時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

張 弛,韓 麗,楊 宏

(中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100007)

0 引言

隨著智能制造、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性需求越來(lái)越大。然而在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)帶寬由不同終端設(shè)備共享。這些設(shè)備沒(méi)有基于時(shí)間的流量控制，而是盡最大可能發(fā)送數(shù)據(jù)，極易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，數(shù)據(jù)排隊(duì)時(shí)間無(wú)法預(yù)計(jì)，甚至一部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)被丟棄。因此,傳統(tǒng)以太網(wǎng)無(wú)法保證數(shù)據(jù)的確定性傳輸[1]。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(time sensitive networking，TSN)是IEEE 802.1 TSN任務(wù)組基于以太網(wǎng)研發(fā)的一系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。TSN在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上加入時(shí)鐘同步、流量調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)配置等關(guān)鍵技術(shù)，為時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)提供低時(shí)延、低時(shí)延抖動(dòng)和低丟包率特性的傳輸服務(wù)[2]。

近年來(lái)，TSN技術(shù)的快速發(fā)展引起國(guó)內(nèi)外相關(guān)組織和企業(yè)的重視，IEEE 802.1、ISO/IEC JTC1/SC6、IEC/TC65、Avnu聯(lián)盟等標(biāo)準(zhǔn)組織均在積極開(kāi)展相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定。TSN在音視頻、汽車(chē)控制、工業(yè)控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在智能制造的互聯(lián)互通方面被寄予厚望。

1 TSN標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

TSN是由IEEE 802.1工作組下TSN任務(wù)組開(kāi)發(fā)的一套標(biāo)準(zhǔn)，ISO/IEC JTC1/SC6、Avnu聯(lián)盟、IEC/TC65等標(biāo)準(zhǔn)組織均在積極開(kāi)展相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定。

TSN系列標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施需要一些基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)支撐[3]，如下所示。

①I(mǎi)EEE Std 802.1Q-2018:Bridges and Bridged Networks(橋接和橋接網(wǎng)絡(luò))。

②IEEE Std 802.1AB-2016:Station and Media Access Control Connectivity Discovery (specifies the Link Layer Discovery Protocol (LLDP))(站點(diǎn)和媒體訪問(wèn)控制互聯(lián)發(fā)現(xiàn))。

③IEEE Std 802.1AS-2011:Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks(時(shí)鐘同步)。

④IEEE Std 802.1AX-2014:Link Aggregation(鏈路聚合)。

⑤IEEE Std 802.1BA-2011:Audio Video Bridging (AVB) Systems(音視頻橋接系統(tǒng))。

⑥IEEE Std 802.1CB-2017:Frame Replication and Elimination for Reliability(可靠性的幀復(fù)制和消除)。

⑦IEEE Std 802.1CM-2018:Time-Sensitive Networking for Fronthaul(面向前向回傳流的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò))。

TSN TG已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 TSN TG已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Published standards of TSN TG

2017年6月，IEC/TC65(工業(yè)過(guò)程測(cè)量控制和自動(dòng)化)/SC65C(工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分委會(huì))成立TSN項(xiàng)目組，與IEEE聯(lián)合開(kāi)展TSN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) 行規(guī) 第6部分：基于IEEE 802.1和IEEE 802.3的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)行規(guī)》的制定。標(biāo)準(zhǔn)主要包括一致性測(cè)試、物理層和媒體訪問(wèn)控制速度、數(shù)據(jù)鏈路層、時(shí)鐘同步、信息安全、性能指標(biāo)等內(nèi)容。

2 TSN關(guān)鍵技術(shù)

TSN具有三大關(guān)鍵技術(shù)：時(shí)鐘同步、流量調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)配置。

2.1 時(shí)鐘同步

TSN的流量調(diào)度是基于時(shí)隙的，因此時(shí)鐘同步是TSN的基礎(chǔ)。TSN的時(shí)鐘同步是保證所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的的時(shí)鐘一致，而不需要與自然界的時(shí)鐘保持同步。IEEE 802.1AS-2011規(guī)定了TSN整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步機(jī)制，提出了廣義精確時(shí)間協(xié)議(general precision time protocol，gPTP)。gPTP是在IEEE 1588-2008的精確時(shí)間協(xié)議(precision time protocol，PTP)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，兩者工作模式相同。首先介紹PTP，然后分析PTP與gPTP的不同點(diǎn)。

