Revisión relacionada de Time Sensitive Networking (TSN)
Nombre: Liu Jiamu
ID de estudiante: 19011210553
La información proviene de Internet, editada y organizada por mí
Embedded Bull Introducción: red sensible al tiempo El objetivo es realizar la transmisión simultánea de flujos de datos críticos en tiempo real y flujos de datos ordinarios en la misma red con buena compatibilidad. Para lograr la integración de estos dos servicios, se requieren dispositivos en redes sensibles al tiempo para controlar con precisión los horarios y lograr la baja latencia y la baja fluctuación requeridas por los servicios críticos en tiempo real. Además, si los intrincados flujos comerciales de varios tipos de equipos se pueden transmitir en la misma red, esto significa la reducción de conexiones de red dedicadas, lo que simplifica el proceso de implementación de los equipos del sistema y, al mismo tiempo, reduce el tamaño y el costo del sistema. equipo.
Incrustar Niu Nose: ¿Red urgente? Transmisión determinista TSN
Incrustar Niu Nose: Preguntas relacionadas con las redes urgentes que se han planteado en los últimos años
Insertar texto Niu:
1. Pregunta
El modo de reenvío que suele adoptar la Ethernet tradicional es "Mejor esfuerzo", pero este modo de reenvío a menudo carece de certeza. Cuando el paquete de datos llega al puerto de envío y está listo para ser enviado, el extremo emisor lo reenvía según el principio de primero en entrar, primero en salir. Sin embargo, cuando un puerto de envío tiene varios datos para enviar al mismo tiempo, los datos se pondrán en cola y el tiempo de espera estará determinado por múltiples factores, como la longitud de la cola y la velocidad de envío de datos. Si el tráfico en la red es demasiado grande, se producirá congestión o pérdida de paquetes, el tiempo de cola se volverá impredecible y no se puede garantizar la certeza. Esto conducirá a la estandarización de la programación del tráfico, la sincronización del tiempo, el monitoreo del tráfico y los mecanismos de tolerancia a fallas. etc. preguntas.
Con suficiente ancho de banda, este Ethernet de mejor esfuerzo se puede adaptar a la mayoría de situaciones actuales, pero en algunas áreas de aplicación esta incertidumbre es intolerable, como la telemedicina o la conducción autónoma asistida por red. En estas aplicaciones de red críticas para la seguridad o la vida, la incertidumbre en una determinada transmisión de información puede traer consecuencias irreparables.
En este momento, establecer un mecanismo de transmisión confiable se ha convertido en el principal problema al que se enfrentan los técnicos.
Para garantizar el comportamiento determinista de algunos de los sistemas físicos controlados más importantes, la red en tiempo real debe tener un retardo de red y una variación de retardo (jitter) deterministas y bajos. Tradicionalmente se han utilizado buses de campo para este fin, pero debido a diversos factores como el diseño del bus, coste, volumen, peso, etc., se empezaron a proponer redes sensibles al tiempo.
Las redes sensibles al tiempo (TSN) se basan en Ethernet estándar. El tráfico de comunicación en Ethernet estándar (como transmisiones de audio y video) puede compartir la red física con flujos de información deterministas de alta prioridad (como el control de movimiento). Diferentes servicios tienen diferentes requisitos de latencia, especialmente en áreas de servicios de enlace descendente que requieren transmisión determinista, que son particularmente sensibles a los requisitos de latencia y fluctuación.
El objetivo de las redes sensibles al tiempo es lograr una transmisión síncrona de flujos de datos críticos en tiempo real y flujos de datos ordinarios en la misma red con buena compatibilidad. Para lograr la integración de estos dos servicios, se requieren dispositivos en redes sensibles al tiempo para controlar con precisión los horarios y lograr la baja latencia y la baja fluctuación requeridas por los servicios críticos en tiempo real. Además, si los intrincados flujos comerciales de varios tipos de equipos se pueden transmitir en la misma red, esto significa la reducción de conexiones de red dedicadas, lo que simplifica el proceso de implementación de los equipos del sistema y, al mismo tiempo, reduce el tamaño y el costo del sistema. equipo.
