TTEthernet

Стандарт Ethernet с синхронизацией по времени (SAE AS6802) (также известный как TTEthernet или TTE ) определяет отказоустойчивую стратегию синхронизации для создания и поддержания синхронизированного времени в сетях Ethernet, а также описывает механизмы, необходимые для синхронной коммутации пакетов с синхронизацией по времени для критически важных интегрированных приложений. и архитектуры интегрированной модульной авионики (IMA). SAE International выпустила SAE AS6802 в ноябре 2011 года.

Сетевые устройства Ethernet с синхронизацией по времени — это устройства Ethernet, которые как минимум реализуют:

Услуги синхронизации SAE AS6802 для передовых интегрированных архитектур, отказоустойчивых и критически важных с точки зрения безопасности систем.
управление транспортным потоком по времени с планированием трафика
политика синхронизации пакетов для каждого потока для трафика, синхронизированного по времени
надежная внутренняя архитектура с разделением трафика

Сетевые устройства TTEthernet — это стандартные устройства Ethernet с дополнительными возможностями настройки и установления надежной синхронизации, синхронной коммутации пакетов, планирования трафика и разделения полосы пропускания, как описано в SAE AS6802. Если возможность передачи трафика с синхронизацией по времени не настроена и не используется, он работает как полнодуплексное коммутируемое устройство Ethernet, соответствующее стандартам IEEE802.3 и IEEE802.1.

Кроме того, такие сетевые устройства реализуют другие детерминированные классы трафика, позволяющие создавать сети Ethernet смешанной критичности. Таким образом, сети TTEthernet предназначены для размещения различных классов трафика Ethernet без помех.

Реализация устройства TTEthernet расширяет стандартный Ethernet сервисами для удовлетворения критичных ко времени, детерминированных или связанных с безопасностью требований в конфигурациях с двойным и тройным резервированием для продвинутых интегрированных систем. Коммутационные устройства TTEthernet используются для интегрированных систем и приложений, связанных с безопасностью, прежде всего в аэрокосмической, промышленной и автомобильной промышленности. ^[1] приложения.

TTEthernet был выбран НАСА и ЕКА в качестве технологии для связи между Orion MPCV и европейским сервисным модулем и описывается ЕКА как «лучший выбор для будущих пусковых установок, позволяющий им развертывать концепции распределенной модульной авионики». ^[2] Он также был выбран в качестве магистральной сети для Лунного шлюза НАСА. ^[3] в котором ЕКА является ключевым заинтересованным лицом.

опубликовало ECSS-E-ST-50-16C, поскольку сетевая архитектура все чаще используется в космической отрасли. Европейское сотрудничество по космической стандартизации 30 сентября 2021 года ^[4]

Описание

Сетевые устройства TTEthernet реализуют службы OSI Layer 2 и поэтому утверждают, что они совместимы со стандартами IEEE 802.3 и сосуществуют с другими сетями и службами Ethernet или классами трафика, такими как IEEE 802.1Q, на одном и том же устройстве. В текущих реализациях коммутатора TTEthernet предусмотрены три класса трафика и типа сообщений: ^[5]

Трафик синхронизации (кадры управления протоколом — PCF). Сеть Ethernet с синхронизацией по времени использует кадры управления протоколом (PCF) для установления и поддержания синхронизации. Трафик PCFs имеет наивысший приоритет и аналогичен трафику с ограничением скорости. Трафик PCF устанавливает четко определенный интерфейс для отказоустойчивых алгоритмов синхронизации часов.
Трафик, синхронизированный по времени: пакеты Ethernet отправляются по сети в заранее определенное (запланированное) время и имеют приоритет над всеми другими типами трафика. Возникновение, временная задержка и точность синхронизированных по времени сообщений заранее определены и гарантированы. Кроме того, «синхронизированные локальные часы являются фундаментальной предпосылкой для связи, синхронизированной по времени». ^[6]^{[примечание 1]}
Трафик с ограничением скорости: пакеты Ethernet настраиваются таким образом, чтобы они могли поддерживать максимальную задержку и джиттер в закрытой системе. Они используются для приложений с менее строгим детерминизмом и требованиями реального времени. Этот класс трафика гарантирует, что пропускная способность заранее определена для каждого приложения, а задержки и временные отклонения имеют определенные верхние границы.
Трафик Best-effort (включая трафик VLAN): пакеты отправляются через очереди FIFO на выходные порты. Нет абсолютной гарантии того, могут ли эти сообщения быть переданы и когда, какие задержки происходят и дойдут ли сообщения до получателя. Сообщения Best Effort используют оставшуюся полосу пропускания сети и имеют более низкий приоритет, чем два других типа.

