Tidsfølsomt netværk - Time-Sensitive Networking

Tidsfølsomt netværk ( TSN ) er et sæt standarder under udvikling af arbejdsgruppen Tidsfølsomme netværk i IEEE 802.1- arbejdsgruppen. TSN -opgavegruppen blev dannet i november 2012 ved at omdøbe den eksisterende Audio Video Bridging Task Group og fortsætte sit arbejde. Navnet ændrede sig som følge af udvidelsen af ​​standardiseringsgruppens arbejdsområde. Standarderne definerer mekanismer til den tidsfølsomme transmission af data over deterministiske Ethernet- netværk.

Størstedelen af ​​projekterne definerer udvidelser til IEEE 802.1Q  - broer og broer, der beskriver virtuelle LAN'er og netværks switches . Disse udvidelser omhandler især transmissionen af ​​meget lav transmissionstid og høj tilgængelighed. Applikationer omfatter konvergerede netværk med real-time audio/video-streaming og real-time kontrolstrømme, der bruges i bil- eller industrielle kontrolfaciliteter.

Baggrund

Standard IT -netværksudstyr har intet begreb om "tid" og kan ikke levere synkronisering og præcisionstiming. Levering af data pålideligt er vigtigere end levering inden for en bestemt tid, så der er ingen begrænsninger for forsinkelse eller synkroniseringspræcision. Selvom den gennemsnitlige humleforsinkelse er meget lav, kan individuelle forsinkelser være uacceptabelt høje. Overbelastning af netværket håndteres ved at drosle og videresende tabte pakker ved transportlaget, men der er ingen midler til at forhindre overbelastning ved linklaget. Data kan gå tabt, når bufferne er for små, eller båndbredden er utilstrækkelig, men overdreven buffering øger forsinkelsen, hvilket er uacceptabelt, når der kræves lave deterministiske forsinkelser.

De forskellige AVB/TSN-standarddokumenter, der er specificeret af IEEE 802.1, kan grupperes i tre grundlæggende nøglekomponentkategorier, der er nødvendige for en komplet realtidskommunikationsløsning baseret på switchede Ethernet-netværk med deterministisk servicekvalitet (QoS) for point-to-point forbindelser. Hver standardspecifikation kan bruges alene og er for det meste selvforsynende. Men kun når det bruges sammen på en samordnet måde, kan TSN som kommunikationssystem opnå sit fulde potentiale. De tre grundlæggende komponenter er:

1. Tidssynkronisering: Alle enheder, der deltager i realtidskommunikation, skal have en fælles tidsforståelse
2. Planlægning og trafikudformning: Alle enheder, der deltager i realtidskommunikation, overholder de samme regler for behandling og videresendelse af kommunikationspakker
3. Valg af kommunikationsstier, stiereservationer og fejltolerance: Alle enheder, der deltager i realtidskommunikation, overholder de samme regler ved valg af kommunikationsveje og i reservation af båndbredde og tidslukninger, muligvis ved at bruge mere end én samtidig sti til at opnå fejl- tolerance

Applikationer, der har brug for et deterministisk netværk, der opfører sig på en forudsigelig måde, omfatter lyd og video, der oprindeligt blev defineret i Audio Video Bridging (AVB); styre netværk, der accepterer input fra sensorer, udfører kontrol loop -behandling og starter handlinger; sikkerhedskritiske netværk, der implementerer pakke- og linkredundans; og blandede medienetværk, der håndterer data med forskellige niveauer af timingfølsomhed og prioritet, såsom køretøjsnetværk, der understøtter klimakontrol, infotainment, karrosserielektronik og førerassistance. IEEE AVB/TSN -pakken fungerer som grundlaget for deterministisk netværk for at opfylde de almindelige krav i disse applikationer.

AVB/TSN kan håndtere hastighedsbegrænset trafik, hvor hver strøm har en båndbreddegrænse, der er defineret af minimale inter-frame-intervaller og maksimal frame-størrelse, og tidsudløsende trafik med en nøjagtig præcis tid, der skal sendes. Lavprioriteret trafik videregives på bedste indsatsbasis uden timing og leveringsgarantier.

Tidssynkronisering

I modsætning til standard Ethernet i henhold til IEEE 802.3 og Ethernet -bro i henhold til IEEE 802.1Q er tid meget vigtig i TSN -netværk. For realtidskommunikation med hårde, ikke-forhandlingsbare tidsgrænser for ende-til-ende-transmissionslatenser, skal alle enheder i dette netværk have en fælles tidsreference og derfor skulle synkronisere deres ure indbyrdes. Dette gælder ikke kun for slutenhederne i en kommunikationsstrøm, såsom en industriel controller og en fremstillingsrobot, men også for netværkskomponenter, såsom Ethernet -switches . Kun gennem synkroniserede ure er det muligt for alle netværksenheder at fungere i fællesskab og udføre den nødvendige operation på nøjagtigt det nødvendige tidspunkt. Selvom tidssynkronisering i TSN -netværk kan opnås med GPS -ur , er dette dyrt, og der er ingen garanti for, at endepunktsenheden til enhver tid har adgang til radio- eller satellitsignalet. På grund af disse begrænsninger distribueres tid i TSN -netværk normalt fra en central tidskilde direkte gennem selve netværket ved hjælp af IEEE 1588 Precision Time Protocol , som anvender Ethernet -rammer til at distribuere information om tidssynkronisering. IEEE 802.1AS er en tæt begrænset delmængde af IEEE 1588 med sub-mikrosekundpræcision og udvidelser til understøttelse af synkronisering via WiFi-radio ( IEEE 802.11 ). Ideen bag denne profil er at indsnævre den enorme liste over forskellige IEEE 1588 -muligheder til et håndterbart få kritiske muligheder, der kan anvendes på hjemmenetværk eller netværk i bil- eller industrielle automationsmiljøer.

IEEE 802.1AS Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications

IEEE 802.1AS-2011 definerer profilen Generic Precision Time Protocol (gPTP), der anvender UDP-meddelelser til at oprette et hierarki af ure og synkronisere tid i et gPTP-domæne dannet af enheder, der udveksler tidsbegivenheder.