TSN no cubre toda la red, sino solo la definición de la capa MAC y el proceso de procesamiento de tramas de datos.
2. Historial de contenidos
AVB - La tecnología Ethernet Audio Video Bridging (Ethernet Audio Video Bridging) es un conjunto de audio y vídeo en tiempo real basado en la nueva arquitectura Ethernet que el grupo de trabajo IEEE 802.1 comenzó a desarrollar en 2005. Conjunto de protocolos de transporte. Resuelve eficazmente los problemas de sincronización, baja latencia y configuración del tráfico de datos en la transmisión Ethernet. Al mismo tiempo, mantiene el 100% de compatibilidad con versiones anteriores de Ethernet tradicional y es una tecnología de transmisión de audio y vídeo en red de próxima generación en tiempo real con un gran potencial de desarrollo.
Estos incluyen:
1. 802.1AS: Protocolo de tiempo de precisión (PTP)
2. 802.1Qat: Protocolo de reserva de transmisión (SRP) )
3. 802.1 Qav: Protocolo de cola y reenvío (Qav)
4. 802.1BA: Sistemas puente de audio y vídeo
p>5. 1722: Protocolo de transporte puente de audio/vídeo (AVBTP)
6. 1733: Protocolo de transporte en tiempo real (RTP)
7. 1722.1: Responsable de la búsqueda de dispositivos, enumeración, administración de conexiones y control mutuo entre dispositivos basados en 1722.
AVB puede transmitir no sólo audio sino también vídeo. Cuando se utiliza para transmisión de audio, en una red 1G, AVB utilizará automáticamente 750 M de ancho de banda para transmitir audio profesional bidireccional de 420 canales de alta calidad sin comprimir a través del protocolo de reserva de ancho de banda. El ancho de banda restante de 250 M aún puede transmitir algunos datos de red que no son en tiempo real. Cuando se utiliza para transmisión de vídeo, el ancho de banda reservado se puede ajustar según aplicaciones específicas. Por ejemplo: el ancho de banda de 750M puede transmitir fácilmente señales de video de alta definición Full HD sin pérdidas visuales. Y se puede enrutar arbitrariamente en la red AVB.
El grupo de trabajo IEEE 802.1 cambió oficialmente el nombre de AVB a TSN – Time Sensitive Network en noviembre de 2012. En otras palabras, AVB es sólo una aplicación en TSN.
La primera aplicación es nuestra de audio y vídeo profesional (Pro AV). El énfasis en esta área de aplicación está en la frecuencia del reloj maestro. En otras palabras, todos los nodos de la red de audio y vídeo deben seguir el mecanismo de sincronización horaria.
La segunda aplicación es en el campo del control de automoción. La mayoría de los sistemas de control de automóviles actuales son muy complejos. Por ejemplo: frenos, motores, suspensiones, etc. utilizan bus CAN. Las luces, puertas, mando a distancia, etc. utilizan sistema LIN. Los sistemas de entretenimiento son aún más diversos, incluidas las redes actuales para vehículos como FlexRay y MOST. De hecho, todos los sistemas anteriores se pueden administrar unificadamente utilizando TSN que admite baja latencia y tiene un mecanismo de transmisión en tiempo real. Puede reducir el costo y la complejidad de agregar funciones de red a automóviles y equipos audiovisuales profesionales.
La tercera aplicación está en el campo de la electrónica comercial. Por ejemplo, si está sentado en casa, puede conectarse a cualquier dispositivo electrónico de su hogar a través de WIFI inalámbrico y explorar cualquier material de audio y video en tiempo real.
La última aplicación es también la más extendida en el futuro. Todos los campos industriales que requieren monitoreo o retroalimentación en tiempo real requieren redes TSN. Por ejemplo: industria de la robótica, perforación petrolera en aguas profundas e industria bancaria, etc. TSN también se puede utilizar para la transferencia de datos entre servidores que admiten big data. La industria global ha entrado en la era del Internet de las Cosas (IoT). No hay duda de que TSN es la mejor manera de mejorar la eficiencia de la interconexión del Internet de las Cosas.
