【《时延敏感网络相关协议综述》5100字】

PAGEPAGE5时延敏感网络相关协议综述目录TOC\o"1-3"\h\u1273时延敏感网络相关协议综述 1164491.1时延敏感网络概述 1257061.2已正式发布的时延敏感网络相关协议标准 2208321.2.1时延敏感网络帧格式 3112301.2.2IEEEStd802.1AS标准 3284671.2.3IEEEStd802.1CB-2017标准 7184281.2.4IEEEStd802.1Qav-2009标准 8173321.2.5IEEEStd802.1Qbv-2015标准 8130521.2.6IEEEStd802.1Qbu-2016标准 981341.3正在修订中的时延敏感网络协议标准 10173351.4小结 111.1时延敏感网络概述纵观自1970年代开始的以太网发展历程，我们可以深切并富有逻辑地感受与推导出TSN的出现与发展。在早期，科学家通过不断提高以太网的传输速度，来解决数据量指数级膨胀、传输延时增大和丢包率上升的问题。然而，更快的传输速度虽然可以大幅提升以太网的容量，但对于降低传输延时、提升带宽使用率等指标而言效果并不明显；第二，静态非实时数据早已不再是网络传输的唯一内容，随着时代的发展，人们对于多媒体（语音、视频等）动态内容的实时数据开始有极大需求，而传统以太网无法满足实时动态数据的传输要求；第三，由于缺乏公认的网络协议与标准，厂商各自为战，不同解决方案如雨后春笋般冒出，正因如此，也造成了无数的兼容性问题，使音视频领域的发展受限。于是，AVB在2005年走入人们的视野，它的问世给包括音视频行业在内的实时传输网络应用指明了前进的方向。它通过时钟同步、预留带宽、流量整形等方法，提升实时通讯等业务的服务质量。而为了将AVB应用于更广阔的领域，在2012年，TSN应运而生，此后，IEEE802.1工作组对TSN进行了一系列协议机制的拓展和更新。总体来看，TSN是以以太网为网络基础、提供高可靠信息传输的标准化技术，通过时间感知的调度机制将数据传输中的抖动最小化，并让时间敏感应用拥有可靠的数据传输保障。TSN是一种二层网络技术，其数据转发依靠以太网数据帧的分组头部信息，数据帧的负载信息不受上层网络协议限制，所以TSN可以根据需求在任一使用以太网的网络环境中被部署。顾名思义，时间是TSN的主要专注点，目标是提供一种机制以确保信息能够在一个确定的、可预测的时间范围内完成源目的节点之间的传输。进一步看，TSN具有以下目标：（1）保障交换网络的报文时延；（2）可以混合传输时间敏感数据流和非时间敏感数据流，并且后者的传输不会影响前者的传输时延；（3）不同类别的高层协议可以共享网络基础设施，即多种协议的负载可以同时在网络中传输；（4）通过在源头获得精确的信息，可以快速地确诊并修复网络错误。TSN协议主要在数据链路层中的MAC层工作，它为数据的传输提供可靠性或者极低的端到端时延，强化了以太网的实时性能。TSN对于传输时间敏感的数据流非常擅长，无论在其传输网络中是否存在BE（BestEffort，尽力而为）流量，TSN都可以通过其较完备的协议机制来保证时间敏感数据流的传输质量。此外，TSN拥有足够的带宽且能够提供互操作能力，这为其持续发展与完善提供了很好的条件。我们可以预见，在未来许多领域中，TSN都会逐渐扮演重要的角色，并且它的重要性将会持续增长。2.2已正式发布的时延敏感网络相关协议标准TSN协议簇是IEEE802.1工作组开发制订的多个子协议的组合，这一系列协议共同形成数据传输机制而使得传统以太网拥有高确定性、低时延等优点，为了保证这些，需要多个子协议共同协作运行。在下文，我将从基础的TSN帧格式开始，分别从时间同步、帧的复制和消除、调度和流量整形、流预留等功能角度对TSN的部分协议做详细阐释。1.2.1时延敏感网络帧格式TSN在数据链路层中采用了IEEE802.1Q规定的帧格式，这种格式让TSN设备能够准确分辨时间敏感流数据与其他流数据。如下图所示，以太网帧中IEEE802.1QVLAN标签中的优先级代码点（PCP）以及VLAN识别符（VID）共同决定了TSN数据流的标识。而PCP与VID都是数据流关联的应用程序分配而来的。图2.1IEEE802.1Q帧格式及其VLAN标记我们可以看到，PCP的域为3bit，即有8个优先级，这让TSN在工作时，可以按照不同的业务类型分配不同的优先级，并依此缓存进不同的任务队列中，通过不同的调度策略进行资源调度。1.2.2IEEEStd802.1AS标准802.1AS的标准英文名称为TimingandSynchronization，主要功能即实现时钟同步。802.1AS标准在2011年首次正式发布，并于2020年6月经过P802.1AS-Rev的修订发布了新版本。802.1AS是基于IEEE1588V2协议在数据链路层的发展与进一步应用，是一个完全基于二层网络，非IP路由的协议。