For at tage højde for forsinkelser i datastien måler gPTP -protokollen rammens opholdstid inden for hver bro (en tid, der kræves til behandling, kø og transmission fra indgangs- til udgangsporte), og linkforsinkelsen for hvert hop (en udbredelsesforsinkelse mellem to tilstødende broer) ). De beregnede forsinkelser refereres derefter til GrandMaster (GM) -uret i en bro valgt af Best Master Clock Algorithm, et ur, der spænder over træprotokol, som alle fra Clock Master (CM) og endpoint -enheder skal synkronisere. Enhver enhed, der ikke synkroniserer med timingsbeskeder, er uden for tidsdomæne -grænserne (figur 2).

Synkroniseringsnøjagtighed afhænger af præcise målinger af linkforsinkelse og rammeopholdstid. 802.1AS anvender 'logisk syntonisering', hvor et forhold mellem lokalt ur og GM -oscillatorfrekvenser bruges til at beregne synkroniseret tid og et forhold mellem lokale og CM -urfrekvenser til beregning af udbredelsesforsinkelse.

IEEE802.1AS-2020 introducerer forbedret tidsmålingens nøjagtighed og understøttelse af flere tidsdomæner til redundans.

Planlægning og trafikudformning

Planlægning og trafikudformning muliggør sameksistens mellem forskellige trafikklasser med forskellige prioriteter på det samme netværk-hver med forskellige krav til tilgængelig båndbredde og ende-til-ende-latenstid.

Trafikformning refererer til processen med at distribuere rammer/pakker jævnt i tide for at udjævne trafikken. Uden trafikdannelse ved kilder og broer vil pakkerne "bundte" sig, dvs. agglomerere til trafikudbrud, og overvælde bufferne i efterfølgende broer/switches langs stien.

Standardbro i henhold til IEEE 802.1Q anvender en streng prioritetsordning med otte forskellige prioriteter. På protokolniveau er disse prioriteter synlige i feltet Priority Code Point (PCP) i 802.1Q VLAN -tagget på en standard Ethernet -ramme . Disse prioriteter skelner allerede mellem vigtigere og mindre vigtig netværkstrafik, men selv med den højeste af de otte prioriteter kan der ikke gives nogen absolut garanti for en ende-til-ende leveringstid. Årsagen til dette er bufferingseffekter inde i Ethernet -switches. Hvis en switch har startet transmissionen af ​​en Ethernet -ramme på en af ​​dens porte, skal selv den højest prioriterede ramme vente inde i switchbufferen for at denne transmission er færdig. Med standard Ethernet-switch kan denne ikke-determinisme ikke undgås. Dette er ikke et problem i miljøer, hvor applikationer ikke er afhængige af rettidig levering af enkelte Ethernet -rammer - f.eks. Kontor -IT -infrastrukturer. I disse miljøer har filoverførsler, e -mails eller andre forretningsprogrammer selv en begrænset tidsfølsomhed og er normalt beskyttet af andre mekanismer længere oppe i protokolstakken, f.eks. Transmission Control Protocol . I industriel automatisering (programmerbar logisk controller ( PLC ) med en industriel robot ) og bilmiljøer, hvor lukket kredsløbskontrol eller sikkerhedsprogrammer bruger Ethernet -netværket, er pålidelig og rettidig levering af største betydning. AVB/TSN forbedrer standard Ethernet-kommunikation ved at tilføje mekanismer til at tilvejebringe forskellige tidsintervaller til forskellige trafikklasser og sikre rettidig levering med bløde og hårde realtidskrav til kontrolsystemapplikationer. Mekanismen til at udnytte de otte forskellige VLAN-prioriteter bevares for at sikre fuldstændig bagudkompatibilitet til ikke-TSN Ethernet. For at opnå transmissionstider med garanteret end-to-end latency kan en eller flere af de otte Ethernet-prioriteter individuelt tildeles allerede eksisterende metoder (såsom IEEE 802.1Q streng prioritetsplanlægger) eller nye behandlingsmetoder, såsom IEEE 802.1 Qav kreditbaseret trafikformgiver, IEEE 802.1Qbv tidsbevidst formgiver eller IEEE 802.1Qcr asynkron formgiver.

Tidsfølsom trafik har flere prioritetsklasser. For kreditbaseret shaper 802.1Qav er Stream Reservation Class A den højeste prioritet med et værst tænkeligt latenskrav på 2 ms og en maksimal transmissionsperiode på 125 μs; Klasse B har den næsthøjeste prioritet med værste fald-latency på 50 ms og en maksimal transmissionsperiode på 250 μs. Trafikklasser må ikke overstige deres forudkonfigurerede maksimale båndbredde (75% for lyd- og videoapplikationer). Det maksimale antal humle er 7. Per-port-peer-forsinkelsen fra gPTP og netværksbroens opholdsforsinkelse tilføjes for at beregne de akkumulerede forsinkelser og sikre, at latenskravet er opfyldt. Kontroltrafik har den tredjestørste prioritet og inkluderer gPTP- og SRP-trafik. Tidsbevidst planlægger 802.1Qbv introducerer klasse CDT til realtidsstyringsdata fra sensorer og kommandostrømme til aktuatorer med værste fald-latency på 100 μs over 5 hop og en maksimal transmissionsperiode på 0,5 ms. Klasse CDT har den højeste prioritet i forhold til klasse A, B og kontroltrafik.

AVB kreditbaseret planlægger

IEEE 802.1Qav-videresendelse og køforbedringer til tidssensitive strømme

IEEE 802.1Qav Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams definerer trafikformning ved hjælp af prioritetsklasser, som er baseret på en simpel form for "utæt bøtte" kreditbaseret fair kø . 802.1Qav er designet til at reducere buffering i modtagelse af broer og slutpunkter.

Den kreditbaserede shaper definerer kreditter i bits for to separate køer, dedikeret til trafik i klasse A og klasse B. Rammeoverførsel er kun tilladt, når kredit er ikke-negativ; under transmissionen kredit falder med en hastighed kaldet sendSlope: . De kredit stiger med en hastighed idleSlope hvis rammer venter på andre køer, der skal indberettes: . IdleSlope er således den båndbredde, der er forbeholdt køen ved broen, og sendSlope er transmissionshastigheden for portens MAC -tjeneste. ${\ displaystyle sendSlope = idleSlope-portTransmitRate}$${\ displaystyle idleSlope = {\ frac {reservedBytes} {divFrameIntervalTime}}}$

Hvis kreditten er negativ, og der ikke sendes nogen rammer, stiger kredit ved idleSlope -rente, indtil nul er nået. Hvis en AVB-ramme ikke kan transmitteres, fordi en ikke-AVB-ramme er i transmission, akkumuleres kredit med inaktiv hastighed, men positiv kredit er tilladt.

