Time-Sensitive Networking ( TSN ) — это набор стандартов, разрабатываемых целевой группой Time-Sensitive Networking рабочей группы IEEE 802.1 . [1] Целевая группа TSN была сформирована в ноябре 2012 года путем переименования существующей Audio Video Bridging Task Group [2] и продолжения ее работы. Название было изменено в результате расширения рабочей области группы стандартизации. Стандарты определяют механизмы для чувствительной ко времени передачи данных по детерминированным сетям Ethernet .
Большинство проектов определяют расширения IEEE 802.1Q – Bridges and Bridged Networks, который описывает виртуальные локальные сети и сетевые коммутаторы . [3] Эти расширения, в частности, касаются передачи с очень низкой задержкой и высокой доступностью. Приложения включают конвергентные сети с потоковой передачей аудио/видео в реальном времени и потоками управления в реальном времени, которые используются в автомобильных приложениях и промышленных контрольных устройствах.
Стандартное сетевое оборудование информационных технологий не имеет понятия «время» и не может обеспечить синхронизацию и точность синхронизации. Надежная доставка данных важнее, чем доставка в течение определенного времени, поэтому нет ограничений на задержку или точность синхронизации. Даже если средняя задержка перехода очень низкая, отдельные задержки могут быть неприемлемо высокими. Перегрузка сети обрабатывается путем дросселирования и повторной передачи отброшенных пакетов на транспортном уровне, но нет никаких средств для предотвращения перегрузки на канальном уровне. Данные могут быть потеряны, если 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 требуются для полного решения для связи в реальном времени на основе коммутируемых сетей Ethernet с детерминированным качеством обслуживания (QoS) для соединений точка-точка. Каждая стандартная спецификация может использоваться сама по себе и в основном является самодостаточной. Однако только при совместном использовании согласованным образом TSN как система связи может раскрыть весь свой потенциал. Три основных компонента:
Приложения, которым нужна детерминированная сеть, ведущая себя предсказуемым образом, включают аудио и видео, изначально определенные в Audio Video Bridging (AVB); сети управления, которые принимают входные данные от датчиков, выполняют обработку контура управления и инициируют действия; сети, критически важные для безопасности, которые реализуют избыточность пакетов и каналов; и смешанные медиасети, которые обрабатывают данные с различными уровнями временной чувствительности и приоритета, такие как автомобильные сети, которые поддерживают климат-контроль, информационно-развлекательную систему, электронику кузова и помощь водителю. Набор IEEE AVB/TSN служит основой для детерминированной сети для удовлетворения общих требований этих приложений.
AVB/TSN может обрабатывать трафик с ограничением скорости, где каждый поток имеет ограничение полосы пропускания, определяемое минимальными межкадровыми интервалами и максимальным размером кадра, а также трафик с точным временем отправки. Низкоприоритетный трафик передается на основе наилучших усилий, без гарантий времени и доставки.
В отличие от стандартного Ethernet согласно IEEE 802.3 и мостового соединения Ethernet согласно IEEE 802.1Q , время очень важно в сетях TSN. Для связи в реальном времени с жесткими, не подлежащими обсуждению временными границами для задержек передачи из конца в конец все устройства в этой сети должны иметь общую временную привязку и, следовательно, должны синхронизировать свои часы между собой. Это верно не только для конечных устройств потока связи, таких как промышленный контроллер и производственный робот, но и для сетевых компонентов, таких как коммутаторы Ethernet . Только с помощью синхронизированных часов все сетевые устройства могут работать в унисон и выполнять требуемую операцию точно в требуемый момент времени. Хотя синхронизация времени в сетях TSN может быть достигнута с помощью часов GPS , это дорогостоящее мероприятие, и нет гарантии, что конечное устройство будет иметь доступ к радио- или спутниковому сигналу в любое время. Из-за этих ограничений время в сетях TSN обычно распространяется из одного центрального источника времени напрямую через саму сеть с использованием протокола IEEE 1588 Precision Time Protocol , который использует кадры Ethernet для распространения информации о синхронизации времени. IEEE 802.1AS — это жестко ограниченное подмножество IEEE 1588 с точностью до микросекунды и расширениями для поддержки синхронизации по радио WiFi ( IEEE 802.11 ). Идея этого профиля заключается в том, чтобы сузить огромный список различных опций IEEE 1588 до нескольких управляемых критических опций, которые применимы к домашним сетям или сетям в автомобильных или промышленных средах автоматизации.
