率发展，OTN从20世纪90年代被提出并在ITU-T标准化之后成为主流传输技术。另一方面，向分组化、融合化方向发展，借鉴了以太网技术和深度融合的IP技术。随着移动通信的发展，移动回传成为传输技术演进和竞争的焦点，并相应地呈现一定的代际特征，大体呈现出“两代无线，一代传输”的规律。在以语音业务为主的1G和2G时代，移动回传采用了基于电路交换的SDH技术，主要由欧美国家提出并得到大规模应用。在以数据业务为主的3G和4G时代，移动回传出现了两种基于分组交换的技术，即IP RAN技术和PTN技术，其中PTN由中国移动提出并得到大规模应用。随着5G的发展，移动回传领域对技术的前瞻性、创新性和突破性提出新的要求。
中国移动锚定“世界一流信息服务科技创新公司”新定位，全力构筑创世界一流“力量大厦”，系统打造“5G+算力网络+智慧中台”的新型信息基础设施，创新构建“连接+算力+能力”的新型信息服务体系，争做建设网络强国、数字中国、智慧社会的主力军。面向5G带来的To B和To C多样化新场景以及算力网络带来的超高速率、低时延新挑战，中国移动提出“无损+高效灵活”的理念，构建了新一代传送网技术体系——SPN。
SPN是面向5G时代的新一代传输技术，形成了四方面的技术创新。一是提出全新的传输接口、帧结构和交换机制，支持软硬灵活切片和超低时延转发；二是提出新的标签类型，支持IP层面向连接电信级组网；三是采用灰光与彩光结合的新光层，实现带宽的灵活拓展；四是构建基于SDN的管、控、析三位一体的编排体系，实现集中化的智能调度。SPN成为业界率先支持硬切片和软切片的5G传输技术，在时延、抖动和时间同步精度等多项性能指标上达到了业界领先水平，构筑了中国移动面向To B和To C场景的差异化承载优势。
SPN作为中国移动提出的原创性技术，得到了广泛的国际认可和产业支持。在国际标准化方面，形成了接口、架构和演进等ITU-T系列国际标准，形成继SDH、OTN之后的新一代传送网技术体系。在产业方面，历经6年发展，逐步形成覆盖芯片、设备、光模块、仪表的千亿级产业链，实现核心芯片、光模块和设备的自主可控。在应用方面，截至2022年底，中国移动已部署40多万端SPN设备，承载百万座5G基站。SPN的稳定性和可靠性已得到验证，将助力中国移动建成全球规模最大和技术领先的5G网络。
《SPN/MTN：使能5G切片网络》一书全面介绍了SPN/MTN技术的设计理念和产生过程，深入浅出地讲解了SPN/MTN的关键技术，展望了未来SPN/MTN技术的演进方向。本书由SPN/MTN技术的主要提出者倾情撰写，逻辑清晰、内容翔实、观点深刻，相信读者通过阅读本书将受益匪浅。
高同庆
中国移动通信集团有限公司副总经理
For background, mobile network services have increasingly migrated to using IP (Internet Protocol) as their network layer, with all 5G wireless services defined as being carried over IP packets. Advantages to providing services using IP-based networks include increased flexibility and the potential bandwidth efficiency gaining from statistical packet multiplexing. MPLS-TP (Multiprotocol Label Switching-Transport Profile) served as the best packet routing protocol for IP-based services within a telecom provider network. MPLS packets are carried over IEEE 802.3 Ethernet for their data link and physical layers. As the bandwidth of mobile services increased and the wireline backbone networks grew, the use of packet routing technology became more challenging. MPLS routing requires terminating the Ethernet layer so that MPLS packet overhead and routing tables can be used to make the forwarding decisions for each packet.
The processing associated with MPLS per-packet forwarding adds latency and requires a significant amount of power consumption relative to circuit-switched time division multiplexing (TDM) technology. This becomes increasingly important as node bandwidth capacity increases. A solution to this issue is to use hybrid approach where the nodes can use a combination of packet and TDM switching. With TDM, user packet flows that share a common set of ingress and egress nodes in the wireline network which can be carried within the same TDM channel. This allows intermediate nodes to use a TDM switch to bypass their packet switch. Consequently, since entire streams are switched/forwarded based on their TDM channel, per-packet processing is unnecessary. An additional benefit of TDM is that client traffic in one TDM channel cannot impact the performance of traffic in a different TDM channel. This feature is sometimes referred to as “hard isolation” to distinguish it from “soft isolation” in which IEEE 802.1 extensions to Ethernet are used to emulate this isolation feature within an Ethernet packet switched network.
Since the MPLS-TP networks use Ethernet for their lower layers, there was incentive to define a new TDM technology built on Ethernet technology rather than use an existing TDM technology with its own separate network management technology. China Mobile Communications Corporation (CMCC) led the way in pioneering such a technology. The umbrella name for this early development was Slicing Packet Network (SPN), where the “slicing” referred to the TDM channels. CMCC, along with several of their equipment vendors, submitted SPN to the ITU-T for standardization. The primary ITU-T group responsible for this type of technology is Question 11 of Study Group 15 (Q11/15), which defines TDM digital signal formats and rates.
I have been actively involved in telecommunications standards development since 1984. During that time, I have never seen a major proposal that was not significantly improved by the process of considering and incorporating input from participants. The Q11/15 work SPN followed this pattern. Although there were a number of interesting and innovative aspects to SPN, some issues and potential areas for improvement were identified during the Q11/15 discussions. After much discussion and hard work, Q11/15 reached consensus on a compromise that created an enhanced version of SPN. While the most important core aspects of SPN were preserved, in order to avoid confusion, SG15 chose the new name “Metro Transport Network” (MTN) for the version standardized in ITU-T Recommendation G.8312. MTN now forms a new generation of transport hierarchy after SDH and OTN, to support 5G wireless networks and beyond. The various aspects of MTN are covered in the ITU-T G.83xx Recommendation family to support 5G wireless networks and beyond, including:
◆G.8310 (2020)-Architecture of the metro transport network
◆G.8312 (2021)-Interfaces for metro transport networks
◆G.8321 (2022)-Characteristics of MTN equipment functional blocks
◆G.8331 (2022)-Metro transport network linear protection
◆G.8350 (2022)-Management and control for metro transport network
◆G.mtn-sync (2023)-Synchronization aspects of metro transport network
The key SPN concepts that were preserved in MTN, either directly or with enhancement, include:
◆Using TDM to provide “hard-isolation” slices of the network bandwidth rather than packet-based soft-isolation.
◆Using the Optical Internetworking Forum (OIF) FlexE Implementation Agreement as the basis for providing a TDM layer with n×5 Gbit/s channels. Each FlexE channel carries an IEEE 802.3 Clause 82 64B/66B block coded PCS stream.
◆Introducing TDM switching of the 64B/66B block streams to avoid going up to the Ethernet MAC or MPLS layer for packet switching.
◆Using IEEE 802.3 Clause 82 idle blocks insertion/removal for rate adapting the SPN client into the FlexE channel.
◆Inserting network path overhead in-band as special control blocks in the Ethernet inter-packet gap (IPG), inserting one block at a time rather than using a multi-block format within the same IPG. The control blocks are identified by a 0xC O code.
◆Defining a mix of high-priority and low-priority path overhead messages, with each OAM block containing the associated message type information.
◇ Basic blocks, which are sent with a regular nominal spacing, use a bit-oriented format to carry information requiring frequent repetition (e.g., path error monitoring and defect status).