3. Estado de la investigación y puntos críticos
TSN se está adoptando ampliamente en pequeñas redes automotrices e industriales cerradas y críticas para establecer conexiones ULL confiables de extremo a extremo. Sin embargo, las limitaciones clave de TSN se centran precisamente en redes cerradas, como redes de vehículos y redes robóticas de pequeña escala. Las aplicaciones de red que se ejecutan en redes robóticas y de vehículos a menudo implican una interacción significativa con redes externas que no son TSN. Las aplicaciones de robótica y redes vehiculares deben integrarse estrechamente con los controladores de movilidad a través de redes externas. Si las funciones de red avanzadas (como la movilidad) no se admiten adecuadamente en la red externa, los beneficios de TSN se limitan esencialmente a redes pequeñas y cerradas. Por lo tanto, una interoperabilidad fluida entre TSN y diferentes redes externas es esencial para el funcionamiento de TSN en escenarios de redes heterogéneas. Idealmente, la conectividad entre redes TSN y no TSN debería poder adaptarse a características similares a las de TSN para garantizar los requisitos generales de conectividad de extremo a extremo en implementaciones heterogéneas.
Comunicación V2X: Lee y Park propusieron iTSN, un nuevo método para interconectar grandes redes TSN para aplicaciones a gran escala. El enfoque iTSN utiliza protocolos inalámbricos como IEEE 802.11p para Internet entre diferentes redes TSN. En particular, compartir información de sincronización y temporización global a través de redes interconectadas es importante para establecer una plataforma de temporización pública que admita funciones TSN en redes externas. Por lo tanto, el enfoque iTSN permite, por ejemplo, que las redes vehiculares envíen información crítica para la seguridad a los nodos de control, como las unidades de carretera (RSU), con una latencia de microsegundos en implementaciones heterogéneas. Al emplear esta tecnología de interconexión confiable, las distancias de seguridad de frenado del vehículo se pueden lograr en lapsos de tiempo mucho más cortos (microsegundos) de lo que actualmente es factible en el rango de milisegundos.
En general, TSN y las tecnologías de interconexión como iTSN pueden crear una plataforma de comunicación para sistemas de conducción autónomos seguros.
Modelado de red: aunque los estándares TSN han recibido gran atención en las redes de conducción de automóviles, un desafío importante en la implementación de la red es cómo gestionar la complejidad de la red. Con el avance de la tecnología, la industria automotriz ha planteado más requisitos para la infraestructura de red existente en los vehículos. A medida que aumenta el número de sensores en la red del vehículo, las crecientes conexiones entre sensores deben cumplirse en consecuencia en la planificación de la red y los requisitos de ancho de banda. Sin embargo, los cambios dinámicos en los requisitos de la red del sistema de control del vehículo pueden requerir una infraestructura de red más extensa, lo que genera mayores gastos.
Diseño de hardware y software: El diseño de componentes de hardware y software para soportar funciones de TSN, como programación, preferencia y generación de eventos activados por tiempo en nodos TSN, requiere mucho trabajo de ingeniería y desarrollo. Las implementaciones de hardware son muy eficientes en términos de utilización de recursos computacionales y latencia de ejecución, pero dan como resultado arquitecturas rígidas que son difíciles de adaptar a los nuevos requisitos de las aplicaciones. Las implementaciones de software, por otro lado, pueden adaptarse de manera flexible a los nuevos requisitos de las aplicaciones, pero pueden sobrecargar la CPU debido a la softwareización de las funciones de red, como la programación activada por tiempo y la virtualización de hardware.
Resumen y lecciones aprendidas: hasta la fecha, la mayoría de las investigaciones sobre TSN se han centrado en redes integradas en vehículos que son independientes y están aisladas de las redes externas. Otra limitación en el campo de la investigación de TSN es la falta de marcos de simulación que abarquen arquitecturas de redes heterogéneas a gran escala. En la evaluación de referencia se deben crear y considerar casos de uso válidos que incluyan interacciones de redes locales y externas (por ejemplo, conducción de automóviles). Actualmente, los casos de uso generales en la mayoría de las investigaciones de TSN son redes en vehículos que admiten conectividad de sensores en vehículos y transmisión de audio/vídeo para información y entretenimiento. Los futuros marcos de simulación TSN personalizados deberían basarse en redes que admitan aplicaciones de próxima generación con interacciones de red localizadas y externas, como la conducción de automóviles. De manera similar, la administración de TSN basada en SDN puede aprovechar un diseño de controlador en capas para extender la administración desde redes localizadas, como redes de vehículos, a redes externas, como redes de vehículo a cualquier (V2X).