IEEE 802.1AS-2011 определяет профиль протокола обобщенного точного времени (gPTP), который, как и все профили IEEE 1588 , выбирает среди опций 1588, но также обобщает архитектуру, позволяя применять PTP за пределами проводных сетей Ethernet.
Для учета задержек на пути данных протокол gPTP измеряет время пребывания кадра в каждом мосту (время, необходимое для приема, обработки, постановки в очередь и передачи информации о времени от входных до выходных портов), а также задержку соединения каждого перехода (задержка распространения между двумя соседними мостами). Эти рассчитанные задержки затем ссылаются на часы GrandMaster (GM) в мосту, выбранном алгоритмом Best Master Clock Algorithm, протоколом связующего дерева часов, с которым пытаются синхронизироваться все устройства Clock Master (CM) и конечные точки. Любое устройство, которое не синхронизируется с сообщениями о времени, находится за пределами границ домена времени (рисунок 2).
Точность синхронизации зависит от точных измерений задержки соединения и времени пребывания кадра. 802.1AS использует «логическую синтонизацию», при которой 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 доменов для обеспечения избыточности.
Планирование и формирование трафика позволяют сосуществовать в одной сети разным классам трафика с разными приоритетами, каждый из которых предъявляет разные требования к доступной полосе пропускания и сквозной задержке.
Формирование трафика относится к процессу равномерного распределения кадров/пакетов во времени для сглаживания трафика. Без формирования трафика в источниках и мостах пакеты будут «кучковаться», т. е. собираться в пакеты трафика, переполняя буферы в последующих мостах/коммутаторах по пути.
Стандартное мостовое соединение согласно IEEE 802.1Q использует строгую схему приоритетов с восемью различными приоритетами. На уровне протокола эти приоритеты видны в поле Priority Code Point (PCP) в теге VLAN 802.1Q стандартного кадра Ethernet . Эти приоритеты уже различают более важный и менее важный сетевой трафик, но даже при самом высоком из восьми приоритетов нельзя дать абсолютную гарантию времени доставки из конца в конец. Причиной этого являются эффекты буферизации внутри коммутаторов Ethernet. Если коммутатор начал передачу кадра Ethernet на одном из своих портов, даже кадр с самым высоким приоритетом должен ждать внутри буфера коммутатора, пока эта передача не завершится. При стандартной коммутации Ethernet этого недетерминизма невозможно избежать. Это не является проблемой 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 временную чувствительность и обычно защищены другими механизмами, расположенными выше в стеке протоколов, например, протоколом управления передачей . В промышленной автоматизации (программируемый логический контроллер ( ПЛК ) с промышленным роботом ) и автомобильных средах, где замкнутые приложения управления или безопасности используют сеть Ethernet, надежная и своевременная доставка имеет первостепенное значение. AVB/TSN улучшает стандартную связь Ethernet, добавляя механизмы для предоставления различных временных интервалов для различных классов трафика и обеспечения своевременной доставки с мягкими и жесткими требованиями реального времени приложений системы управления. Механизм использования восьми различных приоритетов VLAN сохраняется, чтобы гарантировать полную обратную совместимость с не-TSN Ethernet. Для достижения времени передачи с гарантированной сквозной задержкой один или несколько из восьми приоритетов Ethernet могут быть индивидуально назначены уже существующим методам (например, строгому планировщику приоритетов IEEE 802.1Q) или новым методам обработки, таким как формирователь трафика на основе кредитов IEEE 802.1Qav, формирователь с учетом времени IEEE 802.1Qbv [4] или асинхронный формирователь IEEE 802.1Qcr.