Три класса трафика охватывают различные типы детерминизма — от трафика с мягким временем и максимальными усилиями до «более детерминированного», «очень детерминированного» (максимальная задержка определяется для каждого VL) и «строго детерминированного» (фиксированная задержка, мкс-джиттер), таким образом создание детерминированной унифицированной сетевой технологии Ethernet. Хотя стандартный полнодуплексный коммутируемый Ethernet обычно является лучшим или более детерминированным, трафик с синхронизацией по времени привязан только к прогрессу системного времени и планированию трафика, а не к приоритетам. Его можно считать трафиком с наивысшим приоритетом выше трафика VLAN 802.1Q с наивысшим приоритетом.

Отказоустойчивость

TTEthernet (т.е. коммутатор Ethernet с SAE AS6802) объединяет модель отказоустойчивости и управления сбоями. ^{[ нужна ссылка ]}. Коммутатор TTEthernet может реализовать надежное управление резервированием и интеграцию потоков данных (потоков данных), чтобы гарантировать передачу сообщений даже в случае сбоя коммутатора. SAE AS6802, реализованный на коммутаторе Ethernet, поддерживает разработку синхронных системных архитектур с определенной гипотезой неисправности.

Гипотеза одиночного отказа, гипотеза двойного отказа и устойчивость к произвольным нарушениям синхронизации определяют базовую концепцию отказоустойчивости в сети Ethernet с синхронизацией по времени (на базе SAE AS6802).

Согласно гипотезе единственного отказа, Ethernet с синхронизацией по времени (SAE AS6802) предназначен для того, чтобы выдерживать либо произвольный отказ конечной системы, либо отказ коммутатора из-за несогласованного отказа. Коммутаторы в сети Ethernet с таймером можно настроить на выполнение функции защиты центральной шины. Функция защиты центральной шины гарантирует, что даже если набор конечных систем становится произвольно неисправным, она маскирует влияние этих неисправных конечных систем на всю систему путем преобразования режима произвольного отказа в режим отказа с непоследовательным пропуском. Режим произвольно ошибочного отказа также включает в себя так называемое поведение «болтающегося идиота». Таким образом, Ethernet-коммутаторы с таймером устанавливают границы локализации неисправностей.

Согласно гипотезе двойного отказа, сети Ethernet с синхронизацией по времени предназначены для работы с двумя неисправными устройствами, возникающими из-за непоследовательного отказа. Этими устройствами могут быть две конечные системы, два коммутатора или конечная система и коммутатор. Последний сценарий отказа (т. е. отказ конечной системы и коммутатора) означает, что сеть Ethernet с синхронизацией по времени допускает несогласованный путь связи между конечными системами. Этот режим отказа является одним из наиболее труднопреодолимых.

Сети Ethernet с синхронизацией по времени предназначены для того, чтобы выдерживать временные нарушения синхронизации даже при наличии постоянных сбоев. Как в рамках гипотезы одиночного, так и в случае двойного отказа Ethernet с синхронизацией по времени обеспечивает свойства самостабилизации. Самостабилизация означает, что синхронизация может восстановиться даже после временного сбоя во множестве устройств в распределенной компьютерной сети.

Производительность

Временной трафик

Трафик с синхронизацией по времени планируется периодически и в зависимости от архитектуры, скорости линии (например, 1GbE), топологии и модели вычислений с контурами управления, работающими на частоте 0,1–5 (+) кГц, с использованием модели вычислений с архитектурой с синхронизацией по времени (TTA). и общение. Жесткий режим реального времени возможен на уровне приложений благодаря строгому детерминизму, контролю дрожания и согласованию/синхронизации между задачами и запланированным сетевым обменом сообщениями.