4. Próximas tendencias de investigación
La infraestructura y los protocolos de red de TSN deben admitir una latencia y confiabilidad limitadas de extremo a extremo para respaldar funciones básicas relacionadas con aplicaciones críticas en IoT, medicina, conducción de automóviles y hogares inteligentes. Las soluciones basadas en TSN para cumplir con los requisitos de estas aplicaciones dan como resultado una infraestructura de red compleja que admite varios protocolos. Por lo tanto, un mecanismo de gestión de red TSN simplificado es crucial para reducir la complejidad y al mismo tiempo cumplir con los requisitos clave de las aplicaciones ULL.
Por lo tanto, una comunicación confiable, segura y de baja latencia entre múltiples redes TSN es fundamental para admitir una amplia gama de aplicaciones futuras. La falta de estándares TSN para conectarse y comunicarse con redes TSN externas y no TSN obstaculiza las actividades de investigación en redes interoperables y debe abordarse con urgencia. En resumen, identificamos los siguientes requisitos de diseño futuros importantes para la investigación de TSN:
① Admitir una variedad de aplicaciones, desde aplicaciones sensibles al tiempo hasta aplicaciones tolerantes a demoras con capacidades de programación de tráfico.
② Conexiones entre múltiples arquitecturas TSN cerradas.
③ Asignación de prioridad flexible y dinámica para garantizar un retraso limitado de un extremo a otro para el tráfico de menor prioridad.
④ Utilice SDN para gestionar de forma centralizada las funciones de TSN desde una perspectiva de red global.
⑤ Logre un intercambio eficiente de información de sincronización y un diseño de reloj preciso mediante la autoestimación y la corrección de la desviación del reloj local.
⑥ Diseño de hardware y software computacionalmente eficiente.
1. Transmisión de datos de baja prioridad en TSN
Los nodos TSN se adelantan a la transmisión de tramas de baja prioridad en curso y se utilizan para enviar tramas entrantes de alta prioridad para garantizar una alta prioridad. El mínimo absoluto. Retraso de transmisión del nodo TSN para tramas. Dependiendo de la intensidad del tráfico de alta prioridad, las tramas de baja prioridad se pueden adelantar varias veces. Como resultado, dado que los eventos de preferencia dependen directamente de la intensidad del tráfico de alta prioridad, no se pueden garantizar las características de retardo de extremo a extremo del tráfico de baja prioridad. Si la intensidad de los servicios de alta prioridad es significativamente mayor que la de los servicios de baja prioridad, el retraso de un extremo a otro de los servicios de baja prioridad puede aumentar considerablemente. Normalmente, el tráfico de baja prioridad transporta datos sensibles a la latencia, que no son tan críticos como los datos de tráfico de alta prioridad, pero aún así deben entregarse dentro del plazo del peor de los casos. En el estado actual de la técnica, no existen mecanismos de investigación ni estándares para garantizar la latencia de extremo a extremo del tráfico de baja prioridad en el peor de los casos.
Por lo tanto, la investigación futura necesita desarrollar nuevos mecanismos para garantizar retrasos acotados en el peor de los casos para el tráfico de baja prioridad en redes TSN.
2. Desarrollo de TSN inalámbrico
p >Para conectar de forma inalámbrica equipos industriales (sensores/actuadores industriales) a las redes TSN, el 5G es una solución muy adecuada. En comparación con 4G, las nuevas características de 5G, especialmente la red de acceso por radio (RAN), brindan mayor confiabilidad y latencia de transmisión. Además, la nueva arquitectura del sistema 5G permite una implementación flexible. Por lo tanto, 5G puede realizar redes TSN que no estén restringidas por la instalación de cables.