Трафик, чувствительный ко времени, имеет несколько классов приоритета. Для кредитного формирователя 802.1Qav класс резервирования потока A имеет наивысший приоритет с периодом передачи 125 мкс ; класс B имеет второй по величине приоритет с максимальным периодом передачи 250 мкс . Классы трафика не должны превышать их предварительно настроенную максимальную пропускную способность (75% для аудио- и видеоприложений). Максимальное количество переходов равно 7. Требование к наихудшей задержке определено как 2 мс для класса A и 50 мс для класса B, но было показано, что это ненадежно. [5] [6] Задержка однорангового узла на порт, предоставляемая gPTP, и задержка резидентства сетевого моста добавляются для расчета накопленных задержек и обеспечения соблюдения требования к задержке. Управляющий трафик имеет третий по величине приоритет и включает трафик gPTP и SRP. Планировщик с учетом времени 802.1Qbv представляет класс CDT для данных управления в реальном времени от датчиков и потоков команд к исполнительным устройствам с наихудшей задержкой 100 мкс на 5 переходов и максимальным периодом передачи 0,5 мс. Класс CDT имеет наивысший приоритет над классами A, B и управляющим трафиком.
Улучшения пересылки и очередности IEEE 802.1Qav для чувствительных ко времени потоков определяют формирование трафика с использованием классов приоритетов, что основано на простой форме справедливой очереди на основе кредитов «дырявое ведро» . 802.1Qav разработан для уменьшения буферизации в принимающих мостах и конечных точках.
Формирователь на основе кредита определяет кредиты в битах для двух отдельных очередей, выделенных для трафика класса A и класса B. Передача кадров разрешена только в том случае, если кредит неотрицательный; во время передачи кредит уменьшается со скоростью, называемой sendSlope:
Кредит увеличивается со скоростью idleSlope, если кадры ожидают передачи других очередей:
Таким образом, idleSlope — это пропускная способность, зарезервированная для очереди мостом, а sendSlope — это скорость передачи службы MAC порта.
Если кредит отрицательный и кадры не передаются, кредит увеличивается со скоростью idleSlope до тех пор, пока не достигнет нуля. 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 определяются на основе максимального размера кадра и максимального размера помех, idleSlope/sendSlope и максимальной скорости передачи данных порта.
Зарезервированные кадры трафика потока AV пересылаются с высоким приоритетом по сравнению с незарезервированным трафиком best-effort , в соответствии с правилами формирования трафика на основе кредитов, которые могут потребовать от них ожидания определенного количества кредитов. Это защищает трафик best-effort, ограничивая максимальный пакет потока AV. Кадры планируются очень равномерно, хотя и только на совокупной основе, чтобы сгладить время доставки и уменьшить пакетирование и группировку, что может привести к переполнению буфера и потере пакетов, вызывающих повторные передачи. Увеличенная задержка буферизации делает повторно переданные пакеты устаревшими к моменту их прибытия, что приводит к потере кадров, что снижает качество приложений AV.
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 много для приложений управления, тогда как формирователь с учетом времени (IEEE 802.1Qbv) имеет фиксированную задержку цикла от 30 мкс до нескольких миллисекунд и типичную задержку 125 мкс. Вывод гарантированных верхних границ задержек в TSN нетривиален 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 объявляет потоки от отправителя/источника (передатчика) к получателям/адресатам (слушателям); он работает для удовлетворения требований QoS для каждого потока и гарантирует доступность 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 множественной регистрации MAC-адресов (MMRP), протокол множественной регистрации VLAN (MVRP) и протокол множественной потоковой регистрации (MSRP).
Протокол SRP по сути работает в следующей последовательности:
Ресурсы выделяются и настраиваются как в конечных узлах потока данных, так и в транзитных узлах вдоль пути потока данных, с механизмом сквозной сигнализации для обнаружения успеха/неудачи. Наихудшая задержка рассчитывается путем опроса каждого моста.
Запросы на резервирование используют общее приложение MRP с механизмом распространения атрибутов MRP. Все узлы на пути потока проходят спецификацию MRP Attribute Declaration (MAD), которая описывает характеристики потока, чтобы мосты могли выделять необходимые ресурсы.
Если мост может зарезервировать требуемые ресурсы, он распространяет объявление на следующий мост; в противном случае выдается сообщение «talker failed». Когда сообщение объявления достигает слушателя, он отвечает сообщением «listener ready», которое распространяется обратно говорящему.
Сообщения о рекламе говорящего и готовности слушателя могут быть отменены, что приведет к завершению потока.
Успешное резервирование гарантируется только в том случае, если все промежуточные узлы поддерживают SRP и отвечают на сообщения о рекламе и готовности; на рисунке 2 выше домен AVB 1 не может подключиться к домену AVB 2.
SRP также используется стандартами TSN/AVB для приоритетов кадров, планирования кадров и формирования трафика.
