Time-Sensitive Networking ( TSN ) es un conjunto de estándares que está desarrollando el grupo de trabajo Time-Sensitive Networking del grupo de trabajo IEEE 802.1 . [1] El grupo de trabajo de TSN se formó en noviembre de 2012 cambiando el nombre del actual Grupo de Trabajo de Puente de Audio y Vídeo [2] y continuando su trabajo. El nombre cambió como consecuencia de la ampliación del área de trabajo del grupo de estandarización. Los estándares definen mecanismos para la transmisión de datos urgentes a través de redes Ethernet deterministas .
La mayoría de los proyectos definen extensiones del IEEE 802.1Q – Bridges and Bridged Networks, que describe LAN virtuales y conmutadores de red . [3] Estas extensiones en particular abordan la transmisión con muy baja latencia y alta disponibilidad. Las aplicaciones incluyen redes convergentes con transmisión de audio/vídeo en tiempo real y flujos de control en tiempo real que se utilizan en aplicaciones automotrices e instalaciones de control industrial.
El equipo de red de tecnología de la información estándar no tiene concepto de "tiempo" y no puede proporcionar sincronización y sincronización precisa. Entregar datos de manera confiable es más importante que entregarlos dentro de un tiempo específico, por lo que no hay restricciones en cuanto a demoras o precisión de sincronización. Incluso si el retraso promedio de los saltos es muy bajo, los retrasos individuales pueden ser inaceptablemente altos. La congestión de la red se maneja acelerando y retransmitiendo los paquetes descartados en la capa de transporte, pero no existen medios para evitar la congestión en la capa de enlace. Los datos se pueden perder cuando los buffers son demasiado pequeños o el ancho de banda es insuficiente, pero el buffering excesivo aumenta el retraso, lo cual es inaceptable cuando se requieren retrasos deterministas bajos.
Los diferentes documentos de estándares AVB/TSN especificados por IEEE 802.1 se pueden agrupar en tres categorías de componentes clave básicos que se requieren para una solución completa de comunicación en tiempo real basada en redes Ethernet conmutadas con calidad de servicio (QoS) determinista para punto a punto. conexiones. Todas y cada una de las especificaciones estándar se pueden utilizar de forma independiente y, en su mayoría, son autosuficientes. Sin embargo, sólo cuando se utiliza en conjunto de manera concertada, TSN como sistema de comunicación puede alcanzar su máximo potencial. Los tres componentes básicos son:
Las aplicaciones que necesitan una red determinista que se comporte de forma predecible incluyen audio y vídeo, definidos inicialmente en Audio Video Bridging (AVB); redes de control que aceptan entradas de sensores, realizan procesamiento de bucles de control e inician acciones; redes críticas para la seguridad que implementan redundancia de paquetes y enlaces; y redes de medios mixtos que manejan datos con distintos niveles de sensibilidad y prioridad de tiempo, como redes de vehículos que admiten control de clima, información y entretenimiento, electrónica de la carrocería y asistencia al conductor. La suite IEEE AVB/TSN sirve como base para la creación de redes deterministas para satisfacer los requisitos comunes de estas aplicaciones.
AVB/TSN puede manejar tráfico con velocidad restringida, donde cada flujo tiene un límite de ancho de banda definido por intervalos mínimos entre cuadros y tamaño máximo de cuadro, y tráfico activado por tiempo con una hora exacta y precisa para enviarse. El tráfico de baja prioridad se transmite con el mejor esfuerzo, sin garantías de tiempo ni entrega.
A diferencia del Ethernet estándar según IEEE 802.3 y el puente Ethernet según IEEE 802.1Q , en las redes TSN el tiempo es muy importante. Para la comunicación en tiempo real con límites de tiempo estrictos y no negociables para latencias de transmisión de extremo a extremo, todos los dispositivos en esta red deben tener una referencia de tiempo común y, por lo tanto, deben sincronizar sus relojes entre sí. Esto no sólo es válido para los dispositivos finales de un flujo de comunicación, como un controlador industrial y un robot de fabricación, sino también para los componentes de red, como los conmutadores Ethernet . Sólo a través de relojes sincronizados es posible que todos los dispositivos de la red funcionen al unísono y ejecuten la operación requerida exactamente en el momento requerido. Aunque la sincronización horaria en las redes TSN se puede lograr con el reloj GPS , esto es costoso y no hay garantía de que el dispositivo terminal tenga acceso a la señal de radio o satélite en todo momento. Debido a estas limitaciones, el tiempo en las redes TSN generalmente se distribuye desde una fuente horaria central directamente a través de la propia red utilizando el protocolo de tiempo de precisión IEEE 1588 , que utiliza tramas Ethernet para distribuir información de sincronización horaria. IEEE 802.1AS es un subconjunto estrictamente restringido de IEEE 1588 con precisión de submicrosegundos y extensiones para admitir la sincronización a través de radio WiFi ( IEEE 802.11 ). La idea detrás de este perfil es reducir la enorme lista de diferentes opciones de IEEE 1588 a unas pocas opciones críticas manejables que sean aplicables a redes domésticas o redes en entornos de automatización industrial o automotriz.
IEEE 802.1AS-2011 define el perfil del Protocolo de tiempo de precisión generalizado (gPTP) que, como todos los perfiles de IEEE 1588 , selecciona entre las opciones de 1588, pero también generaliza la arquitectura para permitir que PTP se aplique más allá de las redes Ethernet cableadas.
