虹科干貨 | TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）如何提升以太網(wǎng)性能？

自1973年以太網(wǎng)協(xié)議推出以來，該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到支持每一個可以想象到的連接應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，以太網(wǎng)被設(shè)計成一個非確定性的基于數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)，但這也意味著以太網(wǎng)不能滿足那些需要時間關(guān)鍵性、故障安全操作的應(yīng)用需求。

為了滿足對時間敏感的應(yīng)用對嚴(yán)格控制延遲和抖動的需求，TSN任務(wù)組對現(xiàn)有的IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展，旨在解決時間同步、延遲和可靠性問題，這使得具有時間敏感、故障安全要求的應(yīng)用能夠使用與其他基于以太網(wǎng)的服務(wù)相同的基礎(chǔ)設(shè)施。

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TSN并非單一標(biāo)準(zhǔn)，而是多個標(biāo)準(zhǔn)的組合。圖1顯示了TSN的4個主要組成部分，主要用于解決以太網(wǎng)在時間同步、可靠性、延遲和資源管理方面的挑戰(zhàn)。下文中，我們將從以太網(wǎng)的缺陷出發(fā)，講述TSN標(biāo)準(zhǔn)如何解決這些挑戰(zhàn)。

圖1 TSN標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成

01

時間同步

Time synchronization

以太網(wǎng)并非一個時間同步的網(wǎng)絡(luò)，在這方面的擴(kuò)展是精確時間協(xié)議(PTP)。在IEEE 1588-2008中定義了PTP 2.0版本，而在IEEE 1588-2019中更新了向后兼容的2.1版本。在TSN中，使用了一種被稱為廣義PTP(gPTP)的PTP改編，它被定義在標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.1AS中。兩者都使用分層的主從結(jié)構(gòu)，在物理網(wǎng)絡(luò)中分配時鐘同步和校正信息。

PTP是基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步，其設(shè)備使用通過局域網(wǎng)（LAN）發(fā)送的同步信息來同步其時間基準(zhǔn)，所連接的時鐘進(jìn)行通信，并選出一個主時鐘作為最終參考，并使用來自主時鐘的信息同步它們的時間。

圖2廣義精確時間協(xié)議

圖2顯示了一個支持gPTP的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。PTP v2引入了“ 透明時鐘” 的概念，它使轉(zhuǎn)播PTP消息的設(shè)備能夠支持他們自己的時鐘，并發(fā)送通過該設(shè)備來調(diào)整延遲的后續(xù)消息。這就是所謂的兩步同步。gPTP進(jìn)一步發(fā)展了這一概念，要求所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都支持透明時鐘。在gPTP中，主站首先發(fā)送一個同步信息，然后發(fā)送一個后續(xù)信息，指出同步信息發(fā)送的精確時間。PTP v2支持不需要后續(xù)信息的單步同步，而gPTP 則需要兩步同步。

在每個設(shè)備上，接收端口被認(rèn)為是一個時鐘從屬端口，而所有其他出口端口則作為網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的時鐘主機(jī)。每個主端口傳播同步信息，同時也發(fā)送一個后續(xù)信息，指出從主站到節(jié)點的路徑延遲，加上通過橋的延遲。有了同步消息和延遲信息，每個節(jié)點可以補償和糾正它們的時鐘，確?？煽康臅r間同步。

02

延遲

Latency

將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)用于時間敏感的應(yīng)用時，主要的挑戰(zhàn)之一是延遲。絕對延遲是一個問題，但延遲的可變性和不可預(yù)測性是更值得關(guān)注的。如果網(wǎng)絡(luò)中的延遲和抖動能夠被控制在一定范圍內(nèi)，或者說被限制，那么就有可能支持時間敏感的應(yīng)用。

在TSN中，擴(kuò)展現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的目的不是消除延遲和抖動，而是盡可能地減少延遲，保證延遲和抖動性能的最大極限。在這方面來說，時間感知調(diào)度和搶占式轉(zhuǎn)發(fā)是很有幫助的，兩者的結(jié)合意味著支持時間敏感應(yīng)用的以太網(wǎng)幀將以盡可能低的延遲傳輸。

2.1 時間感知調(diào)度

在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)中，幀是完整地發(fā)送的。換句話說，當(dāng)交換機(jī)開始發(fā)送一個幀時，其他幀將不得不等待，直到它完成。對于一個最大長度為1518字節(jié)的10Gbps的以太網(wǎng)幀，需要1.23微秒的時間來發(fā)送該幀。這聽起來可能不多，但當(dāng)延遲通常以納秒為單位時，1微秒是一個很大的數(shù)字。大多數(shù)使用以太網(wǎng)的應(yīng)用對時間不敏感，可以承受這種等待，但對時間敏感的應(yīng)用卻無法承受這種延遲。

TSN在IEEE 802.1Qbv中引入了時間感知調(diào)度器的概念，通過確保高優(yōu)先級的幀在傳輸中總是被優(yōu)先考慮來解決這個問題。時間感知調(diào)度器是基于時分多址的概念，其中時間被劃分為長度相等的離散時間間隔，稱為周期。它依靠gPTP時間同步來確保以太網(wǎng)TSN網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都是時間同步的。在每個周期內(nèi)，可以為數(shù)據(jù)傳輸分配一定數(shù)量的時隙。在每個端口，時間感知調(diào)度器決定哪一個以太網(wǎng)幀要被傳輸，如圖3所示。

