Time-Sensitive Networking ( TSN ) — это набор стандартов, разрабатываемых специальной группой Time-Sensitive Networking рабочей группы IEEE 802.1 . [1] Рабочая группа TSN была сформирована в ноябре 2012 года путем переименования существующей целевой группы по мостовому аудио-видео [2] и продолжения ее работы. Название изменилось в результате расширения рабочей зоны группы стандартизации. Стандарты определяют механизмы чувствительной ко времени передачи данных по детерминированным сетям Ethernet .
Большинство проектов определяют расширения стандарта IEEE 802.1Q – Bridges and Bridged Networks, который описывает виртуальные локальные сети и сетевые коммутаторы . [3] Эти расширения, в частности, обеспечивают передачу данных с очень низкой задержкой и высокой доступностью. Приложения включают в себя конвергентные сети с потоковой передачей аудио/видео в реальном времени и потоками управления в реальном времени, которые используются в автомобильных приложениях и промышленных средствах управления.
Стандартное сетевое оборудование информационных технологий не имеет понятия «времени» и не может обеспечить синхронизацию и точную синхронизацию. Надежная доставка данных более важна, чем доставка в течение определенного времени, поэтому нет никаких ограничений на задержку или точность синхронизации. Даже если средняя задержка перехода очень мала, отдельные задержки могут быть неприемлемо высокими. Перегрузка сети решается путем регулирования и повторной передачи отброшенных пакетов на транспортном уровне, но средств предотвращения перегрузки на канальном уровне не существует. Данные могут быть потеряны, когда буферы слишком малы или пропускная способность недостаточна, но чрезмерная буферизация увеличивает задержку, что неприемлемо, когда требуются низкие детерминированные задержки.
Различные документы стандартов AVB/TSN, указанные в IEEE 802.1, можно сгруппировать в три основные категории ключевых компонентов, которые необходимы для комплексного решения связи в реальном времени на основе коммутируемых сетей Ethernet с детерминированным качеством обслуживания (QoS) для двухточечной связи. связи. Каждая стандартная спецификация может использоваться сама по себе и в большинстве случаев является самодостаточной. Однако только при совместном использовании TSN как система связи сможет полностью раскрыть свой потенциал. Три основных компонента:
Приложения, которым необходима детерминированная сеть с предсказуемым поведением, включают аудио и видео, первоначально определенные в Audio Video Bridging (AVB); сети управления, которые принимают входные данные от датчиков, выполняют обработку контура управления и инициируют действия; критически важные для безопасности сети, реализующие резервирование пакетов и каналов; и смешанные медиасети, которые обрабатывают данные с различными уровнями временной чувствительности и приоритета, например сети транспортных средств, которые поддерживают климат-контроль, информационно-развлекательную систему, бортовую электронику и помощь водителю. Пакет IEEE AVB/TSN служит основой для детерминированных сетей, удовлетворяющих общим требованиям этих приложений.
AVB/TSN может обрабатывать трафик с ограничением скорости, когда каждый поток имеет ограничение пропускной способности, определяемое минимальными интервалами между кадрами и максимальным размером кадра, а также трафик с синхронизацией по времени и точным временем отправки. Трафик с низким приоритетом передается по принципу «максимально возможно», без каких-либо гарантий времени и доставки.
В отличие от стандартного Ethernet согласно IEEE 802.3 и мостового соединения Ethernet согласно IEEE 802.1Q , в сетях TSN время очень важно. Для связи в реальном времени с жесткими, не подлежащими обсуждению временными границами для задержек сквозной передачи все устройства в этой сети должны иметь общую привязку времени и, следовательно, синхронизировать свои часы между собой. Это справедливо не только для конечных устройств потока связи, таких как промышленный контроллер и производственный робот, но также справедливо для сетевых компонентов, таких как коммутаторы Ethernet . Только благодаря синхронизированным часам все сетевые устройства могут работать в унисон и выполнять необходимую операцию точно в нужный момент времени. Хотя синхронизация времени в сетях TSN может быть достигнута с помощью часов GPS , это дорого, и нет никакой гарантии, что конечное устройство всегда будет иметь доступ к радио или спутниковому сигналу. Из-за этих ограничений время в сетях TSN обычно распределяется из одного центрального источника времени непосредственно через саму сеть с помощью протокола точного времени IEEE 1588 , который использует кадры Ethernet для распространения информации о синхронизации времени. IEEE 802.1AS — это строго ограниченное подмножество IEEE 1588 с точностью до субмикросекунды и расширениями для поддержки синхронизации по радио Wi-Fi ( IEEE 802.11 ). Идея этого профиля состоит в том, чтобы сузить огромный список различных вариантов IEEE 1588 до нескольких управляемых критических вариантов, которые применимы к домашним сетям или сетям в автомобильной или промышленной автоматизации.
IEEE 802.1AS-2011 определяет профиль Generalized Precision Time Protocol (gPTP), который, как и все профили IEEE 1588 , выбирает один из вариантов 1588, но также обобщает архитектуру, позволяя PTP применяться за пределами проводных сетей Ethernet.