Para tener en cuenta los retrasos en la ruta de datos, el protocolo gPTP mide el tiempo de residencia de la trama dentro de cada puente (el tiempo necesario para recibir, procesar, poner en cola y transmitir información de temporización desde los puertos de entrada a los de salida) y la latencia del enlace de cada salto (un retardo de propagación entre dos puentes adyacentes). Estos retrasos calculados luego se relacionan con el reloj GrandMaster (GM) en un puente elegido por el algoritmo Best Master Clock, un protocolo de árbol que abarca el reloj con el que todos los Clock Master (CM) y los dispositivos terminales intentan sincronizarse. Cualquier dispositivo que no se sincronice con los mensajes de temporización está fuera de los límites del dominio de temporización (Figura 2).
La precisión de la sincronización depende de mediciones precisas del retardo del enlace y del tiempo de residencia de la trama. 802.1AS utiliza 'sintonización lógica', donde se utiliza una relación entre las frecuencias del reloj local y GM para calcular el tiempo sincronizado, y una relación entre las frecuencias del reloj local y GM para calcular el retardo de propagación.
IEEE802.1AS-2020 presenta una precisión mejorada en la medición del tiempo y soporte para múltiples dominios de tiempo para redundancia.
La programación y la configuración del tráfico permiten la coexistencia de diferentes clases de tráfico con diferentes prioridades en la misma red, cada una con diferentes requisitos de ancho de banda disponible y latencia de extremo a extremo.
La configuración del tráfico se refiere al proceso de distribuir tramas/paquetes de manera uniforme en el tiempo para suavizar el tráfico. Sin la configuración del tráfico en las fuentes y puentes, los paquetes se "agruparán", es decir, se aglomerarán en ráfagas de tráfico, abrumando las memorias intermedias en puentes/conmutadores posteriores a lo largo del camino.
El puente estándar según IEEE 802.1Q utiliza un esquema de prioridad estricto con ocho prioridades distintas. A nivel de protocolo, estas prioridades son visibles en el campo Punto de código de prioridad (PCP) en la etiqueta VLAN 802.1Q de una trama Ethernet estándar . Estas prioridades ya distinguen entre el tráfico de red más importante y el menos importante, pero incluso con la más alta de las ocho prioridades, no se puede ofrecer una garantía absoluta de un tiempo de entrega de un extremo a otro. La razón de esto son los efectos de almacenamiento en búfer dentro de los conmutadores Ethernet. Si un conmutador ha iniciado la transmisión de una trama Ethernet en uno de sus puertos, incluso la trama de mayor prioridad tiene que esperar dentro del búfer del conmutador hasta que finalice esta transmisión. Con la conmutación Ethernet estándar, este no determinismo no se puede evitar. Esto no supone un problema en entornos donde las aplicaciones no dependen de la entrega oportuna de tramas Ethernet individuales, como las infraestructuras de TI de oficina. En estos entornos, las transferencias de archivos, correos electrónicos u otras aplicaciones comerciales tienen una sensibilidad temporal limitada y generalmente están protegidas por otros mecanismos que se encuentran más arriba en la pila de protocolos, como el Protocolo de control de transmisión . En la automatización industrial (controlador lógico programable ( PLC ) con un robot industrial ) y en entornos de automóviles, donde el control de circuito cerrado o las aplicaciones de seguridad utilizan la red Ethernet, la entrega confiable y oportuna es de suma importancia. AVB/TSN mejora la comunicación Ethernet estándar agregando mecanismos para proporcionar diferentes intervalos de tiempo para diferentes clases de tráfico y garantizar la entrega oportuna con requisitos flexibles y estrictos en tiempo real de las aplicaciones del sistema de control. Se conserva el mecanismo de utilización de las ocho prioridades VLAN distintas para garantizar una completa compatibilidad con versiones anteriores de Ethernet que no sean TSN. Para lograr tiempos de transmisión con latencia de extremo a extremo garantizada, una o varias de las ocho prioridades de Ethernet se pueden asignar individualmente a métodos ya existentes (como el programador de prioridad estricta IEEE 802.1Q) o nuevos métodos de procesamiento, como el IEEE 802.1. Modelador de tráfico basado en créditos Qav, modelador con reconocimiento de tiempo IEEE 802.1Qbv, [4] o modelador asíncrono IEEE 802.1Qcr.
El tráfico urgente tiene varias clases de prioridad. Para el modelador basado en crédito 802.1Qav, la Clase de reserva de transmisión A es la prioridad más alta con un período de transmisión de 125 μs ; La clase B tiene la segunda prioridad más alta con un período de transmisión máximo de 250 μs . Las clases de tráfico no deberán exceder su ancho de banda máximo preconfigurado (75% para aplicaciones de audio y video). El número máximo de saltos es 7. El requisito de latencia en el peor de los casos se define como 2 ms para la Clase A y 50 ms para la Clase B, pero se ha demostrado que no es confiable. [5] [6] El retraso entre pares por puerto proporcionado por gPTP y el retraso de residencia del puente de red se agregan para calcular los retrasos acumulados y garantizar que se cumpla el requisito de latencia. El tráfico de control tiene la tercera prioridad más alta e incluye tráfico gPTP y SRP. El programador con reconocimiento de tiempo 802.1Qbv presenta la clase CDT para datos de control en tiempo real desde sensores y flujos de comandos a actuadores, con una latencia en el peor de los casos de 100 μs en 5 saltos y un período de transmisión máximo de 0,5 ms. La clase CDT tiene la máxima prioridad sobre las clases A, B y el tráfico de control.