Yderligere grænser hiCredit og loCredit er afledt af den maksimale billedstørrelse og maksimale interferensstørrelse, idleSlope/sendSlope og den maksimale portoverførselshastighed.

Reserverede AV-streamtrafikrammer videresendes med høj prioritet frem for ikke-reserveret Best Effort- trafik, underlagt kreditbaserede trafikformningsregler, som kan kræve, at de venter på en vis mængde kreditter. Dette beskytter den bedst mulige trafik ved at begrænse maksimal AV-streams burst. Rammerne er planlagt meget jævnt, dog kun samlet, for at udjævne leveringstiderne og reducere sprængning og bundtning, hvilket kan føre til bufferoverløb og pakkedråber, der udløser genudsendelser. Den øgede bufferforsinkelse gør genoverførte pakker forældede, når de ankommer, hvilket resulterer i rammefald, hvilket reducerer kvaliteten af ​​AV-applikationer.

Selvom kreditbaseret shaper giver en rimelig planlægning for pakker med lav prioritet og udjævner trafik for at eliminere overbelastning, stiger desværre den gennemsnitlige forsinkelse op til 250 μs pr. Hop, hvilket er for højt til kontrolapplikationer, mens en tidsbevidst shaper (IEEE 802.1 Qbv) har en fast cyklusforsinkelse fra 30 μs til flere millisekunder og typisk forsinkelse på 125 μs. Afledning af garanterede øvre grænser for forsinkelser i TSN i ikke-trivielle og undersøges i øjeblikket f.eks. Ved hjælp af den matematiske ramme Network Calculus.

IEEE 802.1Qat Stream Reservation Protocol

IEEE 802.1Qat Stream Reservation Protocol (SRP) er en distribueret peer-to-peer-protokol, der angiver adgangskontrol baseret på ressourcebehov for strømmen og tilgængelige netværksressourcer.

SRP reserverer ressourcer og annoncerer streams fra afsender/kilde (taler) til modtagere/destinationer (lyttere); det fungerer for at tilfredsstille QoS -krav til hver strøm og garantere tilgængeligheden af ​​tilstrækkelige netværksressourcer langs hele flowtransmissionsvejen.

Trafikstrømmene identificeres og registreres med et 64-bit StreamID, der består af 48-bit MAC-adressen (EUI) og 16-bit UniqueID for at identificere forskellige streams fra den ene kilde.

SRP anvender varianter af Multiple Registration Protocol (MRP) til at registrere og afregistrere attributværdier på switches/broer/enheder - Multiple MAC Registration Protocol (MMRP), Multiple VLAN Registration Protocol (MVRP) og Multiple Stream Registration Protocol ( MSRP).

SRP -protokollen fungerer i det væsentlige i følgende sekvens:

1. Annoncer en strøm fra en taler
2. Registrer stierne langs datastrømmen
3. Beregn latency i værste tilfælde
4. Opret et AVB -domæne
5. Reserver båndbredden

Ressourcer tildeles og konfigureres i både datastrømmenes slutknudepunkter og transitknuderne langs datastrømningsbanen med en ende-til-ende-signalmekanisme til at registrere succes/fiasko. Værst ventetid beregnes ved at forespørge på hver bro.

Reservationsanmodninger bruger den generelle MRP -applikation med MRP -attributudbredelsesmekanisme. Alle knuder langs strømningsvejen passerer MRP Attribute Declaration (MAD) -specifikationen, der beskriver strømningsegenskaberne, så broer kunne allokere de nødvendige ressourcer.

Hvis en bro er i stand til at reservere de nødvendige ressourcer, overfører den annoncen til den næste bro; ellers bliver der vist en 'taler failed' besked. Når annoncemeddelelsen når lytteren, svarer den med en 'lytter klar' besked, der spreder sig tilbage til taleren.

Talker-reklame og lytter klar beskeder kan af-registreres, hvilket afslutter strømmen.

Vellykket reservation garanteres kun, når alle mellemliggende noder understøtter SRP og reagerer på reklamer og klar beskeder; i figur 2 ovenfor kan AVB -domæne 1 ikke oprette forbindelse til AVB -domæne 2.

SRP bruges også af TSN/AVB -standarder til rammeprioriteter, rammeplanlægning og trafikformning

Forbedringer til AVB -planlægning

IEEE 802.1Qcc -forbedringer til SRP

SRP anvender decentraliseret registrerings- og reservationsprocedure, flere anmodninger kan indføre forsinkelser for kritisk trafik. IEEE 802.1Qcc-2018 "Stream Reservation Protocol (SRP) Enhancements and Performance Improements" ændring reducerer størrelsen på reservationsmeddelelser og omdefinerer timere, så de kun udløser opdateringer, når linktilstand eller reservation ændres. For at forbedre TSN -administrationen på store netværk tilbyder hver brugernetværksgrænseflade (UNI) metoder til at anmode om Layer 2 -tjenester suppleret med centraliseret netværkskonfiguration (CNC) til at levere centraliseret reservation og planlægning og fjernstyring ved hjælp af NETCONF/RESTCONF -protokoller og IETF YANG /NETCONF datamodellering.

CNC implementerer en forespørgsel-svar-model pr. Stream, hvor SR-klassen ikke eksplicit bruges: slutstationer sender anmodninger om en bestemt strøm (via kantport) uden kendskab til netværkskonfigurationen, og CNC udfører dampreservation centralt. MSRP kører kun på linket til slutstationer som informationsbærer mellem CNC og slutstationer, ikke til streamreservation. Centraliseret brugerkonfiguration (CUC) er en valgfri node, der opdager slutstationer, deres muligheder og brugerkrav og konfigurerer forsinkelsesoptimerede TSN-funktioner (til lukkede IACS- applikationer). Der tilbydes problemfri kommunikation med RSVP -transport ( Resource Reservation Protocol ). 802.1Qcc tillader centraliseret konfigurationsstyring at sameksistere med decentraliseret, fuldt distribueret konfiguration af SRP -protokollen og understøtter også hybridkonfigurationer til ældre AVB -enheder.

