具有调节器和非理想时钟的时敏网络中的时间同步问题

在时间敏感网络中，由于流量调节器的使用是否会对正常的网络时间同步系统造成影响？在通常情况下，使用本地的不完美的时钟到底对网络的时间同步会造成什么样的影响？能否找到一种监控机制，能准确的捕获同步和非同步网络中对时钟的具体要求？本文通过介绍一篇SIGMETRICS2020会议上的一篇文章来回答这些问题。该文有详细版本，如感兴趣可以留言获取。

在时间敏感型网络中（例如在IEEE TSN和IETF Detnet中）使用流重塑，以减少网络内部的突发性并支持计算保证的时延边界。使用每流调节器（例如令牌桶过滤器）或交错式调节器（与IEEE TSN异步流量整形（ATS）一样）执行此操作。两种类型的调节器都是有益的，因为它们消除了由于网络内部的复用而导致的突发性增加。通过使用网络演算，可以证明它们不会增加最坏情况的延迟。但是，假设所有网络节点的时间都是完美的，则建立了调节器的属性。实际上，节点使用本地的、不完美的时钟。时间敏感型网络有两种形式：（1）在非同步网络中，本地时钟在每个节点上独立运行并且其偏差不受控制；（2）在同步网络中，本地时钟的偏差保持在很小的范围内使用例如同步协议（例如PTP）或基于卫星的地理位置系统（例如GPS）。在这两种情况下，我们都会重新审视监管机构的性质。在非同步网络中，我们表明忽略时序不正确可能会由于每流或交错式调节器的无限延迟而导致网络不稳定。为了避免此问题，我们提出并分析了两种方法（速率和突发级联以及异步双到达曲线方法）。在同步网络中，我们表明流量调节器没有不稳定，但是令人惊讶的是，交错的调节器会导致不稳定。为了建立这些结果，我们开发了一个新的架构来捕获非同步和同步网络中时钟的工业需求，并且我们开发了一个工具箱，该工具箱扩展了网络演算以解决时钟缺陷。

CCS概念

•网络→网络性能分析；时间同步协议；

•计算机系统组织→实时系统。

关键词

时间敏感网络；时间同步；每流调节器；每流整形器；交错调节器；网络演算

动机

时间敏感型网络支持航空电子，航天和汽车中的实时应用。电气和电子工程师协会（IEEE）的时间敏感网络（TSN）任务组和Internet工程任务组（IETF）的Detnet工作组旨在提供确定性的最坏情况延迟界限。

通过流量调节器对网络内部的流进行重塑有助于实现此目标：将硬件元素放置在多路复用级之前，以消除由于对先前跃点中的其他流的干扰而增加的突发性。监管机构支持对时间敏感的网络更高的可扩展性和效率。

当调节器的内部逻辑依赖于完美的时钟时，它具有“免整形”特性，即，调节由先进先出（FIFO）系统引起的突发性增加的调节器不会 增加流量的最坏情况延迟[3]。实际上，调节器使用的时钟与实际时间略有不同。它可以是同步或非同步网络的一部分：在同步网络中，使用时间同步协议将偏差保持在很小的范围内。

TSN异步流量整形（ATS）中监管者的持续标准化引发了关于部署监管者时时钟不理想的可能后果的讨论[1]。我们为该问题提供了理论基础，并确定了非同步和同步网络中延迟分析的影响范围。

方法

上限时间模型

我们首先建立一个时间模型，该时间模型依赖于[2]中提供的模型。但是，我们没有分析时钟的随机属性，而是关注限制它们的相对演化。

对于网络中的任何一对时钟（Hg，Hi），我们用

表示当时钟Hg显示值t时，在时钟Hi处显示的时间。

是从Hg到Hi的相对时间函数。对于给定的非同步时钟网络，我们定义定时抖动界限η和时钟稳定性界限ρ，以便网络中的任何一对时钟（Hg，Hi）进行验证，

图1a给出了给定已知起点（s，d(s)）的非同步模型中d(t)的可能演化空间以及可能的轨迹。我们注意到时间误差函数d(t)−t在这个模型中可以是无界的。η和ρ是网络范围的参数，与时钟对无关。我们表明，对于TSN网络，我们可以取η= 4ns和ρ= 1 + 2·10- 4。

此外，如果使用时间同步协议对网络中的时钟进行同步，则我们进一步定义时间误差范围Δ，以便对于任何对（Hg，Hi），

符合约束公式（1），再加上：

图1b给出了给定已知起点（s，d(s)）的同步模型d(t)的可能演化空间以及可能的轨迹。请注意，Δ包络不是以起点为中心，而是以d(t)=t函数为中心。

网络演算工具箱

在对时间敏感的网络中，必须在最坏的情况下（而不是平均）限制网络元素的延迟。为此，经常使用网络演算[3]。该框架使用累积函数，例如A(t)，到某个时间点t在某些观测点观察到的总比特数。假定交通流受到到达曲线约束的限制，其形式为：∀t≥s≥0，A(t)-A(s)≤α(t-s)（函数called被称为“到达曲线”）。常用的函数是

，其中t> 0时，

，当t≤0时，

。它对应于速率r和突发b的极限。

同时假定网络元素提供的服务受以下形式的条件限制：

其中A[resp.D]是输入[resp.output]累积函数，函数β称为“服务曲线”，符号U为最小值加卷积[3]。许多网络元素都可以通过“速率-延迟”服务曲线进行建模，服务曲线

，并且保证有延迟上限D的FIFO网络元素提供了由

（对于t≤D）和

定义的服务曲线

（对于t>D）。给定一些到达曲线和服务曲线约束，经典的网络演算结果会给出网络元素的延迟和积压范围。

使用我们的时间模型及其参数η，ρ和δ（如果已同步），我们证明了一组结果，可用于获取流的到达曲线[重载服务器的服务曲线]，如观察到的如果我们知道在不同的时钟Hi（并记为

）观察到的到达曲线[resp curve H curve]，则从时钟Hg（我们将其记为

）。表1列出了最常见的到达和服务曲线的结果。

表1：用Hi观察到的漏斗到达曲线[重率—等待时间服务曲线]和用Hg观察到的到达曲线[重服务时间曲线]之间的关系

流量调节器上时钟非理想性的后果

流量整形（或重新整形）由每个流量（PFR）或交错（IR）的调节器执行。具有理想时钟的PFR，配置有流量f的到达曲线σ，以确保其输出满足到达曲线约束σ（也称为“成形曲线”）。如果流的输入数据到达太快，则将数据包存储在PFR缓冲区中（每个流具有一个FIFO队列），直到最早可以释放数据包而不违反到达曲线约束的时间。IR与PFR相似，但是所有流的所有数据包都存储在单个FIFO队列中。在可能的情况下，最早在队列开头的数据包会在不违反此流的到达曲线约束的情况下最早释放，其他流的数据包会等到它们出现在队列的开头。

实际上，真正的强制成形曲线与σ略有不同。对于非同步网络，我们表明必须同时调整两种类型的调节器：它们的配置必须考虑参数ρ，η。否则，它们可能导致无限的延迟。我们详细介绍了两种方法：速率和突发级联以及异步双到达曲线方法（ADAM），并且我们发现，与具有理想时钟的理想情况相比，这两种方法都在端到端延迟上产生了有限的延迟损失。

对于同步网络，我们表现出一个根本的区别：不自适应的PFR的代价由同步精度控制，但是，即使对于紧密同步的网络，不自适应的IR也具有无限的延迟。

致谢

该工作在大型确定性网络项目（项目编号EPFL-LCA2-001）的框架内得到了华为技术有限公司的支持。作者感谢Bryan Liub ingyang对本文的构想做出的贡献，并感谢Ahlem Mifdaoui对早期版本进行了许多富有成果的讨论。

参考文献

[1] IEEE. 2019. Draft Standard for Local and Metropolitan Area Networks—Bridges and Bridged Networks—Amendment: Asynchronous Traffiffiffic Shaping. IEEE P802.1Qcr/D2.0 For access,contact the IEEE802.1chair.(Dec.2019). http://www.ieee802.org/1/fifiles/private/cr-drafts/d2/802-1Qcr-d2-0.pdf.

[2] ITU. 1996. Defifinitions and Terminology for Synchronization Networks. ITUG. 810 (1996). https://www.itu.int/rec/T-REC-G.810-199608-I/en.

[3] Jean-Yves Le Boudec and Patrick Thiran. 2001. Network Calculus: A Theory of Deterministic Queuing Systems for the Internet. Springer-Verlag,BerlinHeidelberg. https://www.springer.com/us/book/9783540421849.