TSN如何實現(xiàn)確定性的數(shù)據(jù)傳輸

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)朝著為用戶提供互聯(lián)服務(wù)、擴(kuò)大業(yè)務(wù)帶寬、保證服務(wù)質(zhì)量的方向發(fā)展。直到現(xiàn)在，基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)主要以人為中心，幾十毫秒的延遲并不是什么大問題。然而，隨著機(jī)器對機(jī)器 （M2M） 和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 等應(yīng)用的出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)面臨著新的挑戰(zhàn)，在車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等場景下，即使最輕微的延遲也會導(dǎo)致服務(wù)中斷。TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)是IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)化的一種基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為需要超低延遲和高精度特性的應(yīng)用提供服務(wù)。

背 景

以太網(wǎng)技術(shù)不僅被證明非常成功，更是一種存在于整個IT世界的通信方法。然而，到目前為止，還不存在對IEEE標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實時支持。當(dāng)流量集中在某個特定節(jié)點上時，現(xiàn)有以太網(wǎng)可能會遇到數(shù)十毫秒或更長時間的流量延遲。已經(jīng)成為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的全球標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，還沒有滿足確定性的要求。

由第四次工業(yè)革命引發(fā)的工業(yè)自動化，如實時監(jiān)控和高精度遠(yuǎn)程控制，需要高可用性和極低延遲（小于 1ms）的通信服務(wù)，雖然 IEEE 802.3 以太網(wǎng)是一種廣泛部署的低成本技術(shù)，但它并不滿足極低延遲和零丟失的確定性要求。為了實現(xiàn)確定性性能，大多數(shù)工廠選擇繼續(xù)使用現(xiàn)場總線技術(shù)和以太網(wǎng)的專有增強(qiáng)功能（例如 EtherCat、PROFINET 或 SERCOS III）。

因此，目前的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)并不統(tǒng)一，呈現(xiàn)出了不同的形態(tài)。這些單個產(chǎn)品的使用面臨著低安全性和互操作性的限制，這也是目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)集成和向第四次工業(yè)革命過渡的障礙。

然而，TSN的出現(xiàn)改變了局面。本文將討論TSN是什么，它如何實現(xiàn)確定性通信，以及它的應(yīng)用和局限性。

TSN概述

TSN的定義

TSN是基于AVB開發(fā)的一套標(biāo)準(zhǔn)，旨在為網(wǎng)絡(luò)上共存的各種時間敏感數(shù)據(jù)流提供零擁塞損失和有限延遲，具有延遲有限、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)可靠、與以太網(wǎng)共存等優(yōu)點。

TSN 通過引入新的流概念擴(kuò)展了 IEEE 802 最佳網(wǎng)絡(luò)模型，可增強(qiáng)流實時能力。換句話說，它可以被視為一種保證以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間數(shù)據(jù)到達(dá)時間的技術(shù)集。

TSN的優(yōu)勢

有限延遲和零擁塞損失

擁塞損失是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中輸出緩沖區(qū)的統(tǒng)計溢出，是盡力而為網(wǎng)絡(luò)中丟包的主要原因。為了解決這個問題，TSN通過將優(yōu)先級的概念嫁接到一種類似于傳統(tǒng)時分復(fù)用（TDM）的方法上進(jìn)行傳輸。根據(jù)優(yōu)先級為數(shù)據(jù)包分配可用的傳輸時間，因此保證了到達(dá)時間，即使出現(xiàn)瓶頸，也可以在不影響預(yù)定優(yōu)先級的情況下進(jìn)行傳輸。因此，TSN在任何情形下都可以保證最壞情況的到達(dá)時間，這是傳統(tǒng)以太網(wǎng)無法具備的明顯優(yōu)勢。

可靠的數(shù)據(jù)包傳遞

除擁塞丟失外，丟包的最主要原因之一是設(shè)備故障。TSN 網(wǎng)絡(luò)可以在傳輸過程中發(fā)送數(shù)據(jù)副本，并在目的地對重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。這樣一來，所有的數(shù)據(jù)包都被復(fù)制并傳輸?shù)侥康牡?，所以不會因為單個設(shè)備故障而丟失單個數(shù)據(jù)包。這一特性與準(zhǔn)時到達(dá)的優(yōu)勢相結(jié)合，使 TSN功能更加強(qiáng)大。

與以太網(wǎng)共存，降低網(wǎng)絡(luò)成本和復(fù)雜性

TSN可以與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)方法共存。此外，非 TSN 流量可以使用 TSN 流未使用的任何約定帶寬。由于它是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，因此無需更換設(shè)備，可以直接進(jìn)行集成和管理。這對于 TSN 的應(yīng)用來說是一個巨大的優(yōu)勢。