SRP использует децентрализованную процедуру регистрации и резервирования, множественные запросы могут вносить задержки для критического трафика. Поправка IEEE 802.1Qcc-2018 "Улучшения и улучшения производительности протокола резервирования потока (SRP)" уменьшает размер сообщений резервирования и переопределяет таймеры, чтобы они запускали обновления только при изменении состояния канала или резервирования. Для улучшения администрирования TSN в крупномасштабных сетях каждый интерфейс пользовательской сети (UNI) предоставляет методы для запроса услуг уровня 2, дополненные централизованной конфигурацией сети (CNC) для обеспечения централизованного резервирования и планирования, а также удаленного управления с использованием протоколов NETCONF/RESTCONF и моделирования данных IETF YANG/NETCONF.
CNC реализует модель запроса-ответа для каждого потока, где класс SR явно не используется: конечные станции отправляют запросы на определенный поток (через граничный порт) без знания конфигурации сети, а CNC выполняет резервирование потока централизованно. MSRP работает только на канале с конечными станциями в качестве носителя информации между CNC 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 оптимизированные по задержке функции TSN (для приложений IACS с замкнутым контуром). Обеспечивается бесшовное взаимодействие с транспортом протокола 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 (PCR) IEEE 802.1Qca и формирователями трафика TSN.
В то время как 802.1Qav FQTSS/CBS работает очень хорошо 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.
Циклическая организация очередей и пересылка (CQF) IEEE 802.1Qch, также известная как перистальтический формирователь (PS), вводит двойную буферизацию, которая позволяет мостам синхронизировать передачу (операции постановки/вывода кадров из очереди) циклическим образом с ограниченной задержкой, зависящей только от количества переходов и времени цикла, полностью независимо от топологии сети.
CQF можно использовать с планировщиком времени IEEE 802.1Qbv, приоритетом кадров IEEE 802.1Qbu и контролем входящего трафика IEEE 802.1Qci.
Фильтрация и политика потоков IEEE 802.1Qci (PSFP) повышает надежность сети за счет фильтрации отдельных потоков трафика. Он предотвращает перегрузку трафика, которая может повлиять на мосты и принимающие конечные точки из-за сбоев или атак типа «отказ в обслуживании» (DoS). Фильтр потока использует сопоставление правил, чтобы разрешить кадры с указанными идентификаторами потоков и уровнями приоритета, и применяет действия политики в противном случае. Все потоки координируются на своих шлюзах, аналогично сигнализации 802.1Qch. Измерение потока применяет предопределенные профили полосы пропускания для каждого потока.
Планировщик с учетом времени IEEE 802.1Qbv предназначен для разделения коммуникации в сети Ethernet на фиксированные по длине, повторяющиеся временные циклы. В пределах этих циклов можно настроить различные временные отрезки, которые могут быть назначены одному или нескольким из восьми приоритетов Ethernet. Сделав это, можно предоставить исключительное использование - на ограниченное время - среде передачи Ethernet для тех классов трафика, которым требуются гарантии передачи и которые не могут быть прерваны. Основная концепция - схема множественного доступа с временным разделением (TDMA). Устанавливая виртуальные каналы связи для определенных временных периодов, критичная по времени связь может быть отделена от некритического фонового трафика.
Планировщик с учетом времени вводит класс резервирования потока CDT для критичных по времени данных управления с наихудшей задержкой 100 мкс на 5 переходов и максимальным периодом передачи 0,5 мс в дополнение к классам A и B, определенным для IEEE 802.1Qav credit-based traffic shaper. Предоставляя эксклюзивный доступ к среде передачи и устройствам для классов трафика, критичного по времени, можно избежать эффектов буферизации в буферах передачи коммутатора Ethernet, и критичный по 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 отрезков. Временной отрезок 1 позволяет передавать только трафик с тегом приоритета VLAN 3, а временной отрезок 2 в каждом цикле позволяет отправлять остальные приоритеты. Поскольку планировщик IEEE 802.1Qbv требует синхронизации всех часов на всех сетевых устройствах (коммутаторы Ethernet и конечные устройства) и настройки одинакового расписания, все устройства понимают, какой приоритет может быть отправлен в сеть в любой заданный момент времени. Поскольку временному отрезку 2 назначено более одного приоритета, в пределах этого временного отрезка приоритеты обрабатываются в соответствии со стандартным строгим планированием приоритетов IEEE 802.1Q.
