Deterministic Networking (DetNet) es un esfuerzo del Grupo de Trabajo DetNet del IETF para estudiar la implementación de rutas de datos deterministas para aplicaciones en tiempo real con tasas de pérdida de datos extremadamente bajas, variación de retardo de paquetes (jitter) y latencia limitada, como transmisión de audio y video, automatización industrial y control de vehículos.
DetNet opera en los segmentos enrutados de capa 3 de IP utilizando una capa de red definida por software para proporcionar integración IntServ y DiffServ , y ofrece servicio sobre segmentos puenteados de capa 2 inferiores utilizando tecnologías como MPLS y IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking . [1] Deterministic Networking tiene como objetivo migrar aplicaciones de audio y video y control industrial de alta confiabilidad y críticas en el tiempo desde redes Fieldbus de propósito especial ( HDMI , bus CAN , PROFIBUS , RS-485 , RS-422 / RS-232 e I²C ) a redes de paquetes e IP en particular. DetNet soportará tanto las nuevas aplicaciones como las aplicaciones de TI existentes en la misma red física.
Para soportar aplicaciones en tiempo real, DetNet implementa la reserva de recursos del plano de datos en nodos intermedios a lo largo de la ruta del flujo de datos, el cálculo de rutas explícitas que no dependen de la topología de la red y la redistribución de paquetes de datos a lo largo del tiempo y/o el espacio para entregar datos incluso con la pérdida de una ruta.
La infraestructura de TI estándar no puede manejar de manera eficiente los datos sensibles a la latencia. Los conmutadores y enrutadores utilizan algoritmos fundamentalmente inciertos para procesar paquetes/tramas, lo que puede generar un flujo de datos esporádico. Una solución común para suavizar estos flujos es aumentar el tamaño de los búferes, pero esto tiene un efecto negativo en la latencia de entrega porque los datos deben llenar los búferes antes de que pueda comenzar la transmisión al siguiente conmutador o enrutador.
El grupo de trabajo de redes sensibles al tiempo (TSN) del IEEE ha definido algoritmos deterministas para la puesta en cola, el modelado y la programación que permiten a cada nodo asignar ancho de banda y latencia según los requisitos de cada flujo de datos, calculando el tamaño del búfer en el conmutador de red. Los mismos algoritmos se pueden emplear en capas de red superiores para mejorar la entrega de paquetes IP y proporcionar interoperabilidad con el hardware TSN cuando esté disponible.
Las solicitudes de diferentes campos a menudo tienen requisitos fundamentalmente similares, que pueden incluir: [2]
Para reducir la pérdida de paquetes relacionada con la contención, se pueden asignar recursos como espacio de búfer o ancho de banda de enlace al flujo a lo largo de la ruta desde el origen hasta el destino. Mantener un almacenamiento de búfer adecuado en cada nodo también limita la latencia máxima de extremo a extremo. La velocidad de transmisión máxima y el tamaño máximo de paquete deben definirse explícitamente para cada flujo.
Cada nodo de red a lo largo de la ruta no debe superar estas velocidades de datos, ya que cualquier paquete enviado fuera del tiempo programado requiere almacenamiento en búfer adicional en el siguiente nodo, lo que puede exceder sus recursos asignados. Para limitar las velocidades de datos, se aplican funciones de control y modelado de tráfico en los puertos de entrada. Esto también protege el tráfico de TI regular de las fuentes DetNet que se comportan mal. Los campos de tiempo de ejecución en los paquetes y la sincronización de tiempo de submicrosegundos en todos los nodos se utilizan para garantizar una latencia mínima de extremo a extremo y eliminar la entrega irregular (jitter). El jitter reduce la calidad percibida de las aplicaciones audiovisuales, y las aplicaciones de red de control creadas en torno a protocolos de comunicación en serie no pueden manejar el jitter en absoluto.
La pérdida de paquetes también puede deberse a errores de medios y fallas de equipos. La replicación y eliminación de paquetes y la codificación de paquetes brindan protección al servicio contra estas fallas.
La replicación y eliminación funcionan distribuyendo los datos en varias rutas explícitas y reensamblándolos en orden cerca del destino. El número de secuencia o la marca de tiempo se agregan al flujo de DetNet o al paquete de protocolo de transporte, luego se eliminan los paquetes duplicados y se reordenan los paquetes desordenados, según la información de secuenciación y los registros de transmisión. El cumplimiento de las restricciones de latencia de flujo también impone restricciones al ordenamiento incorrecto, ya que los paquetes desordenados afectan la fluctuación y requieren almacenamiento en búfer adicional.
Las diferentes longitudes de ruta también requieren almacenamiento en búfer adicional para igualar los retrasos y garantizar las restricciones de ancho de banda después de la recuperación de fallas. Múltiples nodos DetNet pueden utilizar la replicación y eliminación para mejorar la protección contra múltiples fallas. La codificación de paquetes utiliza múltiples unidades de transmisión para cada paquete, agregando redundancia e información de corrección de errores de múltiples paquetes a cada unidad de transmisión.
En las redes en malla, los eventos topológicos como fallas o recuperaciones pueden afectar el flujo de datos incluso en segmentos de red remotos. Un efecto secundario de los cambios de ruta es la entrega de paquetes fuera de orden.
Las redes en tiempo real suelen basarse en anillos físicos con un protocolo de control simple y dos puertos por dispositivo para rutas redundantes, aunque a costa de un mayor número de saltos y latencia. Las rutas DetNet suelen definirse explícitamente y no cambian (al menos de inmediato) en respuesta a eventos de topología de red, por lo que no hay interrupciones en las negociaciones de protocolos de enrutamiento o puenteo. Se pueden establecer rutas explícitas con RSVP-TE, Segment Routing, IS-IS, ruta conmutada por etiquetas (LSP) MPLS-TE o una capa de red definida por software .
El grupo de trabajo de Arquitectura de Ingeniería de Tráfico y Señalización (TEAS) de la IETF mantiene los protocolos MPLS-TE LSP y RSVP-TE. Estos protocolos de enrutamiento de Ingeniería de Tráfico (TE) traducen la especificación de flujo DetNet a controles TSN IEEE 802.1 para algoritmos de cola, modelado y programación, como el modelador basado en créditos IEEE 802.1Qav, el modelador activado por tiempo IEEE802.1Qbv con un programador de tiempo rotativo, el almacenamiento en búfer doble y triple sincronizado IEEE802.1Qch, la supresión de paquetes Ethernet 802.1Qbu/802.3br y la replicación y eliminación de tramas 802.1CB para confiabilidad. El interfuncionamiento de protocolos definido por IEEE 802.1CB se utiliza para anunciar las capacidades de subred TSN a los flujos DetNet a través de las funciones de identificación de flujo VLAN y MAC de destino activo. Los flujos DetNet se corresponden mediante la dirección MAC de destino, el ID de VLAN y los parámetros de prioridad con los requisitos de ID de flujo y QoS para hablantes y oyentes en la subred AVB/TSN. [3]
El IETF prevé los siguientes casos de uso: [4]