TSN如何實現(xiàn)確定性的數(shù)據(jù)傳輸？

確定性通信意味著保證和可靠。然而，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是概率性的，網(wǎng)絡(luò)操作依賴于節(jié)點（或設(shè)備）“不會同時傳輸”的假設(shè)。當(dāng)兩個節(jié)點試圖同時傳輸時，就發(fā)生了“沖突”，這使得數(shù)據(jù)無法在正確的時間內(nèi)完成傳輸。

確定性通信是一個始終傳遞相同值或到達(dá)相同狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)維基百科，確定性系統(tǒng)意味著“系統(tǒng)未來狀態(tài)的發(fā)展過程中沒有任何隨機(jī)性”。如果我們將其應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)上，確定性通信可以理解為始終在同一時間準(zhǔn)確傳輸事件的網(wǎng)絡(luò)。

簡而言之，確定性意味著可以保證數(shù)據(jù)傳輸時序在一定的誤差范圍內(nèi)。那么，TSN又是如何實現(xiàn)確定性的數(shù)據(jù)傳輸？

時間同步（IEEE 802.1AS-REV）

參與 TSN 網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備都與全局時間同步，由 IEEE 802.1AS 標(biāo)準(zhǔn) intel18處理。它確保在任何時間點，端點節(jié)點或交換機(jī)讀取的本地計算機(jī)時間大致相同。

TSN/AVB 的時鐘同步協(xié)議被標(biāo)準(zhǔn)化為 IEEE 802.1AS，與 IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)有很大的重疊。IEEE 1588 精確時間協(xié)議 （PTP） 標(biāo)準(zhǔn)用于在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備和交換機(jī)之間分配準(zhǔn)確的時間參考。它還允許基于外部參考（例如全球定位系統(tǒng) （GPS） ）進(jìn)行時間同步。

例如，假設(shè)有一個 TSN/AVB 網(wǎng)絡(luò)，由五個連接的終端站（標(biāo)簽 1-5）和三個網(wǎng)橋（標(biāo)簽 AC）組成，如左圖所示。左圖中的網(wǎng)絡(luò)使用右圖中所示的具有時間同步的生成樹連接。從這個例子可以看出，網(wǎng)橋 A 充當(dāng)主時鐘，為所有其他網(wǎng)橋和端點提供本地時間。

時間同步前的TSN/AVB網(wǎng)絡(luò)（左圖）；使用生成樹協(xié)議選擇主時鐘后（右圖）

預(yù)定流量（IEEE 802.1Qbv）

TSN 使用 IEEE 802.1Qbv 的時間感知整形器來實現(xiàn)確定性交付的流量優(yōu)先級。時間感知整形器將時間劃分為周期，然后通過將周期劃分為時隙來分配周期。每個時隙可以分配八個以太網(wǎng)優(yōu)先級中的一個或多個。

下圖顯示了原理圖的周期、時隙和優(yōu)先級。參與網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點同意 TSN 通信將這些周期劃分為時隙。

具有時間感知功能的整形器結(jié)構(gòu)

TSN 定義了三種類型的流量：關(guān)鍵流量、預(yù)留流量和盡力而為的流量。

關(guān)鍵流量：關(guān)鍵流量示例包括需要有限延遲和零擁塞丟失的工業(yè)自動化和控制流量。

盡力而為流量：盡力而為流量由通用以太網(wǎng)流量組成，沒有特定的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求。

預(yù)留流量：預(yù)留流量類型包括在具有指定帶寬預(yù)留的不同時隙中分配的幀。

綜上所述，對于確定性通信，時間整形器將時間劃分為周期并分配給每個時隙，時隙可以根據(jù)其優(yōu)先級傳輸數(shù)據(jù)。

逐流過濾和監(jiān)管 （IEEE 802.1Qci） &循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā) （IEEE 802.1Qch）

802.1Qci 使用流標(biāo)識為每個流提供過濾和策略功能。通過將標(biāo)頭字段的組合映射到確定類的內(nèi)部優(yōu)先級值 （IPV） 來標(biāo)識流。MAC 源地址、目標(biāo)地址、VLAN 和 IP 報頭字段的各種組合可用于識別流。流過濾器可以通過流門將流量導(dǎo)向特定的儀表和輸出隊列，并檢測和阻止特定的錯誤情況。