802.1Qcc kan kombineres med IEEE 802.1Qca Path Control and Reservation (PCR) og TSN -trafikformere.

IEEE 802.1Qch Cyklisk kø og videresendelse (CQF)

Mens 802.1Qav FQTSS/CBS fungerer meget godt med blød realtidstrafik, er forsinkelser i værste fald både humletælling og netværkstopologi afhængige. Patologiske topologier indfører forsinkelser, så krav til bufferstørrelse skal overveje netværkstopologi.

IEEE 802.1Qch Cyklisk kø og videresendelse (CQF), også kendt som Peristaltic Shaper (PS), introducerer dobbeltbuffering, som gør det muligt for broer at synkronisere transmission (rammekørsel/dequeue -operationer) på en cyklisk måde, med begrænset latens afhængig af antallet af humle og cyklustiden, helt uafhængig af netværkstopologien.

CQF kan bruges med IEEE 802.1Qbv tidsbevidst planlægger, IEEE 802.1Qbu frame preempt og IEEE 802.1Qci indtrængende trafikpoliti.

IEEE 802.1Qci Per-Stream filtrering og politiarbejde (PSFP)

IEEE 802.1Qci Per-Stream filtrering og politiarbejde (PSFP) forbedrer netværkets robusthed ved at filtrere individuelle trafikstrømme. Det forhindrer trafikoverbelastningsforhold, der kan påvirke broer og de modtagende endepunkter på grund af funktionsfejl eller Denial of Service (DoS) -angreb. Streamfilteret anvender regelmatchning til at tillade rammer med specificerede stream -id'er og prioritetsniveauer og anvende politikhandlinger på anden måde. Alle vandløb er koordineret ved deres porte, på samme måde som 802.1Qch -signalering. Flowmåling anvender foruddefinerede båndbreddeprofiler for hver strøm.

TSN -planlægning og trafikudformning

IEEE 802.1Qbv forbedringer til trafikplanlægning: Time-Aware Shaper (TAS)

IEEE 802.1Qbv tidsbevidst planlægger er designet til at adskille kommunikationen på Ethernet-netværket til en fast længde, der gentager tidscyklusser. Inden for disse cyklusser kan der konfigureres forskellige tidsskiver, der kan tildeles en eller flere af de otte Ethernet -prioriteter. Ved at gøre dette er det muligt at give eksklusiv brug - i en begrænset periode - til Ethernet -transmissionsmediet for de trafikklasser, der har brug for transmissionsgarantier og ikke kan afbrydes. Det grundlæggende koncept er et TDMA-system ( time-division multiple access ). Ved at etablere virtuelle kommunikationskanaler for bestemte tidsperioder kan tidskritisk kommunikation adskilles fra ikke-kritisk baggrunds trafik.

Tidsbevidst planlægger introducerer Stream Reservation Class CDT til tidskritiske kontroldata med værste fald latency på 100 μs over 5 hop og maksimal transmissionsperiode på 0,5 ms, ud over klasse A og B defineret for IEEE 802.1Qav-kredit- baseret trafikformgiver. Ved at give eksklusiv adgang til transmissionsmediet og enheder til tidskritiske trafikklasser kan buffereffekterne i Ethernet-switch-transmissionsbufferne undgås, og tidskritisk trafik kan transmitteres uden ikke-deterministiske afbrydelser. Et eksempel på en IEEE 802.1Qbv -planlæggerkonfiguration er synlig i figur 1:

I dette eksempel består hver cyklus af to tidsskiver. Tidsskive 1 tillader kun transmission af trafik mærket med VLAN -prioritet 3, og tidsskive 2 i hver cyklus gør det muligt at sende resten af ​​prioriteterne. Da IEEE 802.1Qbv -planlæggeren kræver, at alle ure på alle netværksenheder (Ethernet -switche og slutenheder) synkroniseres og den samme tidsplan konfigureres, forstår alle enheder, hvilken prioritet der kan sendes til netværket på et givet tidspunkt. Da tidsskive 2 har mere end én prioritet tildelt inden for denne tidsskive, håndteres prioriteterne i henhold til standard IEEE 802.1Q streng prioritetsplanlægning.

Denne adskillelse af Ethernet-transmissioner i cyklusser og tidsskiver kan forbedres yderligere ved at inkludere andre planlægnings- eller trafikformningsalgoritmer, såsom IEEE 802.1Qav-kreditbaseret trafikformgiver. IEEE 802.1Qav understøtter blød real-time. I dette særlige eksempel kunne IEEE 802.1Qav tildeles en eller to af de prioriteter, der bruges i tidsskive to til yderligere at skelne mellem lyd/video -trafik og baggrundsfiloverførsler. Tidsfølsom netværksopgavegruppe specificerer en række forskellige planlæggere og trafikformere, der kan kombineres for at opnå den ikke-reaktive sameksistens af hård realtid, blød realtid og baggrundsstrafik på den samme Ethernet-infrastruktur.

IEEE 802.1Qbv mere detaljeret: Tidsskiver og beskyttelsesbånd

Når et Ethernet -interface har startet transmissionen af ​​en ramme til transmissionsmediet, skal denne transmission være fuldstændig færdig, før en anden transmission kan finde sted. Dette inkluderer transmission af CRC32- kontrolsummen i slutningen af ​​rammen for at sikre en pålidelig, fejlfri transmission. Denne iboende egenskab ved Ethernet -netværk - udgør igen en udfordring for TDMA -tilgangen til IEEE 802.1Qbv -planlæggeren. Dette er synligt i figur 2:

Lige inden udgangen af ​​tidsskive 2 i cyklus n startes en ny rammetransmission. Desværre er denne ramme for stor til at passe ind i sin tidsperiode. Da transmissionen af ​​denne ramme ikke kan afbrydes, overtræder rammen den følgende tidsskive 1 i den næste cyklus n+1. Ved delvist eller fuldstændigt at blokere et tidskritisk tidsudsnit kan realtidsrammer blive forsinket op til det punkt, hvor de ikke længere kan opfylde applikationskravene. Dette ligner meget de faktiske buffereffekter, der sker i ikke-TSN Ethernet-switche, så TSN skal specificere en mekanisme for at forhindre, at dette sker.