◇ APS information is sent in separate messages/blocks.
◇ Other information (e.g., connectivity verification, delay measurement functions and client signal information) are each carried separately using a message-oriented format that is typically spread across multiple blocks.
◆Focus on 1+1 end-to-end linear protection for the MTN path layer.
MTN enhancements to SPN included:
◆Enhancements to FlexE to create the MTN Section layer.
◇ Arbitrary n×5 Gbit/s channel rates rather than the limited subset supported by FlexE.
◇ Defining LLDP messages to be carried within the FlexE overhead channel in order to provide MTN Section-specific overhead.
◆Modifying the SPN Ordered-set-like block used for MTN Path overhead so that it fully conformed to the IEEE 802.3 Clause 82 format .
◇ Allowing requesting IEEE 802.3 to add a note reserving the associated MTN O code.
◇ Ensuring transparency of the overhead block to existing Ethernet implementations.
◆Supporting the insertion of Path OAM ordered set blocks according to the full IEEE 802.3 Clause 82 rate adaptation rules rather than only allowing OAM insertion by replacing idle blocks.
◆Deterministic overhead performance, including overhead latency, which also reduced receiver complexity and buffer requirements.
◆Some message coding enhancements to further improve robustness.
One key aspect of MTN is that it is defined to be transparent to existing intermediate SPN nodes. This allows network transition from SPN to MTN by replacing edge nodes without touching intermediate nodes. This topic is documented in ITU-T Supplement G.Sup.69 “Migration of a pre-standard network to a metro transport network”. Network migration is further simplified if the new edge nodes can interoperate with either SPN or MTN nodes on the other side of the connection.
Dr. Han Li is the main author of this book, and I have appreciated and enjoyed working with him during his many years of active involvement in ITU-T SG15. He is one of the main contributors to MTN Recommendations and one of the key people who helped to reach consensus for MTN. Based on his profound knowledge, this book provides sound descriptions of MTN technologies and also introduces many interesting background stories during the recommendation discussion. I believe readers will learn a lot from the book and enjoy the book!
Steve Gorshe, Ph.D
IEEE Life Fellow，Rapporteur for ITU-T Q11/15
随着越来越多的移动网络业务转向使用IP（互联网协议）作为其网络层，所有的5G无线业务都将通过IP分组承载。基于IP的网络提供的业务更加灵活，可通过分组网的统计复用提升带宽效率。MPLS-TP（多协议标签交换-传送子集）是电信运营商网络中基于IP的最佳分组路由协议。MPLS分组报文通过IEEE 802.3以太网传输，用于其数据链路层和物理层。随着移动业务带宽的增加和骨干网络容量的提升，分组路由技术将面临更多的挑战。MPLS路由要求终结以太网层，以便使用MPLS分组开销和路由表来为每个分组做出转发决定。
相比电路交换时分复用（TDM）技术，MPLS逐包转发处理机制增加了延迟，并且功耗显著提升。随着节点带宽容量的增加，这一点变得越来越重要。一种解决方案是在节点处理中融合采用分组交换技术和TDM交换技术。引入TDM后，网络中同源同宿的用户分组流可以承载于同一TDM通道中，这允许中间节点使用TDM交换，绕过了分组交换。由于整个流是基于其TDM通道进行交换/转发的，因此不需要对每个报文进行逐跳处理。TDM的优点还包括，一个TDM通道中的客户端流量不会影响另一个TDM通道的流量性能。此功能有时也被称为“硬隔离”，以区别于“软隔离”。在软隔离中，IEEE 802.1以太网的扩展用于在以太网分组交换网中模拟这一隔离特性。
由于MPLS-TP网络将以太网作为其底层，因此有必要定义一种适合于以太网技术的新的TDM技术，而不是将现有的TDM技术简单地与以太网的网络管理技术叠加。中国移动（CMCC）率先开创了这项技术。这个技术早期的全称是切片分组网络（SPN），其中的“切片”指的是TDM通道。中国移动联合设备供应商向ITU-T提交了SPN技术并将其标准化。负责这类技术的主要ITU-T小组是SG15的Q11（Q11/15），Q11给出了TDM数字信号格式和速率的定义。
自1984年以来，我一直积极参与电信标准的制定工作。在此期间，我从未看到过一项重大提案在考虑和采纳参与者意见的过程中，一直没有得到显著改善。Q11/15在制定SPN标准时便经历了这一过程。尽管SPN有许多有趣和创新的方面，在Q11/15的讨论中也发现了一些问题和潜在的改进方向。最后，经过大量讨论和努力，Q11/15就一个折中方案达成共识，创建了SPN的增强版本。标准保留了SPN最重要的核心机制，但为了避免混淆，SG15将ITU-T G.8312重新命名为“城域传送网（Metro Transport Network，MTN）”。现在，MTN成为继SDH和OTN之后的新一代传送网技术体系，并支持5G无线网络及其他网络。ITU-T G.83xx标准系列涵盖了MTN的各个方面，以支持5G无线网络及其后续演进，包括如下几项。
◆G.8310（2020）：MTN架构。
◆G.8312（2021）：MTN接口。
◆G.8321（2022）：MTN设备功能特性。
◆G.8331（2022）：MTN线性保护。
◆G.8350（2022）：MTN管理与控制。
◆G.mtn-sync（2023）：MTN同步。
MTN中保留的关键SPN理念（无论是直接保留还是在原来基础上增强）如下。
◆使用TDM提供网络带宽的“硬隔离”切片，而不是基于分组的软隔离。
◆基于光互联论坛（OIF）FlexE协议，提供具有N×5 Gbit/s通道的TDM层。每个FlexE通道承载IEEE 802.3 Clause 82的64B/66B编码的PCS流。
◆引入了64B/66B码块流的TDM交换，以避免进入以太网MAC或MPLS层进行分组交换。
◆采用IEEE 802.3 Clause 82的空闲码块插入/删除机制，将SPN客户端速率适配到FlexE通道。
◆在以太网报文间隙（IPG）中插入特殊控制码块——带内通道层开销，一次插入一个码块，而不是在同一IPG中插入多个码块。控制码块由O代码0xC标识。
◆定义高优先级和低优先级通道开销消息，每个OAM码块包含相关的消息类型信息：
◇基本码块以固定间隔发送，使用面向比特的格式携带需要频繁周期性发送的信息（例如，路径错误监控和缺陷状态）；
◇以单独的消息/码块发送APS信息；
◇其他信息（例如，连接性校验、时延测量功能和客户端信号）使用面向消息的格式单独携带，该格式通常分布于多个码块中。
◆重点关注MTN通道层端到端1+1线性保护机制。
MTN相比SPN有以下提升。
◆增强FlexE以创建MTN段层。
◇采用任意N×5 Gbit/s通道速率，而不是FlexE支持的有限子集。
◇定义要在FlexE开销通道中承载LLDP消息，以便提供MTN节特定开销。
◆修改用于MTN通道开销的SPN码块字节，使其完全符合IEEE 802.3 Clause 82规定的格式。
◇允许请求IEEE 802.3保留关联的MTN O代码。
◇确保开销码块对现有以太网实现的透明性。
◆支持基于IEEE 802.3 Clause 82规定的速率适配规则，插入通道OAM码块，而不是仅允许通过替换空闲码块的方式插入OAM码块。
◆开销性能确定性设计，包括确定性的开销时延，这也降低了接收器复杂性和缓冲区要求。
◆部分消息编码得到增强，以进一步提高可靠性。
MTN非常关键的一点是，它被定义为对SPN的中间节点是透明的。网络可以通过替换边缘节点而不改变中间节点的方式从SPN过渡到MTN。关于这一点，ITU-T G.Sup.69 “Migration of a pre-standard network to a metro transport network”中有记录。如果新的边缘节点可以与另一侧的SPN或MTN节点互通，那么网络演进将进一步简化。
李晗博士是本书的主要作者，多年来他积极参与ITU-T SG15的工作。我很欣赏他，并且很高兴与他共事。他是MTN标准的主要贡献者之一，也是帮助达成MTN共识的关键人物之一。基于他的渊博知识，本书详细阐述了MTN技术，并介绍了在标准制定过程中发生的许多有趣的故事。我相信读者会从这本书中学到很多东西，并享受这本书！
史蒂夫·戈舍博士
IEEE终身会士，ITU-T Q11/15报告人
提起5G传送网，特别是SPN/MTN，我便回想起我国5G传送网技术国际标准化的推进历程。
我国三大电信运营商（中国电信、中国移动、中国联通）早已预料到5G移动的低时延、大带宽、网络切片、多接入边缘计算等新特征，会对已有的光传送网络提出新的需求和挑战。基于此，它们联合国内的知名电信技术研究机构、电信设备制造商等，于2016年在中国通信标准化协会（CCSA）传送网与接入网技术工作委员会（TC6）上，率先启动传送网承载IMT-2020/5G的新技术需求和新网络架构的研究。此研究紧跟5G移动通信技术的研究进展，同步展开。
我国三大电信运营商结合各自网络的特点，分别提出具有自主知识产权、支撑5G移动业务的传送网的新概念、新需求以及新的网络架构，具体包括：中国移动提出的融合分组交换和电路交换技术的SPN、中国电信提出的移动优化光传送网络M-OTN技术和中国联通提出的基于城域光网络的WDM+IP技术。这三种技术各有特色。
这三种技术方案在TC6上进行了充分讨论，确定了5G传送网的国内标准立项，从此拉开了5G传送网技术标准研究的序幕。随后，5G传送网的关键技术研究、组网试验、网络测试、方案验证、参数定义、设备开发、各单位之间的技术协调等工作全面展开，很快就有了研究成果。此时，国际上5G传送网技术的标准研究尚未正式启动。我国在5G传送网标准化方面的研究一开始就处于国际领先地位。
2017年6月，ITU-T SG15全会期间，我国三大电信运营商，中国信息通信研究院，中国通信设备制造企业华为、烽火科技、中兴通讯等单位联合，首次向会议提交了关于5G传送网标准立项的文稿，并对网络切片、低时延（数百纳秒～数微秒）、大带宽（新的光接口）等提出新的研究建议，对移动网络的前传、中传、回传架构给出了详细方案。来自中国的方案在此次会议上引发了强烈反响，受到了国际同行的高度关注，同时在SG15全会上掀起了5G承载技术的研究热点。会议讨论非常激烈。也有一些刚介入5G传送网领域研究的国外电信运营商、设备商、芯片商的代表等，他们由于对相关需求、架构、技术理解不深，缺乏相关产品，因此希望延缓标准制定，以缩短其与中国的电信运营商、设备制造商之间的技术差距。
经过充分讨论和据理力争，会议最终决定以研究报告GSTR-TN5G（支持IMT-2020/5G的传送网）的形式首先启动5G承载技术的研究，计划于2018年1月的SG15全会上完成研究报告，并以此研究报告为基础，开展5G传送网技术标准的研究。可以说，中国的5G传送网技术方案的国际标准化推进工作在当时取得初胜。
2018年1月29日～2月9日，ITU-T SG15在日内瓦举行此研究期（2017—2020）的第二次全会。我国三大电信运营商、中国信息通信研究院以及华为、烽火科技、中兴通讯等向此次会议提交了涉及5G移动承载技术的文稿数十篇，内容涉及网络架构、网络切片技术、低时延技术需求、大带宽、网络管理及信息模型、网络的保护倒换、组网试验及测试结果等诸多方面，文稿内容涵盖全面、分析详尽、技术先进、方案完整。
会议重点对中国电信运营商提出的SPN和M-OTN两种方案，以及中国基于这两种方案提交的诸多文稿，进行了详尽讨论和分析。讨论过程中，来自中国的各单位和公司积极响应，认真准备，准确、完整地分析和回答了SPN及M-OTN两种方案的技术特点。此次会议计划完成GSTR-TN5G报告的开发，其内容（主要是网络架构和基本需求）决定了5G传送网发展的方向，竞争十分激烈。