Чтобы учесть задержки на пути передачи данных, протокол gPTP измеряет время пребывания кадра внутри каждого моста (время, необходимое для приема, обработки, постановки в очередь и передачи информации о синхронизации от входного к выходному порту), а также задержку канала каждого перехода ( задержка распространения между двумя соседними мостами). Эти рассчитанные задержки затем привязываются к часам GrandMaster (GM) в мосту, выбранном алгоритмом Best Master Clock, протоколом связующего дерева часов, с которым все устройства Clock Master (CM) и конечные точки пытаются синхронизироваться. Любое устройство, которое не синхронизируется с сообщениями синхронизации, находится за пределами границ домена синхронизации (рис. 2).
Точность синхронизации зависит от точных измерений задержки канала и времени пребывания кадра. 802.1AS использует «логическую синтонизацию», где соотношение между локальными тактовыми частотами и тактовыми частотами GM используется для расчета синхронизированного времени, а соотношение между локальными тактовыми частотами и тактовыми частотами GM для расчета задержки распространения.
IEEE802.1AS-2020 обеспечивает повышенную точность измерения времени и поддержку нескольких временных интервалов для обеспечения избыточности.
Планирование и формирование трафика позволяют сосуществовать в одной сети разные классы трафика с разными приоритетами, каждый из которых имеет разные требования к доступной пропускной способности и сквозной задержке.
Формирование трафика — это процесс равномерного распределения кадров/пакетов во времени для сглаживания трафика. Без формирования трафика в источниках и мостах пакеты будут «группироваться», т.е. агломерироваться в пакеты трафика, перегружая буферы в последующих мостах/коммутаторах на пути следования.
Стандартное мостовое соединение согласно IEEE 802.1Q использует строгую схему приоритетов с восемью различными приоритетами. На уровне протокола эти приоритеты отображаются в поле кода приоритета (PCP) в теге VLAN 802.1Q стандартного кадра Ethernet . Эти приоритеты уже различают более важный и менее важный сетевой трафик, но даже при наличии самого высокого из восьми приоритетов не может быть дано абсолютной гарантии сквозного времени доставки. Причиной этого являются эффекты буферизации внутри коммутаторов Ethernet. Если коммутатор начал передачу кадра Ethernet через один из своих портов, даже кадр с самым высоким приоритетом должен ждать внутри буфера коммутатора, чтобы эта передача завершилась. При стандартной коммутации Ethernet избежать этой недетерминированности невозможно. Это не проблема в средах, где приложения не зависят от своевременной доставки отдельных кадров Ethernet, например в офисных ИТ-инфраструктурах. В этих средах передача файлов, электронная почта или другие бизнес-приложения сами по себе имеют ограниченную чувствительность ко времени и обычно защищаются другими механизмами, расположенными на более высоких уровнях стека протоколов, такими как протокол управления передачей . В промышленной автоматизации (программируемый логический контроллер ( ПЛК ) с промышленным роботом ) и автомобильной автомобильной среде, где приложения управления с замкнутым контуром или системы безопасности используют сеть Ethernet, надежная и своевременная доставка имеет первостепенное значение. AVB/TSN расширяет стандартную связь Ethernet, добавляя механизмы, обеспечивающие различные временные интервалы для разных классов трафика и гарантирующие своевременную доставку с учетом мягких и жестких требований приложений системы управления в реальном времени. Механизм использования восьми различных приоритетов VLAN сохраняется для обеспечения полной обратной совместимости с Ethernet, отличным от TSN. Для достижения времени передачи с гарантированной сквозной задержкой один или несколько из восьми приоритетов Ethernet могут быть индивидуально назначены уже существующим методам (например, планировщику строгих приоритетов IEEE 802.1Q) или новым методам обработки, таким как IEEE 802.1. Формирователь трафика на основе кредитов Qav, формирователь с учетом времени IEEE 802.1Qbv [4] или асинхронный формирователь IEEE 802.1Qcr.
Чувствительный ко времени трафик имеет несколько классов приоритета. Для формирователя 802.1Qav на основе кредитов класс резервирования потока A имеет высший приоритет с периодом передачи 125 мкс ; Класс B имеет второй по величине приоритет с максимальным периодом передачи 250 мкс . Классы трафика не должны превышать предварительно настроенную максимальную пропускную способность (75 % для аудио- и видеоприложений). Максимальное количество переходов — 7. Требование к задержке для наихудшего случая определяется как 2 мс для класса A и 50 мс для класса B, но было показано, что оно ненадежно. [5] [6] Задержка однорангового узла для каждого порта, обеспечиваемая gPTP, и задержка пребывания сетевого моста суммируются для расчета накопленных задержек и обеспечения соблюдения требований к задержке. Управляющий трафик имеет третий по величине приоритет и включает трафик gPTP и SRP. Планировщик 802.1Qbv с учетом времени представляет класс CDT для управления данными в реальном времени от датчиков и потоков команд к исполнительным механизмам с задержкой в наихудшем случае 100 мкс за 5 переходов и максимальным периодом передачи 0,5 мс. Класс CDT имеет наивысший приоритет над классами A, B и управляющим трафиком.