Такое разделение передач Ethernet на циклы и временные интервалы может быть дополнительно улучшено путем включения других алгоритмов планирования или формирования трафика, таких как формирователь трафика на основе кредитов IEEE 802.1Qav. IEEE 802.1Qav поддерживает мягкое реальное время. В этом конкретном примере IEEE 802.1Qav может быть назначен одному или двум приоритетам, которые используются во временном интервале два для дальнейшего различения аудио/видеотрафика и фоновых передач файлов. Группа задач Time-Sensitive Networking Task Group определяет ряд различных планировщиков и формирователей трафика, которые могут быть объединены для достижения нереактивного сосуществования 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 может быть выполнена другая передача. Это включает передачу контрольной суммы CRC32 в конце кадра для обеспечения надежной, безошибочной передачи. Это неотъемлемое свойство сетей Ethernet — снова — представляет собой проблему для подхода TDMA планировщика IEEE 802.1Qbv. Это видно на рисунке 2:
Непосредственно перед окончанием временного среза 2 в цикле n начинается передача нового кадра. К сожалению, этот кадр слишком велик, чтобы вписаться в свой временной срез. Поскольку передача этого кадра не может быть прервана, кадр нарушает следующий временной срез 1 следующего цикла n+1. Частично или полностью блокируя критичный по времени временной срез, кадры реального времени могут задерживаться до точки, когда они больше не смогут соответствовать требованиям приложения. Это очень похоже на фактические эффекты буферизации, которые происходят в коммутаторах Ethernet, отличных от TSN, поэтому TSN должен указать механизм, чтобы предотвратить это.
Планировщик с учетом времени IEEE 802.1Qbv должен гарантировать, что интерфейс Ethernet не занят передачей кадра, когда планировщик переходит с одноразового среза на следующий. Планировщик с учетом времени достигает этого, помещая защитную полосу перед каждым временным срезом, который несет критичный по времени трафик. В течение этого защитного диапазона нельзя начинать передачу нового кадра Ethernet, можно только завершать уже текущие передачи. Длительность этой защитной полосы должна быть такой же, как максимальный размер кадра, который требуется для безопасной передачи. Для кадра Ethernet в соответствии с 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 соединения сети Ethernet. При использовании Fast Ethernet и скорости передачи 100 Мбит/с длительность передачи составляет:
В этом случае защитная полоса должна быть длиной не менее 123,36 мкс. С защитной полосой общая полоса пропускания или время, которые можно использовать в пределах временного среза, уменьшается на длину защитной полосы. Это видно на рисунке 3
Примечание: для облегчения представления темы фактический размер защитной полосы на рисунке 3 не соответствует масштабу, но значительно меньше, чем указано рамкой на рисунке 2.
В этом примере временной отрезок 1 всегда содержит высокоприоритетные данные (например, для управления движением), тогда как временной отрезок 2 всегда содержит данные с наилучшими усилиями. Поэтому защитная полоса должна быть размещена в каждой точке перехода во временной отрезок 1, чтобы защитить временной отрезок критических потоков данных.
Хотя защитные полосы позволяют защитить временные интервалы с высокоприоритетным критически важным трафиком, они также имеют ряд существенных недостатков:
Чтобы частично смягчить потерю полосы пропускания через защитную полосу, 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, где действует защитная полоса, планировщик проверяет общую длину кадра. Если кадр может полностью поместиться в защитную полосу, не нарушая следующий высокоприоритетный слайс, планировщик может отправить этот кадр, несмотря на активную защитную полосу, и сократить потери полосы пропускания. Однако этот механизм нельзя использовать при включенной сквозной коммутации , поскольку общая длина кадра Ethernet должна быть известна априори. Поэтому, когда сквозная коммутация используется для минимизации сквозной задержки, потери полосы пропускания все равно будут 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, которые вносит защитная полоса.
Для дальнейшего смягчения негативных эффектов защитных полос рабочие группы IEEE 802.1 и 802.3 определили технологию упреждения кадров. Две рабочие группы сотрудничали в этом начинании, поскольку технология требовала как изменений в схеме Ethernet Media Access Control (MAC) , которая находится под контролем IEEE 802.3, так и изменений в механизмах управления, которые находятся под контролем IEEE 802.1. В связи с этим упреждение кадров описано в двух различных документах стандартов: IEEE 802.1Qbu [8] для компонента управления мостом и IEEE 802.3br [9] для компонента Ethernet MAC.