经过积极争取，会议接受了中国电信运营商、科研机构、设备制造商提交的关于众多文稿的提议，包括前传链路的功能分离、通道带宽需求（前传接口带宽需求、中传接口带宽需求、回传接口带宽需求、基站接口带宽需求）分析、频率/时间同步分配架构及需求（时延分析及时延指标分配）、网络传输距离（前传、中传、回传网络的距离）、网络/设备管理及控制、支持多业务、传送网对5G切片的支持等技术需求，并最终决定由中国专家撰写GSTR-TN5G报告正文中多个主要章节的内容和报告附件，将中国提出的5G传送网网络架构纳入报告的附件中，并特别指出可供备选的5G传送网技术可以是PON、OTN、SPN、以太网、G.metro等。会议结果如下：
◆完成GSTR-TN5G报告并最终得到全会同意；
◆由中国联通牵头开发的G.metro新建议获得通过；
◆会议同意针对SPN和M-OTN两种技术开展5G传送网技术的研究，同时启动两个新标准立项，这两个新标准是“G.supp.5gotn: Application of OTN to 5G Transport”和“G.ctn5g: Characteristics of transport networks to support IMT-2020/5G”。
GSTR-TN5G报告的通过以及5G传送网的两个新标准立项，为SPN技术和M-OTN技术在ITU-T SG15后续开发相关系列奠定了良好基础。
为了确保SPN和M-OTN的标准立项，ITU-T SG15国内对口组召开了5G传送网立项的协调会议，针对我国代表团拟向2018年10月召开的SG15全会提交的5G传送网立项相关重要文稿，进行了良好的沟通与协调。会议对各单位拟提交的文稿进行了分析和梳理，讨论了立项前提条件和共性问题，就各单位提交文稿的分工、各种技术的解答以及所需解决的问题、5G传送网的低成本需求、网络切片管控功能需求以及管控一体化系统的功能要求等主要议题进行了分析与统一认识，并要求中国各成员单位协同推进中国提出的5G传送网技术方案的标准化。
2018年10月8~19日，ITU-T SG15在日内瓦举行该研究期（2017—2020）的第三次全会。SPN与M-OTN的立项是此次会议讨论的重点之一。中国代表团参会的目的是，全力推进由我国企业提出的具有自主知识产权的SPN、M-OTN两个5G传送网技术方案在SG15立项。
会议针对SPN技术方案主要争论的观点包括：
◆SPN与M-OTN两种技术方案所解决的是否为同一个问题；
◆SPN的SCL是否会影响OIF FlexE及IEEE以太网标准；
◆SPN的SCL的OAM实现性如何；
◆目前在ITU-T开发SPN可能会涉及ITU-T与OIF及IEEE之间的哪些关系问题；
◆FlexE作为段层是否有段层保护能力；
◆IEEE码块中的全零字节是否可以用于OAM信息。
由此可见，争论焦点不仅涉及许多技术问题本身，还涉及ITU-T与OIF以及IEEE之间的争议，对传统的ITU-T传送网体系架构的划分和定义的理解，涉及面广、推动难度大、协调工作量大。
为了有效推进SPN在此次全会上立项，中国移动、中国信息通信研究院、华为、中兴通讯、中国信科的专家积极、详细、有效、准确地回答了会议针对文稿提出的各种问题。在第一周的会议讨论期间，中国专家对上述6个焦点问题，从理论依据、标准化组织之间的协调、方案优点等多个方面进行了全面、深入、准确、完整的回答，但会议仍然没有就此达成一致，推进立项的阻力甚大。在此情况下，李晗博士在第二周连续三个中午在会下与由SG15主席，SG15 WP3主席，Q11课题组正副报告人组成的管理团队进行了沟通，详细阐述了SPN技术方案的优点和特点，全面完整地回答了管理层仍然存疑和新产生的8个关键技术问题，最终获得了管理层一致认可，他们不但同意了中国代表团提出的新建议“G.mtn-城域传送网接口”立项，并超预期地将SPN/MTN作为下一代传送网技术体系进行了系列标准立项。
同样，经过激烈的讨论和争取，会议最终达成一致，同意中国电信提出的M-OTN技术方案，M-OTN标准名称为G.709.25-50G“25G and 50G OTN interfaces”。
至此，中国实现了SPN、M-OTN两个5G传送网技术方案在SG15的标准立项，中国的5G传送网技术的国际标准化推进获得重要进展。
2019年7月1~12日，ITU-T SG15在日内瓦举行此研究期（2017—2020）的第四次全会。推进G.mtn标准的开发是此次会议的一项重要工作。
G.mtn主要定义SPN的接口、帧结构及OAM功能，是ITU-T MTN系列标准的第一个标准，也是核心标准，其技术方案的选择是此次会议的争论焦点之一，主要内容包括：物理层是否需要端口绑定；段层是否要引入新的帧结构；通道层采用什么样的机制及帧格式。经过会上的激烈争论以及中国代表团的全力争取，中国企业提出的技术选择得到大部分参会企业和代表的支持。
在中国代表团的大力推动下，继在2018年10月会议上启动G.mtn标准开发后，此次会议同时完成如下4个MTN系列标准的立项：
◆MTN设备功能标准；
◆MTN线性保护标准；
◆MTN架构标准；
◆MTN管理标准。
这些标准的开发将形成完整的MTN技术标准系列，从而形成新一代电信传送网标准体系。MTN是由中国移动主导、我国电信技术研究机构和电信设备制造商共同参与所推出的原创性电信传送网技术，是ITU-T在传送网的发展演进方面取得的最新重要成果。
另外，会议还讨论了由中国电信牵头并联合国内电信设备制造商提出的25G/50G OTN的需求和技术特征。经过充分讨论，中国提出了双速率技术方案，并就25G/50G OTN的速率、帧结构、复用结构、标准化方式等方面达成一致意见。根据会议讨论结果，会议起草了包含25G/50G OTN的G.709建议的更新版本和G.709.4新建议的初稿。2020年3月，G.709.4“OTU25 and OTU50 short-reach interfaces”正式发布。
2022年，由中国移动主导并联合国内多家单位积极推动的、符合中国移动5G传送网的SPN/MTN技术方案的ITU-T国际标准化系列基本完成，由中国电信主导并联合国内多家单位积极推动的、符合中国电信5G传送网的多项ITU-T国际标准基本完成，由中国联通主导的符合中国联通5G传送网的ITU-T国际标准已完成。相关标准建议和报告如下。
5G传送网技术报告及通用技术标准如下。
◆GSTR-TN5G报告（已完成）。
◆G.8300: Characteristics of transport networks to support IMT-2020/5G（已完成）。
基于SPN/MTN的标准如下。
◆G.8310: Architecture of the metro transport network（已完成）。
◆G.8312: Interfaces for metro transport networks（已完成）。
◆G.8321: Characteristics of MTN equipment functional blocks（已完成）。
◆G.8331: Metro transport network linear protection（已完成）。
◆G.8350: Management and control for metro transport network（已完成）。
◆G.mtn-sync: Synchronization aspects of metro transport network（开发中）。
◆G.Sup.69: Migration of a pre-standard network to a metro transport network（已完成）。
基于M-OTN的标准包括：
◆G.supp.5gotn: Application of OTN to 5G Transport（已完成）；
◆G.709.4: OTU25 and OTU50 short-reach interfaces（已完成）。
基于WDM+IP的5G传送网标准是G.698.4 “Multichannel bi-directional DWDM applications with port agnostic single-channel optical interfaces”（已完成）。
同样，在接入网方面，中国的电信运营商、电信设备制造商、电信技术研究机构的专家团队积极推进5G光接入网国际标准的开发，提交了大量技术文稿，为5G光接入网的国际标准化做出了突出贡献。在与5G相关的时间同步系列标准的开发方面，中国专家也做出了重要贡献。
5G传送网国际标准的开发，得到了我国工业和信息化部科技司的支持，以及工业和信息化部国际电联工作委员会秘书处的积极指导和关注。CCSA TC6技术工作委员会下设的国际标准化工作组负责我国相关单位和企业向ITU-T SG15研究组提交文稿的相关组织工作，包括组织文稿起草、文稿讨论、文稿审核及修改、CCSA审核及上报电联秘书处等具体工作。
《SPN/MTN：使能5G切片网络》这本技术专著介绍的由中国移动提出并主导，联合国内电信技术研究机构、电信设备制造商等共同推动的SPN/MTN具有如下几个特点。
第一，引领性。SPN是以切片以太网内核为基础的新一代融合的承载网络架构，具有低时延、大带宽、超高精度时间同步、灵活管控等技术特征；同时，兼容以太网生态链，具备低成本优势。SPN/MTN技术开辟了新一代传送网技术体系，开创了移动传送网的一个新的发展方向，具有引领作用。
第二，自主原创性。SPN提出了面向5G承载的“无损+高效灵活”的设计理念，提出了融合分组交换和电路交换支持软硬切片/隔离的核心机制及架构，构建了全新的传输接口和帧结构，是面向5G传送网的系列创新技术，其有效整合了从L0光波长传送层到L2/L3分组层的多层网络技术及其智能管控，在L1创新性提出新一代层网络技术，自主技术覆盖网络架构、超低时延、大带宽、超高精度时间同步、灵活管控等多个方面，且在国际上是首次提出。
第三，系统性。SPN/MTN总体技术涵盖传送网诸多方面，包括MTN架构及组网技术、SPN技术、MTN的接口与转发机制（MTN段层、通道层接口，速率适配，转发机制）、MTN开销分配与OAM，对各种业务的映射，MTN保护倒换，高精度网络同步（频率同步及时间同步），网络管理与控制，MTN设备要求、功能及应用，等等，充分体现了SPN/MTN技术的系统性，在ITU-T标准化方面，几乎涵盖了SPN/MTN的所有技术要求，形成了ITU-T关于SPN/MTN的系列标准。在ITU-T SG15，首次实现了中国企业主导并完成的新一代传送网系列标准的开发。
从标准化的角度来看，SPN/MTN系列标准在ITU-T成功立项是中国在世界传输领域从跟随到引领的标志性事件，本书亦可看作SPN/MTN技术国际标准系列的结晶。
另外，通过对5G传送网技术的深入研究、设备产业化的完全实现以及5G移动网络建设，我国在电信传送网领域培养了众多高端技术人才，包括国际标准化高端人才，其中一些专家（如本书的部分作者）已经成为ITU-T SG15核心专家团队的主要成员，他们的贡献对SG15的课题研究方向具有重要的影响。中国的电信科研技术高端人才已逐步进入该领域的世界前列，并发挥着重要作用。
朱洪
中国ITU-T SG15对口研究组原组长
中国通信标准化协会传送网与接入网技术工作委员会（TC6）国际标准化工作组原组长
电信科学技术第五研究所原总工程师
纵观传统传输技术的发展，它基本上都是针对特定业务或者特定场景设计的。在20世纪70年代到80年代，陆续出现了准同步数字系列（PDH）、X.25帧中继、综合业务数字网（ISDN）和光纤分布式数据接口（FDDI）等多种网络技术，主要面向语音、文字、数据、图像和视频的承载。直到20世纪90年代，ITU-T发布了SDH系列标准，规范了为不同速率的数字信号传输提供相应等级的信息结构，包括复用方法、映射方法和同步方法等，世界上才有了第一个面向综合业务承载的传输技术国际标准。
随着互联网的发展，网络带宽激增，具有大容量、长距离传输能力的波分复用（WDM）系统成为光层的主流技术。为了有效地弥补WDM系统在性能监控、维护管理、组网能力和互联互通等方面的不足，ITU-T于2000年前后制定了OTN（光传送网络）系列标准。OTN技术可以说是电网络与全光网折中的产物，具有光层和电层的功能，支持客户信号的透明传送、高带宽的复用交换和配置，具有强大的开销和前向纠错（FEC）能力，提供完善的OAM和多种保护功能，支持多层嵌套的串联连接监视（TCM），可以说是第二代传输技术国际标准。值得一提的是，每一代传输技术之间并不是严格意义的演进或替代关系，它们在不同的应用场景下长期共存。
随着移动通信的发展，移动回传成为传输技术演进和竞争的焦点。1G和2G时代主要以语音业务为主，移动回传采用了基于电路交换的SDH技术；3G和4G时代主要以数据业务为主，移动回传网络实现了IP化转型，代表性技术包括IP RAN和分组传送网（PTN）。不同代际移动通信对回传网络的不同要求驱动移动回传技术呈现出代际特征，大体表现为“一代传输，两代无线”的发展规律。5G提出了“赋能千行百业”的发展愿景，并采用切片技术支持eMBB、uRLLC和mMTC三大场景，相应地对5G回传网络提出了大带宽、低时延、网络切片、灵活调度和高精度同步等需求，最直接的挑战就是要求5G回传网络既支持软切片又支持硬切片，从而既满足对IP业务的灵活和高效承载，又满足高等级业务的硬隔离和低时延。单独采用基于分组交换的柔性传输技术或基于TDM的刚性传输技术都难以应对上述挑战，因此迫切需要一种能够结合统计复用和时分复用（TDM）的新技术体系。
中国移动针对5G承载提出了“无损+高效灵活”的SPN技术理念，无损是指TDM刚性管道，高效是指依托以太网芯片和光模块产业生态保证低成本，灵活是指IP灵活路由和统计复用，而SPN体现了依靠切片提供异质化、差异化的以分组业务为主的综合业务承载新模式。在这个过程中，最关键的是如何实现分组与TDM的融合。传统思路一般采用叠加方式，例如POTN/EOTN就是将IP/以太网芯片与OTN芯片集成，从而在一体化设备上提供灵活的分组业务和大管道传输。这种解决方案复杂度高、功耗和成本高、对运维人员技术要求高，因此目前没有得到广泛应用。
中国移动提出了“分组内生TDM”的新思路，即在以太网的物理编码子层（PCS）插入TDM层网络，从而在以太网芯片中新增TDM功能，以实现分组与TDM的无缝融合。要实现“分组内生TDM”，面临三大技术挑战：一是为了兼容以太网的芯片，在实现TDM复用和交叉连接等功能的同时，不能破坏以太网的信号结构，即TDM层网络在以太网的PCS中对上对下是完全独立的；二是为了实现TDM交换，必须引入丰富的开销功能，为了重用以太网的光模块，不能改变信号的速率；三是在PCS引入TDM交换后，实现了以太网介质访问控制（MAC）层与物理层（PHY）的解耦，同时也引入了误码扩散以及如何满足以太网物理层所要求的错误报文平均接收时间（MTTFPA）仍然达到100亿年以上的设计要求的问题。
针对以上三大技术挑战，中国移动提出了三大技术：一是基于以太网64B/66B码块为原子交换单元进行时隙化和容器化，从而在保持以太网信号结构情况下，构建TDM层网络；二是采用OAM码块替换空闲码块构建开销的机制，从而在保持以太网信号速率不变的前提下实现TDM的开销管理功能；三是在以太网物理层为数据流引入误码校验、误码标识和通道误码扩散抑制机制，满足MTTFPA设计要求。这三大技术成为SPN的TDM层网络最基础的机制，后续ITU-T将SPN的TDM层网络定义为城域传送网（MTN），MTN成为第三代传输技术国际标准。