Усовершенствования пересылки и организации очередей IEEE 802.1Qav для чувствительных ко времени потоков определяют формирование трафика с использованием классов приоритета, которое основано на простой форме справедливой организации очереди на основе кредитов «дырявого ведра» . 802.1Qav разработан для уменьшения буферизации в принимающих мостах и конечных точках.
Формирователь на основе кредитов определяет кредиты в битах для двух отдельных очередей, предназначенных для трафика класса A и класса B. Передача кадров разрешена только в том случае, если кредит неотрицательен; во время передачи кредит уменьшается со скоростью, называемой sendSlope:
Кредит увеличивается со скоростью IdleSlope, если кадры ожидают передачи из других очередей:
Таким образом,dleSlope — это полоса пропускания, зарезервированная мостом для очереди, а sendSlope — это скорость передачи службы MAC порта.
Если кредит отрицательный и кадры не передаются, кредит увеличивается со скоростью IdleSlope, пока не будет достигнут ноль. Если кадр AVB не может быть передан из-за передачи кадра, отличного от AVB, кредит накапливается со скоростью IdleSlope, но допускается положительный кредит.
Дополнительные ограничения hiCredit и loCredit основаны на максимальном размере кадра и максимальном размере помех, IdleSlope/sendSlope и максимальной скорости передачи порта.
Кадры трафика зарезервированного AV-потока пересылаются с высоким приоритетом по сравнению с незарезервированным трафиком Best Effort , при условии соблюдения правил формирования трафика на основе кредитов, которые могут потребовать от них ожидания определенного количества кредитов. Это защищает трафик с максимальной эффективностью, ограничивая максимальный пакет AV-потока. Кадры планируются очень равномерно, хотя и только на совокупной основе, чтобы сгладить время доставки и уменьшить пакетную передачу и группировку, что может привести к переполнению буфера и отбрасыванию пакетов, что приводит к повторной передаче. Увеличенная задержка буферизации делает повторно передаваемые пакеты устаревшими к моменту их поступления, что приводит к потере кадров, что снижает качество AV-приложений.
Хотя формирователь на основе кредита обеспечивает справедливое планирование для пакетов с низким приоритетом и сглаживает трафик для устранения перегрузки, к сожалению, средняя задержка увеличивается до 250 мкс на переход, что слишком велико для приложений управления, тогда как формирователь с учетом времени (IEEE 802.1) Qbv) имеет фиксированную задержку цикла от 30 мкс до нескольких миллисекунд и типовую задержку 125 мкс. Получение гарантированных верхних границ задержек в TSN является нетривиальной задачей и в настоящее время исследуется, например, с использованием математической структуры Network Calculus. [7]
Протокол резервирования потока IEEE 802.1Qat (SRP) — это распределенный одноранговый протокол, который определяет элементы управления доступом на основе требований к ресурсам потока и доступных сетевых ресурсов.
SRP резервирует ресурсы и рекламирует потоки от отправителя/источника (говорящего) к получателям/назначениям (слушателям); он работает для удовлетворения требований QoS для каждого потока и гарантирует наличие достаточных сетевых ресурсов на всем пути передачи потока.
Потоки трафика идентифицируются и регистрируются с помощью 64-битного StreamID, состоящего из 48-битного MAC-адреса (EUI) и 16-битного UniqueID, для идентификации различных потоков из одного источника.
SRP использует варианты протокола множественной регистрации (MRP) для регистрации и отмены регистрации значений атрибутов на коммутаторах/мостах/устройствах — протокол регистрации множественных MAC-адресов (MMRP), протокол регистрации множественных VLAN (MVRP) и протокол регистрации множественных потоков ( рекомендуемая розничная цена).
Протокол SRP по существу работает в следующей последовательности:
Ресурсы выделяются и настраиваются как в конечных узлах потока данных, так и в транзитных узлах на пути потока данных с помощью механизма сквозной сигнализации для обнаружения успеха/неудачи. Задержка в наихудшем случае рассчитывается путем запроса каждого моста.
Запросы на резервирование используют общее приложение MRP с механизмом распространения атрибутов MRP. Все узлы на пути потока проходят спецификацию декларации атрибутов MRP (MAD), которая описывает характеристики потока, чтобы мосты могли распределять необходимые ресурсы.
Если мост может зарезервировать необходимые ресурсы, он передает объявление следующему мосту; в противном случае выдается сообщение «сбой говорящего». Когда рекламное сообщение достигает слушателя, он отвечает сообщением «прослушиватель готов», которое передается обратно говорящему.
Рекламу говорящего и готовые к прослушиванию сообщения можно отменить, что приведет к прекращению потока.
Успешное резервирование гарантируется только тогда, когда все промежуточные узлы поддерживают SRP и отвечают на рекламные и готовые сообщения; на рисунке 2 выше домен AVB 1 не может подключиться к домену AVB 2.