Las mejoras de reenvío y colas de IEEE 802.1Qav para transmisiones sensibles al tiempo definen la configuración del tráfico mediante clases de prioridad, que se basan en una forma simple de colas justas basadas en créditos de "depósito con fugas" . 802.1Qav está diseñado para reducir el almacenamiento en búfer en puentes receptores y puntos finales.
El modelador basado en créditos define créditos en bits para dos colas separadas, dedicadas al tráfico de Clase A y Clase B. La transmisión de tramas sólo se permite cuando el crédito no es negativo; Durante la transmisión, el crédito disminuye a una tasa llamada sendSlope:
El crédito aumenta a una tasa idleSlope si los fotogramas están esperando a que se transmitan otras colas:
Por lo tanto, idleSlope es el ancho de banda reservado para la cola por el puente y sendSlope es la velocidad de transmisión del servicio MAC del puerto.
Si el crédito es negativo y no se transmiten fotogramas, el crédito aumenta a la velocidad de idleSlope hasta llegar a cero. Si una trama AVB no se puede transmitir porque se está transmitiendo una trama que no es AVB, el crédito se acumula a una tasa de pendiente inactiva, pero se permite el crédito positivo.
Los límites adicionales hiCredit y loCredit se derivan del tamaño máximo de trama y el tamaño máximo de interferencia, idleSlope/sendSlope y la velocidad máxima de transmisión del puerto.
Las tramas de tráfico de flujo AV reservadas se reenvían con alta prioridad sobre el tráfico de mejor esfuerzo no reservado , sujeto a reglas de configuración de tráfico basadas en créditos que pueden requerir que esperen cierta cantidad de créditos. Esto protege el tráfico de mejor esfuerzo al limitar la ráfaga máxima de flujo AV. Las tramas se programan de manera muy uniforme, aunque solo de forma agregada, para suavizar los tiempos de entrega y reducir las ráfagas y agrupaciones, que pueden provocar desbordamientos del búfer y caídas de paquetes que desencadenan retransmisiones. El mayor retraso en el almacenamiento en búfer hace que los paquetes retransmitidos queden obsoletos cuando llegan, lo que provoca caídas de fotogramas que reducen la calidad de las aplicaciones AV.
Aunque el modelador basado en créditos proporciona una programación justa para paquetes de baja prioridad y suaviza el tráfico para eliminar la congestión, desafortunadamente, el retardo promedio aumenta hasta 250 μs por salto, lo cual es demasiado alto para aplicaciones de control, mientras que un modelador con reconocimiento de tiempo (IEEE 802.1 Qbv) tiene un retraso de ciclo fijo de 30 μs a varios milisegundos y un retraso típico de 125 μs. Deducir límites superiores garantizados para los retrasos en TSN no es trivial y actualmente se está investigando, por ejemplo, utilizando el marco matemático Network Calculus. [7]
El protocolo de reserva de flujo (SRP) IEEE 802.1Qat es un protocolo distribuido de igual a igual que especifica controles de admisión basados en los requisitos de recursos del flujo y los recursos de red disponibles.
SRP reserva recursos y anuncia transmisiones desde el remitente/fuente (hablante) a los receptores/destinos (oyentes); Trabaja para satisfacer los requisitos de QoS para cada flujo y garantizar la disponibilidad de suficientes recursos de red a lo largo de toda la ruta de transmisión del flujo.
Los flujos de tráfico se identifican y registran con un StreamID de 64 bits, compuesto por la dirección MAC (EUI) de 48 bits y un UniqueID de 16 bits para identificar diferentes flujos de una misma fuente.
SRP emplea variantes del Protocolo de registro múltiple (MRP) para registrar y cancelar el registro de valores de atributos en conmutadores/puentes/dispositivos: el Protocolo de registro MAC múltiple (MMRP), el Protocolo de registro VLAN múltiple (MVRP) y el Protocolo de registro de flujo múltiple ( PVP recomendado).
El protocolo SRP básicamente funciona en la siguiente secuencia:
Los recursos se asignan y configuran tanto en los nodos finales del flujo de datos como en los nodos de tránsito a lo largo de la ruta del flujo de datos, con un mecanismo de señalización de un extremo a otro para detectar el éxito o el fracaso. La latencia en el peor de los casos se calcula consultando cada puente.
Las solicitudes de reserva utilizan la aplicación MRP general con mecanismo de propagación de atributos MRP. Todos los nodos a lo largo de la ruta del flujo pasan la especificación MRP Attribute Statement (MAD) que describe las características del flujo para que los puentes puedan asignar los recursos necesarios.
Si un puente puede reservar los recursos necesarios, propaga el anuncio al siguiente puente; de lo contrario, se genera un mensaje de "fallo del hablante". Cuando el mensaje publicitario llega al oyente, responde con un mensaje de "escucha lista" que se propaga de regreso al hablante.
Los mensajes publicitarios del hablante y listos para el oyente se pueden cancelar del registro, lo que finaliza la transmisión.
La reserva exitosa solo se garantiza cuando todos los nodos intermedios admiten SRP y responden a mensajes anunciados y listos; En la Figura 2 anterior, el dominio AVB 1 no puede conectarse con el dominio AVB 2.
