一文读懂TSN核心技术之数据调度与时钟同步

   日期:2021-04-01     浏览:487    评论:0    
核心提示:三旺通信TSN的研发工作已有成果,在未来也将更积极参与TSN标准编制,并着手TSN与5G、边缘计算等新兴网络技术融合的研究工作。
 之前有做过一期关于TSN的介绍,我们可以了解到,TSN技术起源于视频音频数据传输,因其能统一链路层数据,打通IT和OT网络,所以受到工业领域的关注和极度重视。
      TSN是Time-Sensitive Networking的缩写,即时间敏感网络。时间敏感又是什么意思?其他网络对时间就不敏感吗?实际上,工业领域早已实现“时间敏感”,也就是“确定性”、“实时性”的传输能力,虽然标准以太网没有这个传输能力,但实时以太网有。而TSN除了上述传输能力,其核心在于可以实现“同一”网络的数据传输,即实现周期性的控制通信需求和非周期的数据在同一个网络中传输。要实现同一网络的传输,离不开TSN的核心技术如时钟同步、数据调度、网络配置等机制,本期主要围绕数据调度和时钟同步这两个核心技术进行讲解,在介绍核心技术之前,我们就得先理解TSN和现行以太网数据在带宽传输上的区别。
      现行以太网一般实行的是串行通信,串行通信会给数据传输带来什么影响呢?那就是不管啥数据,无论数据是否重要是否紧急,全在一条道上传输。如下面这张图,10G的羊全挤在一条道上,大家过冰河全凭排队。 
      时间敏感网络的数据传输如下图,10G的车在各自的通道里有序传输,还会预留通道(带宽)让紧急的救护车(优先级高的数据)先走,不错过重要紧急的数据,为企业避免不必要的损失。
      TSN数据流处理比想象中的更灵活可靠,为确保时间敏感和数据传输的可靠性,TSN数据调度制度主要基于信用的整形器CBS、时间感知的整形器 TAS、周期性排队与转发机制整形器CQF及异步数据流整形器ATS来进行不同应用场景的流控制。
      其中CBS整形器通过对不同队列赋予一个“信用值”来进行数据传输的调度,这个机制相当于咱去银行排号等待处理,重要的VIP客户拿到的号与普通用户不同,这样优先级高的数据就会得到优先处理。但这个机制比银行排号更人性化,除了效率,它还兼顾公平,为了保证低优先级的数据也能得到传输的机会,在数据传输过程中,不同队列的“信用值”会自动更改。
CBS整形器工作机制
      但对工业应用来说CBS整形器还是具有较大的平均延迟,所以CBS整形器结合时间感知整形器TAS,将会大大提升数据传输效率。TAS整形器分为抢占式和非抢占式两种,非抢占式基于IEEE802.1Qbv,通过门控制列表(GCL)周期性的控制门的开/关,它根据每个节点及队列的优先级进行定义,周期性数据中需要实时传输的部分则被安排第一个传输。除了周期性数据,在网络中通常会有一些重要紧急的非周期性数据,就跟企业一样,除日常工作按重要性排序处理外,突发事件应具有更高的优先级,那么一旦发生突发事件(非周期性数据需要发送),就会立即安排调度。
时间敏感整形器TAS
       为了确保突发事件能100%得到及时处理,抢占式机制则是通过暂停非时间敏感数据的传输,优先传输敏感型数据,避免低优先级队列影响高优先级队列传输。
      万一低优先级反转压制高优先级数据传输怎么办?这时候就可以让CQF整形器配合抢占式机制发挥作用。因为CQF整形器可以通过简单计算实现确定性的转发延时,也是目前TSN规范中确定的唯一配置方式。
ATS整形器主要是解决非周期性数据的传输零拥堵问题,即使是在高实时要求和非实时业务混合业务模式下,ATS整形器也能保持带宽的最大利用率。

ATS处理机制
       此外,在数据传输过程中相关队列数据如果没有时间同步就会陷入“画面和声音不同步”的尴尬局面,更严重的是在工业领域可能会产生极大的负面影响。因此,实时传输离不开时钟同步,TSN精确时钟同步协议有效解决了数据同步传输问题,保证所有网络设备能够进行同步操作,严格控制风险。 
总之,时间敏感网络的内涵非常丰富,它给整个工业带来不仅是软件技术方面的变革,就连硬件也会带来颠覆性革新。因此,部分企业就会担忧从现在使用的以太网转为TSN会不会需要推翻重建,这是完全无需忧虑的,因为TSN能够向后兼容现在使用的以太网,企业可以实现平滑升级。
现在依旧有人认为TSN只用在需要实时监控或是实时反馈的工业领域,其实它的应用非常广泛,如汽车控制领域、电商控制领域等等,具有非常广阔的应用前景。
      三旺通信TSN的研发工作已有成果,在未来也将更积极参与TSN标准编制,并着手TSN与5G、边缘计算等新兴网络技术融合的研究工作。

广而告之:

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