Чувствительная ко времени сеть

Time-Sensitive Networking ( TSN ) — это набор стандартов, разрабатываемых рабочей группой Time-Sensitive Networking рабочей группы IEEE 802.1 . Рабочая группа TSN была сформирована в ноябре 2012 года путем переименования существующей целевой группы по мостовому соединению аудио и видео. и продолжая свою работу. 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 . 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.

Фон

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:

1. Синхронизация времени: все устройства, участвующие в общении в реальном времени, должны иметь общее представление о времени.
2. Планирование и формирование трафика: все устройства, участвующие в обмене данными в реальном времени, придерживаются одних и тех же правил при обработке и пересылке пакетов связи.
3. Выбор путей связи, резервирование путей и отказоустойчивость. Все устройства, участвующие в обмене данными в реальном времени, придерживаются одних и тех же правил при выборе путей связи, резервировании полосы пропускания и временных интервалов, возможно использование более одного одновременного пути для достижения отказоустойчивости. терпимость

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 по скорости, где 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.

Синхронизация времени

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 Протокол точного времени IEEE 1588 , который использует кадры Ethernet для распространения информации 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.

Синхронизация и синхронизация IEEE 802.1AS для приложений, чувствительных ко времени

Рисунок 3 – Иерархия синхронизации 802.1AS

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 получения, 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).

Рис. 2. AVB-соединения.

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

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 трафика с учетом времени IEEE 802.1Qbv, 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. 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.

Планировщик AVB на основе кредитов

Улучшения пересылки и организации очередей IEEE 802.1Qav для чувствительных ко времени потоков.

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:

${\text{sendSlope}}={\text{idleSlope}}-{\text{portTransmitRate}}.$

Кредит увеличивается со скоростью IdleSlope, если кадры ожидают передачи из других очередей:

${\text{idleSlope}}={\frac {\text{reservedBytes}}{\text{divFrameIntervalTime}}}.$

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 выводятся из максимального размера кадра и максимального размера помех, времени простоя/отправки и максимальной скорости передачи порта.

Рисунок 4 – Пример формирования трафика Qav

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.

Протокол резервирования потока IEEE 802.1Qat

IEEE 802.1Qat Протокол резервирования потока (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:

1. Реклама потока от говорящего
2. Зарегистрируйте пути вдоль потока данных
3. Рассчитать задержку в худшем случае
4. Создать домен AVB
5. Зарезервируйте полосу пропускания

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.

Рисунок 5 – Успешное резервирование (реклама говорящего)

Рисунок 6 – Подтверждение резервирования (прослушиватель готов)

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.

Улучшения в планировании AVB

Улучшения IEEE 802.1Qcc для SRP

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 резервирования 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 IACS приложений бесшовное взаимодействие с протоколом резервирования ресурсов с замкнутым контуром). Обеспечивается (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.

IEEE 802.1Qch Циклическая организация очереди и пересылка (CQF)

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.

Попотоковая фильтрация и политика IEEE 802.1Qci (PSFP)

Попоточная фильтрация и применение политик (PSFP) IEEE 802.1Qci повышает надежность сети за счет фильтрации отдельных потоков трафика. Это предотвращает условия 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.

Планирование TSN и формирование трафика

Улучшения IEEE 802.1Qbv в планировании трафика: формирователь с учетом времени (TAS)

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 (в течение ограниченного времени) среды передачи Ethernet для тех классов трафика, которые нуждаются в гарантиях 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 по 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 по 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:

Рисунок 1: Пример расписания IEEE 802.1Qbv

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.

Более подробно о IEEE 802.1Qbv: временные интервалы и защитные полосы

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:

Рисунок 2. Кадр, отправленный слишком поздно во временном интервале наилучшего качества, нарушает временной интервал с высоким приоритетом.

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 передача этого кадра не может быть прервана, 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 среза 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 следующая:

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

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.

Рисунок 3: Защитные полосы предотвращают нарушение временных интервалов критического трафика

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:

• Время, которое потребляет защитная полоса, теряется — его нельзя использовать для передачи каких-либо данных, так как порт Ethernet должен молчать. Таким образом, потерянное время напрямую приводит к потере полосы пропускания для фонового трафика в этом конкретном канале Ethernet.
• Один временной интервал никогда не может быть меньше размера защитной полосы. Особенно при более низких скоростях Ethernet-соединений и растущем размере защитной полосы это оказывает негативное влияние на минимально достижимую длину временного интервала и время цикла.

