从AVB到TSN - 时效性网络来了

传统以太网的传输机制类似于公路运输,从一个地方去到另一地方所需的时间取决于沿途公路的拥堵情况,时延往往波动较大并具有不确定性。随着以太网应用的推广,音视频应用首先对以太网传输提出了确定性时效的需求。想象在一个广阔的球场上东西两侧各有一个以太网连接的扬声器,扬声器中间可能经过多个交换机设备,当主持人讲话时,我们希望两个扬声器能够同时发声,而不会出现一前一后叠音的情况;进一步的,即使同个网络拓扑中还有其他应用在使用流量,我们也希望两个扬声器的效果是稳定的。

为了解决以太网中音视频同步稳定传输的问题,IEEE AVB (Audio Video Bridging) 工作组制定了一组802.1的以太网标准,包含802.1AS, 802.1Qat, 802.1Qav等协议。随着工业自动化和汽车市场对以太网实时通信需求的迅速增长,2012年AVB工作组更名为TSN (Time-Sensitive Networking) 工作组,扩展AVB技术的适用范围以统一解决网络传输中的时效性问题。相对于传统以太网,AVB 主要提供了以下三个能力:

  • 预留带宽 (Bandwidth-reservation)
  • 流量优先级 (Traffic-priorititzation)
  • 时间同步 (Time-synchronization)

TSN 扩展了AVB的能力,增加了两个新的能力:

  • 时间调度流量 (Time-scheduled traffic)
  • 抢占帧 (Frame-preemption)

TSN 是一组IEEE 802.1协议标准,包括 802.1AS-Rev, 802.1Qbv, 802.1Qbu, 802.1CB等多个协议,工作在OSI七层网络模型中的第二层 - 数据链路层。

802.1AS(-Rev) Timing and Synchronization

全局时钟同步是实现网络节点确定性通信的重要机制。802.1AS是IEEE 1588 PTP (Precision Time Protocol) 同步协议的一个推广,它支持兼容不同TSN设备之间的同步。时钟同步为每个参与网络设备的流量调度奠定了基础。TSN中还定义了802.1AS-Rev来增加对容错和多个主时钟源的支持。

如下图,时钟同步在多个网络设备中进行时,Slave节点同步到的时间为原主节点时间累加上链路延时(Pdelay),数据传输用时(transmissionTime)以及停留时间(residenceTime):

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

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

802.1Qbv Scheduled Traffic

流量调度是TSN中的一个核心概念。基于802.1AS提供的共享全局时间,802.1Qbv在参与的网络设备之间创建和分发一个时间计划表。802.1Qbv定义了控制TSN交换机出口处发送队列的阀门开关的机制。计划流量所在队列在预定的时间窗口到达后会被放行传输,而在同个时间窗口中其他非计划流量的队列会被阻止传输,因此排除了计划流量被非计划流量阻塞的可能性。这意味着通过每个交换机的延迟是确定的,通过TSN网络的消息延迟可以得到保证。

如下图示意,交换机出口队列的阀门好比十字路口的红绿灯,当有计划好的关键消息需要传输时,关键消息所在的队列绿灯放行,而其他非关键消息的队列则红灯暂停传输。在汽车领域,新兴的以太网作为主干的汽车电子架构中,传输在车载以太网中的数据既有需要实时响应的关键车控信号数据(如刹车信号)也有重要性略低的车载娱乐应用流量,802.1Qbv使得我们可以针对不同类型的流量调度,实现车控信号实时传输而娱乐流量则见缝插针的使用车载以太网带宽。

802.1Qbu Frame Preemption

虽然802.1Qbv机制保护关键消息不受其他网络流量的干扰,但它并不一定导致最佳带宽使用或最小的通信延迟。当这些因素很重要时,可以使用802.1Qbu中定义的抢占机制。802.1Qbu允许中断标准以太网或巨型帧的传输,以便允许高优先级帧的传输,然后在不丢弃之前传输的中断消息片段的情况下恢复传输。

如下图所示,绿色帧为关键消息,橙色帧为非关键消息,橙色帧先到达并开始传输。在可抢占式的MAC中,当绿色帧到达时,允许中断橙色帧的传输,先传输绿色帧,完成后再继续橙色帧的传输,从而使得关键消息更早完成传输。

802.1CB Frame Replication & Elimination

802.1CB定义了在多链路中通过复制帧冗余管理实现消息高可用传输的方法。为了提高可用性,相同消息的冗余副本通过不相交的路径并行在网络中传输(用于路径控制和保留的802.1Qca标准定义了如何设置这些路径)。冗余管理机制将这些来自不同链路的冗余消息聚合在一起,去除重复消息后生成发送给接收方的单个信息流。

如下图,同样的消息在上下两条链路中传输,即使其中一条链路中某个节点出现故障,消息仍能从另外的链路被投递到目的节点。由于802.1CB工作在数据链路层,帧复制和重复帧消除的操作对应用层透明。

802.1Qcc Central Configuration Method

802.1Qcc定义了TSN的网络管理接口和协议。它对流保留协议(802.1Qat)的增强包括支持更多流、可配置流保留类和流、更好地描述流特性、支持第3层流、确定性流保留收敛以及用于路由和保留的用户网络接口(UNI)。802.1Qcc支持TSN网络调度的离线和在线配置,采用集中配置模式,由1或多个CUC(集中用户配置)和1个CNC(集中网络配置)构成。CUC制定用户周期性时间相关的需求并传输过程数据到CNC,CNC计算TSN配置以满足需求。

802.1Qci Per-stream Filtering and Policing

为了防止流量过载影响网络中的接收节点,802.1Qci可以在交换机入口处根据到达时间,速率和带宽等信息过滤掉部分数据帧,避免错误的或恶意的节点破坏整个网络,将故障隔离在网络中的特定区域。

802.1Qca Path Control and Reservation

802.1Qca用于发现和收集网络拓扑中的节点信息,以发现拓扑中可用于冗余数据传输的不相交路径。

TSN消除了传统以太网由于交通拥堵导致的不确定性,对于具有关键时间约束的应用TSN是必不可少的。目前TSN的发展已经可以满足汽车对可预测延迟和保证带宽不断增长的需求。NXP推出的SJA1105QEL/SEL系列车载以太网千兆交换机在支持802.1Qav及802.1AS等AVB特性的基础上扩张支持了IEEE 802.1Qbv及IEEE 802.1Qci等TSN特性。随着车载以太网逐渐成为汽车电子架构中的主干网,TSN技术也将被越来越多的应用在汽车领域中。

End

原文发布于微信公众号 - 曲奇泡芙(YummyCookiePuff)

原文发表时间:2019-03-25

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