圖3時間感知調(diào)度

它使用服務(wù)類別(CoS)信息，例如VLAN標(biāo)記中的優(yōu)先級代碼點(PCP)，來對在CoS隊列中傳輸?shù)膸M(jìn)行優(yōu)先級排序。對于每個CoS隊列，都有一個具有時間感知能力的門，它控制是否可以發(fā)送CoS隊列中的下一幀。門可以打開或關(guān)閉傳輸，這允許調(diào)度器控制在下一個時隙中將傳輸哪個CoS優(yōu)先級。通過這種機(jī)制，可以對更高優(yōu)先級的幀進(jìn)行優(yōu)先級傳輸。

2.2 優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)

通過時間感知調(diào)度，只有當(dāng)沒有其他更高的優(yōu)先級的幀被安排傳輸時，才會傳輸盡力而為幀。然而，當(dāng)一個盡力幀正在傳輸時，一個更高優(yōu)先級的幀可能到達(dá)。這個幀可能支持一個對時間敏感的應(yīng)用，它不能容忍延遲。

通過802.1Qbu中定義的搶占式轉(zhuǎn)發(fā)，較低優(yōu)先級的以太網(wǎng)幀的傳輸可以被中斷，以便較高優(yōu)先級的以太網(wǎng)幀可以被加速。如圖4所示，這實際上意味著支持時間敏感應(yīng)用的較高優(yōu)先級的快速以太網(wǎng)幀經(jīng)歷了非常小的延遲，而犧牲了其他對時間不敏感的應(yīng)用。

圖4 優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)

03

可靠性

Reliability

包括以太網(wǎng)在內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議被設(shè)計為能夠容忍網(wǎng)絡(luò)中的變化。然而，對于重新建立網(wǎng)絡(luò)路徑的機(jī)制，如生成樹協(xié)議，可能需要大量的時間來收斂到新的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。因此，需要可靠地傳送以太網(wǎng)幀而不出現(xiàn)明顯的延遲，以支持時間敏感的應(yīng)用。一個必須支持時間敏感應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)還需要對有缺陷的分布式應(yīng)用有一定的容忍度。

TSN在IEEE 802-1CB中引入了幀復(fù)制和可靠性消除（FRER）機(jī)制。為了解決通信故障問題， TSN還引入了每流過濾和警戒（PSFP）機(jī)制，該機(jī)制首先在IEEE 802.1Qci中定義，并在IEEE p802.1Qcr中成熟。

3.1 幀復(fù)制和可靠性消除(FRER)

顧名思義，F(xiàn)RER允許每個傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)節(jié)點復(fù)制以太網(wǎng)幀，以提供通往目的地的多條路徑，如圖5所示。

圖5 幀復(fù)制和可靠性消除

每個復(fù)制的幀都有一個序列號。這允許接收節(jié)點使用序列號來消除在同一入口端口收到的重復(fù)數(shù)據(jù)。通過使用復(fù)制和消除， 以太網(wǎng)幀很有可能在不引入任何額外延遲的情況下到達(dá)其目的地。

3.2 每流過濾和警戒(PSFP)

PSFP的目標(biāo)是確保單個節(jié)點的故障不會傳播到整個網(wǎng)絡(luò)。TSN為IEEE802.1Qci 提供了擴(kuò)展，它規(guī)定了限制數(shù)據(jù)流可使用的帶寬或時間資源的對象和功能。這意味著，如果一個數(shù)據(jù)流的以太網(wǎng)幀進(jìn)入交換機(jī)并超過分配的資源，它將被放棄。

04

資源管理

Resource Management

TSN使用專用時隙來傳輸幀，但這些時隙的保留和網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)需要進(jìn)行端到端的配置。這意味著需要引入新的配置和資源管理機(jī)制來支持這些改進(jìn)。在IEEE802.1Qcc中，為配置和資源管理定義了三種不同的模式；完全集中式、分布式和混合模式。

4.1 完全集中的模式

完全集中的模式提出了資源分配的集中控制，類似于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）。以太網(wǎng)幀的發(fā)送者，稱為 " talker"，與集中式用戶配置（CUC）實例進(jìn)行通信，為它們想要傳輸?shù)幕谝蕴W(wǎng)的通信流提供要求。這個流的接收者，稱為 "listener" ，通知CUC它們想接收這個流，如圖6所示。

圖6 TSN的配置

CUC將這些要求和配置參數(shù)傳達(dá)給集中網(wǎng)絡(luò)配置（CNC）實例，該實例負(fù)責(zé)配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，這些節(jié)點將支持流通過網(wǎng)絡(luò)的路徑。這包括計算和選擇用于通信的時隙，需要與路徑中的所有節(jié)點同步。TSN沒有規(guī)定配置和網(wǎng)絡(luò)管理的協(xié)議，但允許使用現(xiàn)有的解決方案來實現(xiàn)，如Netconf和Yang。

4.2 去中心化和混合模式

去中心化模型不依靠集中控制來設(shè)置路徑，而是依靠網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的信息交換。在TSN中，IEEE 802.1Qcc中定義了流保留協(xié)議（SRP）的修改版，端點使用該協(xié)議來宣傳他們的要求，并用于交換信息，以便在保留時隙和路徑上實現(xiàn)同步。在混合模式中，集中式和非集中式的機(jī)制都被結(jié)合起來。終端仍然使用SRP來公布他們的需求，這消除了對CUC實例的需要。然而，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以使用SRP或CNC實例來協(xié)調(diào)預(yù)訂。