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, потеря 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.

IEEE 802.3br и 802.1Qbu с чередованием экспресс-трафика (IET) и вытеснением кадра

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. для компонента управления мостом и IEEE 802.3br для MAC-компонента Ethernet.

Рисунок 4: Пример преимущественного использования кадра

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 кадра 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 временном интервале 1 и цикл переключается обратно на временной интервал 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, начало разделителя кадра изменено (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 сквозная коммутация, 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 усовершенствовано по мере завершения разработки новых спецификаций IEEE 802.1, таких как 802.1Qch.

Недостатки IEEE 802.1Qbv/bu

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.

Формирование асинхронного трафика IEEE 802.1Qcr

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 погрешность синхронизации часов не снижает коэффициент использования канала, в отличие от подходов с синхронизацией по времени, таких как TAS (Qbv) и CQF (Qch).

Выбор путей связи и отказоустойчивости

Управление и резервирование пути IEEE 802.1Qca (PCR)

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).

IEEE 802.1CB Репликация и устранение кадров для повышения надежности (FRER)

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. промышленные отказоустойчивые HSR и PRP, Поддерживаются указанные в IEC 62439-3.

Текущие проекты

Протокол локальной регистрации канала IEEE 802.1CS

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.

Протокол распределения ресурсов IEEE 802.1Qdd

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.

Протокол обнаружения канального уровня IEEE 802.1ABdh v2

IEEE P802.1ABdh Обнаружение возможности подключения к станции и управлению доступом к среде — поддержка блоков данных многокадрового протокола (LLDPv2) обновляет LLDP для поддержки векторной маршрутизации состояния канала IETF протокола и повысить эффективность протокольных сообщений.

Модель данных

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.

ДетНет

Основная статья: Детерминированная сеть

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 служб 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 IP маршрутизируемых сегментах уровня 3 , 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.

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 устранение 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.

