【《时间敏感网络关键技术概述》3900字】

时间敏感网络关键技术概述目录TOC\o"1-3"\h\u10417时间敏感网络关键技术概述 1121081.1时钟同步 118981.1.1gPTP实现时钟同步的基本原理 1235351.2数据调度 296511.2.1CBS机制（Credit-BasedShaper） 363001.2.2TAS机制（TimeAwarenessShaper） 473481.2.3帧抢占机制 4209021.2.4CQF机制（CyclicQueuingandForwarding） 5102581.3网络配置 5230911.1.1全分布式网络模型 692311.1.2集中式网络/分布式用户模型 6257081.1.3完全集中式的网络模型 7时间敏感网络是以国际标准的以太网为网络技术基础，提供高确定性传输信息的二层网络技术，依托时钟同步、数据调度和网络配置等三大关键技术，旨在为用户提供一种能够确保信息是在一个确定的、可预测的时间范围内实现所需要源目的节点之间的传输机制，通过对时间敏感感知的调度机制最小化抖动，并为时间敏感应用提供可靠的数据传输保障。达到为时间敏感型数据提供高可靠性、低时延抖动和低丢包率特性的传输服务。1.1时钟同步时钟同步是指基于设备发送器和接收器拥有相同的时钟频率、周期、抖动和漂移等参数指标，在同步的前提条件下对数据进行批量传输，进而能够提高数据传输的效率。通过时钟同步可以实现将所有网络设备在所必须执行的时间点上完成所需要的一致运算操作，因此时钟同步是TSN的基础。TSN的时钟同步能够做到保证时钟不需要与自然界时钟一致，而是将所有网络设备的的时钟一致。IEEE802．1AS-2011通过提出广义精确时间协议(generalprecisiontimeprotocol，gPTP)，为TSN规定了整个网络的时钟同步机制。gPTP与PTP是在IEEE1588-2008的工作模式相同，但是gPTP主要是基于二层网络，时钟类型更为简单，只有端节点和桥节点两种类型设备，能够将不同网络之间进行信号的时钟同步。1.1.1gPTP实现时钟同步的基本原理gPTP的核心机制是时间戳机制，主要是利用最佳时钟的选择和协商进行精确性链路上传输时延的计算，进而能够进行匹配和调节所需时钟的频率，使主时钟和各个节点的时间同步，最终实现整个网络的同步。gPTP为了做到使网内所有其他节点能够以主时钟作为参考实现主从同步，利用底层协商与信令机制，定义了一套最佳主时钟选择算法来选出整个局域网内的最优主时钟grandmaster[21]。利用软件系统将同步原理演示如下：首先TSN节点上电启动之后，CPU中运行的的gPTP协议软件指定节点是主时钟节点还是从时钟节点。然后根据主从时钟节点身份进行节点内部时钟分配。完成主节点时钟分配之后，启动主时钟节点gPTP定时协议，向各个端口定时发送gPTP同步数据帧，如果发送超时，将返回到上一运行程序继续发送gPTP同步数据帧；完成从节点在时钟分配之后，在指定端口开始接收gPTP同步数据帧，根据协议算法的标准和要求发送链路测量数据帧等，并根据数据帧中接收到的时间戳来进行过滤和测算，获得与主时钟之间的时钟和频率偏差[7]。图1.1同步总体流程1.2数据调度数据调度机制是时间敏感网络技术的核心技之一，主要实现网络的融合传输。通过将各种信息资源与网络中的数据流类型及其用途等信息进行优先级划分，实现不同交换机的端口自主配置优先级队列，数据流优先级高者则优先放在缓冲区队列上进行优先性传输。这里主要介绍数据调度中的几种主要实现方式。1.2.1CBS机制（Credit-BasedShaper）CBS机制主要通过对不同队列赋予一个“信用值”来进行数据传输的调度，不同传输队列的“信用值”会随着数据传输的过程变化而自动更改（时间网络白皮书），主要应用于音视频传输，将网络的延迟和抖动控制在一定的范围之内。802.1Qav[22]定义了流量整形的CBS机制，不仅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，而且解决了高优先级流量的长时间占用带宽，而干扰到其他流传输的情况[23]。CBS机制是根据某一个特定队列而言的，提出了依据“信用值”来进行队列输出流量整形的方法。对于任意一个采用CBS机制的队列而言，如果想要队列中的数据能够输出，其自身的credit值必须大于或等于0时，否则就不输出。当数据满足自身credit值大于等于0时传输时，那么此时队列的credit值以sendSlope的速率减少；当数据credit值小于0或者有优先级更高的队列正在传输从而导致不传输时，那么此时该队列的credit值以idleSlope（sendSlope图1.2CBS机制示例和idleSlope的单位是比特/秒）的速率增加。当没有数据传输时，且此时credit为正值，则将credit立刻置零。credit的值处于hiCredit和loCredit之间（hiCredit表示credit能够增加到的最大值，loCredit示credit能够减小到的最小值）[10]。1.2.2TAS机制（TimeAwarenessShaper）数据调度中的TAS机制内的非抢占式机制基于IEEE802.1Qbv，基于门控制列表（GCL）控制门进行周期性的开/关，实现从发送方（Talker）到接收方（Listener）中间的网桥时钟同步，TAS根据规定的时钟表对网桥中的每个端口进行开关驱动动作，做到数据调度使每个节点及队列的优先级进行定义，将需要进行实时传输的数据流第一个传输，并预先确定时间调度配置并且为为非周期性的数据预留一个通道。