Прерывание кадров определяет две службы MAC для выходного порта: прерываемый MAC (pMAC) и экспресс-MAC (eMAC). Экспресс-кадры могут прерывать передачу прерываемых кадров. При возобновлении подуровень слияния MAC повторно собирает фрагменты кадров в следующем мосту.
Прерывание обслуживания приводит к вычислительным затратам в интерфейсе связи, поскольку операционный контекст должен быть переведен в экспресс-кадр.
На рисунке 4 показан базовый пример того, как работает упреждение кадров. В процессе отправки наилучшего усилия кадра Ethernet 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 того, как высокоприоритетный трафик в интервале времени 1 пройдет и цикл переключится обратно на интервал времени 2, прерванная передача кадра возобновляется. Упреждение кадров всегда работает на основе чистого соединения и только фрагментирует от одного коммутатора Ethernet к следующему коммутатору Ethernet, где кадр собирается заново. 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 Ethernet CRC32, последние 16 бит инвертируются, чтобы сделать частичный кадр отличимым от обычного кадра Ethernet. Кроме того, изменяется начальный разделитель кадра (SFD).
Поддержка упреждения кадров должна быть активирована на каждом канале между устройствами индивидуально. Чтобы сигнализировать о возможности упреждения кадров на канале, коммутатор Ethernet объявляет об этой возможности через LLDP (протокол обнаружения на уровне канала) . Когда устройство получает такое объявление LLDP на сетевом порту и само поддерживает упреждение кадров, оно может активировать эту возможность. Прямого согласования и активации возможности на соседних устройствах не происходит. Любое устройство, получающее объявление о упреждении LLDP, предполагает, что на другом конце канала присутствует устройство, которое может понимать изменения в формате кадра (измененные CRC32 и SFD).
Упреждение кадров позволяет значительно сократить защитную полосу. Длина защитной полосы теперь зависит от точности механизма упреждения кадров: насколько мал минимальный размер кадра, который механизм все еще может упреждать. IEEE 802.3br определяет наилучшую точность для этого механизма в 64 байта - из-за того, что это минимальный размер все еще допустимого кадра Ethernet. В этом случае защитную полосу можно сократить до 127 байт: 64 байта (минимальный кадр) + 63 байта (оставшаяся длина, которая не может быть упреждающим образом вытеснена). Все более крупные кадры могут быть упреждающим образом вытеснены снова, и поэтому нет необходимости защищаться от этого размера с помощью защитной полосы.
Это минимизирует потерю полосы пропускания best attempt, а также позволяет использовать гораздо более короткие циклы на более медленных скоростях Ethernet, таких как 100 Мбит/с и ниже. Поскольку упреждение происходит на аппаратном уровне в MAC, по мере прохождения кадра может также поддерживаться сквозная коммутация, поскольку общий размер кадра не нужен априори. Интерфейс MAC просто проверяет с регулярными интервалами в 64 байта, нужно ли упреждать кадр или нет.
Сочетание синхронизации времени, планировщика IEEE 802.1Qbv и упреждения кадров уже представляет собой эффективный набор стандартов, который может быть использован для гарантии сосуществования различных категорий трафика в сети, а также предоставления сквозных гарантий задержки. Это будет улучшено еще больше по мере завершения разработки новых спецификаций IEEE 802.1, таких как 802.1Qch.
В целом, планировщик с учетом времени имеет высокую сложность реализации, а его использование полосы пропускания неэффективно. Планирование задач и событий в конечных точках должно быть связано с планированием шлюза формирователя трафика, чтобы снизить задержки. Критический недостаток заключается в некоторой задержке, возникающей, когда конечная точка передает несинхронизированные данные, из-за времени ожидания следующего окна, запускаемого по времени.
Планировщик с учетом времени требует жесткой синхронизации своих временных окон, поэтому все мосты на пути потока должны быть синхронизированы. Однако синхронизация выбора кадра моста TSN и времени передачи нетривиальна даже в сетях среднего размера и требует полностью управляемого решения.
