Descripción general de las redes sensibles al tiempo (TSN)
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El objetivo de las redes sensibles al tiempo es realizar la transmisión simultánea de flujos de datos críticos en tiempo real y flujos de datos comunes con buena compatibilidad en la misma red. Para lograr la integración de estos dos servicios, los dispositivos en redes sensibles al tiempo deben tener un control preciso sobre los horarios y lograr la baja latencia y la baja fluctuación que requieren los servicios críticos en tiempo real. Además, si se pueden transmitir procesos comerciales complejos de varios tipos de equipos en la misma red, significa que se reduce la cantidad de conexiones de red privadas, lo que simplifica el proceso de implementación de los equipos del sistema y reduce el tamaño y el costo de los equipos del sistema.
Adoctrinamiento: ¿red urgente? Transmisión determinista
Problema de la vaca incorporada: cuestiones relacionadas planteadas en redes urgentes en los últimos años
Texto de la vaca incorporada:
Pregunta
Ethernet tradicional generalmente adopta un modo de reenvío de "mejor esfuerzo", pero este modo de reenvío a menudo carece de certeza. Cuando un paquete de datos llega al puerto de envío y está listo para ser enviado, el extremo emisor lo reenvía por orden de entrada y salida. 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 en la cola está 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 espera en la cola se volverá impredecible y no se puede garantizar la certeza. Esto da como resultado la programación del tráfico, la sincronización horaria, el monitoreo del tráfico, la estandarización del mecanismo de tolerancia a fallas, etc. . pregunta.
Si hay suficiente ancho de banda, este tipo de Ethernet de mejor esfuerzo puede adaptarse a la mayoría de situaciones actuales, pero esta incertidumbre es intolerable en algunas áreas de aplicación, como la telemedicina o la asistencia de red a la conducción autónoma. En estas aplicaciones de red críticas para la seguridad o la vida, la incertidumbre en la transmisión de cierta información puede tener consecuencias irreparables.
En este momento, establecer un mecanismo de transmisión confiable se ha convertido en el principal problema para los técnicos.
Para garantizar el comportamiento determinista de algunos sistemas físicos controlados importantes, las redes en tiempo real deben ser deterministas y tener un retraso de red y una variación de retraso (jitter) bajos. Tradicionalmente, se han utilizado buses de campo para este propósito, pero debido a muchos factores como el diseño, el costo, el tamaño y el peso del bus, se han propuesto redes sensibles al tiempo.
Las redes sensibles al tiempo (TSN) se basan en Ethernet estándar. El tráfico de comunicación a través de 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). Los diferentes servicios tienen diferentes requisitos de retraso, especialmente en el campo comercial de enlace descendente que requiere cierta transmisión, que es particularmente sensible a los requisitos de retraso y fluctuación.
El objetivo de las redes sensibles al tiempo es lograr 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, los dispositivos en redes sensibles al tiempo deben tener un control preciso sobre los horarios y lograr la baja latencia y la baja fluctuación que requieren los servicios críticos en tiempo real. Además, si se pueden transmitir procesos comerciales complejos de varios tipos de equipos en la misma red, significa que se reduce la cantidad de conexiones de red privadas, lo que simplifica el proceso de implementación de los equipos del sistema y reduce el tamaño y el costo de los equipos del sistema.
TSN no cubre toda la red, sino que solo define la capa MAC para procesar tramas de datos.
Dos. Historial de contenido
El puente de audio y vídeo AVB-Ethernet es un conjunto de protocolos de transmisión de audio y vídeo en tiempo real basados en una nueva arquitectura Ethernet. Fue desarrollado por el grupo de trabajo IEEE 802.1 en 2005. Resuelve eficazmente los problemas de temporización, baja latencia y configuración del tráfico en la transmisión Ethernet. Al mismo tiempo, mantiene una compatibilidad 100% 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).
3.802.1Qav: Protocolo de cola y reenvío (Qav).
4.802.1BA: Sistema de puente de audio y vídeo
5.1722: Protocolo de transporte de puente de audio/vídeo (AVBTP).
