Детерминированная сеть

Детерминированные сети (DetNet) — это попытка рабочей группы IETF DetNet изучить реализацию детерминированных путей передачи данных для приложений реального времени с чрезвычайно низкой скоростью потери данных, изменением задержки пакетов (дрожанием) и ограниченной задержкой, например, потоковая передача аудио и видео. , промышленная автоматизация и управление транспортными средствами.

DetNet работает в маршрутизируемых сегментах уровня IP 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 Time-Sensitive Networking . ^[1] Целью детерминированной сети является миграция критичных по времени, высоконадежных промышленных приложений управления и аудио-видео из специализированных Fieldbus сетей ( HDMI , CAN-шина , PROFIBUS , RS-485 , RS-422 / RS-232 и I²C ) в пакетные. сетях и IP в частности. DetNet будет поддерживать как новые, так и существующие ИТ-приложения в одной физической сети.

Для поддержки приложений реального времени DetNet реализует резервирование ресурсов плоскости данных в промежуточных узлах на пути потока данных, расчет явных маршрутов, не зависящих от топологии сети, и перераспределение пакетов данных во времени и/или пространстве для доставки данных даже при потеря одного пути.

Обоснование

Стандартная ИТ-инфраструктура не может эффективно обрабатывать данные, чувствительные к задержкам. Коммутаторы и маршрутизаторы используют принципиально неопределенные алгоритмы обработки пакетов/кадров, что может привести к спорадическому потоку данных. Распространенным решением для сглаживания этих потоков является увеличение размера буфера, но это отрицательно влияет на задержку доставки, поскольку данные должны заполнить буферы, прежде чем начнется передача на следующий коммутатор или маршрутизатор.

Рабочая группа IEEE Time-Sensitive Networking (TSN) определила детерминированные алгоритмы организации очередей, формирования и планирования, которые позволяют каждому узлу распределять полосу пропускания и задержку в соответствии с требованиями каждого потока данных путем вычисления размера буфера на сетевом коммутаторе. Те же алгоритмы можно использовать на более высоких сетевых уровнях для улучшения доставки IP-пакетов и обеспечения совместимости с оборудованием TSN, если оно доступно.

Требования

Приложения из разных областей часто имеют принципиально схожие требования, которые могут включать: ^[2]

Синхронизация времени на каждом узле (маршрутизаторе/мосте) по всей сети с точностью от наносекунд до микросекунд.
Детерминированный поток данных, который должен поддерживать:
- одноадресные или многоадресные пакеты;
- гарантированная минимальная и максимальная задержка между конечными точками по всей сети с минимальным джиттером, когда это необходимо;
- Коэффициент потери пакетов Ethernet от 10 ⁻⁹ до 10 ⁻¹², беспроводные ячеистые сети около 10 ⁻⁵;
- высокое использование доступной пропускной способности сети (нет необходимости в массовом избыточном выделении ресурсов);
- обработка потока без регулирования, обратной связи по перегрузке или другой задержки передачи, определяемой сетью;
- фиксированный график передачи или максимальная пропускная способность и размер пакета.
Планирование, формирование, ограничение и контроль передачи на каждом узле.
Защита от неправильного поведения узлов (как в плоскости данных, так и в плоскости управления): поток не может влиять на другие потоки даже при высокой нагрузке.
Резервирование ресурсов в узлах, несущих поток.

Операция

Распределение ресурсов

Чтобы уменьшить потерю пакетов, связанную с конкуренцией, такие ресурсы, как буферное пространство или полоса пропускания канала, могут быть назначены потоку на пути от источника к месту назначения. Поддержание адекватного буферного хранилища на каждом узле также ограничивает максимальную сквозную задержку.Максимальная скорость передачи и максимальный размер пакета должны быть явно определены для каждого потока.

Каждый сетевой узел на пути не должен превышать эти скорости передачи данных, поскольку любой пакет, отправленный вне запланированного времени, требует дополнительной буферизации на следующем узле, что может превысить выделенные ему ресурсы.Для ограничения скорости передачи данных на входящих портах применяются функции ограничения и формирования трафика. Это также защищает обычный ИТ-трафик от некорректно работающих источников DetNet.Поля времени выполнения в пакетах и субмикросекундная временная синхронизация между всеми узлами используются для обеспечения минимальной сквозной задержки и устранения нерегулярной доставки (дрожания). Джиттер снижает воспринимаемое качество аудиовизуальных приложений, а сетевые приложения управления, построенные на протоколах последовательной связи, вообще не могут справиться с джиттером.