IEEE 802.1Qbv tidsbevidst planlægger skal sikre, at Ethernet-grænsefladen ikke er optaget af transmission af en ramme, når planlæggeren skifter fra engangsskive til den næste. Den tidsbevidste planlægger opnår dette ved at sætte et vagtbånd foran hver tidsskive, der bærer tidskritisk trafik. I løbet af denne vagtbåndstid må der ikke startes nogen ny Ethernet -rammetransmission, kun allerede igangværende transmissioner kan være færdige. Varigheden af ​​dette beskyttelsesbånd skal være så lang, som det tager den maksimale rammestørrelse for sikkert at blive transmitteret. For en Ethernet -ramme i henhold til IEEE 802.3 med et enkelt IEEE 802.1Q VLAN -tag og inklusive interframe -afstand er den samlede længde: 1500 byte (frame payload) + 18 byte (ethernet -adresser, EtherType og CRC) + 4 byte (VLAN -tag) + 12 byte (mellemrumsafstand) + 8 byte (præambel og SFD) = 1542 byte.

Den samlede tid, der er nødvendig for at sende denne ramme, afhænger af linkhastigheden for Ethernet -netværket. Med Fast Ethernet og 100 Mbit/s overførselshastighed er transmissionens varighed som følger:

${\ displaystyle t_ {maxframe} = {\ frac {1542 \ byte} {12.5 \ cdot 10^{6} \ byte \ cdot {\ frac {1} {s}}}} = 123.36 \ cdot 10^{-6 } s}$

I dette tilfælde skal beskyttelsesbåndet være mindst 123,36 µs langt. Med vagtbåndet reduceres den samlede båndbredde eller tid, der kan bruges inden for en tidsskive, med længden af ​​vagtbåndet. Dette er synligt i figur 3

Bemærk: For at lette præsentationen af ​​emnet er den faktiske størrelse af beskyttelsesbåndet i figur 3 ikke skaleret, men er betydeligt mindre end angivet af rammen i figur 2.

I dette eksempel indeholder tidsskiven 1 altid data med høj prioritet (f.eks. Til bevægelseskontrol), mens tidsskive 2 altid indeholder data med den bedste indsats. Derfor skal der anbringes et vagtbånd ved hvert overgangspunkt til tidsskive 1 for at beskytte tidsskiven for de (de) kritiske datastrømme.

Mens vagtbåndene formår at beskytte tidsskiverne med høj prioritet, kritisk trafik, har de også nogle betydelige ulemper:

• Den tid, der forbruges af et vagtbånd, går tabt - det kan ikke bruges til at overføre data, da Ethernet -porten skal være tavs. Derfor oversættes den tabte tid direkte i tabt båndbredde for baggrunds -trafik på det pågældende Ethernet -link.
• En enkelt tidsskive kan aldrig konfigureres mindre end størrelsen på beskyttelsesbåndet. Især med Ethernet -forbindelser med lavere hastighed og voksende beskyttelsesbåndstørrelse har dette en negativ indvirkning på den lavest mulige tidsskive -længde og cyklustid.

For delvist at afbøde tabet af båndbredde gennem beskyttelsesbåndet inkluderer standard IEEE 802.1Qbv en længdebevidst planlægningsmekanisme. Denne mekanisme bruges, når der bruges store-og-forward-switch : efter den fulde modtagelse af en Ethernet-ramme, der skal transmitteres på en port, hvor beskyttelsesbåndet er i kraft, kontrollerer planlæggeren rammens samlede længde. Hvis rammen kan passe helt inde i beskyttelsesbåndet uden nogen overtrædelse af det følgende højt prioriterede udsnit, kan planlæggeren sende denne ramme på trods af et aktivt beskyttelsesbånd og reducere spild af båndbredde. Denne mekanisme kan imidlertid ikke bruges, når gennemskiftning er aktiveret, da Ethernet-rammens samlede længde skal kendes på forhånd. Når cut-through-omskiftning bruges til at minimere ende-til-ende-latenstid, vil der derfor stadig forekomme spild af båndbredde. Dette hjælper heller ikke med den mindst mulige cyklustid. Derfor er længdebevidst planlægning en forbedring, men kan ikke afbøde alle ulemper, der introduceres af vagtbåndet.

IEEE 802.3br og 802.1Qbu Interspersing Express Traffic (IET) og Frame Preemption

For yderligere at afbøde de negative virkninger fra beskyttelsesbåndene har IEEE-arbejdsgrupperne 802.1 og 802.3 specificeret teknologien til rammeindførelse. De to arbejdsgrupper samarbejdede i dette forsøg, da teknologien krævede både ændringer i Ethernet Media Access Control (MAC) -skemaet, der er under kontrol af IEEE 802.3, samt ændringer i de styringsmekanismer, der er under kontrol af IEEE 802.1. På grund af denne kendsgerning er rammeforeningen beskrevet i to forskellige standarddokumenter: IEEE 802.1Qbu for brostyringskomponenten og IEEE 802.3br for Ethernet MAC-komponenten.

Frame preemption definerer to MAC -tjenester for en udgangsport, forudsigelig MAC (pMAC) og express MAC (eMAC). Hurtige rammer kan afbryde transmissionen af ​​forudsigelige rammer. Ved genoptagelse samler MAC-flettet underlag igen rammefragmenter i den næste bro.

Preemption forårsager beregningsomkostninger i linkgrænsefladen, da den operationelle kontekst skal overføres til ekspressrammen.

Figur 4 giver et grundlæggende eksempel på, hvordan frame pre-emption fungerer. Under processen med at sende en Ethernet -ramme med størst mulig indsats afbryder MAC rammetransmissionen lige inden beskyttelsesbåndets start. Delrammen afsluttes med en CRC og gemmes i den næste switch for at vente på, at den anden del af rammen ankommer. Efter at trafikken med høj prioritet i tidsskive 1 er passeret, og cyklussen skifter tilbage til tidsskive 2, genoptages den afbrudte rammetransmission. Frame-præemption fungerer altid på et rent link-by-link-grundlag og kun fragmenter fra en Ethernet-switch til den næste Ethernet-switch, hvor rammen samles igen. I modsætning til fragmentering med Internet Protocol (IP) understøttes der ingen ende-til-ende-fragmentering.

Hver delramme kompletteres med en CRC32 til fejlregistrering. I modsætning til den almindelige Ethernet CRC32 vendes de sidste 16 bit for at gøre en delvis ramme skelnes fra en almindelig Ethernet -ramme. Derudover ændres også starten af ​​frame delimiter (SFD).