Los estándares TSN/AVB también utilizan SRP para prioridades de trama, programación de tramas y modelado de tráfico.
SRP utiliza un procedimiento descentralizado de registro y reserva; múltiples solicitudes pueden provocar retrasos en el tráfico crítico. La enmienda IEEE 802.1Qcc-2018 "Mejoras de rendimiento y protocolo de reserva de transmisión (SRP)" reduce el tamaño de los mensajes de reserva y redefine los temporizadores para que activen actualizaciones solo cuando se cambia el estado del enlace o la reserva. Para mejorar la administración de TSN en redes de gran escala, cada interfaz de red de usuario (UNI) proporciona métodos para solicitar servicios de capa 2, complementados con una configuración de red centralizada (CNC) para proporcionar reservas y programación centralizadas y administración remota utilizando los protocolos NETCONF/RESTCONF e IETF YANG. /Modelado de datos NETCONF.
El CNC implementa un modelo de solicitud-respuesta por flujo, donde la clase SR no se usa explícitamente: las estaciones finales envían solicitudes para un flujo específico (a través del puerto de borde) sin conocimiento de la configuración de la red, y el CNC realiza la reserva de flujo de manera centralizada. MSRP solo se ejecuta en el enlace a las estaciones finales como portador de información entre el CNC y las estaciones finales, no para reserva de flujo. La configuración de usuario centralizada (CUC) es un nodo opcional que descubre estaciones finales, sus capacidades y requisitos de usuario, y configura funciones TSN con retardo optimizado (para aplicaciones IACS de circuito cerrado ). Se proporciona una interoperabilidad perfecta con el transporte del Protocolo de reserva de recursos (RSVP). 802.1Qcc permite que la gestión de configuración centralizada coexista con la configuración descentralizada y totalmente distribuida del protocolo SRP, y también admite configuraciones híbridas para dispositivos AVB heredados.
802.1Qcc se puede combinar con control y reserva de ruta (PCR) IEEE 802.1Qca y modeladores de tráfico TSN.
Si bien 802.1Qav FQTSS/CBS funciona muy bien con tráfico suave en tiempo real, los retrasos en el peor de los casos dependen tanto del número de saltos como de la topología de la red. Las topologías patológicas introducen retrasos, por lo que los requisitos de tamaño del búfer deben considerar la topología de la red.
IEEE 802.1Qch Cyclic Queuing and Forwarding (CQF), también conocido como Peristaltic Shaper (PS), introduce doble almacenamiento en búfer que permite a los puentes sincronizar la transmisión (operaciones de puesta en cola/eliminación de tramas) de manera cíclica, con una latencia limitada que depende solo del número. de saltos y el tiempo de ciclo, completamente independiente de la topología de la red.
CQF se puede utilizar con el programador de tiempo IEEE 802.1Qbv, la preferencia de tramas IEEE 802.1Qbu y la vigilancia del tráfico de ingreso IEEE 802.1Qci.
El filtrado y vigilancia por flujo (PSFP) IEEE 802.1Qci mejora la solidez de la red al filtrar flujos de tráfico individuales. Previene condiciones de sobrecarga de tráfico que pueden afectar los puentes y los puntos finales receptores debido a un mal funcionamiento o ataques de denegación de servicio (DoS). El filtro de transmisión utiliza la coincidencia de reglas para permitir tramas con ID de transmisión y niveles de prioridad específicos y, de lo contrario, aplicar acciones de política. Todas las transmisiones están coordinadas en sus puertas, de manera similar a la señalización 802.1Qch. La medición de flujo aplica perfiles de ancho de banda predefinidos para cada flujo.
El programador con reconocimiento de tiempo IEEE 802.1Qbv está diseñado para separar la comunicación en la red Ethernet en ciclos de tiempo repetitivos de longitud fija. Dentro de estos ciclos se pueden configurar diferentes intervalos de tiempo que se pueden asignar a una o varias de las ocho prioridades de Ethernet. De esta forma, es posible conceder uso exclusivo -por tiempo limitado- del medio de transmisión Ethernet para aquellas clases de tráfico que necesitan garantías de transmisión y no pueden ser interrumpidos. El concepto básico es un esquema de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA). Al establecer canales de comunicación virtuales para períodos de tiempo específicos, la comunicación crítica se puede separar del tráfico de fondo no crítico.
El programador con reconocimiento de tiempo presenta la clase de reserva de flujo CDT para datos de control de tiempo crítico, con una latencia en el peor de los casos de 100 μs en 5 saltos y un período de transmisión máximo de 0,5 ms, además de las clases A y B definidas para crédito IEEE 802.1Qav. modelador de tráfico basado. Al conceder acceso exclusivo al medio de transmisión y a los dispositivos a clases de tráfico de tiempo crítico, se pueden evitar los efectos de almacenamiento intermedio en las memorias intermedias de transmisión del conmutador Ethernet y el tráfico de tiempo crítico se puede transmitir sin interrupciones no deterministas. En la figura 1 se puede ver un ejemplo de configuración de un planificador IEEE 802.1Qbv:
En este ejemplo, cada ciclo consta de dos intervalos de tiempo. El segmento de tiempo 1 solo permite la transmisión de tráfico etiquetado con prioridad VLAN 3, y el segmento de tiempo 2 en cada ciclo permite enviar el resto de prioridades. Dado que el programador IEEE 802.1Qbv requiere que todos los relojes de todos los dispositivos de red (conmutadores Ethernet y dispositivos finales) estén sincronizados y que se configure una programación idéntica, todos los dispositivos entienden qué prioridad se puede enviar a la red en un momento dado. Dado que el segmento de tiempo 2 tiene más de una prioridad asignada, dentro de este segmento de tiempo, las prioridades se manejan de acuerdo con la programación de prioridades estricta estándar IEEE 802.1Q.