此分類流進(jìn)入循環(huán)隊列。IEEE 802.1Qch 根據(jù)傳入流量的類別收集數(shù)據(jù)包，一次傳送一個數(shù)據(jù)包。這種循環(huán)隊列和隊列清空過程提供了一個已定義的（但不是最佳的）延遲上限，并確保幀在有限延遲內(nèi)發(fā)送。

幀搶占（IEEE 802.3br、IEEE 802.1Qbu）

現(xiàn)有的以太網(wǎng)一次只傳輸一個數(shù)據(jù)包，不能根據(jù)不同的緊急度或優(yōu)先級傳輸。另外，由于大數(shù)據(jù)包比小數(shù)據(jù)包的開銷少，所以在現(xiàn)有的以太網(wǎng)中，大包的傳輸是很常見的。大包傳輸時間長，不符合時間敏感流量的要求。

解決這個問題的一種方法是停止發(fā)送數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)而發(fā)送更緊急的數(shù)據(jù)包，這就是 802.3br 和 802.1Qbu 所做的事情。緊急數(shù)據(jù)包標(biāo)記為“Express”，可搶占數(shù)據(jù)包標(biāo)記為“Preemptable”。Preemptable數(shù)據(jù)包在 Express 數(shù)據(jù)包正在傳輸時暫停自身的傳輸，并在 Express 數(shù)據(jù)包傳輸完成時從中斷的位置恢復(fù)傳輸。

如下圖所示，Express 數(shù)據(jù)包通過搶占實現(xiàn)所需的有限延遲。

這樣，“快車道”就可以用于高優(yōu)先級的流量，在確定性通信中發(fā)揮重要作用。

幀復(fù)制和消除可靠性（IEEE 802.1CB）

對于關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施來說，停機(jī)時間是不可接受的。TSN 使用冗余來避免這種停機(jī)。有兩種類型的冗余，稱為動態(tài)復(fù)制和靜態(tài)復(fù)制。某些應(yīng)用程序可能無法接受動態(tài)復(fù)制，因為動態(tài)復(fù)制需要一些時間才能從設(shè)備故障中恢復(fù)。所以TSN 主要使用靜態(tài)復(fù)制。

下圖顯示了動態(tài)冗余。如果一側(cè)發(fā)生故障，它會識別并通過選擇替代路由重新傳輸。這個過程很快，但恢復(fù)仍然需要時間。

動態(tài)復(fù)制

下圖顯示了幀復(fù)制和消除可靠性 （FRER） 使用的靜態(tài)冗余。數(shù)據(jù)包被復(fù)制，創(chuàng)建兩個（或更多）相同的數(shù)據(jù)包流。這些流可以是單播流或多播流，在接收端站或其附近檢測并刪除復(fù)制數(shù)據(jù)包。FRER 使用這種靜態(tài)冗余方法使恢復(fù)時間為零。

靜態(tài)復(fù)制

挑 戰(zhàn)

時間同步對于實現(xiàn) TSN 的確定性傳輸至關(guān)重要。目前IEEE 1588-2008 標(biāo)準(zhǔn)用于時間同步，而該標(biāo)準(zhǔn)存在著一定的漏洞。由于時間信息是通過以太網(wǎng)傳輸?shù)?，因此容易受到?shù)據(jù)包篡改、拒絕服務(wù) （DoS） 和延遲攻擊等內(nèi)部威脅。針對 IEEE 1588 的時間同步攻擊 （TSA） 可能會導(dǎo)致計時錯誤或同步丟失，這可能會使監(jiān)控、保護(hù)和控制應(yīng)用程序發(fā)生災(zāi)難性故障。

另外，對于高優(yōu)先級的保留流量，如何提供加密保護(hù)、身份驗證和并使所有消息保持完整性是一項需要解決的挑戰(zhàn)。最后，關(guān)于如何構(gòu)建 TSN 的標(biāo)準(zhǔn)尚未最終確定，缺乏 TSN 配置標(biāo)準(zhǔn)將是未來采用 TSN 的最大制約因素。不過，支持TSN集中配置的IEEE 802.1Qcc目前正在起草中。

總 結(jié)

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)一直以來扮演著數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕巧?，但它不能保證實時性和可擴(kuò)展性。本文介紹了 TSN 的產(chǎn)生、背景、優(yōu)勢、底層技術(shù)和局限性。TSN以確定性通信為武器，正在逐步拓展應(yīng)用領(lǐng)域。雖然還有一些挑戰(zhàn)需要解決，但總的來說，TSN的未來是光明的。