了解關(guān)鍵應(yīng)用程序?qū)r(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的需求

在 10 Mbps 以太網(wǎng)的舊時(shí)代，早在 Time-Sensitive Networking 成為一種東西之前，最先進(jìn)的共享網(wǎng)絡(luò)基本上要求數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突。對于當(dāng)時(shí)的原始技術(shù)來說，這是非常實(shí)用的……在計(jì)算上優(yōu)于任何需要仔細(xì)管理訪問介質(zhì)的解決方案。

在破壞了彼此的數(shù)據(jù)后，兩個(gè)相互競爭的電臺(tái)將等待（隨機(jī)地浪費(fèi)更多的時(shí)間），然后再嘗試傳輸。這被認(rèn)為是正常的，因?yàn)樽钚〈笮〉膸?64 字節(jié)（ 512 位），并且合理估計(jì)該幀將消耗導(dǎo)線的時(shí)間是基于網(wǎng)絡(luò)速度（每秒 1000 萬位意味著每個(gè)位需要約 0.1 微秒），因此 512 位至少等于 51.2 微秒。

以太網(wǎng)技術(shù)已從 80 年代初的 10 Mbps 發(fā)展到今天的 400Gbps ，未來計(jì)劃為 800Gbps 和 1.6Tbps （圖 1 ）。

圖 1.以太網(wǎng)速度隨時(shí)間的演變

應(yīng)該清楚的是，希望你的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行得更快是一個(gè)持續(xù)的趨勢！因此，任何必須跨這些網(wǎng)絡(luò)管理事件的應(yīng)用程序都需要一種同步良好、普遍理解的跨網(wǎng)絡(luò)時(shí)間感，時(shí)間分辨率隨著網(wǎng)絡(luò)速度的加快而逐漸變窄。

這就是為什么 IEEE 至少自 2008 年以來一直在研究如何支持對時(shí)間敏感的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，最初用于音頻和視頻應(yīng)用程序，但現(xiàn)在用于更豐富、更重要的應(yīng)用程序。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)用例

對精確和準(zhǔn)確定時(shí)的要求超出了物理和數(shù)據(jù)鏈路層，擴(kuò)展到高度依賴于來自網(wǎng)絡(luò)的可預(yù)測、可靠服務(wù)的某些應(yīng)用程序。這些新興應(yīng)用程序利用了對時(shí)間的精確、準(zhǔn)確和高分辨率理解。

5G 、 6G 及以上

從 3GPP 的 5G 系列協(xié)議開始，一些應(yīng)用程序（如物聯(lián)網(wǎng)或 IIoT ）不一定需要極高的帶寬。它們確實(shí)需要嚴(yán)格控制對無線介質(zhì)的訪問，以實(shí)現(xiàn)低延遲和低抖動(dòng)的可預(yù)測訪問。這是通過向所有參與站提供精確、準(zhǔn)確和高分辨率的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。

在時(shí)域訪問方式中，每個(gè)站點(diǎn)請求并被授予使用介質(zhì)的權(quán)限，然后網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器通知站點(diǎn)他們可以使用介質(zhì)的時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。

5G 和未來網(wǎng)絡(luò)向所有參與站點(diǎn)提供準(zhǔn)確、精確和高分辨率的時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)這種新的高價(jià)值應(yīng)用。以前，新網(wǎng)絡(luò)最理想的屬性是速度。這些新的應(yīng)用程序?qū)嶋H上需要控制而不是速度。

成功啟用這些應(yīng)用程序需要參與站對絕對時(shí)間具有相同的理解，以便它們不會(huì)太早或太遲開始傳輸，或傳輸錯(cuò)誤的時(shí)間量。

如果一個(gè)電臺(tái)的傳輸時(shí)間過快或過長，它可能會(huì)干擾另一個(gè)電臺(tái)。如果它開始傳輸?shù)锰?，它可能?huì)浪費(fèi)一些寶貴的機(jī)會(huì)來使用這種媒介，因?yàn)樵谶@種情況下，它可能會(huì)傳輸?shù)臅r(shí)間少于它被允許傳輸?shù)臅r(shí)間。

我應(yīng)該指出， 5G 顯然不是以太網(wǎng)，但以太網(wǎng)技術(shù)是 5G 無線接入網(wǎng)絡(luò)如何通過從城域數(shù)據(jù)中心延伸出來的 backhaul 網(wǎng)絡(luò)連接在一起的。網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間關(guān)鍵部分從以太網(wǎng)回程域擴(kuò)展到數(shù)據(jù)中心和無線接入網(wǎng)絡(luò)。

什么樣的應(yīng)用程序需要這樣的精度？

遙測等應(yīng)用需要這種精度。未來的測量可以通過等待下一個(gè)讀數(shù)隱式地從錯(cuò)過的讀數(shù)中恢復(fù)。例如，儀表讀數(shù)可能每 30 分鐘生成一次。