PTP能夠使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時(shí)鐘精度達(dá)到亞微秒級(jí)別[4]。PTP主要通過(guò)兩個(gè)步驟同步系統(tǒng)中的時(shí)鐘：①確定系統(tǒng)中的主從時(shí)鐘結(jié)構(gòu)；②進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘同步。

PTP時(shí)鐘同步是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘以主父時(shí)鐘(grandmaster clock)的時(shí)間為參考值進(jìn)行同步。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，主父時(shí)鐘的時(shí)鐘性能最好。IEEE 1588-2008[5]定義了最佳主時(shí)鐘(best master clock，BMC)算法，用于比較系統(tǒng)中的時(shí)鐘性能，從而選擇主父時(shí)鐘。時(shí)鐘端口具有PTP_INITIALIZING、PTP_MASTER、PTP_SLAVE、PTP_DISABLEDAD等9種狀態(tài)。當(dāng)時(shí)鐘上電后，首先廣播Announce消息，Announce消息中包含時(shí)鐘屬性，同時(shí)偵聽(tīng)其他時(shí)鐘發(fā)送的Announce消息。如果收到比它性能好的時(shí)鐘的Announce消息，則端口狀態(tài)調(diào)整為PTP_SLAVE，進(jìn)入Slave狀態(tài)，停止廣播Announce消息；如果在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到更好的時(shí)鐘發(fā)來(lái)的Announce消息，則設(shè)它為最優(yōu)時(shí)鐘，端口狀態(tài)設(shè)為PTP_MASTER[6]。當(dāng)最優(yōu)時(shí)鐘不具備作為時(shí)鐘源的性能或退出系統(tǒng)時(shí)，BMC算法能夠自動(dòng)地在系統(tǒng)中重新選擇一個(gè)最優(yōu)時(shí)鐘。最優(yōu)時(shí)鐘確定后，其他時(shí)鐘利用雙向多播通信方式與其上層主時(shí)鐘進(jìn)行同步。時(shí)鐘消息傳輸過(guò)程如圖1所示[7]。

圖1 時(shí)鐘消息傳輸過(guò)程圖Fig.1 The process of clock messages transmission

假設(shè)時(shí)鐘間的上下行鏈路是對(duì)稱(chēng)的，從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的時(shí)間偏移設(shè)為toffset，傳輸時(shí)延設(shè)為tdelay。首先，主時(shí)鐘發(fā)送同步報(bào)文(Sync)給從時(shí)鐘，報(bào)文包含消息發(fā)送時(shí)間t1。從時(shí)鐘接收同步報(bào)文后記錄接收時(shí)間t2。由于同步報(bào)文中的t1是預(yù)計(jì)的發(fā)送時(shí)間，而不是真實(shí)的發(fā)送時(shí)間，因此主時(shí)鐘繼續(xù)發(fā)送跟隨報(bào)文(Follow_Up)，報(bào)文包含確定的同步報(bào)文發(fā)送時(shí)間t1。從時(shí)鐘收到跟隨報(bào)文后記錄時(shí)間戳t1。此時(shí)，從時(shí)鐘計(jì)算t2和t1的時(shí)間差，它是時(shí)間偏移和傳輸時(shí)延的和，即:

t2-t1=toffset+tdelay

(1)

因此，還需要計(jì)算從時(shí)鐘和主時(shí)鐘的傳輸時(shí)延。從時(shí)鐘發(fā)送延遲請(qǐng)求報(bào)文(Delay_Req)至主時(shí)鐘，并記錄報(bào)文發(fā)送時(shí)間t3。主時(shí)鐘收到Delay_Req后記錄接收?qǐng)?bào)文時(shí)間t4，并發(fā)送延遲應(yīng)答報(bào)文(Delay_Resp)至從時(shí)鐘，Delay_Resp內(nèi)包含t4的時(shí)間戳。從時(shí)鐘收到延遲應(yīng)答報(bào)文后，計(jì)算傳輸時(shí)延。由于假設(shè)上下行鏈路對(duì)稱(chēng)，所以傳輸時(shí)延為：