Understøttelsen af ​​frame-præemption skal aktiveres på hvert link mellem enheder individuelt. For at signalere muligheden for ramme-præemption på et link, meddeler en Ethernet-switch denne kapacitet via LLDP (Link Layer Discovery Protocol) . Når en enhed modtager en sådan LLDP-meddelelse på en netværksport og understøtter selve rammeforeningen, kan den aktivere funktionen. Der er ingen direkte forhandling og aktivering af kapaciteten på tilstødende enheder. Enhver enhed, der modtager LLDP-forhåndsmeddelelsesmeddelelsen, antager, at der i den anden ende af linket er en enhed til stede, der kan forstå ændringerne i rammeformatet (ændret CRC32 og SFD).

Frame-præemption giver mulighed for en betydelig reduktion af beskyttelsesbåndet. Længden af ​​beskyttelsesbåndet er nu afhængig af præcisionen i rammens præemptionsmekanisme: hvor lille er rammens minimumsstørrelse, som mekanismen stadig kan foregribe. IEEE 802.3br angiver den bedste nøjagtighed for denne mekanisme ved 64 byte - på grund af at dette er minimumsstørrelsen på en stadig gyldig Ethernet -ramme. I dette tilfælde kan beskyttelsesbåndet reduceres til i alt 127 byte: 64 byte (minimumsramme) + 63 byte (resterende længde, der ikke kan tømmes forud). Alle større rammer kan fortømmes igen, og derfor er det ikke nødvendigt at beskytte mod denne størrelse med et beskyttelsesbånd.

Dette minimerer den bedste indsats båndbredde, der går tabt, og giver også mulighed for meget kortere cyklustider ved lavere Ethernet -hastigheder, f.eks. 100 Mbit/s og derunder. Da præ-emptionen finder sted i hardware i MAC, når rammen passerer igennem, kan cut-through-skifte også understøttes, da den samlede rammestørrelse ikke er nødvendig på forhånd. MAC-grænsefladen kontrollerer bare med regelmæssige 64 byte-intervaller, om rammen skal forudgås eller ej.

Kombinationen af ​​tidssynkronisering, IEEE 802.1Qbv-planlæggeren og frame-præemption udgør allerede et effektivt sæt standarder, der kan bruges til at garantere sameksistens mellem forskellige trafikkategorier på et netværk, samtidig med at der ydes end-to-end latensgarantier. Dette vil blive forbedret yderligere, efterhånden som nye IEEE 802.1 -specifikationer, f.eks. 802.1Qch, er færdige.

Mangler ved IEEE 802.1Qbv/bu

Samlet set har den tidsbevidste planlægger en høj implementeringskompleksitet, og brugen af ​​båndbredde er ikke effektiv. Opgave- og hændelsesplanlægning i slutpunkter skal kobles med trafikindretningens gate -planlægning for at sænke latenstiderne. En kritisk mangel er en vis forsinkelse, når et slutpunkt streamer usynkroniserede data på grund af ventetiden til det næste tidsudløste vindue.

Den tidsbevidste planlægger kræver tæt synkronisering af sine tidsudløste vinduer, så alle broer på strømbanen skal synkroniseres. Imidlertid er synkronisering af valg af TSN -broramme og transmissionstid ikke tilfældigt, selv i moderat størrelse netværk og kræver en fuldt administreret løsning.

Frame preemption er svært at implementere og har ikke oplevet bred branchestøtte.

IEEE 802.1Qcr asynkron trafikformning

Kreditbaserede, tidsbevidste og cykliske (peristaltiske) formgivere kræver koordineret tid i hele netværket og udnytter netværksbåndbredde ineffektivt, da de håndhæver pakketransmission ved periodiske cyklusser. IEEE 802.1Qcr Asynchronous Traffic Shaper (ATS) fungerer asynkront baseret på lokale ure i hver bro, hvilket forbedrer linkudnyttelse for blandede trafiktyper, f.eks. Periodisk med vilkårlige perioder, sporadisk (hændelsesdrevet) og hastighedsbegrænset.

ATS anvender den hastebaserede planlægger (UBS), der prioriterer hastende trafik ved hjælp af kø i pr. Klasse og omformning pr. Stream. Asynkronicitet opnås ved sammenflettet formgivning med trafikkarakterisering baseret på Token Bucket Emulation, en token bucket- emuleringsmodel, for at eliminere burstiness-kaskadeeffekterne af per-klasse-formgivning. TBE -shaperen styrer trafikken efter den gennemsnitlige transmissionshastighed, men tillader et vist niveau af burst -trafik. Når der er et tilstrækkeligt antal tokens i spanden, starter transmissionen med det samme; ellers lukker køens port for den tid, der er nødvendig for at akkumulere nok tokens.

UBS er en forbedring af Rate-Controlled Service Disciplines (RCSD'er) til at styre udvælgelse og transmission af hver enkelt ramme ved hvert hop, afkobling af strømbåndbredde fra forsinkelsen, der er bundet af adskillelse af satsstyring og pakkeplanlægning, og ved hjælp af statiske prioriteter og først til mølle - Første server og tidligste forfaldsdato Første kø.

UBS-kø har to niveauer af hierarki: per-flow-formede køer, med fast prioritet tildelt af upstream-kilderne i henhold til applikationsdefinerede pakketransmissionstider, hvilket tillader vilkårlig overførselsperiode for hver strøm og delte køer, der fletter strømme med den samme interne prioritet fra flere former. Denne adskillelse af kø har lav implementeringskompleksitet og sikrer samtidig, at rammer med højere prioritet vil omgå de lavere prioritetsrammer.

De delte køer er stærkt isolerede, med politikker for separate køer for rammer fra forskellige sendere, den samme sender, men forskellig prioritet, og den samme sender og prioritet, men en anden prioritet hos modtageren. Køisolering forhindrer spredning af ondsindede data, hvilket sikrer, at almindelige streams ikke får interferens, og muliggør fleksibel stream eller senderblokering ved administrativ handling. Det mindste antal delte køer er antallet af porte minus en og mere med yderligere isoleringspolitikker. Delt kø har planlæggerens interne faste prioritet, og rammer transmitteres efter først til mølle -princippet.