對于必須以亞毫秒分辨率理解其位置的機(jī)器人呢？丟失一些位置報(bào)告可能會(huì)損壞機(jī)器人，損壞附近或連接的設(shè)備，損壞機(jī)器人正在處理的材料，甚至導(dǎo)致附近人員死亡。

你可能會(huì)認(rèn)為這與 5G 無關(guān)，因?yàn)樗@然是一個(gè)制造用例。在這種情況下， 5G 可能是更好的解決方案，因?yàn)榫_時(shí)間協(xié)議（ PTP ）從一開始就內(nèi)置在協(xié)議堆棧中。

PTP （ IEEE 1588-2008 ）是一套協(xié)議和配置文件的基礎(chǔ)，這些協(xié)議和配置文件能夠在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間以高精度和高分辨率同步高精度的時(shí)間。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使 5G （或后續(xù)）網(wǎng)絡(luò)能夠服務(wù)于數(shù)千或上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)連接設(shè)備的需求，它提供了高速、可預(yù)測延遲或低抖動(dòng)服務(wù)的不斷變化的組合。

是的，這些用戶可能是手機(jī)、工業(yè)機(jī)器人或醫(yī)療器械的普通用戶。關(guān)鍵是，通過內(nèi)置時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，只要帶寬（和時(shí)間）可用，網(wǎng)絡(luò)可以滿足各種用例。

包含 NVIDIA Cumulus Linux 5.0 及更高版本的產(chǎn)品中的 PTP 實(shí)現(xiàn)定期提供深亞微秒（甚至亞微秒）精度，支持 5G 應(yīng)用的各種要求。

媒體和娛樂

電視行業(yè)中的大多數(shù)視頻內(nèi)容目前以串行數(shù)字接口（ SDI ）格式存在。然而，該行業(yè)正在向互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（ IP ）模式過渡。

在媒體和娛樂行業(yè)，有幾種場景需要考慮，例如演播室（例如組合多個(gè)攝像機(jī)反饋和疊加）、視頻制作、視頻廣播（從單點(diǎn)到多個(gè)用戶）和多屏幕。

時(shí)間同步對于這些類型的活動(dòng)至關(guān)重要。

在媒體和廣播領(lǐng)域，一致的時(shí)間同步對于提供最佳觀看體驗(yàn)和防止幀對齊、假唱以及視頻和音頻同步問題至關(guān)重要。

在基帶世界中，參考黑或 genlock 用于保持相機(jī)和其他視頻源幀同步，并避免在從一個(gè)源切換到另一個(gè)源時(shí)引入令人討厭的偽影。

但是，隨著 IP 的采用，更具體地說，是 SMPTE-2110（或帶有 AES67 的 SMPTE-2022-6），您需要一種不同的方式來提供計(jì)時(shí)。隨之而來的是 PTP，也稱為 IEEE 1588 （PTP V2）。

PTP 完全基于網(wǎng)絡(luò)，可以在已經(jīng)用于傳輸和接收基本流的相同數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接上傳輸。各種配置文件，如 SMPTE 2059-2 和 AES67 ，提供了一組標(biāo)準(zhǔn)化的配置和規(guī)則，以滿足不同類型分組網(wǎng)絡(luò)的要求。

Spectrum 完全支持 SMPTE 2059-2 和其他配置文件下的 PTP 1588 。

汽車應(yīng)用

新一代的車載區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（ CAN ）已從共享/總線架構(gòu)發(fā)展到 5G 無線接入網(wǎng)絡(luò)（ RAN ）或 IT 環(huán)境中的架構(gòu)：交換拓?fù)洹?/p>

當(dāng)涉及交換機(jī)時(shí)，可能會(huì)因爭用或緩沖而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失或延遲變化，從而限制或消除對汽車中各種應(yīng)用程序可能需要的網(wǎng)絡(luò)的可預(yù)測訪問。

自動(dòng)駕駛汽車必須定期以相當(dāng)高的頻率處理視頻和其他傳感器輸入，以確定車輛的安全前進(jìn)路徑。車輛中的引導(dǎo)智能取決于定期訪問其傳感器，因此網(wǎng)絡(luò)必須能夠保證對傳感器的訪問足夠頻繁，以支持必須解釋這些傳感器的算法的輸入。

例如，方向盤和制動(dòng)器讀取摩擦力，啟用防抱死和防滑功能，并與摩擦制動(dòng)相比權(quán)衡再生能量捕獲。視頻輸入，可能還有雷達(dá)和激光雷達(dá)（光探測和測距），不斷掃描前方道路。它們使解釋算法能夠確定是否出現(xiàn)了需要轉(zhuǎn)向、制動(dòng)或停車的新障礙。