在IEEE1588的PTP（PrecisionTimeProtocol，精准时间协议）的特定配置文件基础上，802.1AS定义了gPTP（generalizedPTP，广义精准时间协议），拥有更快的启动能力，且实现了同步机制的简化和优化，由此能够更简洁、更易操作地进行时钟同步操作，更适合用于实现工业网络中的时间同步。1.2.2.1基本构成在802.1AS中，时间同步是按照“域（domain）”划分的，包含了多个PTP节点，其中有且仅有一个全局主节点（GrandMasterPTPInstance），负责给所有其他从节点提供时钟信息；PTP节点有两种分类，分别是PTP端节点（PTPEndInstance）和PTP交换节点（PTPRelayInstance），其中，端节点可作为全局主节点，即GrandMaster，也可以成为从节点接收来自主节点的时间同步信息，而交换节点则是从某一接口接收时间同步信息，加以修正后转发到其他接口。1.2.2.2GrandMaster的选取（BMCA算法）在802.1AS中，GrandMaster的选取除了手动设置之外，还可以通过PTP节点属性的比较而自动选出，这一策略就是BMCA（BestMasterClockAlgorithm）。在BMCA算法建立的过程中，刚开始时，各个PTP节点及其端口（Port）的角色是不确定的，于是各个节点将自身的时钟属性、接口信息放入Announce报文中，并发送给gPTP域内的所有节点，通过比较算法，优先级高的PTP节点自动成为GrandMaster，并确定各个端口的状态。BMCA算法由众多状态机组成，它们之间相互配合协调，通过内部不同种类的向量的传递来实现以上功能，过程如下图所示。图2.2BMCA算法状态机及其流程1.2.2.3802.1AS的测量过程为了实现GM（GrandMaster）的时钟与节点本地时钟的同步，一般需要考虑三个因素：链路延迟、时钟频率误差、驻留时间。在这里详细介绍链路延迟（MeanLinkDelay）的计算原理。链路延迟又称为链路平均传播时间，指的是相邻两个PTP节点之间通信的链路在单方向上传播所需的时间。在802.1AS协议中，采用P2P测量机制（Peer-to-PeerDelayMechanism）来计算，假设链路往返延迟一致，通过精确测定四个时间戳来计算。详细计算原理如下图所示，并分以下几个步骤：（1）延迟测量发起者（initiator）主动发出PdelayReq报文给延迟测量响应者（responder），在initiator端记录下发出时间戳t1，在responder端记录实际接收时间戳（2）responder此后会回复PdelayResq给initiator，这个报文会含有时间戳t2这一信息。这一回复过程又同样地产生了时间戳t3、（3）responder会通过发送PdelayResqFollowUp这一报文来传送时间戳t3tdelay图2.3链路延迟测量原理若双方节点交替作为initiator，则都能计算获得链路延迟时间。用P2P测量机制，能够得到gPTP域中每一段链路延迟。在实际的时间同步过程中，PTP交换节点会将从GM开始的链路延迟积累数据记录在Follow_Up报文中的correctionField中，并转发出去。1.2.2.4802.1AS时间同步实现过程串联起上述机制，结合特定的报文设定，就可以推演出802.1AS协议的时间同步实现过程。首先，通过手动配置或者BMCA确定GM后，GM周期发送Sync和Follow_Up报文提供主时钟的基准；同时，各个PTP节点通过Signaling报文协商并计算出链路延迟、时钟频率误差等信息；最后，各节点结合以上报文及信息，利用Follow_Up报文中的correctionField信息进行修正，即可得出主时钟目前的时刻，从而完成时间同步。图2.4gPTP时间同步网络架构1.2.2.5802.1AS-2020新特性在修订后的新版内容中，有几个重要的新特性被添加进来，如：多域冗余、支持“一步法”等。关于多域冗余，详细可见下图，主要分为两种方式：（1）同一GM（全局主节点）划分多个域，对每个域生成同步树（即同步路径）实现冗余；（2）多个GM，每个GM维护一个域生成同步树，多个GM有主次之分，次要GM跟主要GM同步，这种方式也称为hot-standby。图2.5多域冗余在图中，左上角的endstation作为主要GM，它划分两个域，为每个域生成一个同步树（即同步路径，分别为蓝色和淡蓝色），右下角的endstation作为次要GM跟主要GM同步，此外也划分两个域，为每个域生成同步树（红色和浅红色），这样一共有四个域、四个同步树，确保了冗余。1.2.3IEEEStd802.1CB-2017标准802.1CB的英文名称为FrameReplicationandEliminationforReliability（FRER），即通过帧复制和消除以提高可靠性，实现了为部分关键数据开通的无缝冗余机制，目的是增加给定数据流的交付成功率，防止因阻塞导致的丢包并降低由于设备故障导致的数据流丢失的概率。