Esta separación de las transmisiones Ethernet en ciclos y intervalos de tiempo se puede mejorar aún más mediante la inclusión de otros algoritmos de programación o modelado de tráfico, como el modelador de tráfico basado en créditos IEEE 802.1Qav. IEEE 802.1Qav admite tiempo real suave. En este ejemplo particular, IEEE 802.1Qav podría asignarse a una o dos de las prioridades que se utilizan en el segmento de tiempo dos para distinguir aún más entre el tráfico de audio/vídeo y las transferencias de archivos en segundo plano. El grupo de trabajo de redes sensibles al tiempo especifica una serie de programadores y modeladores de tráfico diferentes que se pueden combinar para lograr la coexistencia no reactiva de tráfico en tiempo real estricto, en tiempo real suave y en segundo plano en la misma infraestructura Ethernet.
Cuando una interfaz Ethernet ha iniciado la transmisión de una trama al medio de transmisión, esta transmisión debe finalizar por completo antes de que pueda tener lugar otra transmisión. Esto incluye la transmisión de la suma de comprobación CRC32 al final de la trama para garantizar una transmisión confiable y sin fallas. Esta propiedad inherente de las redes Ethernet, nuevamente, plantea un desafío al enfoque TDMA del programador IEEE 802.1Qbv. Esto es visible en la figura 2:
Justo antes del final del intervalo de tiempo 2 en el ciclo n, se inicia una nueva transmisión de trama. Desafortunadamente, este marco es demasiado grande para caber en su intervalo de tiempo. Dado que la transmisión de esta trama no se puede interrumpir, la trama infringe el siguiente intervalo de tiempo 1 del siguiente ciclo n+1. Al bloquear parcial o completamente un intervalo de tiempo crítico, los fotogramas en tiempo real pueden retrasarse hasta el punto en que ya no puedan cumplir con los requisitos de la aplicación. Esto es muy similar a los efectos reales del almacenamiento en búfer que ocurren en conmutadores Ethernet que no son de TSN, por lo que TSN tiene que especificar un mecanismo para evitar que esto suceda.
El programador con reconocimiento de tiempo IEEE 802.1Qbv debe garantizar que la interfaz Ethernet no esté ocupada con la transmisión de una trama cuando el programador cambia de un segmento de una vez al siguiente. El planificador consciente del tiempo logra esto colocando una banda de guardia delante de cada segmento de tiempo que transporta tráfico crítico en el tiempo. Durante este tiempo de banda de guarda, no se puede iniciar ninguna nueva transmisión de trama Ethernet, sólo se pueden finalizar las transmisiones que ya están en curso. La duración de esta banda de guarda debe ser tan larga como sea necesario el tamaño máximo de trama para transmitirse de forma segura. Para una trama Ethernet según IEEE 802.3 con una única etiqueta VLAN IEEE 802.1Q e incluido el espaciado entre tramas , la longitud total es: 1500 bytes (carga útil de la trama) + 18 bytes (direcciones Ethernet, EtherType y CRC) + 4 bytes (etiqueta VLAN) + 12 bytes (espaciado entre tramas) + 8 bytes (preámbulo y SFD) = 1542 bytes.
El tiempo total necesario para enviar esta trama depende de la velocidad del enlace de la red Ethernet. Con Fast Ethernet y una velocidad de transmisión de 100 Mbit/s, la duración de la transmisión es la siguiente:
En este caso, la banda de guarda debe tener una longitud mínima de 123,36 μs. Con la banda de guarda, el ancho de banda total o el tiempo que se puede utilizar dentro de un intervalo de tiempo se reduce según la longitud de la banda de guarda. Esto es visible en la figura 3.
Nota: para facilitar la presentación del tema, el tamaño real de la banda protectora en la figura 3 no está a escala, pero es significativamente más pequeño que lo indicado por el marco en la figura 2.
En este ejemplo, el intervalo de tiempo 1 siempre contiene datos de alta prioridad (por ejemplo, para control de movimiento), mientras que el intervalo de tiempo 2 siempre contiene datos de mejor esfuerzo. Por lo tanto, es necesario colocar una banda de protección en cada punto de transición en el intervalo de tiempo 1 para proteger el intervalo de tiempo de los flujos de datos críticos.
Si bien las bandas de guardia logran proteger los intervalos de tiempo con tráfico crítico de alta prioridad, también tienen algunos inconvenientes importantes:
Para mitigar parcialmente la pérdida de ancho de banda a través de la banda de guarda, el estándar IEEE 802.1Qbv incluye un mecanismo de programación que tiene en cuenta la longitud. Este mecanismo se utiliza cuando se utiliza la conmutación de almacenamiento y reenvío : después de la recepción completa de una trama Ethernet que debe transmitirse en un puerto donde la banda de guarda está vigente, el programador verifica la longitud total de la trama. Si la trama puede caber completamente dentro de la banda de guarda, sin infringir el siguiente segmento de alta prioridad, el programador puede enviar esta trama, a pesar de una banda de guarda activa, y reducir el desperdicio de ancho de banda. Sin embargo, este mecanismo no se puede utilizar cuando la conmutación de corte está habilitada, ya que la longitud total de la trama Ethernet debe conocerse a priori. Por lo tanto, cuando se utiliza la conmutación de corte para minimizar la latencia de un extremo a otro, se seguirá produciendo un desperdicio de ancho de banda. Además, esto no ayuda con el tiempo de ciclo mínimo alcanzable. Por lo tanto, la programación consciente de la duración es una mejora, pero no puede mitigar todos los inconvenientes que introduce la banda de guardia.
