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    從AVB到TSN - 時效性網絡來了

    2020-10-28
    來源:曲奇泡芙
    關鍵詞: 工業以太網 TSN

      傳統以太網的傳輸機制類似于公路運輸,從一個地方去到另一地方所需的時間取決于沿途公路的擁堵情況,時延往往波動較大并具有不確定性。隨著以太網應用的推廣,音視頻應用首先對以太網傳輸提出了確定性時效的需求。想象在一個廣闊的球場上東西兩側各有一個以太網連接的揚聲器,揚聲器中間可能經過多個交換機設備,當主持人講話時,我們希望兩個揚聲器能夠同時發聲,而不會出現一前一后疊音的情況;進一步的,即使同個網絡拓撲中還有其他應用在使用流量,我們也希望兩個揚聲器的效果是穩定的。

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      為了解決以太網中音視頻同步穩定傳輸的問題,IEEE AVB (Audio Video Bridging) 工作組制定了一組802.1的以太網標準,包含802.1AS, 802.1Qat, 802.1Qav等協議。隨著工業自動化和汽車市場對以太網實時通信需求的迅速增長,2012年AVB工作組更名為TSN (Time-Sensitive Networking) 工作組,擴展AVB技術的適用范圍以統一解決網絡傳輸中的時效性問題。相對于傳統以太網,AVB 主要提供了以下三個能力:

      預留帶寬 (Bandwidth-reservation)

      流量優先級 (Traffic-priorititzation)

      時間同步 (Time-synchronization)

      TSN 擴展了AVB的能力,增加了兩個新的能力:

      時間調度流量 (Time-scheduled traffic)

      搶占幀 (Frame-preemption)

      TSN 是一組IEEE 802.1協議標準,包括  802.1AS-Rev, 802.1Qbv, 802.1Qbu, 802.1CB等多個協議,工作在OSI七層網絡模型中的第二層 - 數據鏈路層。

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      802.1AS(-Rev) Timing and Synchronization

      全局時鐘同步是實現網絡節點確定性通信的重要機制。802.1AS是IEEE 1588 PTP (Precision Time Protocol) 同步協議的一個推廣,它支持兼容不同TSN設備之間的同步。時鐘同步為每個參與網絡設備的流量調度奠定了基礎。TSN中還定義了802.1AS-Rev來增加對容錯和多個主時鐘源的支持。

      如下圖,時鐘同步在多個網絡設備中進行時,Slave節點同步到的時間為原主節點時間累加上鏈路延時(Pdelay),數據傳輸用時(transmissionTime)以及停留時間(residenceTime):

      TimeSynced = preciseOriginTimestamp + correctionField(1) + Pdelay(2) + transmissionTime(2)

      correctionField(1) = Pdelay(1) + residenceTime + transmissionTime(1)

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      802.1Qbv Scheduled Traffic

      流量調度是TSN中的一個核心概念?;?02.1AS提供的共享全局時間,802.1Qbv在參與的網絡設備之間創建和分發一個時間計劃表。802.1Qbv定義了控制TSN交換機出口處發送隊列的閥門開關的機制。計劃流量所在隊列在預定的時間窗口到達后會被放行傳輸,而在同個時間窗口中其他非計劃流量的隊列會被阻止傳輸,因此排除了計劃流量被非計劃流量阻塞的可能性。這意味著通過每個交換機的延遲是確定的,通過TSN網絡的消息延遲可以得到保證。

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      如下圖示意,交換機出口隊列的閥門好比十字路口的紅綠燈,當有計劃好的關鍵消息需要傳輸時,關鍵消息所在的隊列綠燈放行,而其他非關鍵消息的隊列則紅燈暫停傳輸。在汽車領域,新興的以太網作為主干的汽車電子架構中,傳輸在車載以太網中的數據既有需要實時響應的關鍵車控信號數據(如剎車信號)也有重要性略低的車載娛樂應用流量,802.1Qbv使得我們可以針對不同類型的流量調度,實現車控信號實時傳輸而娛樂流量則見縫插針的使用車載以太網帶寬。

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      802.1Qbu Frame Preemption

      雖然802.1Qbv機制保護關鍵消息不受其他網絡流量的干擾,但它并不一定導致最佳帶寬使用或最小的通信延遲。當這些因素很重要時,可以使用802.1Qbu中定義的搶占機制。802.1Qbu允許中斷標準以太網或巨型幀的傳輸,以便允許高優先級幀的傳輸,然后在不丟棄之前傳輸的中斷消息片段的情況下恢復傳輸。

      如下圖所示,綠色幀為關鍵消息,橙色幀為非關鍵消息,橙色幀先到達并開始傳輸。在可搶占式的MAC中,當綠色幀到達時,允許中斷橙色幀的傳輸,先傳輸綠色幀,完成后再繼續橙色幀的傳輸,從而使得關鍵消息更早完成傳輸。

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      802.1CB Frame Replication & Elimination

      802.1CB定義了在多鏈路中通過復制幀冗余管理實現消息高可用傳輸的方法。為了提高可用性,相同消息的冗余副本通過不相交的路徑并行在網絡中傳輸(用于路徑控制和保留的802.1Qca標準定義了如何設置這些路徑)。冗余管理機制將這些來自不同鏈路的冗余消息聚合在一起,去除重復消息后生成發送給接收方的單個信息流。

      如下圖,同樣的消息在上下兩條鏈路中傳輸,即使其中一條鏈路中某個節點出現故障,消息仍能從另外的鏈路被投遞到目的節點。由于802.1CB工作在數據鏈路層,幀復制和重復幀消除的操作對應用層透明。

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      802.1Qcc Central Configuration Method

      802.1Qcc定義了TSN的網絡管理接口和協議。它對流保留協議(802.1Qat)的增強包括支持更多流、可配置流保留類和流、更好地描述流特性、支持第3層流、確定性流保留收斂以及用于路由和保留的用戶網絡接口(UNI)。802.1Qcc支持TSN網絡調度的離線和在線配置,采用集中配置模式,由1或多個CUC(集中用戶配置)和1個CNC(集中網絡配置)構成。CUC制定用戶周期性時間相關的需求并傳輸過程數據到CNC,CNC計算TSN配置以滿足需求。

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      802.1Qci Per-stream Filtering and Policing

      為了防止流量過載影響網絡中的接收節點,802.1Qci可以在交換機入口處根據到達時間,速率和帶寬等信息過濾掉部分數據幀,避免錯誤的或惡意的節點破壞整個網絡,將故障隔離在網絡中的特定區域。

      802.1Qca Path Control and Reservation

      802.1Qca用于發現和收集網絡拓撲中的節點信息,以發現拓撲中可用于冗余數據傳輸的不相交路徑。

      TSN消除了傳統以太網由于交通擁堵導致的不確定性,對于具有關鍵時間約束的應用TSN是必不可少的。目前TSN的發展已經可以滿足汽車對可預測延遲和保證帶寬不斷增長的需求。NXP推出的SJA1105QEL/SEL系列車載以太網千兆交換機在支持802.1Qav及802.1AS等AVB特性的基礎上擴張支持了IEEE 802.1Qbv及IEEE 802.1Qci等TSN特性。隨著車載以太網逐漸成為汽車電子架構中的主干網,TSN技術也將被越來越多的應用在汽車領域中。


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