6.1733: Protocolo de transporte en tiempo real (RTP).
7.1722.1: Responsable de la búsqueda de dispositivos, listado, gestión de conexiones y control mutuo entre dispositivos basado en 1722.
AVB no sólo puede transmitir audio, sino también vídeo. Cuando se utiliza para transmisión de audio, en la red 1G, AVB utilizará automáticamente el ancho de banda de 750M y transmitirá 420 canales de audio profesional sin comprimir de alta calidad en ambas direcciones 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 la aplicación específica. Por ejemplo, un ancho de banda de 750M puede transmitir fácilmente señales de video visuales Full HD de alta definición sin pérdidas. Y se puede enrutar arbitrariamente en la red AVB.
El grupo de trabajo IEEE 802.1 cambió oficialmente el nombre de AVB a red sensible al tiempo TSN en octubre de 2065. En otras palabras, AVB es sólo una aplicación en TSN.
La primera aplicación es nuestra Pro AV. En esta área de aplicación, se enfatiza la frecuencia del reloj principal. 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. Actualmente, la mayoría de los sistemas de control de automóviles son muy complejos. Por ejemplo: frenos, motor, suspensión, etc. Utilizando bus CAN. Iluminación, puertas, mandos a distancia, etc. utilizan el 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 mencionados anteriormente se pueden gestionar con baja latencia y mecanismo de transmisión en tiempo real a través de TSN. Reduce el costo y la complejidad de agregar capacidades de red a equipos A/V profesionales y automotrices.
La tercera aplicación está en el campo de la electrónica comercial. Por ejemplo, cuando esté sentado en casa, puede conectarse a cualquier dispositivo electrónico doméstico 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 de Internet de las cosas (IoT). No hay duda de que TSN es la mejor manera de mejorar la eficiencia de la interconexión de IoT.
Tres. Estado de la investigación y puntos calientes
TSN se utiliza ampliamente en pequeñas redes automotrices e industriales cerradas y críticas para establecer conexiones ULL confiables de extremo a extremo. Sin embargo, una limitación clave de TSN es su enfoque 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 amplia interacción con redes externas que no son TSN. La robótica y las aplicaciones de redes a bordo de vehículos requieren una estrecha integración con los manipuladores móviles 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 crucial para que TSN opere en escenarios de redes heterogéneas. Idealmente, la conectividad entre redes TSN y no TSN debería poder adaptarse a características similares a 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 la interconexión de redes TSN a gran escala para aplicaciones a gran escala. El enfoque iTSN utiliza tecnologías de fidelidad inalámbrica como IEEE 802.11p entre diferentes redes TSN. En particular, es importante disfrutar de información de sincronización y temporización global a través de Internet para establecer una plataforma de temporización común 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 conectividad confiable, las distancias de seguridad de frenado del vehículo se pueden lograr en lapsos de tiempo mucho más cortos que el rango de milisegundos (microsegundos) actualmente factible.
En términos generales, TSN y las tecnologías de interconexión (como iTSN) pueden crear una plataforma de comunicación para sistemas de conducción autónoma seguros.
Modelado de red: aunque el estándar TSN ha recibido gran atención en las redes de conducción de automóviles, uno de los principales desafíos en el despliegue de la red es cómo gestionar la complejidad de la red. Con el desarrollo de la tecnología, la industria automotriz ha planteado más requisitos a la infraestructura de red existente en los vehículos. A medida que aumenta el número de sensores en la red del vehículo, el número cada vez mayor de conexiones en la planificación de la red debería cumplir correspondientemente los requisitos de conexión y ancho de banda entre sensores. 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 los componentes de hardware y software que admiten la funcionalidad de TSN, como la programación, la preferencia y la generación de eventos activados por tiempo en los nodos de TSN, requiere importantes esfuerzos de ingeniería y desarrollo. La implementación de hardware es muy eficiente en términos de utilización de recursos computacionales y latencia de ejecución, pero da como resultado una arquitectura rígida que es difícil de adaptar a los requisitos de nuevas aplicaciones. Por otro lado, las implementaciones de software pueden adaptarse de manera flexible a los nuevos requisitos de las aplicaciones, pero la CPU puede sobrecargarse debido a la softwareización de funciones de red, como la programación activada por tiempo y la virtualización de hardware.