Para mitigar aún más los efectos negativos de las bandas de guarda, los grupos de trabajo IEEE 802.1 y 802.3 han especificado la tecnología de preferencia de trama. Los dos grupos de trabajo colaboraron en este esfuerzo ya que la tecnología requería tanto cambios en el esquema de Control de Acceso al Medio Ethernet (MAC) que está bajo el control de IEEE 802.3, como cambios en los mecanismos de gestión que están bajo el control de IEEE 802.1. Debido a este hecho, la preferencia de trama se describe en dos documentos de estándares diferentes: IEEE 802.1Qbu [8] para el componente de gestión de puentes e IEEE 802.3br [9] para el componente Ethernet MAC.
La preferencia de trama define dos servicios MAC para un puerto de salida: MAC preferencial (pMAC) y MAC rápido (eMAC). Las tramas exprés pueden interrumpir la transmisión de tramas interrumpibles. Al reanudarse, la subcapa de fusión MAC vuelve a ensamblar fragmentos de trama en el siguiente puente.
La preferencia provoca una sobrecarga computacional en la interfaz del enlace, ya que el contexto operativo pasará a la trama rápida.
La Figura 4 ofrece un ejemplo básico de cómo funciona la preferencia de fotogramas. Durante el proceso de envío de una trama Ethernet de mejor esfuerzo, el MAC interrumpe la transmisión de la trama justo antes del inicio de la banda de guarda. La trama parcial se completa con un CRC y se almacenará en el siguiente conmutador para esperar a que llegue la segunda parte de la trama. Una vez que ha pasado el tráfico de alta prioridad en el intervalo de tiempo 1 y el ciclo vuelve al intervalo de tiempo 2, se reanuda la transmisión de la trama interrumpida. La preferencia de trama siempre funciona puramente enlace por enlace y solo se fragmenta de un conmutador Ethernet al siguiente conmutador Ethernet, donde se vuelve a ensamblar la trama. A diferencia de la fragmentación con el Protocolo de Internet (IP) , no se admite la fragmentación de un extremo a otro.
Cada cuadro parcial se completa con un CRC32 para la detección de errores. A diferencia del Ethernet CRC32 normal, los últimos 16 bits se invierten para que una trama parcial se pueda distinguir de una trama Ethernet normal. Además, se cambia el inicio del delimitador de fotograma (SFD).
La compatibilidad con la preferencia de fotogramas debe activarse en cada enlace entre dispositivos de forma individual. Para señalar la capacidad de apropiación de tramas en un enlace, un conmutador Ethernet anuncia esta capacidad a través del LLDP (Protocolo de descubrimiento de capa de enlace) . Cuando un dispositivo recibe dicho anuncio LLDP en un puerto de red y admite la preferencia de trama, puede activar la capacidad. No hay negociación ni activación directa de la capacidad en dispositivos adyacentes. Cualquier dispositivo que reciba el anuncio de preferencia de LLDP asume que en el otro extremo del enlace hay un dispositivo presente que puede comprender los cambios en el formato de la trama (CRC32 y SFD modificados).
La preferencia de fotograma permite una reducción significativa de la banda de protección. La longitud de la banda protectora ahora depende de la precisión del mecanismo de preferencia de marco: qué tan pequeño es el tamaño mínimo del marco que el mecanismo aún puede adelantar. IEEE 802.3br especifica la mejor precisión para este mecanismo en 64 bytes, debido a que este es el tamaño mínimo de una trama Ethernet aún válida. En este caso, la banda de guarda se puede reducir a un total de 127 bytes: 64 bytes (trama mínima) + 63 bytes (longitud restante que no se puede anular). Todos los marcos más grandes se pueden volver a bloquear y, por lo tanto, no es necesario protegerlos contra este tamaño con una banda protectora.
Esto minimiza el ancho de banda de mejor esfuerzo que se pierde y también permite tiempos de ciclo mucho más cortos a velocidades de Ethernet más lentas, como 100 Mbit/s e inferiores. Dado que la preferencia tiene lugar en el hardware del MAC, a medida que pasa la trama, también se puede admitir la conmutación de corte, ya que el tamaño total de la trama no es necesario a priori. La interfaz MAC simplemente comprueba en intervalos regulares de 64 bytes si es necesario adelantar la trama o no.
La combinación de sincronización horaria, el planificador IEEE 802.1Qbv y la preferencia de tramas ya constituye un conjunto eficaz de estándares que pueden utilizarse para garantizar la coexistencia de diferentes categorías de tráfico en una red y al mismo tiempo proporcionar garantías de latencia de extremo a extremo. Esto se mejorará aún más a medida que se finalicen las nuevas especificaciones IEEE 802.1, como 802.1Qch.