В архитектурах L-TTA (Loosely TTA) с синхронной сетью TTEthernet, но с часами локального компьютера, отделенными от времени системы/сети, производительность контуров управления может быть ограничена. В этом случае передачи, запускаемые по времени, обязательно планируются циклически , и, таким образом, задержки между процессами на прикладном уровне могут быть большими, например, когда плезиохронные процессы работают по своим собственным локальным часам и циклу выполнения, как это наблюдается в системах, использующих циклический MIL-STD- 1553 B, интервал передачи увеличивается почти в два раза из-за высвобожденных пакетов, ожидающих запланированной передачи в источнике и запуска процесса приема в пункте назначения.

Трафик с ограничением скорости

Трафик с ограничением скорости — это еще один периодический класс трафика, чувствительный ко времени, и его необходимо моделировать так, чтобы он согласовывался с трафиком, синхронизируемым по времени (и наоборот), чтобы удовлетворить требования к максимальной задержке и джиттеру. Однако даже если сумма выделенных полос пропускания меньше пропускной способности, предоставляемой в каждой точке сети, доставка все равно не гарантируется, например, из-за потенциальных переполнений буфера в очередях коммутаторов и т. д., чего не дает простое ограничение пропускной способности. гарантии избегаются.

Лучший трафик

Трафик «наилучшего усилия» будет использовать пропускную способность сети, не используемую трафиком с ограничением скорости и синхронизацией по времени.

В устройствах TTEthernet этот класс трафика не может мешать детерминированному трафику, поскольку он находится в отдельной буферной памяти. Более того, он реализует внутреннюю архитектуру, которая изолирует наилучший трафик на разделенных портах от трафика, назначенного другим портам. Этот механизм можно связать с детальной политикой IP-трафика, чтобы обеспечить гораздо более надежный контроль трафика, чем VLAN с буферизацией FIFO.

История

В 2008 году было объявлено, что Honeywell будет применять эту технологию в аэрокосмической отрасли и отрасли автоматизации. ^[7] В 2010 году было показано, что реализация на основе коммутатора работает лучше, чем системы с общей шиной, такие как FlexRay, для использования в автомобилях. ^[8] С тех пор Time-Triggered Ethernet был реализован в различных промышленных, космических и автомобильных программах и компонентах.

См. также

Примечания

^ Качество синхронизации определяет предел эффективности, с которой физическое соединение между источником данных и коммутатором может использоваться для передачи с синхронизацией по времени, и, следовательно, общую эффективность сети: отдельные кадры данных должны передаваться так, чтобы что они прибудут в пределах временного интервала, ожидаемого коммутатором. Следовательно, максимальная ошибка синхронизации между источником и коммутатором должна быть включена в продолжительность временного интервала, который должен допускать коммутатор. В противном случае кадры передачи с синхронизацией по времени, которые правильно синхронизированы с точки зрения источника, будут отброшены коммутатором из-за неправильного синхронизации. Следовательно, чем больше ошибки синхронизации, тем меньше таких кадров может быть передано за любой заданный период. Это особая проблема при использовании стандартных сетевых интерфейсов Ethernet IEEE 802.3 с программной поддержкой IEEE1588 для передачи синхронизированных по времени передач, например, для доказуемой надежной транспортировки данных. Частично поэтому в реализациях TTEthernet рекомендуется использовать определенные сетевые интерфейсы TTEthernet с аппаратной поддержкой синхронизации и т. д.

Ссылки

^ «Ethernet с синхронизацией по времени» . www.tttech.com . Проверено 13 июля 2014 г.
^ «Ethernet с синхронизацией по времени» . Европейское космическое агентство . Проверено 10 апреля 2020 г.
^ Лавлесс, Эндрю (30 июля 2020 г.). «Об Ethernet с синхронизацией по времени в лунном шлюзе НАСА» (PDF) . Сервер технических отчетов НАСА . Проверено 4 мая 2022 г.
^ «ECSS-E-ST-50-16C – Космическая техника – Ethernet с синхронизацией по времени (30 сентября 2021 г.) | Европейское сотрудничество по космической стандартизации» . ecss.nl. Проверено 4 мая 2022 г.
^ «TTEthernet — мощное сетевое решение для всех целей» (PDF) . Маркетинговый документ . ТТТех Компьютертехник АГ. 2009. Архивировано из оригинала (PDF) 28 марта 2014 года . Проверено 28 марта 2014 г.
^ Вильфрид Штайнер и Бруно Дутертре, на основе SMT TTEthernet Формальная проверка функции синхронизации , С. Ковалевски и М. Ровери (ред.), FMICS 2010, LNCS 6371, стр. 148–163, 2010.
^ «Новые продукты: платформа Ethernet» . Новостной выпуск в журнале «Авионика» . 1 апреля 2008 года . Проверено 9 июня 2011 г.
^ Т. Штейнбах; Ф. Корф; ТК Шмидт (18 мая 2010 г.). «Сравнение Ethernet с синхронизацией по времени и FlexRay: оценка конкурирующих подходов к работе в режиме реального времени для автомобильных сетей». Материалы международного семинара IEEE по системам заводской связи 2010 г. стр. 199–202. дои : 10.1109/WFCS.2010.5548606 . ISBN 978-1-4244-5460-0 . S2CID 16739946 .

Внешние ссылки

AS6802: Ethernet с синхронизацией по времени
www.tttech.com/ttethernet - TTTech Computertechnik AG
realtime-ethernet.de - Сравнение решений Realtime-Ethernet. Пояснения частично на немецком, частично на английском языке.
Майкл Куни (14 апреля 2009 г.). «НАСА продвигает Ethernet глубже в космос» . Сетевой мир . Проверено 9 июня 2011 г.
НАСА и TTTech сотрудничают по стандартам космических сетей для сетецентрических космических операций Журнал Military & Aerospace Electronics на TTEthernet
«Обзор TTEthernet» . Веб-сайт отраслевой группы . ТТА-Групп . Проверено 9 июня 2011 г.
«Что такое SAE AS6802 «Ethernet с синхронизацией по времени»?» . Детерминированный Ethernet и унифицированные сети . 11 ноября 2011 года . Проверено 31 марта 2014 г.

[sync_efficiency-7] Качество синхронизации определяет предел эффективности, с которой физическое соединение между источником данных и коммутатором может использоваться для передачи с синхронизацией по времени, и, следовательно, общую эффективность сети: отдельные кадры данных должны передаваться так, чтобы что они прибудут в пределах временного интервала, ожидаемого коммутатором. Следовательно, максимальная ошибка синхронизации между источником и коммутатором должна быть включена в продолжительность временного интервала, который должен допускать коммутатор. В противном случае кадры передачи с синхронизацией по времени, которые правильно синхронизированы с точки зрения источника, будут отброшены коммутатором из-за неправильного синхронизации. Следовательно, чем больше ошибки синхронизации, тем меньше таких кадров может быть передано за любой заданный период. Это особая проблема при использовании стандартных сетевых интерфейсов Ethernet IEEE 802.3 с программной поддержкой IEEE1588 для передачи синхронизированных по времени передач, например, для доказуемой надежной транспортировки данных. Частично поэтому в реализациях TTEthernet рекомендуется использовать определенные сетевые интерфейсы TTEthernet с аппаратной поддержкой синхронизации и т. д.

[tttech-1] «Ethernet с синхронизацией по времени» . www.tttech.com . Проверено 13 июля 2014 г.

[2] «Ethernet с синхронизацией по времени» . Европейское космическое агентство . Проверено 10 апреля 2020 г.

[3] Лавлесс, Эндрю (30 июля 2020 г.). «Об Ethernet с синхронизацией по времени в лунном шлюзе НАСА» (PDF) . Сервер технических отчетов НАСА . Проверено 4 мая 2022 г.

[4] «ECSS-E-ST-50-16C – Космическая техника – Ethernet с синхронизацией по времени (30 сентября 2021 г.) | Европейское сотрудничество по космической стандартизации» . ecss.nl. Проверено 4 мая 2022 г.

[white-5] «TTEthernet — мощное сетевое решение для всех целей» (PDF) . Маркетинговый документ . ТТТех Компьютертехник АГ. 2009. Архивировано из оригинала (PDF) 28 марта 2014 года . Проверено 28 марта 2014 г.