所有這些都是在車輛導(dǎo)航子系統(tǒng)使用 GPS 接收粗定位數(shù)據(jù)并將其與地圖對齊時(shí)發(fā)生的，地圖與攝像機(jī)的視覺輸入相結(jié)合，以建立隨時(shí)間變化的準(zhǔn)確定位信息，確定法律允許的最大速度，并將法律限制與當(dāng)?shù)貤l件相結(jié)合，以確定安全速度。

這些不同的傳感器和相關(guān)的獨(dú)立子系統(tǒng)必須能夠在可預(yù)測的延遲/低抖動(dòng)的基礎(chǔ)上將其輸入傳送到主處理器及其自驅(qū)動(dòng)算法，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)還支持非延遲關(guān)鍵應(yīng)用程序。整個(gè)系統(tǒng)的正確、可預(yù)測的運(yùn)行對乘客（和行人?。┲陵P(guān)重要。

除了支持車輛安全運(yùn)行的傳感器和軟件外， CAN 上運(yùn)行的其他應(yīng)用程序?qū)Τ丝蛠碚f仍然很重要，但顯然不是至關(guān)重要的：

操作通風(fēng)或氣候控制系統(tǒng)以保持每個(gè)座椅的理想溫度（包括空氣運(yùn)動(dòng)、座椅加熱或冷卻等）

向各種乘客提供多個(gè)音頻或視頻內(nèi)容流

與其他乘客或附近車輛上的乘客玩游戲

重要的日常維護(hù)活動(dòng)，如測量輪胎的充氣壓力、蓄電池充電水平、制動(dòng)效率（可能表明過度磨損）等

其他低頻但也具有時(shí)間關(guān)鍵性的傳感器輸入為車輛的自診斷提供了必要的輸入，以確定何時(shí)應(yīng)將其帶回維修站進(jìn)行維修，或僅為其電池充電。

要求所有這些不同的應(yīng)用程序共享車輛中的同一物理網(wǎng)絡(luò)（在同一 CAN 上運(yùn)行）是需要 PTP 的原因。

工程師將設(shè)計(jì) CAN ，使其具有足夠的瞬時(shí)帶寬，以支持所有關(guān)鍵設(shè)備的最壞情況需求（例如爭用很少或不可能），同時(shí)動(dòng)態(tài)允許所有設(shè)備請求訪問量和每個(gè)設(shè)備所需的延遲邊界，這些延遲邊界可以隨時(shí)間變化。有意使用雙關(guān)語。

在自動(dòng)駕駛汽車的世界中， PTP 是實(shí)現(xiàn)車內(nèi)技術(shù)的關(guān)鍵，支持車輛的安全運(yùn)行，同時(shí)提供豐富的娛樂和舒適性。

結(jié)論

您已經(jīng)看到了三個(gè)應(yīng)用程序示例，其中對網(wǎng)絡(luò)訪問的控制與原始速度同等重要。在每種情況下，應(yīng)用程序都定義了精確/準(zhǔn)確/高分辨率計(jì)時(shí)的要求，但網(wǎng)絡(luò)使用通用機(jī)制來提供所需的服務(wù)。

隨著網(wǎng)絡(luò)速度的不斷加快，用于區(qū)分事件的時(shí)間分辨率與帶寬的倒數(shù)成線性比例。

強(qiáng)大的 PTP 實(shí)現(xiàn)，例如 NVIDIA Cumulus Linux 5.0 設(shè)備中的實(shí)現(xiàn)，體現(xiàn)了可擴(kuò)展的協(xié)議機(jī)制，將適應(yīng)未來更快的網(wǎng)絡(luò)。它們將提供定時(shí)精度和精度，以適應(yīng)這些網(wǎng)絡(luò)不斷增長的速度。

未來的應(yīng)用程序有望繼續(xù)收到他們所需的可預(yù)測的時(shí)間相關(guān)服務(wù)。即使網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)以更快的速度、更細(xì)粒度的時(shí)間分辨率支持更多用戶，這也是事實(shí)。

關(guān)于作者

Peter Rizk 是 NVIDIA 網(wǎng)絡(luò)組的技術(shù)營銷總監(jiān)，支持頻譜交換機(jī)、 Cumulus Linux 、 NetQ 和 NVIDIA Air 。他有超過 20 年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，曾為蘋果、 3Com 、 PMC Sierra 和 Infoblox 工作。他在網(wǎng)絡(luò)、安全和存儲(chǔ)方面有著廣泛的背景。彼得獲得圣何塞州立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)士學(xué)位，職業(yè)生涯早期在加州大學(xué)圣克魯斯分校教授網(wǎng)絡(luò)課程。

審核編輯：郭婷