其实现的过程如下图所示。图2.6帧复制和消除的过程FRER在发送端将数据帧复制为多个副本并生成序列号，在不相交的冗余网络路径A-B-C和D-E-F上传送，在目的地或者目的地附近（如B、E）依据数据帧的序列号检查并丢弃重复的副本，以实现无缝冗余传输。802.1CB的部署可以非常灵活，不论是端站还是中间节点都可以应用。1.2.4IEEEStd802.1Qav-2009标准802.1Qav协议为实时传输要求高、丢包敏感的实时音视频应用提供了性能保证，定义了时间敏感流的排队和转发协议的增强机制（ForwardingandQueuingEnhancementsforTime-SensitiveStreams，FQTSS）。802.1Qav协议的主要作用是确保同时保证时间敏感数据流的传输质量、保证普通数据流与时间敏感数据流在网络中的共存。该标准规定了优先级的重新生成算法和受控带宽的队列枯竭算法，最主要的是定义了基于可信因子的流量整形算法CBS（CreditBasedShaper），用于解决长时间占用带宽的高优先级数据流干扰到其他流传输的情况。有了这一协议，在队列调度时，普通数据流采用严格的优先级算法进行调度，而当时间敏感数据流与其产生冲突时，采用CBS进行调度。该内容将在本文第三部分进行详细介绍。1.2.5IEEEStd802.1Qbv-2015标准802.1Qbv协议的英文全称为EnhancementsforScheduledTraffic。ScheduledTraffic是对时延要求非常高的一类数据流，它的延迟容易导致比较严重的系统故障，所以我们希望可以采取措施来保证这类数据流在网络中的传输是可预期的，而严格优先级算法和CBS算法都无法满足需求。由此，802.1Qbv中定义了TAS（Time-AwareShaper，时间感知整形器），引入门控机制，将8个用于传输的不同优先级队列与传输门一一对应，传输门的状态决定其队列是否能够进行传输，由此形成门控列表（GateControlList，GCL）来体现端口传输情况，GCL中的内容包含时间间隔、队列状态。图2.7TAS门控调度示意图将数据流在以太网中的传输切分成固定长度的调度周期，调度周期又可继续被分解成门控周期，每个传输队列可以占用一个或几个门控周期。依据实际情况进行相应设置，可以为周期性传输的ScheduledTraffic数据流创建一条无冲突的传输通道。该内容也将在第三部分继续展开讨论。1.2.6IEEEStd802.1Qbu-2016标准802.1Qbu协议即为FramePreemption，规定了数据传输中的帧抢占机制，将实时性、优先级不同的帧标记并区分为高速帧和可抢占帧（或快速流量和可抢占流量），允许高速帧一次或多次打断可抢占帧的传输，而可抢占帧则分片，在高速帧传输完成后，可抢占帧再进行重组并恢复传输。通过这样的方式，既保证了高优先级流量的实时传输，也兼顾了低优先级流量的有效、可靠传输。下图为帧抢占的示意图。图2.8帧抢占机制保证高优先级流量实时传输1.2.7IEEEStd802.1Qat-2010标准和IEEEStd802.1Qcc-2018标准802.1Qat标准定义了流预留协议（StreamReservationProtocol，SRP），即基于资源的预留要求和可用网络资源，规定了数据流的准入控制框架，在数据通信链路上通过留存传输资源来满足传输所需的高实时性要求，以解决传输网络中实时流量与普通流量之间的资源竞争问题。SRP以MRP（MultipleRegistrationProtocol，多注册协议）为基础包含MSRP（MultipleStreamRegistrationProtocol，多数据流预留协议）、MMRP（MultipleMACRegistrationProtocol，多MAC注册协议）、MVRP（MultipleVLANRegistrationProtocol，多VLAN注册协议）三种应用，为SRP提供所有在数据传输网络中相关的信号。而802.1Qcc标准则是对802.1Qat的增强，它提供了全局管理和网络控制的工具，通过减少预留消息的频率和大小来改善原有的SRP，并能支持更多种类的数据流。1.3正在修订中的时延敏感网络协议标准正如IEEE802.1AS-Rev对IEEE802.1AS的改进修订，以及IEEE802.1Qcc对IEEE802.1Qat的提升增强一样，目前仍有很多正在评估与修订中的TSN标准，其大部分都是对已有标准与协议的补充或增强，在这里只列出部分例子。其中，有一部分正在进行中的项目是在研究如何补充与增强原有协议，如P802.1Qcr和P802.1Qcw就是对802.1Q标准（TSN帧格式）的补充或增强，前者主要研究引入异步流量整形