[6] Вильфрид Штайнер и Бруно Дутертре, на основе SMT TTEthernet Формальная проверка функции синхронизации , С. Ковалевски и М. Ровери (ред.), FMICS 2010, LNCS 6371, стр. 148–163, 2010.

[:0-8] «Новые продукты: платформа Ethernet» . Новостной выпуск в журнале «Авионика» . 1 апреля 2008 года . Проверено 9 июня 2011 г.

[:1-9] Т. Штейнбах; Ф. Корф; ТК Шмидт (18 мая 2010 г.). «Сравнение Ethernet с синхронизацией по времени и FlexRay: оценка конкурирующих подходов к работе в режиме реального времени для автомобильных сетей». Материалы международного семинара IEEE по системам заводской связи 2010 г. стр. 199–202. дои : 10.1109/WFCS.2010.5548606 . ISBN 978-1-4244-5460-0 . S2CID 16739946 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[примечание 1]

[7]

[8]

v т и Протоколы автоматизации
Автоматизация процессов	AS-я БСАП Промышленные сети CC-Link СИП CAN-шина CANopen Девайснет Контрольная сеть ДФ-1 ДиректНЕТ EtherCAT Глобальные данные Ethernet (EGD) Ethernet Powerlink ЭтерНет/IP Протокол заводского оборудования ЗАКАНЧИВАТЬ FOUNDATION полевая шина H1 НИУ ВШЭ GE SRTP HART-протокол Паспорт безопасности Honeywell ХостЛинк ИНТЕРБУС IO-Link МЕХАТРОЛИНК МелсекНет Модбус Оптомукс ПиП ПРОФИБУС ПРОФИНЕТ Он хватает Интерфейс СЕРКОС СЕРКОС III Синец H1 СинкНет TTEthernet
Система промышленного контроля	МТКоннект ОПК ДА ОПК HDA ОПЦ ЮА
Автоматизация зданий	1-проводной BACnet Бейтс C-автобус CEBus легкость ДСИ ДайНет ЭнОкеан ЭЗС ЕИБ ФИП KNX LonTalk Модбус OpenTherm oBIX ВСКП х10 xAP xPL Z-Wave Зигби
Автоматизация энергосистем	МЭК 60870 МЭК 60870-5 МЭК 60870-6 ДНП3 Протокол заводского оборудования МЭК 61850 МЭК 62351 Модбус ПРОФИБУС
Автоматическое считывание показаний счетчика	АНСИ С12.18 МЭК 61107 ДЛМС/МЭК 62056 М-автобус Модбус Зигби
Автомобиль / Транспортное средство	АФДКС АРИНК 429 CAN-шина АРИНК 825 САЭ Дж1939 НМЕА 2000 ФМС Протокол заводского оборудования ФлексРэй МЭБ J1587 J1708 Протокол ключевых слов 2000 Единые диагностические услуги ЛИН БОЛЬШИНСТВО ОТПРАВЛЕНО (SAE J2716) К Цифал

v т и Ethernet Семейство локальных сетей технологий
Скорости	10 Мбит/с 100 Мбит/с 1 Гбит/с 2,5 и 5 Гбит/с 10 Гбит/с 25 и 50 Гбит/с 40 и 100 Гбит/с 200, 400, 800 и 1600 Гбит/с
Общий	Физический уровень Автосогласование Тип Эфира Управление потоком Рамки Джамбос
Организации	ИЭЭЭ 802.3 Ethernet Альянс
СМИ	Волокно Витая пара Коаксиальный Первая миля 10G-ЭПОН
Исторический	CSMA/CD СтарЛАН 10ШИРОКИЙ36 10BASE-ФБ 10BASE-ФЛ 10BASE5 10BASE2 ВСЕГДА ФОЙРЛ 100BaseVG ЛаттисНет Дальний охват
Приложения	Аудио Автомобильная промышленность Перевозчик Дата-центр Энергоэффективность Промышленный Метро Власть синхронный
Трансиверы	ГБИК СФП/СФП+/КСФП/КСФП+/ОСФП КСЕНПАК / X2 XFP CFP
Интерфейсы	АУИ ЕАД МДИ ТЫСЯЧА Вторая мировая война XGMII ХАУИ
Категория Коммонс