(2)

最終可以得到時(shí)間偏移：

(3)

PTP是針對(duì)穩(wěn)定和安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境所設(shè)計(jì)，適用于本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)。因此，PTP設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，占用的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源較少。與PTP相比，gPTP基于二層網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)Σ煌W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)鐘同步。時(shí)鐘類(lèi)型更為簡(jiǎn)單，只有端節(jié)點(diǎn)和橋節(jié)點(diǎn)兩種類(lèi)型設(shè)備。

2.2 流量調(diào)度

IEEE 802.1Q-2014根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的類(lèi)型和用途對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)先級(jí)的劃分，交換機(jī)端口可設(shè)置優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)流優(yōu)先進(jìn)入緩沖隊(duì)列，從而保證時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸。但是，如果當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)有低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流在傳輸時(shí)，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流只能在緩沖隊(duì)列中排隊(duì)緩沖，等待低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流傳輸完成，這樣就無(wú)法滿足時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求。因此，IEEE 802.1Qbv-2015針對(duì)這一問(wèn)題提出了門(mén)控制策略[8]。

門(mén)控制策略主要是在交換機(jī)的緩沖隊(duì)列中增加了門(mén)結(jié)構(gòu)。門(mén)的狀態(tài)分為開(kāi)和關(guān)兩種，記錄在門(mén)控制列表中。交換機(jī)通過(guò)改變門(mén)的狀態(tài)，可以控制數(shù)據(jù)流的輸出。它的基本思想是時(shí)分多址，將傳輸信道劃分為多個(gè)重復(fù)的調(diào)度周期，在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，為不同類(lèi)型數(shù)據(jù)流劃分為多個(gè)時(shí)隙。IEEE 802.1Qbv-2015的工作機(jī)制如圖2所示。

圖2 IEEE 802.1Qbv-2015的工作機(jī)制Fig.2 Mechanism of IEEE 802.1Qbv-2015

從圖2可以看出，一個(gè)周期被劃分為2個(gè)時(shí)隙。時(shí)隙1只傳輸時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)，時(shí)隙2傳輸其他數(shù)據(jù)。IEEE 802.1Qbv-2015要求網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)時(shí)鐘同步，配置相同的調(diào)度表。這樣，所有設(shè)備就知道哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)可以傳輸時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)。

但是這個(gè)策略有一個(gè)缺陷。當(dāng)時(shí)隙2傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀過(guò)大時(shí)，無(wú)法在有限時(shí)間內(nèi)傳輸完成。由于無(wú)法中斷傳輸，就會(huì)占用下一個(gè)周期時(shí)隙1的時(shí)間，時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)就會(huì)被延遲甚至無(wú)法傳輸。因此，IEEE 802.1Qbv-2015還提出了保護(hù)機(jī)制。在時(shí)隙2的后面增設(shè)一個(gè)保護(hù)帶，在保護(hù)帶內(nèi)不可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)，但是可以繼續(xù)完成當(dāng)前數(shù)據(jù)的傳輸。保護(hù)帶的大小是最大幀的傳輸時(shí)間。

保護(hù)帶雖然解決了時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)不受其他數(shù)據(jù)影響這一問(wèn)題，但是保護(hù)帶過(guò)大會(huì)造成資源的浪費(fèi)。因此IEEE 802.1Qbu-2016[9]提出了幀搶占策略。幀搶占策略的原理是暫停非時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，轉(zhuǎn)而傳輸時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)；時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)傳輸完成后，再繼續(xù)傳輸非時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)。幀搶占策略依據(jù)時(shí)延需求將數(shù)據(jù)流分為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流和低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流。其中，低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流是可被搶占數(shù)據(jù)流。IEEE 802.1Qbu-2016工作機(jī)制如圖3所示。

圖3 IEEE 802.1Qbu-2016工作機(jī)制Fig.3 Mechanism of IEEE 802.1Qbu-2016

當(dāng)鏈路中正在傳輸?shù)蛢?yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流，此時(shí)有高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流要傳輸時(shí)，會(huì)首先判斷低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流是否可以被切片。如果允許被切片，則根據(jù)IEEE 802.3br-2016在適當(dāng)?shù)奈恢弥袛嗟蛢?yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的傳輸，并增添一個(gè)校驗(yàn)位，將已經(jīng)傳輸完的部分作為一個(gè)數(shù)據(jù)幀。經(jīng)過(guò)一個(gè)幀間間隔后開(kāi)始傳輸高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流。傳輸完高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流后繼續(xù)傳輸?shù)蛢?yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的剩余部分，并在前面加上前導(dǎo)碼，以便識(shí)別數(shù)據(jù)類(lèi)型和進(jìn)行數(shù)據(jù)流重組。通過(guò)實(shí)行幀搶占策略，保護(hù)帶的長(zhǎng)度可以減小切片的最大長(zhǎng)度，從而減少了資源浪費(fèi)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)配置

TSN需要對(duì)發(fā)送端、接收端和網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)進(jìn)行配置，以便為時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)提供預(yù)留帶寬等服務(wù)。IEEE 802.1Qcc-2018[10提出了TSN的配置模型，包括全集中配置模型、全分布配置模型和集中網(wǎng)絡(luò)/分布式用戶配置模型。集中式用戶配置(centralized user configuration,CUC)，負(fù)責(zé)發(fā)送端和接收端的配置；集中式網(wǎng)絡(luò)配置(centralized network configuration,CNC)，負(fù)責(zé)TSN交換機(jī)的配置。全集中配置模型如圖4所示。

圖4 全集中配置模型Fig.4 Fully centralized model

TSN網(wǎng)絡(luò)具體配置過(guò)程如下。

(1)CUC發(fā)現(xiàn)發(fā)送端和接收端。

(2)CUC創(chuàng)建TSN域。

(3)發(fā)送端和接收端把它們的流QoS需求發(fā)送給CUC。

(4)CUC把流QoS需求傳送給CNC，使用User/Network配置接口協(xié)議(UNI協(xié)議)。

(5)CNC進(jìn)行必要的計(jì)算，包括計(jì)算傳輸調(diào)度、確定數(shù)據(jù)路徑等，使之滿足QoS需求。

(6)CUC對(duì)反饋結(jié)果進(jìn)行判斷。

①如果TSN網(wǎng)絡(luò)能夠滿足QoS需求，CUC配置發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)流傳輸，CNC配置TSN交換機(jī)，發(fā)送端和接收端開(kāi)始通信。

②如果TSN網(wǎng)絡(luò)不能滿足用戶需求，則不開(kāi)始通信。

CNC與TSN交換機(jī)之間使用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。CNC通過(guò)協(xié)議發(fā)現(xiàn)物理拓?fù)洌瑱z索交換機(jī)容量，配置TSN特性。發(fā)送端和接收端沒(méi)有遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議。各端口門(mén)控列表等對(duì)象都是CNC通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議進(jìn)行配置的。

全集中配置模型應(yīng)用范圍最廣，例如在工業(yè)領(lǐng)域，能夠與OPC UA的Pub/Sub模型相對(duì)應(yīng)，便于TSN與OPC UA的融合。全分布配置模型和集中網(wǎng)絡(luò)/分布式用戶配置模型如圖5所示。

圖5 配置模型Fig.5 Configuration model

3 結(jié)論

TSN通過(guò)時(shí)鐘同步、流量調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)配置等關(guān)鍵技術(shù)，從本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的不確定性，為時(shí)間敏感型應(yīng)用提供低時(shí)延、高可靠的服務(wù)，有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。IEEE 802.1 TSN系列標(biāo)準(zhǔn)初步可以解決網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，但是每項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)還有很多可優(yōu)化和需要改進(jìn)的地方。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，除了TSN關(guān)鍵技術(shù)之外，還可以考慮與傳統(tǒng)以太網(wǎng)的適配、TSN交換機(jī)的技術(shù)要求和測(cè)試要求和與特定行業(yè)技術(shù)相融合。例如在工業(yè)領(lǐng)域中，TSN與OPC UA融合關(guān)鍵技術(shù)也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。因此，要積極跟進(jìn)TSN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展，同時(shí)在國(guó)內(nèi)開(kāi)展TSN技術(shù)研究和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。