在提出SPN概念和核心技术后，依托国家科技重大专项课题“5G前传及回传接口研发与验证”和IMT-2020/5G承载工作组，国内通信产业利用先发优势，率先联合完成整体技术体系的制定和实验验证，形成了一系列的核心技术，包括基于64B/66B原子码块时隙化和容器化实现TDM交换、基于空闲码块替换的OAM插入机制、OAM单码块构建、基于0x4B+0xC为特征标识的OAM码块、以N×16 kbit/s为准周期的帧结构、64B/66B转置BIP算法、基于E码块的误码抑制机制等。
2017年6月，中国三大电信运营商、中国信息通信研究院、中国通信设备制造企业首次向ITU-T SG15提出5G承载技术立项申请，并在同年10月中间会议期间举办的研讨会上做了5G承载需求和SPN关键技术专题报告，引发了全球传输产业界的热烈讨论。国内外专家经过了一年多的研究和评估，在2018年10月的ITU-T SG15全会上，成功立项MTN接口标准（G.8312），SPN/MTN被ITU-T定位为新一代传送网技术体系。截至2022年11月，SPN/MTN在ITU-T SG15已成功完成7项标准立项，覆盖MTN接口、架构、管理、设备、保护、演进、同步，其中6项标准已正式发布，首次实现了中国的整体原创性技术在ITU-T SG15的国际标准化。
国际标准立项和制定过程从来都不是一帆风顺的，其中既有围绕关键技术机制开展的惊心动魄的斗争，也有双方的精诚协作。我仍然记得在2018年10月ITU-T SG15全会期间，第一周，国内外的专家展开了激烈的辩论，无法达成一致，立项前景非常渺茫。第二周从周二开始，ITU-T SG15主席Stephen J. Trowbridge联合WP3主席Malcolm Betts、Q11课题组正副两位报告人Steve Gorshe、Tom Huber和IEEE 802.3的编辑Pete Anslow，利用中午的时间邀请我去办公室进行讨论。第一天中午，讨论主要针对SPN与IEEE802.3以太网标准的兼容性，他们轮番询问了8个问题，我一一进行了解答；第二天中午，我与ITU-T SG15管理团队继续围绕SPN的设计理念、架构和关键技术展开讨论，集体讨论一直持续到下午会议召开前，最终成功解答了他们关切的所有核心技术问题，ITU-T SG15管理团队同意立项；第三天中午，我们与ITU-T SG15管理团队一起撰写了A.1立项文稿，并确立了SPN/MTN系列国际标准的框架。当我将好消息带给SG15中国代表团时，大家群情振奋，那种喜悦和成就感让人终生难忘！
我仍然记得标准推进过程中的艰难，2020年年中的连续六周，Stephen J. Trowbridge、Malcolm Betts、Steve Gorshe和Tom Huber组成的SG15 SPN/MTN技术评估团队每周与我进行一次线上交流，技术评估团队抛出了基于SPN理念的5种竞争方案。如何在众多的竞争方案中让技术评估团队理解和认可中国方案的技术优势，成为中国标准化专家团队的首要任务。每次与技术评估团队开完线上会议之后，整个中国SPN/MTN技术设计团队就马不停蹄、群策群力地开始对会议的议题深入分析，从理论、仿真、测试各个维度开展工作。正是在这种高频度的思维碰撞中，双方对SPN/MTN整个技术架构、机制机理、方案优劣势等都有了更清晰、更深入的理解。中国代表团总结形成了20条核心技术建议并提交工作组会议，大家逐一分析比较，唇枪舌剑，最终依靠详细的方案分析和严谨的仿真测试数据，让技术评估团队接受了我们的大部分诉求，而我们也接受了技术评估团队提出的合理的技术改进建议。
自此，中国原创性技术SPN正式获得ITU-T SPN/MTN技术评估团队认可，而且ITU-T SG15还首次在其国际标准中引用了CCSA标准。5年多来，SPN标准化团队一直齐心协力，充分发挥了团结和坚韧不拔的精神，核心人员除了几位主编，还包括张德朝、李芳、钟其文、徐丽、刘爱华、陈捷、杨剑、韩震，等等。此外，还有大量后台技术人员有力支撑了标准化前台工作，在此一并表示感谢。
原创性技术成功离不开产业的支持。2017年6月15日晚，在出发去瑞士参加ITU-T SG15全会的前夜，我与胡冰、陶璟和宫晋一直聊到深夜，确定了华为对SPN技术大力支持的态度；胡克文、盖刚、高戟、陈金助、左萌、杨旭、向艳稳、李春荣、刘凯、祁云磊、张峰、陈井凤先后与我们多次交流，确定了华为的自研芯片方案，为SPN的产业化奠定了良好的基础。中兴通讯赵福川带领团队提前布局，将MTN功能规划集成到自研的分组功能网络处理器中，为快速推出SPN全系列产品提供了核心支撑。烽火科技范志文副总裁亲自调集60%的研发资源集中攻关，为完成国家科技重大专项SPN产品原型和后续商用版本的实现做出了重大贡献。同时，SPN整体项目以及本书的编著得到了张同须和杨志强等领导的悉心指导，SPN的国际标准推进工作得到了毛谦主席、朱洪组长、杨晓南总经理和杨晓雅顾问的关心和帮助，在此对他们表示诚挚的感谢。
本书是第一本专门介绍SPN/MTN及其相关知识的图书，凝聚了中国SPN产业的研究成果和经验总结，分为三个部分。
第一部分（第1章）：回顾移动承载网的发展历程，分析5G时代承载网的需求，并介绍SPN技术的设计理念和MTN层网络设计原则等。
第二部分（第2章~第8章）：详细介绍SPN/MTN在移动承载应用场景下如何工作以及应用的关键技术。
第三部分（第9章~第11章）：介绍MTN的设备、应用、发展与展望。
第四部分（附录A~附录E）：既有轻松生动的漫画，又有标准体系的解读，还附有华为设备介绍和推荐阅读资料。
《SPN/MTN：使能5G切片网络》主要涵盖了SPN在MTN层的技术内容，SPN技术和标准还在不断发展中，限于编者编著图书的时间和经验有限，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。
李晗
2023年3月于北京
1G和2G时代，通信的核心业务是语音业务和短信，SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列）、MSTP（Multi-Service Transport Platform，多业务传送平台）等基于TDM（Time Division Multiplexing，时分复用）的电路交换技术可以提供固定管道，因此成为移动承载的主流技术。
3G和4G时代，互联网和视频等数据业务成为通信的核心业务，基于TDM固定管道的网络扩容模式难以支撑业务的发展，IP RAN（IP Radio Access Network，IP化的无线电接入网）与PTN（Packet Transport Network，分组传送网）等分组交换技术成为移动承载的主流技术。IP RAN以面向非连接、尽力而为为主要设计理念，基于传统IP/MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多协议标签交换）路由平台，构建了IP化的移动承载技术。PTN则以面向连接、电信级保障为主要设计理念，针对MPLS做了创新改造，形成MPLS-TP（Multi-Protocol Label Switching-Transport Profile，多协议标签交换-传送子集）技术，并以此为核心构建PTN技术。随着技术的进步，IP RAN和PTN相互借鉴，实现了产业链共享。
随着5G时代的来临，面对千行百业“To B（To Business，面向企业）＋To C（To Consumer，面向消费者）”的应用需求，中国移动提出“无损＋高效灵活”的承载网设计理念，融合电路交换技术和分组交换技术，构建了新一代承载网技术——SPN（Slicing Packet Network，切片分组网络）。
SPN主要包含以下四大技术创新。
第一，在L1，提出全新的“层网络”技术——MTN（Metro Transport Network，城域传送网）。该技术包括创新的传输接口、帧结构和交换机制，具备网络硬切片、超低时延、确定性时延和超高精度时间同步能力。MTN系列标准已被ITU-T（International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector，国际电信联盟电信标准化部门）采纳，成为新一代传送网标准体系。
第二，在L3，基于SR（Segment Routing，段路由）技术进行了创新，提出新的基础标签类型——路径段（Path Segment）标签，它解决了面向连接的电信级大规模L3组网难的问题。该技术已被IETF（Internet Engineering Task Force，因特网工程任务组）采纳，并形成了Path Segment系列标准。
第三，在L0，面向接入层，提出单纤双向50G PAM4（Four-level Pulse Amplitude Modulation，四级脉冲幅度调制）的以太网光接口技术，满足了宽带化和超高精度时间同步的要求；面向核心汇聚层，提出以太网彩光结合优化OADM（Optical Add/Drop Multiplexer，光分插复用器）组网的方式，实现了低成本、高效率组网。
第四，在管控层引入集中控制为主、分布式控制为辅的SDN（Software Defined Network，软件定义网络）新型架构，通过创新的交替染色In-Band OAM（Operation, Administration and Maintenance，运行、管理与维护）技术，结合遥测（Telemetry）技术，实现逐流检测分析，构建了管、控、析三位一体的闭环SDN管控系统。
本章首先将回顾承载网技术的发展历程，分析5G承载网需求，并介绍SPN/MTN的设计理念和设计原则。同时，考虑到SPN/MTN中兼容重用以太网物理层，本章将对以太网技术及其在承载网领域的应用和发展做简要介绍。最后，本章还将梳理SPN/MTN的发展历程。
近三十年来，无线通信网络经历了1G~5G五个代际的演进。
1G采用的是模拟移动通信技术，业务比较单一，主要是语音业务。移动电话的出现使人们打电话的体验有了质的飞跃，第一次摆脱了电话线的束缚。由于1G网络容量非常有限且使用价格高昂，因此并未普及。
2G是移动通信发展历程中的一个里程碑，它标志着移动通信从模拟信号时代正式进入数字信号时代。2G网络的典型制式是GSM（Global System for Mobile communications，全球移动通信系统）。相比1G，2G网络容量有了显著提升，使用价格也大大降低，因此，从2G开始，移动电话褪去了“奢侈品”的光环，真正实现了“飞入寻常百姓家”。在核心业务方面，短信息是2G时代的一项亮点业务，它给人们提供了一种简单、便捷的文字沟通渠道。人们发现短信息交流有时比电话交流更加轻松、亲切，发短信逐渐成为人们的生活习惯。GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）和EDGE（Enhanced Data rates for GSM Evolution，增强型数据速率GSM演进）可以看作低速数据业务的萌芽。
3G被普遍认为是移动通信发展历程中的一个重大转折。正是在3G时代，移动通信的核心业务正式从语音通话和短信过渡到数据业务。特别是智能终端和移动互联网的兴起，使越来越多的应用和服务提供商加入移动通信的生态系统中，给人们带来更加丰富的新型服务。自此，人们使用移动电话的目的不再是单纯地互相通信，而更多的是通过移动互联网获取资讯，通过各种即时通信工具进行全方位的交流和互动，甚至是展示和分享自己的生活状态。可以说，3G深刻地改变了人们的社交和信息获取习惯，极大地丰富了人们的日常生活。
4G可以说是移动通信发展历程中的重要里程碑，即“4G改变生活”。为了应对移动数据流量的爆炸性增长，4G将无线网络的数据传送能力提升了一至两个数量级，进一步扩大了网络的容量。人们惊喜地发现，手机流量从3G时代的每月几百兆字节一跃提升到了4G时代的每月几十吉字节甚至更多。与此同时，数据业务继续向IP化移动宽带的方向快速演进，随之而来的是移动视频、自媒体、网络游戏、手机支付等新兴应用大量涌现。智能手机已经取代个人计算机，成为人们线上生活的中心，人们更加深切地感受到无线网络带来的便捷和乐趣。
5G是移动通信发展历程中的又一里程碑，愿景是“5G改变社会”，它将以前所未有的强劲姿态改变人类乃至整个社会生活的形态。在5G时代，无线网络的革命性变化将更为显著，它不再局限于传统通信网络所实现的人人通信，而是面向万物互联，包括人人通信、人物通信、物物通信等多种多样的业务形式。小到自动驾驶、智慧家居，大到智能制造、智慧城市，都将因5G无线网络的助力而得到蓬勃发展。总之，5G无线网络将成为全社会数字化转型的重要基础设施。
承载网是指为各类业务提供信息承载服务的基础网络，包含骨干承载网、城域承载网和接入承载网。城域承载网是指城域范围内的承载网，主要依托运营商机房、光缆网组建，采用分层网络架构组织。我国的城域网一般对应地市组网，覆盖范围大，节点数量多，通常由接入层、汇聚层、核心层这三层组成，组网架构如图1-1所示。接入层多采用环形组网，负责综合业务接入区内的各种客户（包括无线基站、企业用户、家庭客户等）的业务接入。汇聚层主要采用环形组网，也可采用口字形、星形组网，负责多个综合业务接入区内所有业务的汇聚和上传。核心层通常采用环形或口字形组网，负责核心机房之间业务的承载和调度。
早期城域承载网主要承载固定网络和专线业务，随着移动通信的蓬勃发展，移动业务逐渐成为城域承载网最重要的业务之一。移动回传网络负责将基站和核心网连接起来。核心网一般位于地市或区域核心，而基站数量众多、分布广泛，这使得移动回传网络规模庞大，产业价值空间大，进而成为城域承载领域各种技术的竞争焦点。从1G到5G移动回传的发展历程来看，大体上呈现“一代承载，两代无线”的态势，即一代承载技术服务两代无线通信技术，例如SDH承载1G和2G网络，IP RAN和PTN承载3G和4G网络。
（1）1G/2G时代以电路交换技术为核心的承载网
业务需求是推动移动承载网技术向前发展的最关键驱动力之一。1G和2G时代，移动通信以语音业务为主。彼时的语音业务采用PCM（Pulse Code Modulation，脉冲编码调制）技术，将一路或者多路信号调制为一路具有恒定速率的信号。典型的基站接口为E1接口，移动承载网主要提供从无线基站到核心网设备的点到点连接。这种网络需求与当时已广泛部署的固定电话网PSTN（Public Switched Telephone Network，公用电话交换网）是一致的，而当时PSTN的全球标准是基于TDM技术内核的SDH技术，因此，起初的1G/2G移动承载网自然就沿用了SDH技术。