Værkets synkroniseringsnøjagtighed reducerer ikke linkudnyttelsen i modsætning til tidsudløste tilgange som TAS (Qbv) og CQF (Qch).

Valg af kommunikationsveje og fejltolerance

IEEE 802.1Qca Path Control and Reservation (PCR)

IEEE 802.1Qca Path Control and Reservation (PCR) angiver udvidelser til protokollen Intermediate Station to Intermediate Station (IS-IS) til konfiguration af flere stier i broforbundne netværk.

IEEE 802.1Qca-standarden anvender Shortest Path Bridging (SPB) med en software-defineret netværkshybridtilstand (SDN) -IS -IS-protokollen håndterer grundlæggende funktioner, mens SDN-controlleren administrerer eksplicitte stier ved hjælp af Path Computation Elements (PCE'er) på dedikeret server knudepunkter. IEEE 802.1Qca integrerer kontrolprotokoller til at styre flere topologier, konfigurere en eksplicit videresendelsessti (en foruddefineret sti for hver strøm), reservere båndbredde, giver databeskyttelse og redundans og distribuere flow -synkronisering og flowkontrolmeddelelser. Disse er afledt af Equal Cost Tree (ECT), Multiple Spanning Tree Instance (MSTI) og Internal Spanning Tree (IST) og Explicit Tree (ET) protokoller.

IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER)

IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER) sender kopier af hver frame over flere usammenhængende stier for at give proaktiv sømløs redundans til kontrolapplikationer, der ikke kan tolerere tab af pakker.

Pakkereplikationen kan bruge trafikklasse og stiinformation til at minimere overbelastning af netværket. Hver replikeret ramme har et sekvensidentifikationsnummer, der bruges til at genbestille og flette rammer og til at kassere dubletter.

FRER kræver centraliseret konfigurationsstyring og skal bruges med 802.1Qcc og 802.1Qca. Industriel fejltolerance HSR og PRP specificeret i IEC 62439-3 understøttes.

Aktuelle projekter

IEEE 802.1CS Link-Local Registration Protocol

MRP -tilstandsdata for en strøm tager 1500 bytes. Med yderligere trafikstrømme og større netværk øges databasens størrelse proportionalt, og MRP -opdateringer mellem bro naboer bremser betydeligt. Link-Local Registration Protocol (LRP) er optimeret til en større databasestørrelse på ca. 1 Mbyte med effektiv replikering, der tillader trinvise opdateringer. Noder, der ikke reagerer med forældede data, kasseres automatisk. Mens MRP er applikationsspecifik, idet hver registreret applikation definerer sit eget sæt operationer, er LRP applikationsneutral.

IEEE 802.1Qdd -ressourceallokeringsprotokol

SRP og MSRP er primært designet til AV -applikationer - deres distribuerede konfigurationsmodel er begrænset til Stream Reservation (SR) klasse A og B defineret af Credit -Based Shaper (CBS), mens IEEE 802.1Qcc indeholder en mere centraliseret CNC konfigurationsmodel, der understøtter alle nye TSN -funktioner såsom yderligere formere, rammeindfrielse og stavredundans.

IEEE P802.1Qdd-projekt opdaterer den distribuerede konfigurationsmodel ved at definere ny peer-to-peer-ressourceallokeringsprotokolsignalering, der er bygget på P802.1CS Link-local Registration Protocol. RAP vil forbedre skalerbarheden og give dynamisk reservation til et større antal streams med understøttelse af redundant transmission over flere stier i 802.1CB FRER og autokonfiguration af sekvensgenoprettelse.

RAP understøtter kapaciteten 'topologi-uafhængig per-hop latensberegning' for TSN-shapers som 802.1Qch Cyclic Queuing and Forwarding (CQF) og P802.1Qcr Asynchronous Traffic Shaping (ATS). Det vil også forbedre ydeevnen under høj belastning og understøtte proxying og forbedret diagnostik, samtidig med at bagudkompatibilitet og interoperabilitet med MSRP opretholdes.

IEEE 802.1ABdh Link Layer Discovery Protocol v2

IEEE P802.1ABdh Station og medieadgangskontrol Opdagelse af tilslutningsmuligheder - Understøttelse af Multiframe Protocol Data Units (LLDPv2) opdaterer LLDP for at understøtte IETF Link State Vector Routing -protokol og forbedre effektiviteten af ​​protokolmeddelelser.

YANG datamodeller

IEEE 802.1Qcp-standarden implementerer YANG-datamodellen for at tilvejebringe en Universal Plug-and-Play (uPnP) ramme for statusrapportering og konfiguration af udstyr såsom Media Access Control (MAC) broer, to-port MAC relæer (TPMR'er), kunde Virtual Local Area Network (VLAN) Bridges og Provider Bridges, og for at understøtte 802.1X Security og 802.1AX Datacenter Bridging -standarder.

YANG er et Unified Modeling Language (UML) til konfiguration og tilstandsdata, meddelelser og fjernprocedurekald, til opsætning af enhedskonfiguration med netværksstyringsprotokoller, f.eks. NETCONF/RESTCONF.

DetNet

Arbejdsgruppen IETF Deterministic Networking (DetNet) fokuserer på at definere deterministiske datastier med høj pålidelighed og grænser for latenstid, tab og pakkeforsinkelsesvariation (jitter), såsom lyd- og videostreaming, industriel automatisering og køretøjskontrol.

Målene med Deterministic Networking er at migrere tidskritiske, industrielle og audio-videoapplikationer med høj pålidelighed fra Fieldbus- netværk til specielle formål til IP- pakkenetværk. For at nå disse mål bruger DetNet ressourceallokering til at styre bufferstørrelser og transmissionshastigheder for at tilfredsstille ende-til-ende-latenstidskrav. Servicebeskyttelse mod fejl med redundans over flere stier og eksplicitte ruter for at reducere pakketab og genbestilling. Det samme fysiske netværk skal håndtere både tidskritisk reserveret trafik og almindelig indsatsstrafik, og ubenyttet reserveret båndbredde frigives til trafik med størst indsats.

DetNet opererer i de IP Layer 3- routede segmenter ved hjælp af et software-defineret netværkslag for at levere IntServ- og DiffServ- integration og leverer tjenester over lavere Layer 2- broerede segmenter ved hjælp af teknologier som MPLS og IEEE 802.1 AVB/TSN.