En general, el programador basado en el tiempo tiene una alta complejidad de implementación y su uso del ancho de banda no es eficiente. La programación de tareas y eventos en los puntos finales debe combinarse con la programación de puertas del modelador de tráfico para reducir las latencias. Una deficiencia crítica es el retraso que se produce cuando un punto final transmite datos no sincronizados, debido al tiempo de espera para la siguiente ventana activada por tiempo.
El programador con reconocimiento de tiempo requiere una estrecha sincronización de sus ventanas activadas por tiempo, por lo que todos los puentes en la ruta del flujo deben estar sincronizados. Sin embargo, sincronizar la selección de tramas del puente TSN y el tiempo de transmisión no es trivial incluso en redes de tamaño moderado y requiere una solución totalmente administrada.
La preferencia de marcos es difícil de implementar y no ha contado con un amplio apoyo de la industria.
Los modeladores cíclicos (peristálticos), basados en créditos y conscientes del tiempo requieren un tiempo coordinado en toda la red y utilizan el ancho de banda de la red de manera ineficiente, ya que imponen la transmisión de paquetes en ciclos periódicos. El modelador de tráfico asíncrono (ATS) IEEE 802.1Qcr funciona de forma asíncrona basándose en relojes locales en cada puente, lo que mejora la utilización del enlace para tipos de tráfico mixto, como periódico con períodos arbitrarios, esporádico (impulsado por eventos) y con velocidad limitada.
ATS emplea el programador basado en urgencia (UBS) que prioriza el tráfico urgente mediante colas por clase y remodelación por flujo. La asincronicidad se logra mediante la configuración entrelazada con la caracterización del tráfico basada en Token Bucket Emulation, un modelo de emulación de token bucket , para eliminar los efectos en cascada de ráfagas de la configuración por clase. El modelador TBE controla el tráfico según la velocidad de transmisión promedio, pero permite un cierto nivel de tráfico en ráfagas. Cuando hay una cantidad suficiente de tokens en el depósito, la transmisión comienza inmediatamente; de lo contrario, la puerta de la cola se cierra durante el tiempo necesario para acumular suficientes tokens.
La UBS es una mejora de las Disciplinas de Servicio de Velocidad Controlada (RCSD) para controlar la selección y transmisión de cada trama individual en cada salto, desacoplando el ancho de banda del flujo del retraso limitado por la separación del control de velocidad y la programación de paquetes, y utilizando prioridades estáticas y orden de llegada. - Primer servicio y vencimiento más temprano - Fecha de la primera cola.
Las colas UBS tienen dos niveles de jerarquía: colas en forma de flujo, con prioridad fija asignada por las fuentes ascendentes de acuerdo con los tiempos de transmisión de paquetes definidos por la aplicación, lo que permite un período de transmisión arbitrario para cada flujo, y colas compartidas que fusionan flujos con la misma prioridad interna. de varios formadores. Esta separación de colas tiene una baja complejidad de implementación y al mismo tiempo garantiza que las tramas con mayor prioridad evitarán las tramas de menor prioridad.
Las colas compartidas están muy aisladas, con políticas para colas separadas para tramas de diferentes transmisores, el mismo transmisor pero diferente prioridad, y el mismo transmisor y prioridad pero una prioridad diferente en el receptor. El aislamiento de colas evita la propagación de datos maliciosos, asegurando que los flujos ordinarios no sufran interferencias y permite el bloqueo flexible de flujos o transmisores mediante una acción administrativa. La cantidad mínima de colas compartidas es la cantidad de puertos menos uno y más con políticas de aislamiento adicionales. Las colas compartidas tienen una prioridad fija interna del programador y las tramas se transmiten según el principio de orden de llegada.
En el peor de los casos, la inexactitud de la sincronización del reloj no disminuye la utilización del enlace, a diferencia de los enfoques activados por tiempo como TAS (Qbv) y CQF (Qch).
El control y reserva de ruta (PCR) IEEE 802.1Qca especifica extensiones al protocolo de estación intermedia a estación intermedia (IS-IS) para configurar múltiples rutas en redes en puente.
El estándar IEEE 802.1Qca utiliza Shortest Path Bridging (SPB) con un modo híbrido de red definida por software (SDN): el protocolo IS-IS maneja funciones básicas, mientras que el controlador SDN administra rutas explícitas utilizando elementos de cálculo de ruta (PCE) en un servidor dedicado. nodos. IEEE 802.1Qca integra protocolos de control para gestionar múltiples topologías, configurar una ruta de reenvío explícita (una ruta predefinida para cada flujo), reservar ancho de banda, proporcionar protección y redundancia de datos y distribuir mensajes de control de flujo y sincronización de flujo. Estos se derivan de los protocolos Equal Cost Tree (ECT), Multiple Spanning Tree Instance (MSTI), Internal Spanning Tree (IST) y Explicit Tree (ET).
La replicación y eliminación de tramas para confiabilidad (FRER) IEEE 802.1CB envía copias duplicadas de cada trama a través de múltiples rutas separadas, para proporcionar una redundancia proactiva y perfecta para aplicaciones de control que no pueden tolerar pérdidas de paquetes.
La replicación de paquetes puede utilizar información de ruta y clase de tráfico para minimizar la congestión de la red. Cada cuadro replicado tiene un número de identificación de secuencia, que se utiliza para reordenar y fusionar cuadros y descartar duplicados.