TAS是基于802.1AS中的时间同步中运行。根据802.1AS协议规定，最多可以有8个独立运行的传输调度的不同优先级队列。802.1Qbv[24]增加了每个队列都和一个传输门相互对应的特殊门控机制。门控列表(gatecontrollist，GCL)是将所有的传输门进行相互组合在一起形成的，设备的每个输出端口都有用于控制该端口中的输出队列的自己的门控列表，当传输门打开时数据能够传输，当传输门关闭时数据不能够传输，传输门具有最终的传输决定权，假如数据帧有足够的传输时间且被某些传输选择算法选定，但是传输门为关闭状态，仍然不能传输。时间敏感数据只有在端口空闲的情况下才会传输，这是因为在状态切换间设置有“保护带”，主要是为了保护传输时数据相互干扰，即在一段时间范围内，除了已经开始传输的队列，其余任何队列均不允许传输，保证其传输质量能够得到保障[5][8][17][21]。在IEEE802.1Qbv中所采用的TAS整形器存在需要预留通道造成需要带宽保护的问题。但是，TSN网络中还存在非周期性且没有足够的预留通道的数据，但是他们的优先级可能很高，IEEE802.1Qbv为了确保按照规定进行数据传输，给每个周期预留了一个“标准以太网”帧作为保护带宽。TAS机制可以和CBS机制结合使用，在这种结合优化使用的机制下，除了能够满足原先规定的的周期性调度和非周期性预留调度外，可以添加CBS整形器实现对其队列内部的数据进行按照信用的排序调度[1][8][15]。1.2.3帧抢占机制802.1Qbu[25]和802.3br[26]中规定了网络设备间数据传输中的帧抢占机制。帧抢占主要用于在收端和发端设备都支持的网络情况下才能够使用的紧急帧的传输。帧抢占机制允许更高优先级数据首先传输，并且能够打断低优先级的传输，帧抢占中的核心点在于抢占当前帧和防止被抢占的帧继续传输[10][27]。802.3br协议规定了帧抢占发生在MAC聚合子层中，并且将MAC层分成eMAC(expressMAC)和pMAC(preemptableMAC)。负责时间敏感流量的传输eMAC的优先级大于负责普通流量的传输pMAC。如果可抢占帧在传输时，没有发生抢占，则直接通过pMAC传输；如果发生抢占，把待传输的数据放在MAC聚合子层中进行缓存等待。在抢占过程中发生多次抢占的情况下，那么要对每个帧的分段进行FCS(framechecksequence)校验。假设当线路中有低速帧正在传输的同时恰巧一个高速帧也提出传输请求，要先决定判断当前的高速帧状态是否能够进行多次切片操作，如果允许的话，选择一个合适的位置停止低速帧的传输，此时我们就需要续接一个MCRC部分来作为校验和，并且将已经传输完成的低速帧部分可以作为一个完整的以太网帧。在初次完成以上操作后，间隔一个间隔帧的间隙（intervalframegap，IFG）后开始高速帧的传输，此项工作完成后，将刚才被中断的低速帧的剩余部分增加适当的前导码继续传输。接收端首先判断传输帧的前导码后判断帧的类型，然后将帧进行重新组装并接收[28]。在帧抢占中，时延要求敏感的帧称为高速帧（express），其余的帧称为低速帧或可抢占帧（preemptable），抢占帧功能原理示例如图1.3所示。图1.3抢占帧功能原理图1.2.4CQF机制（CyclicQueuingandForwarding）CQF整形器是基于IEEE802．1Qch【（9J循环排队与转发CQF)】的一种流量整形方法，CQF周而复始地调动网桥内重要流量的出入队操作，把控时间敏感分组进入缓存队列的时间和分组离开输出队列的时间，主要是为时间敏感流量提供精确且简单的计算时延，并实现数据在传输过程当中零拥塞丢失。在网桥的传输过程当中，一个传输周期到达的数据承载流量会随着下一个周期的运行转发至其传播路径过程当中的下一个网桥，直至循环到目的地。CQF所有传输数据帧必须严格按照在其分配的周期内准时到达或离开指定网桥，真正实现数据要求的时延范围内正常工作[29]。CQF对PSPF和EST机制进行转发延时配置，实现多样性的确定性转发，CQF也可以与抢占式机制进行融合配合，使高优先级的传输数据在队列中避免被低优先级反转压制[1]。1.3网络配置TSN需要对网络传输设备的发送端、接收端和网络中的交换机进行配置，为时间敏感型数据的传输提供带宽预留服务[21]。随着时间敏感网络引起越来越多的人关注和研究，IEEE802．1Qcc-2018[30]提出了TSN的三种配置模型即全分布配置模型、集中网络/分布式用户配置模型和全集中配置模型，规范了体系结构以及显示了网络中不同实体之间的用户/网络配置信息的逻辑流。1.1.1全分布式网络模型图1.4全分布式网络模型图全分布式网络模型用户流终端直接通过TSN用户/网络协议来传达网络设备用户需求。分布式网络配置使用一个沿着流的活动拓扑传播TSN用户/网络配置信息协议在每个网桥中传播并在本地有效执行[1]。1.1.2集中式网络/分布式用户模型集中式网络/分布式用户模型与完全分布式的模型有一些相似之处，在集中式网络/分布式用户模型中，配置信息直接指向或来自集中式网络配置（CNC）实体。TSN流的所有网桥配置都是由这个CNC使用远程网络管理协议来完成的。CNC由于对网络的物理拓扑和每个网桥的能力具备一个完整的架构而具备集中复杂的计算能力。CNC了解所有网络边缘与连接终端的网桥地址，并且将存在于端或网桥上的网桥配置作为一个代理，将信息传播不经过网络内部而直接在网桥和CNC之间传输数据信息[1]。图1.5集中式网络/分布式用户模型1.1.3完全集中式的网络模型表1.1IEEE802．1Qcc提供了T