SRP также используется стандартами TSN/AVB для определения приоритетов кадров, планирования кадров и формирования трафика.
SRP использует децентрализованную процедуру регистрации и резервирования, множественные запросы могут привести к задержкам для критического трафика. Поправка IEEE 802.1Qcc-2018 «Усовершенствования и улучшения производительности протокола резервирования потока (SRP)» уменьшает размер сообщений о резервировании и переопределяет таймеры, чтобы они запускали обновления только при изменении состояния канала или резервирования. Чтобы улучшить администрирование TSN в крупномасштабных сетях, каждый сетевой интерфейс пользователя (UNI) предоставляет методы запроса служб уровня 2, дополненные централизованной конфигурацией сети (CNC) для обеспечения централизованного резервирования и планирования, а также удаленного управления с использованием протоколов NETCONF/RESTCONF и IETF YANG. /NETCONF моделирование данных.
CNC реализует модель запроса-ответа для каждого потока, в которой класс SR явно не используется: конечные станции отправляют запросы на определенный поток (через пограничный порт) без знания конфигурации сети, а CNC выполняет резервирование потока централизованно. MSRP работает только на канале связи с конечными станциями в качестве носителя информации между ЧПУ и конечными станциями, а не для резервирования потока. Централизованная конфигурация пользователя (CUC) — это дополнительный узел, который обнаруживает конечные станции, их возможности и требования пользователей, а также настраивает функции TSN с оптимизацией задержки (для приложений IACS с замкнутым контуром ). Обеспечивается бесшовное взаимодействие с протоколом резервирования ресурсов (RSVP). 802.1Qcc позволяет централизованному управлению конфигурацией сосуществовать с децентрализованной, полностью распределенной конфигурацией протокола SRP, а также поддерживает гибридные конфигурации для устаревших устройств AVB.
802.1Qcc можно комбинировать с управлением и резервированием пути IEEE 802.1Qca (PCR) и формирователями трафика TSN.
Хотя 802.1Qav FQTSS/CBS очень хорошо работает с мягким трафиком в реальном времени, задержки в худшем случае зависят как от количества переходов, так и от топологии сети. Патологические топологии приводят к задержкам, поэтому требования к размеру буфера должны учитывать топологию сети.
IEEE 802.1Qch Cyclic Queuing and Forwarding (CQF), также известный как Peristaltic Shaper (PS), вводит двойную буферизацию, которая позволяет мостам синхронизировать передачу (операции постановки в очередь/удаления кадров) циклическим образом с ограниченной задержкой, зависящей только от количества прыжков и времени цикла, полностью независимого от топологии сети.
CQF можно использовать с планировщиком с учетом времени IEEE 802.1Qbv, вытеснением кадров IEEE 802.1Qbu и контролем входящего трафика IEEE 802.1Qci.
Попоточная фильтрация и применение политик (PSFP) IEEE 802.1Qci повышает надежность сети за счет фильтрации отдельных потоков трафика. Это предотвращает ситуации перегрузки трафика, которые могут повлиять на мосты и принимающие конечные точки из-за неисправности или атак типа «отказ в обслуживании» (DoS). Фильтр потока использует сопоставление правил, чтобы разрешать кадры с указанными идентификаторами потока и уровнями приоритета и в противном случае применять действия политики. Все потоки координируются на своих воротах, аналогично сигнализации 802.1Qch. Измерение потока применяет предварительно определенные профили пропускной способности для каждого потока.
Планировщик IEEE 802.1Qbv с учетом времени предназначен для разделения обмена данными в сети Ethernet на повторяющиеся временные циклы фиксированной длины. В рамках этих циклов можно настроить различные временные интервалы, которые можно назначить одному или нескольким из восьми приоритетов Ethernet. Сделав это, можно предоставить эксклюзивное использование (на ограниченный период времени) среды передачи Ethernet для тех классов трафика, которые требуют гарантий передачи и не могут быть прерваны. Базовой концепцией является схема множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA). Путем создания виртуальных каналов связи на определенные периоды времени критичная ко времени связь может быть отделена от некритического фонового трафика.
Планировщик с учетом времени представляет класс резервирования потока CDT для критичных ко времени управляющих данных с задержкой в худшем случае 100 мкс за 5 переходов и максимальным периодом передачи 0,5 мс в дополнение к классам A и B, определенным для кредита IEEE 802.1Qav. формирователь трафика на основе. Предоставляя эксклюзивный доступ к среде передачи и устройствам для классов трафика, критичных ко времени, можно избежать эффектов буферизации в буферах передачи коммутатора Ethernet, и критичный ко времени трафик может передаваться без недетерминированных прерываний. Один из примеров конфигурации планировщика IEEE 802.1Qbv показан на рисунке 1:
В этом примере каждый цикл состоит из двух временных интервалов. Временной интервал 1 позволяет передавать только трафик с тегом приоритета VLAN 3, а временной интервал 2 в каждом цикле позволяет отправлять остальные приоритеты. Поскольку планировщик IEEE 802.1Qbv требует синхронизации всех часов на всех сетевых устройствах (коммутаторах Ethernet и конечных устройствах) и настройки идентичного расписания, все устройства понимают, какой приоритет может быть отправлен в сеть в любой заданный момент времени. Поскольку временному интервалу 2 назначено более одного приоритета, в пределах этого временного интервала приоритеты обрабатываются в соответствии со строгим планированием приоритетов стандарта IEEE 802.1Q.