Lecciones aprendidas: Hasta la fecha, la mayor parte de la investigación sobre TSN se ha centrado en redes de vehículos independientes y aislados. Otra limitación en el campo de la investigación de TSN es la falta de marcos de simulación que incluyan arquitecturas de red heterogéneas a gran escala. En las evaluaciones comparativas se deben crear y considerar casos de uso válidos que incluyan interacciones de redes locales y externas (como la conducción de automóviles). Actualmente, el caso de uso general en la mayoría de las investigaciones de TSN son las redes en vehículos que admiten conectividad de sensores en vehículos y transmisión de audio/vídeo de infoentretenimiento. El futuro marco de simulación TSN personalizado debería basarse en una red que admita la próxima generación de aplicaciones con localización e interacción de red externa, como la conducción de automóviles. De manera similar, la administración de TSN basada en SDN puede aprovechar un diseño de controlador jerárquico para extender la administración desde redes locales, como redes vehiculares, a redes externas, como redes de vehículo a cualquier (V2X).
Cuatro. Tendencias de investigación futuras
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 como Internet de las cosas, medicina, conducción de automóviles y hogares inteligentes. Las soluciones basadas en TSN que cumplen con estos requisitos de aplicación dan como resultado una infraestructura de red compleja que admite varios protocolos. Por lo tanto, un mecanismo de gestión de red TSN simplificado es muy importante para reducir la complejidad y cumplir con los requisitos clave de las aplicaciones ULL.
Por lo tanto, la 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, hemos identificado los siguientes requisitos de diseño futuros importantes para la investigación de TSN:
①Admitir una variedad de aplicaciones, desde aplicaciones urgentes hasta aplicaciones tolerantes a demoras con capacidades de programación de tráfico.
②Conexión entre múltiples arquitecturas TSN cerradas.
③La asignación de prioridad flexible y dinámica garantiza un retraso limitado de un extremo a otro para servicios de menor prioridad.
④ Desde una perspectiva de red global, utilice SDN para administrar de forma centralizada las funciones de TSN.
⑤ A través de la autoestimación y la corrección de la desviación del reloj local, se puede lograr un intercambio eficiente de información de sincronización y un diseño de reloj preciso.
⑥Diseño efectivo de hardware y software.
1 Transmisión de datos de prioridad media y baja. Coeficiente de variación de temperatura
Los nodos TSN se adelantan a las transmisiones de tramas de baja prioridad en curso y se utilizan para enviar tramas entrantes de alta prioridad para garantizar un retraso mínimo absoluto en la transmisión del nodo TSN para tramas de alta prioridad. Dependiendo de la intensidad del tráfico de alta prioridad, las tramas de baja prioridad se pueden adelantar varias veces. Por lo tanto, el evento de preferencia depende directamente de la intensidad del tráfico de alta prioridad, por lo que 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 aumentará considerablemente.
Normalmente, el tráfico de baja prioridad transporta datos sensibles a la latencia que no son tan importantes como los datos de tráfico de alta prioridad, pero aun así deben entregarse dentro del plazo del peor de los casos. En el nivel técnico actual, no existe ningún mecanismo o estándar de investigación para garantizar el peor retraso de extremo a extremo de los servicios preventivos de baja prioridad.
Por lo tanto, la investigación futura debe desarrollar nuevos mecanismos para garantizar retrasos limitados en el peor de los casos para el tráfico de baja prioridad en las redes TSN.
2. Desarrollo de TSN inalámbrico
Para conectar de forma inalámbrica equipos industriales (sensores/actuadores industriales) a 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 implementar la red TSN sin restricciones de instalación de cables.