FRER requiere una gestión de configuración centralizada y debe usarse con 802.1Qcc y 802.1Qca. Se admiten HSR y PRP con tolerancia a fallos industriales especificados en IEC 62439-3.
Los datos de estado de MRP para una secuencia ocupan 1500 bytes. Con flujos de tráfico adicionales y redes más grandes, el tamaño de la base de datos aumenta proporcionalmente y las actualizaciones de MRP entre los vecinos del puente se ralentizan significativamente. El protocolo de registro local de enlace (LRP) está optimizado para un tamaño de base de datos más grande, de aproximadamente 1 Mbyte, con una replicación eficiente que permite actualizaciones incrementales. Los nodos que no responden y tienen datos obsoletos se descartan automáticamente. Mientras que MRP es específico de la aplicación y cada aplicación registrada define su propio conjunto de operaciones, LRP es neutral en cuanto a la aplicación.
SRP y MSRP están diseñados principalmente para aplicaciones AV: su modelo de configuración distribuida se limita a las clases A y B de reserva de flujo (SR) definidas por Credit-Based Shaper (CBS), mientras que IEEE 802.1Qcc incluye un modelo de configuración CNC más centralizado que admite todos Nuevas funciones de TSN, como modeladores adicionales, preferencia de fotogramas y redundancia de rutas.
El proyecto IEEE P802.1Qdd actualiza el modelo de configuración distribuida definiendo una nueva señalización del protocolo de asignación de recursos de igual a igual basada en el protocolo de registro local de enlace P802.1CS. RAP mejorará la escalabilidad y proporcionará reserva dinámica para una mayor cantidad de transmisiones con soporte para transmisión redundante a través de múltiples rutas en 802.1CB FRER y configuración automática de recuperación de secuencia.
RAP admite la capacidad de 'cálculo de latencia por salto independiente de la topología' de los formadores TSN como 802.1Qch Cyclic Queuing and Forwarding (CQF) y P802.1Qcr Asynchronous Traffic Shaping (ATS). También mejorará el rendimiento bajo cargas elevadas y admitirá proxy y diagnósticos mejorados, todo ello manteniendo la compatibilidad con versiones anteriores y la interoperabilidad con MSRP.
Descubrimiento de conectividad de control de acceso a medios y estaciones IEEE P802.1ABdh: compatibilidad con unidades de datos de protocolo multitrama (LLDPv2) [10] [11] actualiza LLDP para admitir el protocolo de enrutamiento vectorial de estado de enlace IETF [12] y mejorar la eficiencia de los mensajes de protocolo.
El estándar IEEE 802.1Qcp implementa el modelo de datos YANG para proporcionar un marco Universal Plug-and-Play (uPnP) para informes de estado y configuración de equipos como puentes de control de acceso a medios (MAC), relés MAC de dos puertos (TPMR), Puentes de red de área local virtual (VLAN) y puentes de proveedor, y para admitir los estándares de seguridad 802.1X y puente de centro de datos 802.1AX.
YANG es un lenguaje de modelado unificado (UML) para configuración y datos de estado, notificaciones y llamadas a procedimientos remotos, para configurar la configuración del dispositivo con protocolos de administración de red como NETCONF/RESTCONF.
El grupo de trabajo sobre redes deterministas (DetNet) del IETF se centra en definir rutas de datos deterministas con alta confiabilidad y límites de latencia, pérdida y variación del retraso de paquetes (jitter), como transmisión de audio y video, automatización industrial y control de vehículos.
Los objetivos de Deterministic Networking son migrar aplicaciones industriales y de audio y video de alta confiabilidad y de tiempo crítico desde redes Fieldbus de propósito especial a redes de paquetes IP . Para lograr estos objetivos, DetNet utiliza la asignación de recursos para administrar el tamaño del búfer y las velocidades de transmisión para satisfacer los requisitos de latencia de un extremo a otro. Protección del servicio contra fallas con redundancia en múltiples rutas y rutas explícitas para reducir la pérdida y reordenamiento de paquetes. La misma red física manejará tanto el tráfico reservado de tiempo crítico como el tráfico regular de mejor esfuerzo, y el ancho de banda reservado no utilizado se liberará para el tráfico de mejor esfuerzo.
DetNet opera en los segmentos enrutados de Capa 3 IP utilizando una capa de red definida por software para proporcionar integración IntServ y DiffServ , y ofrece servicios a través de segmentos puenteados de Capa 2 inferior utilizando tecnologías como MPLS e IEEE 802.1 AVB/TSN. [13]
Los protocolos de enrutamiento de Traffic Engineering (TE) traducen la especificación de flujo DetNet a controles AVB/TSN para algoritmos de cola, configuración y programación, como el modelador basado en créditos IEEE 802.1Qav, el modelador activado por tiempo IEEE802.1Qbv con un programador de tiempo rotativo, IEEE802. Doble buffer sincronizado de 1Qch, preferencia de paquetes Ethernet 802.1Qbu/802.3br y replicación y eliminación de tramas 802.1CB para mayor confiabilidad. Además, el interfuncionamiento de protocolos definido por IEEE 802.1CB se utiliza para anunciar las capacidades de la subred TSN a los flujos DetNet a través de las funciones de identificación de flujo VLAN y MAC de destino activo. Los flujos de DetNet coinciden por dirección MAC de destino, ID de VLAN y parámetros de prioridad con los requisitos de ID de flujo y QoS para hablantes y oyentes en la subred AVB/TSN. [14]
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