Это разделение передач Ethernet на циклы и временные интервалы можно дополнительно улучшить за счет включения других алгоритмов планирования или формирования трафика, таких как формирователь трафика на основе кредитов IEEE 802.1Qav. IEEE 802.1Qav поддерживает программный режим реального времени. В этом конкретном примере IEEE 802.1Qav может быть назначен одному или двум приоритетам, которые используются во втором временном интервале, чтобы дополнительно различать аудио/видео трафик и фоновую передачу файлов. Рабочая группа по созданию чувствительных к времени сетей определяет ряд различных планировщиков и формирователей трафика, которые можно комбинировать для достижения нереактивного сосуществования трафика жесткого реального времени, мягкого реального времени и фонового трафика в одной и той же инфраструктуре Ethernet.
Когда интерфейс Ethernet начал передачу кадра в среду передачи, эта передача должна быть полностью завершена, прежде чем можно будет выполнить следующую передачу. Сюда входит передача контрольной суммы CRC32 в конце кадра для обеспечения надежной и безошибочной передачи. Это неотъемлемое свойство сетей Ethernet снова создает проблему для подхода TDMA планировщика IEEE 802.1Qbv. Это видно на рисунке 2:
Непосредственно перед окончанием временного интервала 2 цикла n начинается передача нового кадра. К сожалению, этот кадр слишком велик, чтобы уместиться в его временной интервал. Поскольку передачу этого кадра нельзя прервать, этот кадр нарушает следующий интервал времени 1 следующего цикла n+1. Частично или полностью блокируя критичный по времени интервал времени, кадры реального времени могут быть задержаны до такой степени, что они больше не смогут соответствовать требованиям приложения. Это очень похоже на реальные эффекты буферизации, которые происходят в коммутаторах Ethernet, отличных от TSN, поэтому TSN должна указать механизм, предотвращающий это.
Планировщик IEEE 802.1Qbv с учетом времени должен гарантировать, что интерфейс Ethernet не занят передачей кадра, когда планировщик переходит от одного временного фрагмента к следующему. Планировщик с учетом времени достигает этого, помещая защитную полосу перед каждым временным интервалом, по которому передается критичный ко времени трафик. В течение этого времени защитной полосы нельзя начинать передачу новых кадров Ethernet, можно завершить только уже текущие передачи. Продолжительность этой защитной полосы должна быть такой, чтобы обеспечить максимальный размер кадра для безопасной передачи. Для кадра Ethernet в соответствии со стандартом IEEE 802.3 с одним тегом VLAN IEEE 802.1Q и включая межкадровый интервал общая длина составляет: 1500 байт (полезная нагрузка кадра) + 18 байт (адреса Ethernet, EtherType и CRC) + 4 байта (тег VLAN). + 12 байт (межкадровый интервал) + 8 байт (преамбула и SFD) = 1542 байта.
Общее время, необходимое для отправки этого кадра, зависит от скорости канала сети Ethernet. При использовании Fast Ethernet и скорости передачи 100 Мбит/с продолжительность передачи будет следующей:
В этом случае длина защитной полосы должна быть не менее 123,36 мкс. При использовании защитной полосы общая полоса пропускания или время, которое можно использовать в пределах временного интервала, уменьшается на длину защитной полосы. Это видно на рисунке 3.
Примечание: для облегчения изложения темы реальный размер защитной полосы на рисунке 3 приведен не в масштабе, а значительно меньше, чем обозначен рамкой на рисунке 2.
В этом примере временной интервал 1 всегда содержит данные с высоким приоритетом (например, для управления движением), тогда как временной интервал 2 всегда содержит данные наилучшего качества. Следовательно, защитную полосу необходимо разместить в каждой точке перехода во временной интервал 1, чтобы защитить временной интервал критического потока(ов) данных.
Хотя защитные полосы позволяют защитить временные интервалы с высоким приоритетом и критическим трафиком, они также имеют некоторые существенные недостатки:
Чтобы частично смягчить потерю пропускной способности из-за защитной полосы, стандарт IEEE 802.1Qbv включает механизм планирования с учетом длины. Этот механизм используется при использовании коммутации с промежуточным хранением : после полного приема кадра Ethernet, который необходимо передать на порт, на котором действует защитная полоса, планировщик проверяет общую длину кадра. Если кадр может полностью поместиться в защитную полосу без какого-либо нарушения следующего среза с высоким приоритетом, планировщик может отправить этот кадр, несмотря на активную защитную полосу, и сократить потери полосы пропускания. Однако этот механизм нельзя использовать, если включена сквозная коммутация , поскольку общая длина кадра Ethernet должна быть известна заранее. Таким образом, когда для минимизации сквозной задержки используется сквозная коммутация, непроизводительная трата полосы пропускания все равно будет происходить. Кроме того, это не помогает с минимально достижимым временем цикла. Таким образом, планирование с учетом длины является улучшением, но не может устранить все недостатки, связанные с защитной полосой.