Упреждение кадров сложно реализовать, и оно не получило широкой поддержки в отрасли.
Формирователи на основе кредита, с учетом времени и циклические (перистальтические) требуют общесетевого координированного времени и неэффективно используют пропускную способность сети, поскольку они обеспечивают передачу пакетов в периодических циклах. Асинхронный формирователь 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 ограниченный по скорости.
ATS использует планировщик на основе срочности (UBS), который отдает приоритет срочному трафику, используя поклассовую очередность и попотоковое перераспределение. Асинхронность достигается чередующимся шейпингом с характеристикой трафика на основе эмуляции Token Bucket, модели эмуляции токенового ведра , чтобы устранить каскадные эффекты всплесков шейпинга на класс. Формирователь TBE контролирует трафик по средней скорости передачи, но допускает определенный уровень всплесков трафика. Когда в ведре достаточно токенов, передача начинается немедленно; в противном случае ворота очереди закрываются на время, необходимое для накопления достаточного количества токенов.
UBS представляет собой усовершенствованную версию дисциплин обслуживания с контролем скорости (RCSD), позволяющую контролировать выбор и передачу каждого отдельного кадра на каждом этапе, отделяя полосу пропускания потока от задержки, связанной с разделением управления скоростью и планирования пакетов, а также используя статические приоритеты и организацию очередей по принципу «первым пришел — первым обслужен» и «самый ранний — первый по дате выполнения».
Очереди UBS имеют два уровня иерархии: очереди, сформированные по потокам, с фиксированным приоритетом, назначаемым источниками восходящего потока в соответствии с определенными приложением временами передачи пакетов, 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, при этом гарантируя, что кадры с более высоким приоритетом будут обходить кадры с более низким приоритетом.
Общие очереди высоко изолированы, с политиками для отдельных очередей для кадров от разных передатчиков, одного передатчика, но с разным приоритетом, и одного передатчика и приоритета, но с разным приоритетом у приемника. Изоляция очередей предотвращает распространение вредоносных данных, гарантируя, что обычные потоки не будут получать помех, и обеспечивает гибкую блокировку потоков или передатчиков административными действиями. Минимальное количество общих очередей равно количеству портов минус один и больше с дополнительными политиками 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 эффективность использования канала, в отличие от подходов, основанных на времени, таких как TAS (Qbv) и CQF (Qch).
Стандарт управления и резервирования путей IEEE 802.1Qca (PCR) определяет расширения протокола IS-IS ( Intermediate Station to Intermediate Station ) для настройки нескольких путей в мостовых сетях.
Стандарт IEEE 802.1Qca использует Shortest Path Bridging (SPB) с гибридным режимом программно-определяемой сети (SDN) — протокол IS-IS обрабатывает основные функции, в то время как контроллер SDN управляет явными путями с помощью Path Computation Elements (PCE) на выделенных узлах сервера. IEEE 802.1Qca интегрирует протоколы управления для управления несколькими топологиями, настройки явного пути пересылки (предопределенный путь для каждого потока), резервирования полосы пропускания, обеспечения защиты данных и избыточности, а также распределения сообщений синхронизации потока и управления потоком. Они получены из протоколов Equal Cost Tree (ECT), Multiple Spanning Tree Instance (MSTI) и Internal Spanning Tree (IST) и Explicit Tree (ET).
Технология репликации и устранения кадров для обеспечения надежности (FRER) IEEE 802.1CB отправляет дублирующие копии каждого кадра по нескольким непересекающимся путям, обеспечивая проактивное бесшовное резервирование для приложений управления, которые не терпят потери пакетов.
Репликация пакетов может использовать класс трафика и информацию о пути для минимизации перегрузки сети. Каждый реплицированный кадр имеет идентификационный номер последовательности, используемый для переупорядочивания и объединения кадров и 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. С дополнительными потоками трафика и более крупными сетями размер базы данных пропорционально увеличивается, а обновления MRP между соседями моста значительно замедляются. Протокол Link-Local Registration Protocol (LRP) оптимизирован для большего размера базы данных около 1 Мбайт с эффективной репликацией, которая позволяет выполнять инкрементные обновления. Неотвечающие узлы с устаревшими данными автоматически отбрасываются. В то время как MRP зависит от приложения, и каждое зарегистрированное приложение определяет свой собственный набор операций, LRP является нейтральным для приложения.