Стандарты

Набор стандартов для чувствительных ко времени сетей

Стандартный	Заголовок	Статус	Дата публикации
IEEE 802.1BA-2021	Профиль TSN для аудио-видео моста (AVB) систем	Текущий	12 декабря 2021 г.
IEEE 802.1AS-2020	Синхронизация и синхронизация для приложений, чувствительных ко времени ( gPTP )	Текущий, с поправками, внесенными Корр. 1-2021	30 января 2020 г.
IEEE 802.1AS-ред.	Синхронизация и синхронизация для приложений, чувствительных ко времени ( gPTP )	подготовка	5 июня 2023 г.
IEEE 802.1АСдм	Синхронизация и синхронизация для приложений, чувствительных ко времени — «горячий» резерв	Проект 2.0	29 января 2024 г.
IEEE 802.1ASds	IEEE 802.3, пункт 4, контроль доступа к среде передачи (MAC), работающий в полудуплексном режиме.	Черновик 0.2	6 февраля 2024 г.
IEEE 802.1Qav-2009	Улучшения пересылки и организации очередей для чувствительных ко времени потоков	Включено в IEEE 802.1Q.	5 января 2010 г.
IEEE 802.1Кат -2010	Протокол резервирования потока (SRP)		30 сентября 2010 г.
IEEE 802.1aq -2012	Мост по кратчайшему пути (SPB)		29 марта 2012 г.
IEEE 802.1Qbp-2014	Несколько путей с одинаковой стоимостью (для соединения кратчайшего пути)		27 марта 2014 г.
IEEE 802.1Qbv-2015	Улучшения для запланированного трафика		18 марта 2016 г.
IEEE 802.1Qbu-2016	Вытеснение кадра ( требуется IEEE 802.3br Interspersing Express Traffic )		30 августа 2016 г.
IEEE 802.1Qca-2015	Управление маршрутом и резервирование		11 марта 2016 г.
IEEE 802.1Qch-2017	Циклическая организация очереди и пересылка		28 июня 2017 г.
IEEE 802.1Qci-2017	Потоковое фильтрование и применение политик		28 сентября 2017 г.
IEEE 802.1Qcc-2018	протокола резервирования потока (SRP) и повышение производительности Улучшения		31 октября 2018 г.
IEEE 802.1Qcy-2019	Интерфейс виртуальной станции (VSI) Протокол обнаружения и настройки (VDP)		4 июня 2018 г.
IEEE 802.1Qcr-2020	Формирование асинхронного трафика		6 ноября 2020 г.
IEEE 802.1Q -2022	Мосты и мостовые сети ( включает 802.1Qav/at/aq/bp/bv/bu/ca/ci/ch/cc/cy/cr и другие поправки )	Текущий	22 декабря 2022 г.
IEEE 802.1Q-ред.	Мосты и мостовые сети ( включает 802.1Qcz/Qcj и другие поправки )	подготовка	5 июня 2023 г.
IEEE 802.1Qcj	Автоматическое подключение к услугам провайдера Backbone Bridging (PBB)	Текущий	17 ноября 2023 г.
IEEE 802.1Qcz	Изоляция перегрузок	Текущий	4 августа 2023 г.
IEEE 802.1Кдд	Протокол распределения ресурсов	Проект 0.8	5 декабря 2023 г.
IEEE 802.1Qdj	Улучшения конфигурации для TSN	Проект 1.2	16 августа 2023 г.
IEEE 802.1Qdq	Настройки параметров формирователя для пакетного трафика, требующего ограниченной задержки	Проект 0.4	17 мая 2023 г.
IEEE 802.1Qdt	Улучшения управления потоком на основе приоритетов	Черновик 0.2	15 сентября 2022 г.
IEEE 802.1Qdv	Улучшения в циклической организации очередей и пересылке	Проект 0.4	14 ноября 2023 г.
IEEE 802.1Qdw	Управление исходным потоком	подготовка	21 сентября 2023 г.
ИЭЭЭ 802.1AB-2016	Обнаружение возможностей подключения управления доступом к станциям и средам ( протокол обнаружения канального уровня (LLDP))	Текущий	11 марта 2016 г.
IEEE 802.1ABdh-2021	Обнаружение возможности подключения управления доступом к станции и среде передачи данных — поддержка блоков данных многокадрового протокола (LLDPv2)	Текущий	21 сентября 2021 г.
IEEE 802.1AX -2020	Агрегация ссылок	Текущий	29 мая 2020 г.
ИЭЭЭ 802.1CB-2017	Репликация и устранение кадров для повышения надежности	Текущий	27 октября 2017 г.
IEEE 802.1CBdb-2021	Расширенные функции идентификации потока FRER	Текущий	22 сентября 2021 г.
ИЭЭЭ 802.1СМ-2018	Чувствительная ко времени сеть для Fronthaul	Текущий	8 июня 2018 г.
IEEE 802.1CMde-2020	Улучшения в профилях Fronthaul для поддержки новых стандартов интерфейса, синхронизации и синтонизации Fronthaul.	Текущий	16 октября 2020 г.
IEEE 802.1CS-2020	Протокол локальной регистрации каналов	Текущий	3 декабря 2020 г.
ИЭЭЭ 802.1CQ	Многоадресная рассылка и назначение локального адреса	Проект 0.8	31 июля 2022 г.
ИЭЭЭ 802.1DC	Качество предоставления услуг сетевыми системами	Проект 3.1	1 марта 2024 г.
ИЭЭЭ 802.1DF	Профиль TSN для сетей поставщиков услуг	Проект 0.1	21 декабря 2020 г.
ИЭЭЭ 802.1ДГ	Профиль TSN для автомобильной связи Ethernet	Проект 2.4	13 февраля 2024 г.
IEEE 802.1DP/SAE AS 6675	TSN для бортовой связи Ethernet в аэрокосмической отрасли	Проект 1.1	29 декабря 2023 г.
ИЭЭЭ 802.1ДУ	Сквозные пересылающие мосты и мостовые сети	Черновик 0.2	4 октября 2023 г.
МЭК/ИИЭР 60802	Профиль ТСН для промышленной автоматизации	Проект 2.2	22 февраля 2024 г.

Связанные проекты:

Стандартный	Заголовок	Статус	Дата обновления
ИЭЭЭ 802.3бр	Перемежающийся экспресс-трафик	Опубликовано	30 июня 2016 г.

Внешние ссылки

• Рабочая группа по созданию чувствительных к времени сетей IEEE 802.1
• Публичный архив документов IEEE 802.1
• Спецификация стандартов IEEE TSN от Avnu Alliance
• Ethernet в реальном времени – новое определение (на немецком языке)
• Видение чувствительных к времени сетей (TSN): объединение бизнеса и промышленной автоматизации
• Разжигает ли деятельность TSN очередную войну полевых шин?
• исследовательский проект, связанный с применением TSN в самолетах
• TSN Training , Марк Бойер (ONERA), Пьер Жюльен Шейн (Airbus Defence and Space)