TSN學習 一

來源論文《Introduction to Time-Sensitive Networking》 Norman Finn

IEEE Communications Standards Magazine • June 2018

TSN的特點

1.Time synchronization

時間同步性

所有網絡裝置和主機都可以将其内部時鐘同步到1 µs至10 ns的精度。

2.發射機與網絡之間的有協定

包括：限制延遲，零擁塞損失；完全可靠的資料包傳輸；靈活性，協定可以建立和終止；Coexistence with best-effort services和盡力而為的網絡服務共存。

TSN的應用

Professional audio and video studios

專業的音頻和視訊工作室。

Electrical power generation and distribution.

發電和配電。

Industrial machine-to-machine: closed-cycle control loops, employing measurement, computation, and command sub-cycles.

工業機對機：閉環控制回路，采用測量，計算和指令子循環。

Automotive and other vehicle applications.

汽車及其他車輛應用。

Cellular radio: interconnecting the data baseband processing and radio frequency blocks of a cellular radio base station (fronthaul).

蜂窩無線電：互連蜂窩無線電基站（前傳）的資料基帶處理和射頻子產品。

零擁塞損失

在一個串行實體鍊路中傳輸連續資料包。資料包包含目的位址資訊，确定轉發輸出節點。每個資料包傳輸之前，要經過檢錯，然後資料包需要存儲在緩沖隊列中。

在TSN時間模型中，每個輸出節點隊列符合FIFO（先進先出）原則。當每個資料包完成傳輸時，一個或多個隊列選擇算法（稍後在“排隊算法”一節中讨論）将協同工作，從端口隊列之一中選擇一個資料包，然後進行傳輸。

在緩存、選擇、發送過程中，給定隊列中資料包速率的變化，是導緻擁塞損失的原因。

引起變化的原因有兩點。

一、如果通過路徑的延遲時間增加，則路徑中存儲的資料量将增加，是以下一跳的到達速度會變慢；如果延遲時間縮短，則将存儲的資料轉儲，并且到達率較高。（延遲變化要求被記錄）

二、在緊接的前一跳中使用的排隊算法可能會導緻突發或間隙，進而導緻任何給定流的資料包的傳輸速率降低。

bursts“突發”是指丢包率很高的時期；

gaps“間隙”是爆發之間的時間間隔

在較長的資料包傳輸過程中，小規模的速率變化很常見。但，當速率變化超過一定時間和限度（當隊列的輸入速率超過輸出速率足夠長的時間時）。隊列，必将溢出。

TSN的避免措施

對于周遊轉發節點的每個流，在轉發節點中緩沖足夠的資料以確定不會丢失該流的傳輸機會，除非該流的源變慢或停止。 也就是說，對于每個流，在一定的時間範圍内，在每一跳，輸入速率等于輸出速率。

但，緩沖足夠的資料需要預測最壞情況下的緩沖區配置設定。

資料包的複制與删除（可靠的資料包傳輸）

根據FRER（Frame Replication and Elimination for Reliability）可以進行包的複制與删除。

1.包到達時添加序列号。

2.包需要支援單點傳播和多點傳播。

3.包是可複制的。

圖1-包的複制删除與轉發

在傳輸中的單節點錯誤，應用可以通過提供帶有備援的發送器、接收器來克服。對于多節點錯誤。采用下圖的方法。

圖2-在每個節點進行複制轉發

在各個節點丢棄并重新複制資料包

TSN的控制與管理

1.必須選擇網橋和終端站，包括每個裝置的功能選擇。 必須建立網絡的實體拓撲。

2.必須定義網絡的靜态特征。包括拓撲控制協定、帶寬配置設定協定、時間同步參數等

3.必須建立一種或多種帶寬保留方法，然後選擇實施。

4.如果是TSN流量，必須選擇動态控制流量保留體系。

與TSN類似的技術

1.Overprovisioning 過量配置，給關鍵流量（critical flow）配置設定遠多于需求的帶寬緩沖區。缺點：容易造成其他流量擁塞，增加延遲傳遞或丢包的可能性。

2.isolation 隔離，每個應用一個網絡。缺點：昂貴。

3.prioritization 優先級配置設定，給關鍵流量配置設定最高的優先級。缺點：固定優先級配置設定。

4.Weighted fair queuing (WFQ) and similar prioritization schemes 權重公平排隊（WFQ）和類似的優先級配置設定方案。關鍵流量之間統計平均配置設定資源和帶寬。

5.congestion detection and avoidance 擁塞檢測與避免。缺點：擁塞檢測使正在發生擁塞的流量速度變慢，不能應用在TSN要求的應用中；擁塞避免是選擇不擁擠的網絡路徑傳輸，在流量建立時有用，之後路徑效率會降低。

上述的技術都缺乏可預測性，缺乏可預測性意味着，在大多數情況下，隻有在不使用網絡的情況下，才能對任何應用程式或網絡進行更改。 每個動态選擇（例如打開或關閉應用程式）都會以指數形式增加仿真和測試負載。