SRP и MSRP в первую очередь предназначены для приложений AV — их модель распределенной конфигурации ограничена классами A и B резервирования потока (SR), определяемыми формирователем на основе кредитов (CBS), тогда как IEEE 802.1Qcc включает более централизованную модель конфигурации CNC, поддерживающую все новые функции TSN, такие как дополнительные формирователи, приоритет кадров и избыточность пути.
Проект IEEE P802.1Qdd обновляет модель распределенной конфигурации, определяя новую одноранговую сигнализацию Resource Allocation Protocol, построенную на Link-local Registration Protocol P802.1CS. RAP улучшит масштабируемость и обеспечит динамическое резервирование для большего числа потоков с поддержкой избыточной передачи по нескольким путям в 802.1CB FRER и автоматической конфигурацией восстановления последовательности.
RAP поддерживает возможность «топологически-независимого расчета задержки на каждом переходе» 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 улучшенную диагностику, сохраняя при этом обратную совместимость и взаимодействие с MSRP.
IEEE P802.1ABdh Station and Media Access Control Connectivity Discovery - Support for Multiframe Protocol Data Units (LLDPv2) [10] [11] обновляет LLDP для поддержки протокола IETF Link State Vector Routing [12] и повышает эффективность сообщений протокола.
Стандарт IEEE 802.1Qcp реализует модель данных YANG для предоставления универсальной среды Plug-and-Play (uPnP) для отчетов о состоянии и настройки оборудования, такого как мосты управления доступом к среде передачи данных (MAC), двухпортовые MAC-реле (TPMR), мосты клиентских виртуальных локальных сетей (VLAN) и мосты провайдеров, а также для поддержки стандартов безопасности 802.1X и мостов центров обработки данных 802.1AX.
YANG — это унифицированный язык моделирования (UML) для данных конфигурации и состояния, уведомлений и удаленных вызовов процедур, позволяющий настраивать конфигурацию устройств с помощью протоколов сетевого управления, таких как NETCONF/RESTCONF.
Рабочая группа IETF по детерминированным сетям (DetNet) занимается определением детерминированных путей передачи данных с высокой надежностью и ограничениями по задержкам, потерям и изменению задержки пакетов (джиттеру), например, для потоковой передачи аудио и видео, промышленной автоматизации и управления транспортными средствами.
Цели детерминированной сети — перенести критичные по времени, высоконадежные промышленные и аудио-видео приложения из специализированных сетей Fieldbus в пакетные сети IP . Для достижения этих целей DetNet использует распределение ресурсов для управления размерами буферов и скоростями передачи данных, чтобы удовлетворить требования к сквозной задержке. Защита сервисов от сбоев с избыточностью по нескольким путям и явными маршрутами для уменьшения потери пакетов и переупорядочения. Одна и та же физическая сеть должна обрабатывать как критичный по времени зарезервированный трафик, так и обычный трафик best-effort, а неиспользуемая зарезервированная полоса пропускания должна быть освобождена для трафика best-effort.
DetNet работает на маршрутизируемых сегментах IP- уровня 3, используя программно-определяемый сетевой уровень для обеспечения интеграции IntServ и DiffServ , и предоставляет услуги через мостовые сегменты нижнего уровня 2, используя такие технологии, как MPLS и IEEE 802.1 AVB/TSN. [13]
Протоколы маршрутизации Traffic Engineering (TE) транслируют спецификацию потока DetNet в элементы управления AVB/TSN для очередей, формирования и алгоритмов планирования, таких как формирователь на основе кредитов IEEE 802.1Qav, формирователь с временным запуском IEEE802.1Qbv с вращающимся временным планировщиком, синхронизированная двойная буферизация IEEE802.1Qch, приоритетное прерывание пакетов Ethernet 802.1Qbu/802.3br и репликация и устранение кадров 802.1CB для надежности. Также взаимодействие протоколов, определенное IEEE 802.1CB, используется для объявления возможностей подсети TSN потокам DetNet через функции идентификации Active Destination MAC и VLAN Stream. Потоки DetNet сопоставляются по MAC-адресу назначения, идентификатору VLAN и параметрам приоритета с требованиями идентификатора потока и QoS для говорящих и слушающих в подсети AVB/TSN. [14]
Похожие проекты:
