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浅谈TSN技术
2022-11-15 17:08:00
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浅谈TSN技术

       在普通的以太网通信中,大的TCP/IP数据帧占用发送端口时会造成实时数据帧的延时,因此就会产生实时数据的抖动。当然造成实时数据抖动的原因还有很多,如组播、广播流量过大等。为了解决数据抖动的问题,TSN技术应运而生,保证在非确定性的以太网中实现确定性的最小时延。TSN全称Time-Sensitive Networking,它定义了以太网数据传输的时间敏感机制。

关键标准组件

       TSN技术由一系列的技术标准组成,它通过这一系列的技术标准来确保网络的高质量、低延时、时间同步,主要的技术标准如下表:

序号

标准

名称

说明

1

802.1Q

Streams / QoS

数据流,交换网络路径选择

2

802.1AS

Time synchronization

时钟同步,一个网络同一个时钟

3

802.1Qbv

Scheduled Traffic

调度流量的增强功能

4

802.1Qbu

Frame Preemption

帧抢占

5

802.1CB

Seamless Redundancy

无缝冗余

6

802.1Qcc

Stream Reservation Protocol

带宽预留

7

802.1Qci

Per-Stream Filtering and Policing

流量过滤及监管

1. IEEE802.1Q数据流

       传统的以太网采用“存储转发”工作机制,但这种工作机制不能保证通信的精确性。在时间敏感网络中提出了“数据流”的概念,它描述了网络中从“Talker”到“Listener”的传输路径。数据流由VLAN ID和特定的组播目的地址进行标识,网络中的TSN交换机都必须识别数据流,以便使用他们进行通信,如果该数据帧不被TSN交换机识别将会被丢弃。

2. IEEE802.1AS时间同步

       时间同步是时间敏感网络的基础特性,它保证了时间敏感网络中各设备时间时隙的正确匹配,满足了数据流的端到端确定性时延。IEEE802.1AS时间同步协议以IEEE1588 V2规范为基础,将时间敏感网络里的所有设备同步到同一个时基。同时,IEEE802.1AS时间同步协议增加时钟冗余的概念,在时间敏感网络中设置有主时钟和备用主时钟;当主时钟失效时,备用主时钟会无缝接管主时钟的工作。

3.IEEE 802.1Qbv流量调度

        在日常生活中很多人都做过地铁,地铁几乎没有出现过拥堵和碰撞,在其中发挥关键作用的是有地铁时刻表在进行调度。因为有调度所以没有拥塞。在时间敏感网络里,从“Talker”到“Listener”的传输及转发时间点都是规划的。流量调度基于服务等级,这样可以避免不同等级流量间的相互干扰。此外,IEEE 802.1Qbv还定义了时间感知整形器,利用时间周期的概念来调度数据流。

4. IEEE 802.1Qbu 帧抢占

       在支持IEEE 802.1Qbu帧抢占的数据链路上,较大的以太网数据帧会被切片成较小的数据帧片段,并允许实时数据帧中断非关键标准以太网帧的传输而优先传输,然后在不丢弃先前已传输的非关键帧片段的情况下恢复传输中断的数据,一个非关键的数据帧可以被多次抢占。

5.IEEE 802.1CB 无缝冗余

       为了保障网络的可靠传输,网络冗余协议帧复制和帧消除会被应用,其前提是网络中数据的传输有冗余的路径,即环网结构。IEEE 802.1CB无缝冗余协议的原理很简单:Talker端发送数据时,在Talker端对数据帧进行复制(Profinet over TSN)或者发送到交换机上由交换机进行帧复制(HSR/PRP技术),数据沿着不同的路径传输,Listener端接收到数据时,删除掉重复的数据帧,只保留一个数据帧。

6.IEEE 802.1Qcc 集中式网络管理模型

       IEEE 802.1Qcc协议描述了时间敏感网络的集中式管理模型,其工作流程如下:

1)  集中用户配置(CUC)会向网络集中控制器(CNC)发起检索网络物理拓扑请求,CNC遍历网络拓扑后将结果返回至CUC;

2)  CUC接收网络拓扑后开始收集网络资源需求,如哪些终端设备之间要进行通信、TSN流的周期、大小和时延界限等,并发送至CNC;

3)  CNC根据网络物理拓扑和网络需求计算每个TSN帧的调度表并发送至每个网桥,同时CUC将调度表分发至每个终端设备并要求终端设备依据调度表进行数据传输。

TSN优势

       时间敏感性网络能给我们带来哪些便利及有哪些优势。

       1)  使用标准的TSN交换机进行等时同步应用,不需要特殊的硬件芯片(ERTECs ,ASICs)的支持,使TCP/IP 通信与实时通信并行,互不干扰;

       2)  无缝冗余技术为网络提供了更高的可靠性,当然帧复制和帧消除技术的使用也会造成带宽的消耗;

       3)  时间敏感性网络可以提供独立于硬件的高精度时间同步,同步精度小于1微秒;

       一个网络适用于所有应用,物理层更加灵活,千兆的吉比特网与十兆的单对以太网可以共生共融;控制层的网络协议与信息层的网络协议在一个网络里互不干扰。

菲尼克斯电气TSN交换机

       菲尼克斯电气FL SWITCH TSN 2316交换机目前已支持第一版TSN规范,如TSN数据流、精确时间同步、帧抢占等特征,并且已经过了Profinet over TSN的环境测试。

       虽然TSN技术目前还没有大规模的应用,必会因上述卓越的性能和特征,在未来世界大放异彩,取得广泛的应用,如Profinet over TSN,OPC UA over TSN,5G与TSN的融合部署和发展等。

 

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