Чтобы еще больше смягчить негативное воздействие защитных полос, рабочие группы IEEE 802.1 и 802.3 специфицировали технологию вытеснения кадров. Две рабочие группы сотрудничали в этом начинании, поскольку технология требовала как изменений в схеме управления доступом к среде Ethernet (MAC) , которая находится под контролем IEEE 802.3, так и изменений в механизмах управления, находящихся под контролем IEEE 802.1. В связи с этим вытеснение кадра описано в двух разных стандартах: IEEE 802.1Qbu [8] для компонента управления мостом и IEEE 802.3br [9] для компонента Ethernet MAC.
Вытеснение кадра определяет две службы MAC для выходного порта: вытесняемый MAC (pMAC) и экспресс-MAC (eMAC). Экспресс-кадры могут прерывать передачу вытесняемых кадров. При возобновлении подуровень слияния MAC повторно собирает фрагменты кадров в следующем мосту.
Вытеснение вызывает дополнительные вычислительные затраты в интерфейсе канала, поскольку рабочий контекст должен быть переведен в экспресс-кадр.
На рисунке 4 показан базовый пример того, как работает приоритетное вытеснение кадров. В процессе отправки кадра Ethernet с максимальной эффективностью MAC прерывает передачу кадра непосредственно перед началом защитной полосы. Частичный кадр завершается CRC и будет сохранен в следующем коммутаторе для ожидания прибытия второй части кадра. После прохождения высокоприоритетного трафика в интервале времени 1 и цикл переключается обратно на интервал времени 2, прерванная передача кадров возобновляется. Преимущественное вытеснение кадра всегда работает исключительно по каждому каналу и фрагментируется только от одного коммутатора Ethernet к следующему коммутатору Ethernet, где кадр повторно собирается. В отличие от фрагментации с помощью Интернет-протокола (IP) , сквозная фрагментация не поддерживается.
Каждый частичный кадр завершается CRC32 для обнаружения ошибок. В отличие от обычного CRC32 Ethernet, последние 16 бит инвертируются, чтобы частичный кадр можно было отличить от обычного кадра Ethernet. Кроме того, изменено начало разделителя кадра (SFD).
Поддержка приоритета кадра должна быть активирована для каждого канала между устройствами индивидуально. Чтобы сигнализировать о возможности приоритетного управления кадром в канале, коммутатор Ethernet объявляет об этой возможности через LLDP (протокол обнаружения канального уровня) . Когда устройство получает такое объявление LLDP на сетевом порту и само поддерживает вытеснение кадров, оно может активировать эту возможность. Прямого согласования и активации этой возможности на соседних устройствах не происходит. Любое устройство, которое получает объявление о приоритетном подключении LLDP, предполагает, что на другом конце канала присутствует устройство, которое может понимать изменения формата кадра (измененные CRC32 и SFD).
Вытеснение кадров позволяет значительно уменьшить защитную полосу. Длина защитной полосы теперь зависит от точности механизма вытеснения кадра: насколько мал минимальный размер кадра, который механизм все еще может вытеснить. IEEE 802.3br определяет наилучшую точность для этого механизма при размере 64 байта – из-за того, что это минимальный размер все еще действующего кадра Ethernet. В этом случае защитная полоса может быть уменьшена до 127 байт: 64 байта (минимальный кадр) + 63 байта (оставшаяся длина, которую нельзя вытеснить). Все кадры большего размера можно снова вытеснить, и поэтому нет необходимости защищать от этого размера защитную полосу.
Это сводит к минимуму потерю пропускной способности, а также позволяет значительно сократить время цикла при более медленных скоростях Ethernet, например 100 Мбит/с и ниже. Поскольку вытеснение происходит аппаратно в MAC при прохождении кадра, также может поддерживаться сквозное переключение, поскольку общий размер кадра априори не требуется. Интерфейс MAC просто проверяет через регулярные 64-байтовые интервалы, нужно ли вытеснять кадр или нет.
Сочетание синхронизации времени, планировщика IEEE 802.1Qbv и упреждения кадров уже представляет собой эффективный набор стандартов, которые можно использовать для обеспечения сосуществования различных категорий трафика в сети, а также обеспечения гарантий сквозной задержки. Это будет улучшаться по мере завершения разработки новых спецификаций IEEE 802.1, таких как 802.1Qch.
В целом, планировщик с учетом времени имеет высокую сложность реализации, и его использование полосы пропускания неэффективно. Планирование задач и событий в конечных точках должно быть связано с планированием шлюзов формирователя трафика, чтобы снизить задержки. Критическим недостатком является некоторая задержка, возникающая при потоковой передаче несинхронизированных данных конечной точкой из-за времени ожидания следующего окна, запускаемого по времени.