SDH是一种将复接、线路传输以及交换功能融为一体，并支持统一网络管理操作的综合信息承载网技术[1]。SDH传输系统在国际上有统一的帧结构数字传输标准速率和标准的光路接口，使网络管理系统互通，因此有很好的横向兼容性。它能与现有的PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy，准同步数字系列）完全兼容，并容纳各种新的业务信号，形成了全球统一的数字传输体制标准，提高了网络的可靠性。SDH接入系统不同等级的码流在帧结构净荷区内的排列非常有规律，而净荷与网络是同步的。它利用软件将高速信号一次直接分插出低速支路信号，实现一次复用，与PDH准同步复用方式对全部高速信号进行逐级分解然后再生复用的过程不同，它大大简化了DXC（Digital Cross-Connect，数字交叉连接）设备，减少了背靠背的接口复用设备的数量，改善了网络的业务传送透明性。由于采用了当时较先进的ADM（Add/Drop Multiplexer，分插复用器）和DXC设备，网络的自愈功能和重组功能非常强大，网络具有较强的生存率。SDH帧结构中给信号安排了5%的开销比特，它的网络管理功能特别强大，并能统一形成网络管理系统，从而促进提升网络的自动化、智能化、信道的利用率、生存能力，以及降低网络的维管费。SDH支持多种网络拓扑结构，它所组成的网络非常灵活，能增强网监、运行管理和自动配置功能，优化网络性能，同时也使网络运行灵活、安全、可靠，使网络的功能非常齐全、多样化。SDH在设计之初就以语音业务为主要服务对象，并且满足了运营商网络管理、业务监控、网络维护、不同厂商互通等多种诉求。
随着2G业务的发展，逐渐出现了以GPRS、EDGE等为代表的分组域技术，基站的接入接口除了TDM接口这种类型外，还出现了以太网业务的接入需求。虽然出现了多业务需求，但当时基站业务仍以语音业务为主，基站回传带宽仅为Mbit/s级别。因此，移动承载网的客户侧接口仍采用TDM E1接口，只是新增了一种通过反向捆绑来拓展带宽的方式。网络侧仍然采用STM-1/STM-4/STM-16接口。
（2）3G/4G时代以分组交换技术为核心的承载网
3G和4G时代，随着无线业务中数据业务的比例逐渐增大，语音业务分组化的趋势越来越明显，移动业务带宽的增长势头迅猛，SDH技术呈现出明显的不适应性，主要体现在以下两个方面。
第一，数据业务和分组化的语音业务速率是实时变化的，不再是恒定的。SDH技术采用TDM技术内核，即使在数据业务有效速率为零时，该数据业务也会占用SDH网络的时隙资源。SDH技术刚性管道的特征，导致SDH在面对速率实时变化的业务时承载效率差。而当业务速率超过刚性管道提供的带宽时，SDH又无法实时调整管道带宽，因此无法及时满足业务带宽增长的需求。
第二，无线网络出现了基站与基站之间直接通信（例如X2接口）的业务，从而使移动承载网的横向互联需求凸显出来。这种横向互联需求虽然存在，但是规模还无法达到基站与核心网的通信规模；而SDH数字复接技术要求速率从低到高逐级复接，这导致SDH在实现横向互联时会浪费网络带宽资源，进一步降低了SDH网络的整体承载效率。
受到上述两个方面的影响，SDH带宽利用率低的缺点被放大，网络TCO（Total Cost of Operation，总运营成本）增加，SDH网络新建和扩容逐渐减少，业界在SDH产业的投入也逐渐减少。相应地，SDH标准和产业也停止了迭代和更新，SDH设备接口带宽及设备容量难以持续提升。与此同时，3G和4G时代IP化的语音、图文数据和多媒体等以太网业务快速成为主流业务，基于IP和以太网的移动承载网技术开始突飞猛进地发展，并且以太网产业规模不断扩大，相关技术的经济性优势不断凸显。相比之下，SDH技术对新业务的适应性较差，难以满足新业务的承载需求，移动承载网IP化的趋势越来越明显。而移动承载网在IP化演进过程中出现了两种演进理念，产生了IP RAN和PTN两种不同的技术方向。
第一种理念认为，新型的移动网络IP化数据业务承载可以沿用当时在固定网络承载方面已经广泛应用的路由器技术，其基于面向非连接、尽力而为的技术理念。对于传统的固定网络运营商，采用同样的路由器技术将有可能重用固定网络承载网，实现移动网络和固定网络经由一张网络统一承载。在这种理念下，将已在固定网络领域发展起来的路由器技术引入移动互联网领域，用于解决IP化业务的移动回传问题，因此，以路由领域IP/MPLS协议及关键技术为基础的IP RAN技术出现了。
第二种理念则认为，需要一种新的面向连接、具备电信级保障的技术来构建IP化移动承载网。以数据业务为主的回传业务要求移动承载网具备分组技术的统计复用能力，同时，回传业务除了数据业务之外，还包括对传输质量要求较高的语音等高等级业务。基站作为一种重要的公众服务基础设施，应保证其业务连接的可靠性，因此需要为移动承载设计一种面向连接的IP化承载网技术。根据这种理念，针对移动承载高质量业务需求，一种融合传统电信级传输和IP高效统计复用理念的面向连接的PTN技术应运而生。
PTN采用MPLS转发，去除MPLS复杂信令和依赖IP路由的复杂功能，增强OAM和保护功能，形成了MPLS-TP协议族。相比路由器技术，PTN具有更强大的传送管理维护能力和可靠性设计。PTN针对分组业务流量的突发性，按照统计复用传送的原则进行设计，以分组业务为核心，并为多种业务提供支持，具有更低的TCO。同时，PTN继承了光传输的传统优势，包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网络管理、可扩展性、较高的安全性等，能够更好地满足移动通信业务分组化的承载需求。
图1-2示出了PTN技术特征。它主要包括分组技术内核（如业界最主流的分组技术MPLS-TP、MPLS等）和SDH-Like传输体验。分组技术内核使PTN具有适应各种粗、细颗粒业务的能力，支持业务带宽的统计复用和二、三层业务交换，提供更加适合IP业务的柔性传输管道。为了提供SDH-Like网络的易运维性和高可靠性，PTN引入了多项创新技术，包括采用双向LSP（Label Switched Path，标签交换路径）解决来回路径不一致的问题、去掉MPLS转发面不必要的复杂处理、增强面向连接的保障。同时，PTN支持丰富的保护能力，能够在网络发生故障的情况下实现50 ms内的电信级业务保护倒换，不再依赖传统路由器以BFD（Bidirectional Forwarding Detection，双向转发检测）为核心的有状态无保障的故障检测协议，支持基于硬件的固定周期无状态的OAM机制，具有针对传输通道的快速故障管理、错误检测和通道监控能力。PTN技术适应了无线业务IP化的趋势，有效融合了分组技术内核和SDH-Like传输体验的优势，在移动承载网领域获得了广泛应用。
注：LDP为Label Distribution Protocol，标签分发协议；ECMP为Equal-Cost Multi-Path，等价多路径（路由协议）；PWE3为Pseudo-Wire Emulation Edge to Edge，端到端伪线仿真；FRR为Fast ReRoute，快速重路由；PHP为Penultimate Hop Popping，倒数第二跳弹出。
在IP RAN和PTN的发展过程中，这两种技术相互借鉴，逐步形成了产业链共享。比如，IP RAN借鉴了PTN快速OAM检测的技术，解决了上千节点组网的网络运维问题；还借鉴了PTN可视化界面的技术，解决了路由器命令行方式运维效率低下的问题。同时，PTN借鉴了IP RAN的L3组网技术，改善了4G横向流量转发的连接性能。IP RAN和PTN两种技术在芯片、设备等方面实现了平台共享。以博通公司的Katana和Enduro系列芯片为例，它们支持MPLS和MPLS-TP关键协议，在IP RAN和PTN中都获得了广泛应用。
3G时代，基站接口开始IP化，逐步采用以太网FE（Fast Ethernet，快速以太网）接口。城域移动承载网络客户侧接口以FE接口为主，网络侧接口为GE（Gigabit Ethernet，千兆以太网）和10GE接口，接入层主要采用GE组环，设备容量约为10 Gbit/s，汇聚层和核心层采用10GE组环，设备容量为30~40 Gbit/s。为了充分利用分组网络的统计复用特性，接入环、汇聚环和核心环带宽可设置一定的收敛比。
到了4G时代，随着业务流量的增长，基站接口开始采用更大带宽的GE接口，城域移动承载网络的客户侧接口、网络侧接口速率和设备容量也随之增长。客户侧接口以GE接口为主，接入环主要向10GE接口演进，汇聚环和核心环引入了40GE、100GE接口，甚至200GE接口；设备容量大规模增加，接入层设备容量达到48 Gbit/s，汇聚层和核心层设备容量已达到6.4 Tbit/s。同时，基站的大量建设部署也带动了城域移动承载网络规模的急剧增长，大型城市的接入层设备数量可达到数万台。
“4G改变生活，5G改变社会”印证了人们从未停止对更高性能移动通信能力和更美好生活的追求。4G时代是数据业务爆炸性增长的时代，随着智能手机的普及和互联网消费的发展，从衣、食、住、行到医、教、娱乐，人们的日常生活获得了极大的便利。5G的愿景是开启一个万物互联的新时代，它将实现人与人、人与物、物与物的全面互联，渗透各行各业，让整个社会焕发前所未有的活力。
如图1-3所示，ITU-R（International Telecommunication Union-Radiocommunication Sector，国际电信联盟无线电通信部门）定义了5G的三大典型业务场景，详细描述如下。
◆eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强型移动带宽）是在现有移动宽带业务场景的基础上，对用户体验的进一步提升，追求的是人与人之间极致的通信体验。eMBB主要面向超高清视频、VR（Virtual Reality，虚拟现实）、AR（Augmented Reality，增强现实）、高速移动上网等大流量移动宽带应用。
◆mMTC（massive Machine-Type Communication，大连接物联网，也称海量机器类通信）致力于物与物的信息交互。mMTC主要面向以传感和数据采集为目标的物联网应用，具有小数据包、海量连接、多基站间协作等特点，可实现连接数从亿级向千亿级的跳跃式增长。
◆URLLC（Ultra-Reliable and Low-Latency Communication，超可靠低时延通信）满足人与物之间的通信需求。URLLC主要面向车联网、工业控制等垂直行业，具备超低时延和高可靠的特点。
在上述定义的引领下，越来越多适应各行各业特点的5G应用业务应运而生。为了向这些业务提供高效、灵活的传输服务，新一代承载网必须具备以下两大关键技术特征。
第一是网络切片。因为承载网覆盖广、规模大，且建设投资周期长，为匹配不同业务建立多张架构独立的承载网是很难实现的，所以新一代承载网必须支持网络切片能力。通过对物理网络进行资源切片划分，运营商能够在一个物理网络之上构建多个专用的、虚拟的、隔离的、按需定制的逻辑网络，各逻辑网络具备独立的网络资源。网络切片能够更好地满足各行业场景下的不同业务对网络SLA（Service Level Agreement，服务等级协定）不同的服务质量要求，更好、更快速地提供新型业务的部署能力。
第二是灵活连接能力。在5G时代，核心网云化是大势所趋，MEC（Multi-access Edge Computing，多接入边缘计算）和边缘云将更多地下沉到网络的边缘，因此城域承载网上的业务将由传统点到点连接演变为按需、灵活、Mesh的全连接。业务模型演进驱动网络的业务承载能力发生变化，传统的城域L2组网模式无法匹配业务云化的要求，具备全网灵活L3业务调度能力的城域网是开展多业务承载的关键。
与此同时，5G无线网络、核心网架构的变化，以及5G网络管控能力的高要求，对5G承载网架构也产生了较大影响。
为了满足5G三大典型业务场景的需求，5G在无线空口物理层中采用了大规模天线阵列和新的编码技术。
大规模天线阵列（Massive MIMO）技术是5G的关键技术之一，通过海量天线阵列组成的天线系统实现多发多收。海量天线阵列可以将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率，达到近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。在目前的5G系统中，大规模天线阵列技术可以通过增加多个射频的接收和发射通道，在基站天线上实现64个收发通道，达到更好的无线传播性能。
在编码技术方面，5G在数据信道和控制信道上分别采用了不同的编码技术。数据信道编码采用了LDPC（Low Density Parity Check，低密度奇偶校验）码，而在控制信道编码中采用了极化码（Polar Code）[2]。LDPC码最早在20世纪60年代由罗伯特·加拉格尔（Robert Gallager）在他的博士论文中提出，1995年，戴维·麦凯（David Mackay）和拉德福德·尼尔（Radford Neal）等人提出了可行的译码算法，从而进一步发现了LDPC码所具有的良好性能。极化码是由埃达尔·阿利坎（Erdal Arikan）于2007年基于信道极化理论提出的一种线性信道编码方法，是迄今为止发现的唯一一类能够达到香农极限的编码方法，并且具有较低的编译码复杂度。极化码的编码策略利用了信道极化的特性，在无噪信道上传输用户的有用信息，而全噪信道只传输约定的信息或者不传输信息。
对承载网技术，5G的新空口提出了更大带宽和更高精度时间同步的需求。与标准频宽为20 MHz的4G基站不同，5G基站频宽可超过100 MHz甚至达到1 GHz。以5G低频基站为例，频宽可以达到200 MHz。另外，在应用Massive MIMO技术后，天线通道数可提升至128甚至更多。5G更宽频谱资源和无线空口新技术的引入，使得单站点带宽大大提升，低频单站峰值速率超过5 Gbit/s，高频单站峰值速率超过20 Gbit/s。因此，基站回传接口采用了10GE或者25GE的大容量接口，回传网络需要满足超大带宽传输需求。此外，基站间协作CoMP（Coordinated MultiPoint，协作多点）发送/接收以及CA（Carrier Aggregation，载波聚合）等技术的应用，要求基站间满足百纳秒级的超高精度时间同步指标。根据3GPP TS 38.104，针对低频基站，频带内连续CA要求基站间时间同步精度达到260 ns，针对高频基站，频带内连续CA要求基站间时间同步精度达到130 ns。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）技术和发射分集，要求时间同步精度达到65 ns。相应地，传输网络需具备更高精度的时间传送能力。
5G时代，RAN（Radio Access Network，无线电接入网）架构有新的变化。5G基站部署密度增大，基站选址压力增大，传统的分体式宏站部署模式即RRU（Remote Radio Unit，射频拉远单元）-BBU（Building Baseband Unit，室内基带处理单元），会逐步向C-RAN（Cloud-RAN，云化无线电接入网）部署模式演进，即RRU-Cloud BB。同时，随着无线频谱资源利用率的提升及Massive MIMO技术的发展，传统RAN架构下的CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共无线电接口）难以承载巨大的带宽，需要进行架构重构，重构总体思路如图1-4所示。
注：EPC为Evolved Packet Core，演进型分组核心（网）；CN为Core Network，核心网；CP为Control Plane，控制面；UP为User Plane，用户面；L2-NRT为Layer 2 Non Real Time，二层非实时；L2-RT为Layer 2 Real Time，二层实时。
重构之后，5G的BBU功能被划分为CU（Central Unit，集中单元）和DU（Distributed Unit，分布单元）两个功能实体，5G C-RAN包含前传（RRU-DU）和中传（DU-CU）两级架构，如图1-4所示。CU与DU功能以处理内容的实时性为依据进行切分，CU设备主要处理非实时的无线高层协议栈功能，DU设备则主要处理物理层功能和实时性需求的L2功能。RRU主要负责射频处理，然后将处理后的信号送至DU。为了节省RRU与DU之间的传输资源，部分物理层功能也可上移至RRU实现。CU和DU之间有多种可能的功能切分点，图1-5给出了8种选项。Option 1切分点代表RRC（Radio Resource Control，无线电资源控制）处于CU，而PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）、RLC（Radio Link Control，无线链路控制）协议、MAC（Medium Access Control，介质访问控制）、PHY（Physical Layer，物理层）和射频处理等均放在RRU-CU上，Option 8切分点代表射频处理放在RRU-DU上，其他所有的上层处理均放在CU上。不同的功能切分点对应不同的业务传输需求（如带宽、时延等因素）、接入网设备实现要求（如设备的复杂度、池化增益等）以及协作能力和运维难度等。
为了支持CU、DU以及RRU之间的传输，传输网络重构为三个部分，即前传、中传和回传，具体如图1-6所示。
这一架构可依据场景需求灵活部署CU和DU功能实体，主要支持CU/DU一体化或者CU/DU分离两种方案。集中化部署C-RAN架构可同时支持CU/DU一体化及分离的方案，即在统一的C-RAN架构下，协议栈功能可以在CU/DU进行灵活部署。在CU/DU分离的方案中，CU可以部署在较高位置，既兼容完全的集中化部署，又在最大化保证协作能力的同时，适当降低对传输网络的要求。在CU-DU-RRU的前传C-RAN架构下，5G承载网既可前传、中传，又可回传，从而实现多业务支持。网络部署中，大部分场景为CU与DU合设部署在同一个集中点，因此，对5G来说，仍然是前传和回传场景最为重要，中传场景相对较少，而且由于中传需求与回传类似，可以采用同一种传输技术。
5G以C-RAN架构为主，对回传网络架构也产生了重要影响。回传网络接入层部署位置提升，接入层设备数量相比4G大大减少，但单设备需要接入CU池，对容量要求更高。例如在4G时代，接入层设备容量以16~48 Gbit/s为主，而在5G时代，接入层设备容量以160~320 Gbit/s为主，核心层设备容量以25.6 Tbit/s为主。
5G承载的业务种类繁多，业务特征各不相同，对网络的要求也各不相同，同时对网络架构提出了更高的要求。因此，5G核心网架构在设计时充分考虑了5G的需求、场景和指标要求，采纳并结合了IT和互联网领域前沿的思想及技术，在4G核心网的基础上进行了革命性的重新设计。通过引入SBA（Service-Based Architecture，基于服务的架构），整个系统通信能力在大幅提升的同时，也具备了IT系统的灵活性。通过引入单一的数据面网元等方式，实现了极简的架构设计，将网络架构压缩为两级，尽可能提升数据转发性能，提高网络控制的灵活性。相较于4G网络，5G核心网呈现出“四化”特征，具体说明如下。
第一，原子化。通过控制与转发分离，实现了数据转发能力和会话控制能力的独立和拆分。最终，网元数量从4G时代的4个扩展到5G时代的12个，每个网元的职能更加原子化、更加专一。
第二，服务化。核心网各网元的功能被拆成一个个相对独立、业务逻辑完整的服务单元，网元与网元之间的信令交互转变成服务能力的调用。基于服务化的设计推动了网元能力的整合，有利于网元以服务为单元进行功能增强与迭代。
第三，总线化。借助服务化的设计理念和服务化的接口协议，各网元之间的连接打破了原有的点对点连接模式，形成了总线式的互访架构，使得网元的能力和信息得到最大化的共享及复用。
第四，模块化。在切片技术的助力下，整个核心网不再是one-fit-all的固化的、单一的核心网，而是可以根据业务需求，灵活组合所需的专属网元以及各网元必需的服务组件，从而形成多切片共融的一个核心网。
如图1-7所示，5G核心网的UPF（User Plane Function，用户面功能）网元和应用服务器可以根据具体业务需求进行灵活部署。多接入边缘计算技术将传统的云计算能力下沉，相关设备可能部署至城域接入层，从而提升边缘计算能力。边缘计算设备之间的流量需就近转发，这就要求城域承载网的L3功能同步下沉至汇聚层，甚至接入层。城域承载网L3域大幅扩张，将对组网造成较大影响。
5G核心网架构和网元功能以及部署位置的变化，要求承载网支持更为灵活的连接能力，实现网络不同层次的网元之间的路由。为了实现上万节点大规模网络的灵活路由，需要将集中式路由和分布式路由相结合，引入新的路由技术。
5G核心网将基于现有的4G技术框架进一步演进，引入移动SDN/NFV（Network Functions Virtualization，网络功能虚拟化）和网络切片等新型技术。SDN/NFV实现对资源的虚拟化抽象，网络切片实现对资源的隔离和分配，从而满足差异化的虚拟网络要求。
在5G时代，除了基本的带宽、时延、连接的需求外，如何通过网络管控简化业务布放，也是承载网需要关注的问题，具体可以分为以下几个方面。
第一，按需连接。5G时代的无线网、核心网连接将会变得更加复杂，且云化之后的无线网、核心网网元要求实现分钟级的快速部署，这就要求与其配套的承载网也要以敏捷的方式提供分钟级的自动化连接服务。
第二，网络切片自动化管理。网络切片的自动生成需要承载网根据其差异化的SLA需求，自动计算承载路径，分配网络资源；同时，网络切片的生成、调整、删除全生命周期的自动化管理，也需要承载网的管控系统提供支撑。
第三，专线业务跨域快速布放。当前，专线业务部署效率较低，原因是依赖人工规划和人工配置，尤其是在跨自治域和跨厂商的场景下，还涉及不同参与方的管理协调。因此，如何通过网络管控提高跨域业务的布放效率也是业界关注的焦点之一。
综合上述几点需求，5G承载网应同步考虑引入控制器及Orchestrator（业务编排器），通过定义标准接口及信息模型来实现各层解耦和端到端切片管控。同时，还要考虑管控系统管理大三层网络时如何提升性能。
总的来说，5G新空口中低频广域覆盖和高频热点覆盖的特征，新核心网中基于服务的架构、控制面用户面分离和网络切片的特征，驱动着5G系统新的承载网和新的承载网技术的发展。
5G商用，承载先行。5G业务能否达到预期目标，承载网起着至关重要的作用。相比于4G承载网，5G承载网将面向多业务、多场景构建融合网络，数据速率进一步增长，同时吞吐率、时延、连接数量、能耗等方面的性能也将显著提升。5G对承载网的性能指标、灵活性、可扩展性提出了更高的要求，主要体现在以下几个方面。
5G引入了更宽的频谱资源和无线空口新技术，使得单站点带宽大幅提升。因此，承载网和接口需要满足超大带宽传输的需求。
对于5G回传，低频用于广覆盖，高频主要用于盲点扫除以及热点覆盖。假设频谱资源的低频频宽为100 MHz，高频频宽为800 MHz，小区带宽按照“频宽×频谱效率×（1＋封装开销）×TDD下行占比”来估算，则单小区低频峰值带宽估算为100 MHz×40 bit/Hz×1.1×0.75＝3.3 Gbit/s，单小区低频均值带宽估算为100 MHz×10 bit/Hz×1.1×0.75×1.2＝0.99 Gbit/s；单小区高频峰值带宽估算为800 MHz×20 bit/Hz×1.1×0.75＝13.2 Gbit/s；单小区高频均值带宽估算为800 MHz×5 bit/Hz×1.1×0.75＝3.3 Gbit/s。根据NGMN（Next Generation Mobile Network，下一代移动网络）联盟的建议，一个三扇区的基站，其峰值带宽、均值带宽可分别由如下公式计算得出：
基站峰值带宽＝1×小区峰值带宽＋2×小区忙时均值带宽
基站均值带宽＝3×小区忙时均值带宽
因此，当基站三扇区均考虑低频时，峰值带宽约为5.28 Gbit/s，均值带宽约为2.97 Gbit/s；当基站三扇区均考虑高频时，峰值带宽约为19.8 Gbit/s，均值带宽约为9.9 Gbit/s。综上所述，5G低频单站回传带宽将超过5 Gbit/s，高频单站回传带宽接近20 Gbit/s，远远大于4G LTE（Long Term Evolution，长期演进技术）基站百兆比特每秒级的峰值带宽。
对于5G基站，按照站型不同，其回传采用10GE接口甚至25GE接口才能满足带宽需求。相比4G基站回传采用GE接口，5G基站的接口速率提高了10倍以上，与此同时，5G回传网络的速率也相应提高，接入环—汇聚环—核心环的速率由4G回传网络的10GE—N×10GE—100GE提高至50GE—100GE—N×200GE。
对于5G前传，RRU-DU的接口如果继续沿用CPRI，接口带宽与频谱带宽、天线通道数之间是线性关系，随着频谱带宽及天线通道数的增加，CPRI接口带宽会线性增加。以5G低频基站100 MHz频宽、128天线通道为例，其CPRI接口带宽将超过500 Gbit/s，而且速率固定，与基站实际负荷无关。为了适应5G基站的新需求，IEEE 1914工作组以及CPRI联盟均从传输层的角度定义了新的前传接口eCPRI（enhanced Common Public Radio Interface，增强型通用公共无线电接口），特点是采用以太网进行数据的封装与传输。在此基础上，O-RAN（Open Radio Access Network，开放式无线电接入网）联盟进一步从无线层面完整定义了RRU和DU之间需要通信的各类消息、流程等，从而得到完整的前端传输的接口。O-RAN联盟定义的接口在传输层主要采用eCPRI传输方式，在物理层进行基于Option 7的功能切分，在同等条件下，带宽要求比CPRI降低90%。此外，还可以实现带宽与基站载荷自适应。
随着5G URLLC业务的不断涌现，5G用户面和控制面的传输时延都需要大幅度降低。
5G前传的时延主要有两个约束：一个是3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）针对5G空口所定义的时延，包括从UE（User End，用户终端）的PDCP层到基站PDCP层的单向时延；另一个是HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request，混合自动重传请求）循环时间的制约。前者针对5G的不同场景有不同要求，其中eMBB场景的时延为4 ms，URLLC场景的时延则降低到0.5 ms。后者是指从UE到基站的Low-MAC再返回UE的时间。根据以上约束，预计RRU-DU之间前传的传输时延要求在100μs量级。
5G回传的时延主要受到eMBB和URLLC业务端到端时延的约束。eMBB业务中，AR/VR业务具有较高的时延要求，约为10 ms量级。URLLC超低时延业务包括车联网（如辅助驾驶等）、工业互联网（如工业控制/机械臂等）、智能电网、远程医疗、远程金融等，这些业务的时延要求最严苛的达到1 ms量级。为了满足这种苛刻的时延需求，一方面，需要从网络架构上优化，通过将5G核心网网元下沉，同时引入MEC，让内容源尽量靠近用户；另一方面，需要降低回传设备节点转发时延，通过多种降低时延的手段，确保满足5G业务的时延要求。
5G网络的愿景是承载更丰富的业务。然而，5G业务在带宽、时延、可靠性、能耗以及客户服务、运营计费等方面的要求存在巨大差异。例如：4K/8K移动视频业务要求超高速率，可触摸交互式应用要求超低时延，M2M（Machine-to-Machine，机器对机器）/IoT（Internet of Things，物联网）应用要求高密度连接，自动驾驶要求高可靠、超低时延，移动宽带业务要求超高速移动性。为了适应不同业务的不同需求，5G时代的网络架构不再是4G时代的固定模式架构，而是采用虚拟化的方法对网络资源进行切片化重构。重构后的网元功能将按照实际业务需求进行串接，形成针对某个用户、某类业务甚至某种业务数据流的特定网络体系，为用户提供更适合的网络资源和功能。
相应地，承载网需要支持对物理网络进行网络资源的逻辑抽象，形成所需的虚拟网络资源，最后组织成满足特定需求的网络切片。网络切片按照能力可以分为硬切片和软切片。其中，硬切片一般采用TDM或WDM（Wave-Division Multiplexing，波分复用）技术，确保网络具备硬隔离、高安全和可靠传输的能力，从业务来看，硬切片需要具备以下特征。
◆通过确定的时隙或波道，硬切片内客户业务的传输性能（例如带宽、时延、抖动等）得到稳定保障，且不会受到其他切片客户流量负载变化的影响。
◆具备防错连能力，确保切片内的业务不会被发送到其他节点或端口。
◆切片内的业务不会泄漏到网络管理或控制通道中，客户无须感知网络的控制面。
软切片一般采用分组化的L2VPN（Layer 2 Virtual Private Network，二层虚拟专用网）、L3VPN（Layer 3 Virtual Private Network，三层虚拟专用网）或EVPN（Ethernet Virtual Private Network，以太网虚拟专用网）技术，为业务提供差异化的隔离和保障，软切片需要具备以下特征。
◆通过使用标签、VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）等分组报文的区分机制以及QoS（Quality of Service，服务质量）保障机制，对高等级切片业务的传输性能（例如带宽、时延、抖动等）提供较为稳定的保障；在高突发、高负载的情况下，低优先级切片可能会受到影响。
◆VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网）的架构包括数据面和控制面，数据面提供数据的转发，控制面实现隧道的建立和路由信息的分发过程，通过控制面和数据面的配合，VPN能够提供自动化的业务配置和调整。
由此可知，5G网络既有垂直行业和高价值政企客户低时延确定性转发及物理隔离的需求，也有针对大带宽、高突发的互联网流量承载的需求，通过软/硬切片融合提供服务，能够满足5G各种业务的需求。
5G时代，基站密度更高，随之而来的是基站之间深入协同的需求，基站之间的横向流量将远超4G时代。在4G时代，三层功能一般高置，即主要部署在汇聚骨干节点或核心层以上。到了5G时代，如果仍然维持三层高置，则大量的东西向流量回绕，将严重影响移动回传网络的带宽利用率。另外，三层高置也不能满足5G时代基站之间横向流量的时延需求。因此，移动承载网的三层功能下沉，从而实现灵活调度，这是必然的趋势。同时，5G移动网络采用了扁平化架构，核心网功能云化、DC（Data Center，数据中心）分布式下沉，导致除了基站到核心网的南北向流量之外，DC之间东西向流量需求增强，承载网需要支持各个核心网云以及DC之间的灵活调度。
针对上述需求，5G承载网需要新的、适用于大规模网络、灵活可靠的L3路由机制。MPLS与SDN结合，曾被认为是一种可行的解决方案，但是针对大规模网络，集中化的控制器需要对每业务、每节点进行管理控制，特别是在路由更新时，控制器与转发节点之间会有海量的信息交互。当网络节点数量达到上千个时，控制器就会不堪重负，而运营商回传网络的节点规模通常达到数万甚至上百万个，这就要求必须考虑新的L3路由机制。于是，SR技术被引入承载网领域。该技术采用源地址路由机制，在SDN架构下，控制器仅需要与源节点进行交互就能完成端到端业务的管控。但是，原生的SR机制难以满足移动回传网络在性能监控、端到端保护倒换等方面的电信级要求。为了解决这个问题，开发出了能够标识路径的新型标签类型——Path Segment（路径段）标签技术。与Node Segment（节点段）标签和Adjacency Segment（邻接段）标签不同，报文在整个路径中都携带Path Segment，使得性能监控、保护倒换等问题迎刃而解。基于Path Segment的SR-TP（Segment Routing Transport Profile，段路由传输模板）新型隧道与SDN架构结合，能够满足5G传输的要求。
随着国家《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》的快速推进，IPv6成为未来网络的建构基石，5G承载网需要支持Native IPv6，以满足未来网络的发展和演进。近年来SRv6快速发展，它基于IPv6转发面，不再需要MPLS标签，使得承载网的转发面可以简化归一到IPv6，并且结合了SR源地址路由的优势，被认为是新一代IP网络的核心协议。同时，G-SRv6（Generalized Segment Routing over IPv6，通用SRv6）提供了压缩报文头开销的能力，在支持SRv6所有特性的同时，能够将报文头开销压缩至原来的1/4或更小，具备与SR-TP类似的承载效率。将SDN架构与G-SRv6转发技术结合，能够为未来的5G传输提供可管可控，同时又灵活可编程的L3解决方案。
4G TD-LTE（Time Division Long Term Evolution，时分长期演进）系统基站空口对时间同步的精度要求为±1.5μs[3]，如果相邻基站之间空口不同步，会产生时隙间干扰和上下行时隙干扰，因此时间同步的精度要求与空口帧结构强相关。5G系统为了应对不同应用场景，采用了不同的基础子载波间隔。4G的子载波间隔为15 kHz，5G的子载波间隔为60 kHz甚至120 kHz。60 kHz或120 kHz的子载波间隔意味着更短的帧结构和循环前缀长度。为了防止时隙干扰，5G对时间同步的精度要求进一步提升。此外，基站间协作CoMP以及载波聚合CA等技术的应用，要求基站间满足百纳秒级的超高精度时间同步指标。在5G提供的诸多业务中，基站定位对时间同步的要求比较严苛，3 m左右的定位精度意味着提供定位服务的基站间的同步误差要在±10 ns以内。
综合考虑同步需求、未来技术演进，以及实现难度和成本的平衡，端到端时间同步指标定为±130 ns，其中时间服务器分配±20 ns，承载网分配±100 ns（对应每节点±5 ns，支持同步链路20跳），基站分配±10 ns。超高精度时间同步需要采用新的时间源技术和时间传送技术。超高精度时间基准源需要达到优于±20 ns的时间同步精度，可采用新型卫星接收技术，通过共模共视或双频段接收等降低卫星接收噪声，提升卫星授时的精度，采用高稳定频率源技术，提高稳定性和丢失卫星的时间保持能力。时间同步传送的同步误差来源主要包括时间戳精度、物理层频率误差、物理层不对称性、系统内部时延和链路不对称性等，提升时间同步精度需要从这些方面着手，以减小误差。
综上所述，5G业务对承载网性能提出了更高的要求：百吉比特每秒级的更大带宽、百微秒级的超低时延、百纳秒级的超高精度时间同步。另外，5G不再是单一和刚性的网络架构，而是能适应多种应用场景、满足各种垂直行业多样化需求的网络系统，支持端到端的网络切片，从而提供差异化服务及安全隔离。同时，5G承载网还应主动调整网络架构，以适应L3转发到边缘和SDN管控等的需求。传统的基于分组交换或刚性管道的传输技术已难以满足5G承载网的需求，亟待承载网技术的变革。
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。
◆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。
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。
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。
20世纪70年代，随着计算机技术的发展，人们越来越不满足于单机的应用，希望有一种技术可以将独立的计算机连接起来，这种技术就是局域网技术。计算机网络先驱罗伯特·梅特卡夫（Robert Metcalfe）在1973年发明了以太网技术，用于构建局域网，并于1980年9月30日发布了第一个通用的以太网标准。由于兼具高效、简明、标准开放、成本低廉等特点，以太网技术迅速取代了当时的令牌环网和ARCNET（Attached Resource Computer NETwork，附加资源计算机网络）技术，成为局域网的主流技术。最初的以太网采用同轴电缆来连接各个设备，并且通过半双工的、CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，带冲突检测的载波监听多路访问）技术规定了多个设备之间如何共享一个通道。随着以太网速率的提升，速率在10 Mbit/s以上的以太网采用全双工技术，而不再是共享介质的系统。同时，以太网的传输介质也逐渐丰富，铜线、电缆、光纤等材料都应用到了传输介质中。以太网发展到现在，成为满足万物智能连接的重要支柱，是目前标准化程度最高、互通性最好、应用范围最广的网络技术。图1-11示出了以太网发展历程中的关键事件，简述如下。
1973年，罗伯特·梅特卡夫在备忘录里面记录了他发明的网络系统，并将该技术用于连接一批计算机工作站。
1980年，DEC公司、英特尔公司和施乐公司组成的DIX联盟发布了第一个10 Mbit/s以太网标准。同年，IEEE召开代号为802的“局域网标准会议”，IEEE成立802工作组。
1983年，IEEE 802.3委员会基于DIX联盟发布的10 Mbit/s以太网标准，首次发布IEEE 802.3以太网技术标准。
20世纪80年代末期，随着双绞线传输介质的引入，以太网系统建设、管理和维护更加容易。IEEE 802.3顺应此趋势，于1990年发布了基于双绞线的以太网标准，极大地扩展了以太网的使用范围。同年，针对大量交换机在部署时产生冗余链路等的一系列问题，IEEE 802.1工作组发布了802.1D STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议），基本解决了各厂商设备在组网时容易产生环路等的问题。
1997年，IEEE 802.3发布了全双工以太网标准，使得两个设备可以基于全双工链路进行连接，实现数据收发同时进行，进一步增大了以太网数据吞吐量。
1998年，以太网速率实现翻倍，千兆以太网标准发布，在双绞线介质之外，引入了光纤作为传输介质。更高的速率使得以太网能够连接更高性能的服务器，匹配计算能力更强的计算机。随着802.1D的制定，基于以太网的大规模用户组网条件已经具备。IEEE 802.1发布了802.1Q VLAN协议作为802.1D的后续补充，支持使用虚拟网络标识区分大规模的用户小区和城市区域，解决了电信用户组网和城域网接入的IP限制问题。
2002年，IEEE 802.3发布了基于光纤的802.3ae-2002以太网标准，最高支持10 Gbit/s的速率。
2010年，IEEE 802.3发布了基于光纤和同轴电缆的802.3 ba-2010以太网标准，支持40 Gbit/s和100 Gbit/s的速率。
2016年，OIF（Optical Internetworking Forum，光互联论坛）发布了面向DCI（Data Center Interconnection，数据中心互联）场景的FlexE（Flexible Enthernet，灵活以太网）接口技术，通过对以太网物理端口进行时隙化处理，解决了数据中心互联链路聚合的问题。
2017年，IEEE 802.3发布了基于光纤和同轴电缆的802.3 bs-2017以太网标准，支持200 Gbit/s和400 Gbit/s的速率。
2017年，中国移动提出SPN，发布了在以太网PCS构建TDM层网络的架构设计和关键技术。
2020年，ITU-T SG15（Study Group 15，第15研究组）基于中国移动提出的SPN，发布了MTN系列标准，作为ITU推荐的5G承载网技术。
2021年，IEEE 802.3成立了Beyond 400 Gbps以太网研究组，标志着以太网向下一代高速率演进。
展望未来，以太网会向更高速率发展，主要体现在信号调制、单通道速率和信号收发器封装形式等方面。信号调制技术演进的方向是从NRZ（Non-Return-to-Zero，不归零）码到PAM4，再到相干调制方式。相应地，单通道速率会从25 Gbit/s向50 Gbit/s，再向100 Gbit/s逐步提升。在信号收发器封装形式方面，主要发展方向是继续降低RJ45（Registered Jack 45，RJ45接口）、SFP（Small Form-factor Pluggable，小型可插拔）接口、SFP-DD（Small Form-factor Pluggable Double Density，双密度小型可插拔）接口和QSFP（Quad Small Form-factor Pluggable，四通道小型可插拔）接口等封装接口的功率。信号收发器也在探索新的封装形式，从而实现多通道高速率以太网接口，例如Embedded Optics（嵌入式光学）接口和OSFP（Octal Small Form-factor Pluggable，八通道小型可插拔）接口。
除了追求更高的速率，以太网还将逐步完善不同传输介质、不同速率的传输接口标准，从而扩大以太网的应用范围。当前，以太网已经覆盖企业园区、运营商、家庭、用户终端、大型数据中心等领域。面向未来，通过新型的以太网接口与技术，以太网的应用会扩展到车载网络、工业生产制造网络、航空网络、交通网络和医疗网络等领域，进而构建更广泛的以太网生态系统。
以太网技术包含两大类，一类是以太网桥接（Ethernet Bridge），另一类是以太网接口。以太网桥接是通过以太网帧开销中的源MAC地址、目的MAC地址、以太网类型（Ethertype）、VLAN等域段，实现计算机组网以及数据在以太网交换机中的转发。以太网桥接主要对应协议栈中的MAC层、MAC层以上及网络层以下部分，主要在IEEE 802.1中实现标准化。例如1998年，IEEE 802.1Q项目中实现了VLAN的标准化，2005年，IEEE 802.1ad项目中实现了QinQ的标准化。以太网接口是通过一系列编码、调制技术，实现以太网帧在两台以太网设备之间发送和接收。以太网接口主要对应OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）模型的物理层，主要在IEEE 802.3中实现标准化。以太网在协议栈上将以太网桥接和以太网接口进行解耦，可以实现以太网桥接技术和以太网接口技术各自独立并行发展，互不影响。以太网桥接技术注重快速链接、简单配置和资源共享，一般采用存储转发机制转发以太网帧（Ethernet Frame）。而IEEE 802.3只考虑接口，未指定网络技术标准，从而在以太网接口上并没有考虑灵活组网的特性。
早期的以太网接口以双绞线和铜缆为主，传输距离短，数据传输的可靠性交由以太网桥接技术中的报文重传机制或者网络层的机制来保障。2000年以后，以太网接口的传输介质开始采用光纤，其后，以太网接口的可靠性设计要求大幅度提升[MTTFPA（Mean Time to False Packet Acceptance，错误报文平均接收时间）要求大于100亿年]，同时采用了大量的数据可靠性传输保障技术[包括66B编码、FEC（Forward Error Correction，前向纠错）和Error marking等]。由于以太网接口技术能够实现任意两个设备之间的可靠通信互连，其关键技术有着广泛的适用性，例如移动承载、数据中心、工业制造、车载网络和航空网络等。移动承载网领域以及城域网领域应用的以太网接口一般以高速以太网光接口为主，如50GBASE-R PHY、100GBASE-R PHY、200GBASE-R PHY和400GBASE-R PHY。
OSI模型是ISO（International Organization for Standardization，国际标准化组织）在ISO/IEC 7498-1标准中定义的一种概念模型。OSI模型为各种计算机在世界范围内互连提供了一种网络标准框架，为全世界所熟知。以太网技术对应OSI模型中的数据链路层和物理层。图1-12以100GBASE-R PHY为例，给出了OSI模型与以太网物理层协议栈之间的关系。100GBASE-R PHY包含MAC层、RS（Reconciliation Sublayer，协调子层）、PCS、FEC层、PMA（Physical Medium Attachment，物理媒介附属）层、PMD（Physical Medium Dependent，物理媒介依赖）层、AN（Auto-Negotiation，自协商）层和Medium（媒介）层。MAC层负责Ethernet MAC frame（以太网帧）的组装、检错、流量控制和重传，与具体物理层媒介无关。以100GBASE-R PHY为例，在100GBASE-R PHY的数据发送方向上，MAC层形成的数据帧由RS转换成一连串的8 bit的字符（character）序列，通过CGMII（Centum Gigabit Media Independent Interface，100吉比特媒体无关接口）发送给物理层；除此之外，RS还要额外为每一个CGMII的字符生成1 bit的控制信号，用以指示该字符携带的控制信息或者数据信息。物理层的PCS将CGMII的数据通过64B/66B变换转换成一连串66B码块的数据。串行的66B码块数据在PCS中需要经过扰码和多数据通道对齐的操作，然后经过PMA的适配，最终数据在PMD上被转换成NRZ码型，被调制成光信号后通过光纤传输。
注：LLC为Logical Link Control，逻辑链路控制。
数据接收过程与发送过程正好相反。数据信号从光纤上接收后，经过光信号解调，形成NRZ码，经过PMD/PMA处理，恢复成原来的66B码块数据，最后发送给CGMII接收，并还原出以太网帧。需要说明如下几点。第一，FEC不是所有以太网接口的必选功能。第二，对于100GBASE-R PHY中部分短距离传输的接口，采用铜线传输的接口，或者未来采用单通道100 Gbit/s速率的接口类型会使用FEC，此时需要先将4个66B码块转换成一个257B码块，并根据固定算法（如Reed-Solomon）添加固定长度的冗余信息比特，从而提高以太网接口链路信号传输的可靠性。第三，在实现高速以太网光接口的过程中，往往直接将Ethernet MAC frame转换成66B码块序列，而RS和CGMII只是为了延续以太网接口标准制定的习惯，仅仅逻辑上存在。
IEEE 802.3按照以太网接口的信号传输速率、传输距离、传输介质以及数据并行传输的路数，将以太网PHY分为多种类型。这些信息也都体现在以太网PHY不同类型的命名上[4]。例如，100GBASE-LR4 PHY的速率为100 Gbit/s，采用扰码后的64B/66B编码技术，总共包含4条链路，采用1310 nm波长且传输距离至少为10 km；100GBASE-ER4 PHY的速率为100 Gbit/s，采用扰码后的64B/66B编码技术，总共包含4条链路，采用1510 nm波长且传输距离至少为40 km。以100GBASE-R PHY为例，IEEE 802.3定义了11种类型的PHY，具体如表1-1所示。在100GBASE-R PHY中，移动承载网和城域网主要使用100GBASE-LR4和100GBASE-ER4两种类型。
在不同传输速率、不同传输介质或不同传输距离的情况下，以太网物理层协议栈的架构会有差异。图1-13给出了50GBASE-R PHY、100GBASE-R PHY和200G/400GBASE-R PHY这几种速率的以太网接口协议栈以及功能模块。50GBASE-R PHY、200GBASE-R PHY和400GBASE-R PHY中，FEC为必选功能。100GBASE-R PHY中，FEC为可选功能，只在中短距离或者采用铜线传输时会使用。需要说明的是，当100GBASE-R PHY或者50GBASE-R PHY携带FEC功能时，一旦误码超过FEC的纠错能力，在PHY FEC功能的数据接收方向上，会从所有66B码块中挑选出部分66B码块进行错误标记（将同步头强制设置为无效同步头）；而对于200GBASE-R PHY和400GBASE-R PHY，在PHY FEC功能的数据接收方向上，会对所有66B码块进行错误标记。
注：AM为Alignment Marker，对齐字符。
无论是50GBASE-R PHY、100GBASE-R PHY，还是200G/400GBASE-R PHY，PCS的66B码块是以太网贯穿整个高速以太网光接口系列的核心，被高速以太网所共享。而随着以太网产业规模和以太网接口应用范围的逐渐扩大，以66B码块为核心的以太网接口引领了光通信技术发展，以太网接口中用到的光通信技术被众多网络技术借鉴参考。因此，66B码块以太网内核成为网络技术创新、网络技术演进下一步的重点。以太网自2002年引入10 Gbit/s的接口以来，就一直使用66B编码方法，那么到底什么是66B码块？根据IEEE 802.3，50GBASE-R PHY、100GBASE-R PHY和200G/400GBASE-R PHY中使用的66B码块通用格式以及控制码块类型域段如图1-14所示，66B码块的通用格式包含同步头与净荷两部分，其中同步头占用前2 bit，净荷占用后64 bit。同步头起到区分码块类型以及标识码块起始位置的作用。当同步头为0b01时，66B码块为数据码块；当同步头为0b10时，66B码块为控制码块。同步头提供了2 bit汉明距离，增强了以太网接口编码的可靠性。对于控制码块，其净荷部分又可进一步划分为控制码块类型域段与非控制码块类型域段。控制码块类型域段总共占用8 bit，用于指示11种不同类型的控制码块。一共有五类控制码块，即起始码块、结束码块、O码块、错误码块和空闲码块。以太网接口的接收侧PCS，可以根据66B码块的同步头和控制码块类型域段，完成对66B码块同步头的识别和提取（数据码块及控制码块的净荷部分无法识别）。
66B码块格式与CGMII数据的对应关系如图1-15所示。
以太网的崛起使得客户侧设备逐渐以太网化，进而使得承载网的业务也逐渐以太网化。同时，以太网凭借其全球第一的市场份额以及巨大的产业链优势，影响了承载网物理接口技术的方方面面，包括信号收发器技术、SerDes（Serializer/Deserializer，串行器/解串器）技术、编码技术、转发技术、传输介质技术等。再者，以太网接口的高可靠性能够为承载网构筑高可靠的基础能力，满足承载网多业务差异化承载的需求，这也使得以太网在承载网领域得到广泛应用。以典型的点对点数字通信系统为例，一般的点对点数字通信系统包含信源、信宿、信源编码器、信源译码器、信道编码器、信道译码器、数字调制器、数字解调器以及信道（传输介质），如图1-16所示。
当前，以太网的点对点数字通信技术引领了整个光通信网络行业，其中涉及的关键技术包括以下几方面。
IEEE 802.3从2000年开始，为10 Gbit/s速率的以太网定义64B/66B的信道编码方法，将以太网帧（信源信息）编码为一串66 bit的码块，以太网后续定义的40GE、100GE、200GE、400GE、50GE等速率，都采用了这一信道编码技术。OTN、CPRI、FC（Fibre Channel，光纤通道）和IB（InfiniBand，无限带宽）等网络技术都利用或者借鉴了64B/66B的信道编码技术，从而使信道编、解码功能模块的生产可以复用以太网产业链，降低器件成本及获取难度。详细的64B/66B编码规则参见1.4.2节。
信号在信道中传输会受到噪声的干扰，即使是在光纤或铜缆等有线介质中，随着传输距离与信号速率的增加，接收端接收到的信号也会产生严重的畸变，进而导致接收到的信息比特错误。一般采用BER（Bit Error Rate，误码率）表示通信系统的信息传输可靠性。为了提高系统的可靠性，通信中需要用到纠错编码技术。发送端在发送信息前主动添加一些冗余比特，接收端在发生比特错误时可以根据冗余比特发现错误并纠正，这就是纠错编码技术的基本做法。IEEE 802.3基于分组码技术，定义了RS-FEC（544，514）的FEC信道纠错编码技术，用于改善高速通信时的误码率。以太网标准的开放性和以太网技术良好的互操作性，让信道纠错编码技术成为传送网大容量设备背板连接的首选技术。例如，高性能计算机网络中的IB技术，在该技术的HDR（High Data Rate，高数据速率）中把RS-FEC（544，514）作为必选的纠错编码技术。RS-FEC（544，514）编解码原理框图如图1-17所示。
调制就是信号变换，也就是在发送端将传输的信号（模拟或者数字信号）转换成适合信道传输的高频信号。解调是调制的逆过程，也就是在接收端将已调制信号还原成原始信号。为了满足200 Gbit/s、400 Gbit/s等的高速以太网需求，IEEE 802.3率先定义了基于PAM4的数字信号调制技术。PAM4中使用4个电平来表示2 bit的4种逻辑组合（11、10、01和00）。PAM4与传统的NRZ码型对比如图1-18所示，PAM4在单位时间内传输的逻辑信息是NRZ的两倍。PAM4的技术难点在于激光器对功率的精准控制和DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）芯片设计。激光器功率如果控制不好，就会造成很高的误码率，发送端只能重新发送信号，影响信号传输效率。DSP需要在有限的芯片尺寸以及功率的前提下，实现电信号的时钟恢复、放大、均衡等功能。
PAM4与以太网光层25GE单通道技术结合，可实现单通道50 Gbit/s的数据速率、更高的频谱效率与更低的单比特传输成本，从而提升网络的传输速率。在基于PAM4的单通道50 Gbit/s基础上，通过多通道复用，可以进一步发展出100GE、200GE和400GE等高速以太网接口。而基于该调制技术的信号收发器也被其他网络技术广泛采用，例如ITU-T G.709.4为OTN定义了OTU25/50，其中也兼容、重用以太网所定义的PAM4调制技术及其相应的信号收发器。
随着数据中心建设的蓬勃发展，DCI的需求也日益增长。在数据中心出口路由器之间的距离超过80 km的场景中，DCI引入OTN以满足点到点的通信连接需求，具体场景如图1-19所示，两台数据中心出口路由器之间通过OTN承载，路由器和OTN设备之间通过以太网接口互联。
以太网接口速率的增长速度与OTN接口速率的增长速度不匹配，导致数据中心互联的流量缺乏有效的承载方式。如图1-20所示，从1995年到2020年，以太网接口速率以平均每7年约10倍的速度增长；根据ITU OTN标准，OTN的OTU（Optical Transport Unit，光传输单元）接口速率从2009年到2020年只增长了不到2倍。与此同时，路由器和交换机的NPU（Network Processing Unit，网络处理单元）处理能力的提升大大超过了OTN单波长传输容量的增长。谷歌等互联网公司看到了这一速率发展不匹配的问题之后，开发了FlexE技术，其设计目标就是解决数据中心点对点连接时接口速率扩展的问题。FlexE利用以太网PCS的66B编码技术对以太网接口进行时隙化处理，在传统以太网上进行轻量级TDM增强，将以太网接口与MAC层报文处理解耦，使得MAC层带宽摆脱单个以太网PHY通道带宽的限制，支持绑定、通道化和子速率的功能。FlexE的出现使得以太网接口在可靠性的基础上增强了灵活性。
图1-20 以太网、SDH和OTU接口速率的发展
虽然FlexE解决了DCI时链路高效聚合的问题，但是并没有在DCI领域得到大规模应用。这主要是由两个因素造成的。一方面，200GE、400GE甚至800GE、1.6TE等高速以太网物理接口的发展速度超过预期，使得MAC层带宽增长问题得到缓解，互联网厂商和数据中心厂商的注意力从解决链路聚合问题又回到了增加物理接口速率上。另一方面，受限于接口技术的定位，FlexE缺乏能满足网络要求的相应功能，例如缺乏数据交换、OAM、保护倒换等能力，这使得FlexE难以独自在其他场景中大规模应用。图1-21展示了FlexE技术大致的发展历程。
中国移动、信通院和华为等厂商面向5G移动承载场景进行了创新，提出了在以太网物理层协议栈中构建TDM层网络的核心思想和技术理念。从2018年到2020年，在中国厂商的推动和主导下，ITU发布了基于SPN的MTN系列标准。MTN构建了全新的传输接口、帧结构、TDM交换技术、高效OAM及保护技术，支持硬切片、确定性低时延转发，同时满足电信级网络要求。图1-22展示了SPN/MTN技术的发展脉络。
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。
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。
SPN/MTN技术的发展历程如图1-24所示，SPN/MTN的国际标准主要由ITU-T SG15制定并发布。ITU-T SG15是负责传输、接入及家庭网络方面标准化工作的国际权威标准组织，SDH、OTN都诞生于ITU-T SG15。
SPN/MTN国际标准化工作离不开国内产业多年积累起来的深厚技术研究基础以及国内通信产业的崛起。2016年，中国移动就已经联合国内产业实体开始研究5G承载网的需求与架构设计。2017年1月，中国移动牵头承担“5G前传及回传接口研发与验证”的国家科技重大专项课题，聚集国内企业和高校的力量，研究5G移动承载技术，为后续SPN技术体系的提出提供了优质的科研平台，也为整个产业链的发展提供了积极、健康的引导。
2017年10月，中国移动首次向ITU-T SG15提出满足5G移动通信业务的传送网技术——SPN，它支持分组与TDM的融合，支持低时延和网络切片，兼容以太网生态链，具备成本大幅优化空间，因此，SPN一经ITU-T提出，便引发了产业界的热烈讨论。
2018年2月，在瑞士日内瓦举办了ITU-T SG15全会，会议中，我国产业联合驱动G.ctn5g正式立项，旨在研究5G移动承载场景，以及对5G承载网需求进行标准化，为MTN技术标准化做好了铺垫。
2018年10月，在ITU-T SG15全会期间，ITU管理层组织ITU、IEEE的专家，邀请中国代表团成员围绕SPN技术理念、架构、方案及技术细节等做了深入详尽的探讨。同时，中国代表团向会议提交C1036[5]与C1037[6]等关键文稿，并主动向ITU管理层专家介绍了中国关于SPN技术仿真实验的情况和测试结果，最终在这次全会上成功立项G.8312（MTN接口）标准。时任ITU-T SG15中国代表团团长的朱洪对G.8312标准的立项做出了评价：“SPN首次实现了中国的整体原始创新技术在ITU-T SG15的国际标准化。”[7]
2019年7月，在ITU-T SG15全会上，中国代表团提交了C1489[8]等关键立项文稿，最终成功推动G.8310（MTN架构）、G.8321（MTN设备）、G.8331（MTN保护）、G.8350（MTN管理）系列标准立项。这标志MTN与ITU-T SG15过去制定的成功的技术（SDH和OTN）一样，拥有了完整的标准技术体系，涵盖接口、架构、管理、设备、保护、演进和同步等关键方面。SPN/MTN系列标准体系的构成如图1-25所示。
在MTN标准制定期间，国内标准团队做了大量的标准推进工作。以2020年5~7月为例，在这两个月内，团队召开了32次线上会议，协调标准与产品规划的一致性，参与了ITU工作组1000余封邮件的讨论，参加了ITU-T的4次网络会议，贡献了40余篇讨论文稿。此外，MTN标准专家代表与ITU管理层组织召开了7次小范围会议，不断总结推进共识，收敛技术方案，所有技术要点基本达成共识。
2020年9月，在ITU-T SG15全会上，SPN/MTN系列标准中的三项标准G.8312（MTN接口）、G.8310（MTN架构）和G.Sup.69（MTN演进/通道层OAM）获得通过。同时，中国代表团在此次全会上提交MTN同步标准立项文稿C2126[9]，推动MTN同步标准（G.mtn-sync）正式获得立项。经过国内产业界的认真分析和据理力争，MTN标准最大限度地保留了SPN的技术特征，保障了中国产业界的先发优势和核心利益。ITU-T SG15 Q11报告人对中国团队将SPN原创技术推进成为MTN国际标准表示衷心的祝贺和高度的评价。
在此期间，国内企业标准与行业标准对推进国际标准的制定也起到了关键作用。以中国移动企业标准为基础，从2018年2月开始，CCSA（China Communications Standards Association，中国通信标准化协会）制定了《切片分组网络（SPN）总体技术要求》等SPN系列标准，推动SPN技术方案在国内实现了统一。CCSA的SPN行业标准为ITU-T MTN系列标准的制定打牢了基础，在G.Sup.69中直接引用了CCSA的SPN行业标准，这是ITU-T国际标准首次引用国内的行业标准。
在国内5G承载产业研发期间，以中国移动和华为等为代表的中国企业，在MTN技术研究、标准制定、设备研发和部署应用等方面，做出了关键性贡献，走在全球相关技术发展和应用的前沿，引领了5G时代城域承载网的发展潮流。截至2022年10月，在全球部署的应用MTN技术的设备已经超过40万套。全球主流运营商、网络通信设备厂商、芯片厂商、仪表厂商等都支持MTN技术，并开发了相应的产品。未来，应用MTN技术的设备和网络规模将进一步扩大。电力、煤矿、交通、港口等行业专网在规划面向未来的网络升级时，将会考虑安全、硬隔离、确定性低时延等5G时代的新要求，采用与分组技术高度兼容的MTN是一个理想的选择。
目前MTN一共包含G.8310、G.8312、G.Sup.69、G.8321、G.8331、G.8350、G.mtn-sync 7个核心标准，如表1-2所示。推动MTN系列标准立项与技术要求制定的关键文稿见表1-3。