Traffic Engineering (TE) routingsprotokoller oversætter DetNet-flowspecifikation til AVB/TSN-kontroller til kø-, formnings- og planlægningsalgoritmer, såsom IEEE 802.1Qav-kreditbaseret shaper, IEEE802.1Qbv tidsudløst shaper med en roterende tidsplanlægger, IEEE802. 1Qch synkroniseret dobbeltbuffer, 802.1Qbu/802.3br Ethernet-pakkeforudnævnelse og 802.1CB frame-replikation og eliminering for pålidelighed. Også protokolinterworking defineret af IEEE 802.1CB bruges til at annoncere TSN-subnetværksfunktioner til DetNet-strømme via Active Destination MAC- og VLAN Stream-identifikationsfunktionerne. DetNet-strømninger matches af destinations-MAC-adresse, VLAN-id og prioritetsparametre til Stream ID- og QoS-krav til talere og lyttere i AVB/TSN-undernetværket.

Standarder

Time-Sensitive Networking standardsuite

Standard	Titel	Status	Udgivelsesdato
IEEE 802.1BA-2011	Audio Video Bridging (AVB) systemer	Strøm, ændret ved Cor1-2016	30. september 2011
IEEE 802.1AS-2020	Timing og synkronisering for tidsfølsomme applikationer ( gPTP )	Nuværende	30. januar 2020
IEEE 802.1ASdm	Timing og synkronisering for tidsfølsomme applikationer - Hot Standby	Udkast til 0.2	15. marts 2021
IEEE 802.1Qav-2009	Videresendelse og køforbedringer til tidssensitive strømme	Indarbejdet i IEEE 802.1Q	5. januar 2010
IEEE 802.1Qat -2010	Stream Reservation Protocol (SRP)		30. september 2010
IEEE 802.1aq -2012	Korteste vejbro (SPB)		29. marts 2012
IEEE 802.1Qbp-2014	Lige omkostninger Flere stier (til korteste vejbro)		27. marts 2014
IEEE 802.1Qbv-2015	Forbedringer til planlagt trafik		18. marts 2016
IEEE 802.1Qbu-2016	Frame Preemption		30. august 2016
IEEE 802.1Qca-2015	Sti kontrol og reservation		11. marts 2016
IEEE 802.1Qch-2017	Cyklisk kø og videresendelse		28. juni 2017
IEEE 802.1Qci-2017	Per-Stream filtrering og politiarbejde		28. september 2017
IEEE 802.1Q -2018	Broer og bronetværk ( indeholder 802.1Qav/Qat/aq/Qbp/Qbv/Qbu/Qca/Qci/Qch og andre ændringer )	Nuværende	6. juli 2018
IEEE 802.1Q-Rev	Broer og bronetværk	Udkast 1.0	1. august 2021
IEEE 802.1Qcc-2018	Stream Reservation Protocol (SRP) forbedringer og forbedringer af ydeevnen	Nuværende	31. oktober 2018
IEEE 802.1Qcy-2019	Virtual Station Interface (VSI) Discovery and Configuration Protocol (VDP)	Nuværende	4. juni 2018
IEEE 802.1Qcj	Automatisk tilknytning til Provider Backbone Bridging (PBB) tjenester	Udkast 1.3	12. februar 2021
IEEE 802.1Qcr-2020	Asynkron trafikformning	Nuværende	6. november 2020
IEEE 802.1Qcz	Isolering af overbelastning	Udkast 2.0	15. januar 2021
IEEE 802.1Qdd	Ressourcefordelingsprotokol	Udkast til 0,5	1. september 2021
IEEE 802.1Qdj	Konfigurationsforbedringer til TSN	Udkast 0.1	20. november 2020
IEEE 802.1AB-2016	Station og medieadgangskontrol Forbindelsesopdagelse ( Link Layer Discovery Protocol (LLDP))	Nuværende	11. marts 2016
IEEE 802.1ABdh	Station og medieadgangskontrol Forbindelsesopdagelse - Understøttelse af multiframe -protokoldataenheder (LLDPv2)	Udkast 2.0	15. juli 2021
IEEE 802.1AX -2020	Link sammenlægning	Nuværende	30. januar 2020
IEEE 802.1CB-2017	Ramreplikation og eliminering for pålidelighed	Nuværende	27. oktober 2017
IEEE 802.1CBdb	FRER Funktioner til udvidet strømidentifikation	Udkast 2.0	22. juli 2021
IEEE 802.1CM-2018	Tidssensitivt netværk for Fronthaul	Nuværende	8. juni 2018
IEEE 802.1CMde-2020	Forbedringer til Fronthaul -profiler til understøttelse af nye Fronthaul -grænseflade-, synkroniserings- og syntoniseringsstandarder	Nuværende	16. oktober 2020
IEEE 802.1CS-2020	Link-lokal registreringsprotokol	Nuværende	3. december 2020
IEEE 802.1CQ	Multicast og lokal adressetildeling	Udkast 0.7	19. juli 2021
IEEE 802.1DC	Kvalitet af servicelevering af netværkssystemer	Udkast 1.1	18. oktober 2019
IEEE 802.1DF	TSN -profil til tjenesteudbydernetværk	Udkast 0.1	21. december 2020
IEEE 802.1DG	TSN-profil til Automotive In-Vehicle Ethernet-kommunikation	Udkast 1.3	18. december 2020
IEEE 802.1DP	TSN til Aerospace Onboard Ethernet Communications	forberedelse	3. december 2020
IEC/IEEE 60802	TSN -profil til industriel automatisering	Udkast 1.3	25. august 2020

Relaterede projekter:

Standard	Titel	Status	Opdateret dato
IEEE 802.3br	Indskudt eksprestrafik	Udgivet	30. juni 2016

Referencer

eksterne links

• IEEE 802.1 Tidsfølsom netværksopgavegruppe
• IEEE 802.1 offentligt dokumentarkiv
• Real-time Ethernet-omdefineret (på tysk)
• Time Sensitive Networking (TSN) Vision: Samlende forretning og industriel automatisering
• Tænder TSN -aktivitet endnu en Fieldbus WAR?
• forskningsprojekt vedrørende TSN -applikationer i fly
• Hurtig startguide til visualisering af TSN
• TSN Training , Marc Boyer (ONERA), Pierre Julien Chaine (Airbus Defense and Space)