Планировщик с учетом времени требует жесткой синхронизации своих окон, запускаемых по времени, поэтому все мосты на пути потока должны быть синхронизированы. Однако синхронизация выбора кадра моста TSN и времени передачи является нетривиальной задачей даже в сетях среднего размера и требует полностью управляемого решения.
Вытеснение кадров сложно реализовать, и оно не получило широкой поддержки в отрасли.
Циклические (перистальтические) формирователи, основанные на кредитах, с учетом времени и требуют координированного времени в масштабах всей сети и неэффективно используют пропускную способность сети, поскольку они обеспечивают передачу пакетов в периодических циклах. Формирователь асинхронного трафика (ATS) IEEE 802.1Qcr работает асинхронно на основе локальных часов в каждом мосту, улучшая использование канала для смешанных типов трафика, таких как периодический с произвольными периодами, спорадический (управляемый событиями) и с ограничением скорости.
ATS использует планировщик на основе срочности (UBS), который определяет приоритет срочного трафика с использованием организации очередей для каждого класса и изменения формы для каждого потока. Асинхронность достигается за счет чередующегося формирования с характеристиками трафика на основе эмуляции сегмента маркеров, модели эмуляции сегмента маркеров , для устранения каскадных эффектов пакетной пульсации при формировании каждого класса. Формирователь TBE контролирует трафик по средней скорости передачи, но допускает определенный уровень пакетного трафика. Когда в корзине окажется достаточное количество токенов, передача начнется немедленно; в противном случае ворота очереди закрываются на время, необходимое для накопления достаточного количества жетонов.
UBS — это улучшение дисциплин обслуживания с контролем скорости (RCSD), позволяющее управлять выбором и передачей каждого отдельного кадра на каждом прыжке, отделяя полосу пропускания потока от задержки, связанной с разделением управления скоростью и планированием пакетов, а также используя статические приоритеты и метод « первым пришел». - Первая подача и самый ранний срок - Дата первой очереди.
Организация очередей UBS имеет два уровня иерархии: очереди для каждого потока с фиксированным приоритетом, назначаемым восходящими источниками в соответствии со временем передачи пакетов, определяемым приложением, что позволяет использовать произвольный период передачи для каждого потока, и общие очереди, которые объединяют потоки с одинаковым внутренним приоритетом. от нескольких формирователей. Такое разделение очередей имеет низкую сложность реализации, но при этом гарантирует, что кадры с более высоким приоритетом будут обходить кадры с более низким приоритетом.
Общие очереди сильно изолированы: применяются политики для отдельных очередей для кадров от разных передатчиков, одного и того же передатчика, но с разным приоритетом, а также одного и того же передатчика и приоритета, но другого приоритета на получателе. Изоляция очередей предотвращает распространение вредоносных данных, гарантируя, что обычные потоки не будут подвергаться помехам, а также обеспечивает гибкую блокировку потока или передатчика с помощью административных действий. Минимальное количество общих очередей — это количество портов минус один и более при использовании дополнительных политик изоляции. Общие очереди имеют внутренний фиксированный приоритет планировщика, а кадры передаются по принципу «первым пришел — первым обслужен».
В худшем случае неточность синхронизации часов не снижает использование канала, в отличие от подходов с синхронизацией по времени, таких как TAS (Qbv) и CQF (Qch).
IEEE 802.1Qca Path Control and Reservation (PCR) определяет расширения протокола между промежуточными станциями (IS-IS) для настройки нескольких путей в мостовых сетях.
Стандарт IEEE 802.1Qca использует мост по кратчайшему пути (SPB) с гибридным режимом программно-определяемой сети (SDN) — протокол IS-IS обрабатывает базовые функции, а контроллер SDN управляет явными путями с помощью элементов вычисления пути (PCE) на выделенном сервере. узлы. IEEE 802.1Qca объединяет протоколы управления для управления несколькими топологиями, настройки явного пути пересылки (предварительно определенного пути для каждого потока), резервирования полосы пропускания, обеспечения защиты и избыточности данных, а также распределения сообщений синхронизации и управления потоком. Они получены из протоколов дерева равной стоимости (ECT), множественного экземпляра связующего дерева (MSTI), внутреннего связующего дерева (IST) и явного дерева (ET).
Репликация и устранение кадров IEEE 802.1CB для обеспечения надежности (FRER) отправляет дубликаты каждого кадра по нескольким непересекающимся путям, чтобы обеспечить упреждающее бесшовное резервирование для приложений управления, которые не терпят потери пакетов.
Репликация пакетов может использовать информацию о классе трафика и пути, чтобы минимизировать перегрузку сети. Каждый реплицированный кадр имеет идентификационный номер последовательности, используемый для изменения порядка и объединения кадров, а также для удаления дубликатов.
FRER требует централизованного управления конфигурацией и должен использоваться с 802.1Qcc и 802.1Qca. Поддерживаются промышленные отказоустойчивые HSR и PRP , указанные в IEC 62439-3.