Защита сервиса

Потеря пакетов также может быть результатом ошибок носителя и сбоев оборудования. Репликация и устранение пакетов, а также кодирование пакетов обеспечивают защиту службы от этих сбоев.

Репликация и удаление работают путем распределения данных по нескольким явным путям и их повторной сборки по порядку рядом с местом назначения. Порядковый номер или временная метка добавляется к пакету потокового или транспортного протокола DetNet, затем дублирующиеся пакеты удаляются, а неупорядоченные пакеты переупорядочиваются на основе информации о последовательности и журналов передачи. Соблюдение ограничений задержки потока также накладывает ограничения на неправильное упорядочение, поскольку пакеты, нарушающие порядок, влияют на дрожание и требуют дополнительной буферизации.

Различные длины путей также требуют дополнительной буферизации для выравнивания задержек и обеспечения ограничений пропускной способности после восстановления после сбоя.Репликация и устранение могут использоваться несколькими узлами DetNet для улучшения защиты от многочисленных сбоев.При кодировании пакетов для каждого пакета используется несколько единиц передачи, добавляя информацию избыточности и исправления ошибок из нескольких пакетов в каждую единицу передачи.

Явные маршруты

В ячеистых сетях события топологии, такие как сбой или восстановление, могут повлиять на поток данных даже в удаленных сегментах сети. Побочным эффектом изменения маршрута является неупорядоченная доставка пакетов.

Сети реального времени часто основаны на физических кольцах с простым протоколом управления и двумя портами на устройство для резервных путей, хотя и за счет увеличения количества переходов и задержки.Маршруты DetNet обычно определяются явно и не изменяются (по крайней мере, немедленно) в ответ на события топологии сети, поэтому нет перерывов в согласовании протоколов маршрутизации или моста.Явные маршруты могут быть установлены с помощью RSVP-TE, сегментной маршрутизации, IS-IS, пути с коммутацией меток (LSP) MPLS-TE или программно-определяемого сетевого уровня.

Дорожная инженерия

Рабочая группа IETF по архитектуре и сигнализации трафика (TEAS) поддерживает протоколы MPLS-TE LSP и RSVP-TE. Эти протоколы маршрутизации трафика (TE) преобразуют спецификацию потока DetNet в элементы управления TSN IEEE 802.1 для алгоритмов организации очереди, формирования и планирования, таких как формирователь IEEE 802.1Qav на основе кредитов, формирователь IEEE802.1Qbv, запускаемый по времени, с вращающимся планировщиком времени, IEEE802. Синхронизированная двойная и тройная буферизация .1Qch, приоритетное вытеснение пакетов Ethernet 802.1Qbu/802.3br, а также репликация и устранение кадров 802.1CB для обеспечения надежности. 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. ^[3]

Варианты использования

IETF предусматривает следующие варианты использования: ^[4]

профессиональное аудио и видео ( Audio Video Bridging );
электроэнергии ; производство и распределение
системы автоматизации зданий (БАС);
беспроводные промышленные ячеистые сети ;
сотовая радиосвязь (прямая/обратная связь);
промышленные межмашинные сети (M2M);
горнодобывающая промышленность (дистанционное управление транспортными средствами);
частный блокчейн ;
нарезка сети .

См. также

Ссылки

^ «Детерминированная сеть (детнет)» . IETF .
^ Постановка задачи детерминированной сети . дои : 10.17487/RFC8557 . RFC 8557 .
^ Варга, Балаж; Фаркас, Янош; Малис, Анью Г.; Брайант, Стюарт (июнь 2021 г.). «Плоскость данных детерминированной сети (DetNet): IP через чувствительную ко времени сеть IEEE 802.1 (TSN)» .
^ Варианты использования детерминированных сетей . дои : 10.17487/RFC8578 . RFC 8578 .

Внешние ссылки

Рабочая группа по детерминированным сетям (detnet)

[1] «Детерминированная сеть (детнет)» . IETF .

[2] Постановка задачи детерминированной сети . дои : 10.17487/RFC8557 . RFC 8557 .

[3] Варга, Балаж; Фаркас, Янош; Малис, Анью Г.; Брайант, Стюарт (июнь 2021 г.). «Плоскость данных детерминированной сети (DetNet): IP через чувствительную ко времени сеть IEEE 802.1 (TSN)» .

[4] Варианты использования детерминированных сетей . дои : 10.17487/RFC8578 . RFC 8578 .

[1]

[2]

[3]

[4]