Данные о состоянии MRP для потока занимают 1500 байт. При наличии дополнительных потоков трафика и более крупных сетей размер базы данных пропорционально увеличивается, а обновление MRP между соседними мостами существенно замедляется. Протокол локальной регистрации каналов (LRP) оптимизирован для базы данных большего размера (около 1 Мбайт) с эффективной репликацией, позволяющей выполнять инкрементные обновления. Не отвечающие узлы с устаревшими данными автоматически удаляются. Хотя MRP зависит от приложения и каждое зарегистрированное приложение определяет свой собственный набор операций, LRP не зависит от приложения.
SRP и MSRP в первую очередь предназначены для AV-приложений — их модель распределенной конфигурации ограничена классами A и B резервирования потока (SR), определенными формирователем на основе кредитов (CBS), тогда как IEEE 802.1Qcc включает более централизованную модель конфигурации с ЧПУ, поддерживающую все новые функции TSN, такие как дополнительные формирователи, вытеснение кадров и избыточность пути.
Проект IEEE P802.1Qdd обновляет модель распределенной конфигурации, определяя новую сигнализацию однорангового протокола распределения ресурсов, основанную на протоколе локальной регистрации канала P802.1CS. RAP улучшит масштабируемость и обеспечит динамическое резервирование большего количества потоков с поддержкой резервной передачи по нескольким путям в 802.1CB FRER и автоматической настройкой восстановления последовательности.
RAP поддерживает возможность «независимого от топологии расчета задержки для каждого перехода» формирователей TSN, таких как 802.1Qch Cyclic Queuing and Forwarding (CQF) и P802.1Qcr Asynchronous Traffic Shaping (ATS). Он также улучшит производительность при высокой нагрузке и будет поддерживать проксирование и расширенную диагностику, сохраняя при этом обратную совместимость и совместимость с MSRP.
IEEE P802.1ABdh Обнаружение возможности подключения управления станцией и доступом к среде передачи данных — поддержка блоков данных многокадрового протокола (LLDPv2) [10] [11] обновляет LLDP для поддержки протокола IETF Link State Vector Routing [12] и повышает эффективность протокольных сообщений.
Стандарт IEEE 802.1Qcp реализует модель данных YANG, чтобы обеспечить универсальную структуру Plug-and-Play (uPnP) для отчетности о состоянии и настройки оборудования, такого как мосты управления доступом к среде передачи (MAC), двухпортовые реле MAC (TPMR), клиентские Мосты виртуальной локальной сети (VLAN) и мосты провайдера, а также поддержка стандартов безопасности 802.1X и мостов для центров обработки данных 802.1AX.
YANG — это унифицированный язык моделирования (UML) для данных конфигурации и состояния, уведомлений и удаленных вызовов процедур, позволяющий настроить конфигурацию устройства с помощью протоколов управления сетью, таких как NETCONF/RESTCONF.
Рабочая группа IETF по детерминированным сетям (DetNet) занимается определением детерминированных путей данных с высокой надежностью и ограничениями на задержку, потери и изменение задержки пакетов (дрожание), например, потоковое аудио и видео, промышленная автоматизация и управление транспортными средствами.
Целью детерминированной сети является миграция критичных ко времени, высоконадежных промышленных и аудио-видео приложений из сетей Fieldbus специального назначения в пакетные IP- сети. Для достижения этих целей DetNet использует распределение ресурсов для управления размерами буфера и скоростью передачи, чтобы удовлетворить требования к сквозной задержке. Защита службы от сбоев с помощью избыточности по нескольким путям и явным маршрутам для уменьшения потери пакетов и их переупорядочения. Одна и та же физическая сеть должна обрабатывать как критичный по времени зарезервированный трафик, так и обычный трафик с максимальной эффективностью, а неиспользуемая зарезервированная полоса пропускания должна быть освобождена для трафика с максимальной эффективностью.
DetNet работает в маршрутизируемых сегментах уровня 3 IP , используя программно-определяемый сетевой уровень для обеспечения интеграции IntServ и DiffServ , и предоставляет услуги через мостовые сегменты нижнего уровня 2 с использованием таких технологий, как MPLS и IEEE 802.1 AVB/TSN. [13]
Протоколы маршрутизации Traffic Engineering (TE) преобразуют спецификацию потока DetNet в элементы управления AVB/TSN для алгоритмов организации очередей, формирования и планирования, таких как формирователь на основе кредитов IEEE 802.1Qav, формирователь с синхронизацией по времени IEEE802.1Qbv с вращающимся планировщиком времени, IEEE802. Синхронизированная двойная буферизация 1Qch, приоритетное вытеснение пакетов Ethernet 802.1Qbu/802.3br, а также репликация и исключение кадров 802.1CB для обеспечения надежности. Кроме того, взаимодействие протоколов, определенное IEEE 802.1CB, используется для объявления возможностей подсети TSN потокам DetNet через функции идентификации активного MAC-адреса назначения и потока VLAN. Потоки DetNet сопоставляются по MAC-адресу назначения, идентификатору VLAN и параметрам приоритета с идентификатором потока и требованиями QoS для говорящих и слушателей в подсети AVB/TSN. [14]
Связанные проекты:
