PAGE4時延敏感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議分析目錄TOC\o"1-3"\h\u744時延敏感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議分析 1203131.1時延敏感網(wǎng)絡(luò)概述 1167281.2已正式發(fā)布的時延敏感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 2116081.2.1時延敏感網(wǎng)絡(luò)幀格式 329631.2.2IEEEStd801.1AS標(biāo)準(zhǔn) 345101.2.3IEEEStd801.1CB-2017標(biāo)準(zhǔn) 7181621.2.4IEEEStd801.1Qav-2009標(biāo)準(zhǔn) 850041.2.5IEEEStd801.1Qbv-2015標(biāo)準(zhǔn) 8243681.2.6IEEEStd801.1Qbu-2016標(biāo)準(zhǔn) 9169851.3正在修訂中的時延敏感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 101.1時延敏感網(wǎng)絡(luò)概述縱觀自1970年代開始的以太網(wǎng)發(fā)展歷程，我們可以深切并富有邏輯地感受與推導(dǎo)出TSN的出現(xiàn)與發(fā)展。在早期，科學(xué)家通過不斷提高以太網(wǎng)的傳輸速度，來解決數(shù)據(jù)量指數(shù)級膨脹、傳輸延時增大和丟包率上升的問題。然而，更快的傳輸速度雖然可以大幅提升以太網(wǎng)的容量，但對于降低傳輸延時、提升帶寬使用率等指標(biāo)而言效果并不明顯；第二，靜態(tài)非實時數(shù)據(jù)早已不再是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈ㄒ粌?nèi)容，隨著時代的發(fā)展，人們對于多媒體（語音、視頻等）動態(tài)內(nèi)容的實時數(shù)據(jù)開始有極大需求，而傳統(tǒng)以太網(wǎng)無法滿足實時動態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸要求；第三，由于缺乏公認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)，廠商各自為戰(zhàn)，不同解決方案如雨后春筍般冒出，正因如此，也造成了無數(shù)的兼容性問題，使音視頻領(lǐng)域的發(fā)展受限。于是，AVB在2005年走入人們的視野，它的問世給包括音視頻行業(yè)在內(nèi)的實時傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用指明了前進(jìn)的方向。它通過時鐘同步、預(yù)留帶寬、流量整形等方法，提升實時通訊等業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。而為了將AVB應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域，在2012年，TSN應(yīng)運而生，此后，IEEE801.1工作組對TSN進(jìn)行了一系列協(xié)議機制的拓展和更新。總體來看，TSN是以以太網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、提供高可靠信息傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，通過時間感知的調(diào)度機制將數(shù)據(jù)傳輸中的抖動最小化，并讓時間敏感應(yīng)用擁有可靠的數(shù)據(jù)傳輸保障。TSN是一種二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)依靠以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的分組頭部信息，數(shù)據(jù)幀的負(fù)載信息不受上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議限制，所以TSN可以根據(jù)需求在任一使用以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中被部署。顧名思義，時間是TSN的主要專注點，目標(biāo)是提供一種機制以確保信息能夠在一個確定的、可預(yù)測的時間范圍內(nèi)完成源目的節(jié)點之間的傳輸。進(jìn)一步看，TSN具有以下目標(biāo)：（1）保障交換網(wǎng)絡(luò)的報文時延；（2）可以混合傳輸時間敏感數(shù)據(jù)流和非時間敏感數(shù)據(jù)流，并且后者的傳輸不會影響前者的傳輸時延；（3）不同類別的高層協(xié)議可以共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，即多種協(xié)議的負(fù)載可以同時在網(wǎng)絡(luò)中傳輸；（4）通過在源頭獲得精確的信息，可以快速地確診并修復(fù)網(wǎng)絡(luò)錯誤。TSN協(xié)議主要在數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC層工作，它為數(shù)據(jù)的傳輸提供可靠性或者極低的端到端時延，強化了以太網(wǎng)的實時性能。TSN對于傳輸時間敏感的數(shù)據(jù)流非常擅長，無論在其傳輸網(wǎng)絡(luò)中是否存在BE（BestEffort，盡力而為）流量，TSN都可以通過其較完備的協(xié)議機制來保證時間敏感數(shù)據(jù)流的傳輸質(zhì)量。此外，TSN擁有足夠的帶寬且能夠提供互操作能力，這為其持續(xù)發(fā)展與完善提供了很好的條件。我們可以預(yù)見，在未來許多領(lǐng)域中，TSN都會逐漸扮演重要的角色，并且它的重要性將會持續(xù)增長。1.2已正式發(fā)布的時延敏感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)TSN協(xié)議簇是IEEE801.1工作組開發(fā)制訂的多個子協(xié)議的組合，這一系列協(xié)議共同形成數(shù)據(jù)傳輸機制而使得傳統(tǒng)以太網(wǎng)擁有高確定性、低時延等優(yōu)點，為了保證這些，需要多個子協(xié)議共同協(xié)作運行。在下文，我將從基礎(chǔ)的TSN幀格式開始，分別從時間同步、幀的復(fù)制和消除、調(diào)度和流量整形、流預(yù)留等功能角度對TSN的部分協(xié)議做詳細(xì)闡釋。1.2.1時延敏感網(wǎng)絡(luò)幀格式TSN在數(shù)據(jù)鏈路層中采用了IEEE801.1Q規(guī)定的幀格式，這種格式讓TSN設(shè)備能夠準(zhǔn)確分辨時間敏感流數(shù)據(jù)與其他流數(shù)據(jù)。如下圖所示，以太網(wǎng)幀中IEEE801.1QVLAN標(biāo)簽中的優(yōu)先級代碼點（PCP）以及VLAN識別符（VID）共同決定了TSN數(shù)據(jù)流的標(biāo)識。而PCP與VID都是數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)的應(yīng)用程序分配而來的。圖1.1IEEE801.1Q幀格式及其VLAN標(biāo)記我們可以看到，PCP的域為3bit，即有8個優(yōu)先級，這讓TSN在工作時，可以按照不同的業(yè)務(wù)類型分配不同的優(yōu)先級，并依此緩存進(jìn)不同的任務(wù)隊列中，通過不同的調(diào)度策略進(jìn)行資源調(diào)度。1.2.2IEEEStd801.1AS標(biāo)準(zhǔn)801.1AS的標(biāo)準(zhǔn)英文名稱為TimingandSynchronization，主要功能即實現(xiàn)時鐘同步。801.1AS標(biāo)準(zhǔn)在2011年首次正式發(fā)布，并于2020年6月經(jīng)過P801.1AS-Rev的修訂發(fā)布了新版本。801.1AS是基于IEEE1588V2協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層的發(fā)展與進(jìn)一步應(yīng)用，是一個完全基于二層網(wǎng)絡(luò)，非IP路由的協(xié)議。在IEEE1588的PTP（PrecisionTimeProtocol，精準(zhǔn)時間協(xié)議）的特定配置文件基礎(chǔ)上，801.1AS定義了gPTP（generalizedPTP，廣義精準(zhǔn)時間協(xié)議），擁有更快的啟動能力，且實現(xiàn)了同步機制的簡化和優(yōu)化，由此能夠更簡潔、更易操作地進(jìn)行時鐘同步操作，更適合用于實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的時間同步。1.2.1.1基本構(gòu)成在801.1AS中，時間同步是按照“域（domain）”劃分的，包含了多個PTP節(jié)點，其中有且僅有一個全局主節(jié)點（GrandMasterPTPInstance），負(fù)責(zé)給所有其他從節(jié)點提供時鐘信息；PTP節(jié)點有兩種分類，分別是PTP端節(jié)點（PTPEndInstance）和PTP交換節(jié)點（PTPRelayInstance），其中，端節(jié)點可作為全局主節(jié)點，即GrandMaster，也可以成為從節(jié)點接收來自主節(jié)點的時間同步信息，而交換節(jié)點則是從某一接口接收時間同步信息，加以修正后轉(zhuǎn)發(fā)到其他接口。1.2.1.2GrandMaster的選取（BMCA算法）在801.1AS中，GrandMaster的選取除了手動設(shè)置之外，還可以通過PTP節(jié)點屬性的比較而自動選出，這一策略就是BMCA（BestMasterClockAlgorithm）。在BMCA算法建立的過程中，剛開始時，各個PTP節(jié)點及其端口（Port）的角色是不確定的，于是各個節(jié)點將自身的時鐘屬性、接口信息放入Announce報文中，并發(fā)送給gPTP域內(nèi)的所有節(jié)點，通過比較算法，優(yōu)先級高的PTP節(jié)點自動成為GrandMaster，并確定各個端口的狀態(tài)。BMCA算法由眾多狀態(tài)機組成，它們之間相互配合協(xié)調(diào)，通過內(nèi)部不同種類的向量的傳遞來實現(xiàn)以上功能，過程如下圖所示。圖1.2BMCA算法狀態(tài)機及其流程1.2.1.3801.1AS的測量過程為了實現(xiàn)GM（GrandMaster）的時鐘與節(jié)點本地時鐘的同步，一般需要考慮三個因素：鏈路延遲、時鐘頻率誤差、駐留時間。在這里詳細(xì)介紹鏈路延遲（MeanLinkDelay）的計算原理。鏈路延遲又稱為鏈路平均傳播時間，指的是相鄰兩個PTP節(jié)點之間通信的鏈路在單方向上傳播所需的時間。在801.1AS協(xié)議中，采用P2P測量機制（Peer-to-PeerDelayMechanism）來計算，假設(shè)鏈路往返延遲一致，通過精確測定四個時間戳來計算。詳細(xì)計算原理如下圖所示，并分以下幾個步驟：（1）延遲測量發(fā)起者（initiator）主動發(fā)出PdelayReq報文給延遲測量響應(yīng)者（responder），在initiator端記錄下發(fā)出時間戳t1，在responder端記錄實際接收時間戳（2）responder此后會回復(fù)PdelayResq給initiator，這個報文會含有時間戳t2這一信息。這一回復(fù)過程又同樣地產(chǎn)生了時間戳t3、（3）responder會通過發(fā)送PdelayResqFollowUp這一報文來傳送時間戳t3tdelay圖1.3鏈路延遲測量原理若雙方節(jié)點交替作為initiator，則都能計算獲得鏈路延遲時間。用P2P測量機制，能夠得到gPTP域中每一段鏈路延遲。在實際的時間同步過程中，PTP交換節(jié)點會將從GM開始的鏈路延遲積累數(shù)據(jù)記錄在Follow_Up報文中的correctionField中，并轉(zhuǎn)發(fā)出去。1.2.1.4801.1AS時間同步實現(xiàn)過程串聯(lián)起上述機制，結(jié)合特定的報文設(shè)定，就可以推演出801.1AS協(xié)議的時間同步實現(xiàn)過程。首先，通過手動配置或者BMCA確定GM后，GM周期發(fā)送Sync和Follow_Up報文提供主時鐘的基準(zhǔn)；同時，各個PTP節(jié)點通過Signaling報文協(xié)商并計算出鏈路延遲、時鐘頻率誤差等信息；最后，各節(jié)點結(jié)合以上報文及信息，利用Follow_Up報文中的correctionField信息進(jìn)行修正，即可得出主時鐘目前的時刻，從而完成時間同步。圖1.4gPTP時間同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)1.2.1.5801.1AS-2020新特性在修訂后的新版內(nèi)容中，有幾個重要的新特性被添加進(jìn)來，如：多域冗余、支持“一步法”等。關(guān)于多域冗余，詳細(xì)可見下圖，主要分為兩種方式：（1）同一GM（全局主節(jié)點）劃分多個域，對每個域生成同步樹（即同步路徑）實現(xiàn)冗余；（2）多個GM，每個GM維護一個域生成同步樹，多個GM有主次之分，次要GM跟主要GM同步，這種方式也稱為hot-standby。圖1.5多域冗余在圖中，左上角的endstation作為主要GM，它劃分兩個域，為每個域生成一個同步樹（即同步路徑，分別為藍(lán)色和淡藍(lán)色），右下角的endstation作為次要GM跟主要GM同步，此外也劃分兩個域，為每個域生成同步樹（紅色和淺紅色），這樣一共有四個域、四個同步樹，確保了冗余。1.2.3IEEEStd801.1CB-2017標(biāo)準(zhǔn)801.1CB的英文名稱為FrameReplicationandEliminationforReliability（FRER），即通過幀復(fù)制和消除以提高可靠性，實現(xiàn)了為部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)開通的無縫冗余機制，目的是增加給定數(shù)據(jù)流的交付成功率，防止因阻塞導(dǎo)致的丟包并降低由于設(shè)備故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)流丟失的概率。其實現(xiàn)的過程如下圖所示。圖1.6幀復(fù)制和消除的過程FRER在發(fā)送端將數(shù)據(jù)幀復(fù)制為多個副本并生成序列號，在不相交的冗余網(wǎng)絡(luò)路徑A-B-C和D-E-F上傳送，在目的地或者目的地附近（如B、E）依據(jù)數(shù)據(jù)幀的序列號檢查并丟棄重復(fù)的副本，以實現(xiàn)無縫冗余傳輸。801.1CB的部署可以非常靈活，不論是端站還是中間節(jié)點都可以應(yīng)用。1.2.4IEEEStd801.1Qav-2009標(biāo)準(zhǔn)801.1Qav協(xié)議為實時傳輸要求高、丟包敏感的實時音視頻應(yīng)用提供了性能保證，定義了時間敏感流的排隊和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的增強機制（ForwardingandQueuingEnhancementsforTime-SensitiveStreams，F(xiàn)QTSS）。801.1Qav協(xié)議的主要作用是確保同時保證時間敏感數(shù)據(jù)流的傳輸質(zhì)量、保證普通數(shù)據(jù)流與時間敏感數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)中的共存。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了優(yōu)先級的重新生成算法和受控帶寬的隊列枯竭算法，最主要的是定義了基于可信因子的流量整形算法CBS（CreditBasedShaper），用于解決長時間占用帶寬的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流干擾到其他流傳輸?shù)那闆r。有了這一協(xié)議，在隊列調(diào)度時，普通數(shù)據(jù)流采用嚴(yán)格的優(yōu)先級算法進(jìn)行調(diào)度，而當(dāng)時間敏感數(shù)據(jù)流與其產(chǎn)生沖突時，采用CBS進(jìn)行調(diào)度。該內(nèi)容將在本文第三部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。1.2.5IEEEStd801.1Qbv-2015標(biāo)準(zhǔn)801.1Qbv協(xié)議的英文全稱為EnhancementsforScheduledTraffic。ScheduledTraffic是對時延要求非常高的一類數(shù)據(jù)流，它的延遲容易導(dǎo)致比較嚴(yán)重的系統(tǒng)故障，所以我們希望可以采取措施來保證這類數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸是可預(yù)期的，而嚴(yán)格優(yōu)先級算法和CBS算法都無法滿足需求。由此，801.1Qbv中定義了TAS（Time-AwareShaper，時間感知整形器），引入門控機制，將8個用于傳輸?shù)牟煌瑑?yōu)先級隊列與傳輸門一一對應(yīng)，傳輸門的狀態(tài)決定其隊列是否能夠進(jìn)行傳輸，由此形成門控列表（GateControlList，GCL）來體現(xiàn)端口傳輸情況，GCL中的內(nèi)容包含時間間隔、隊列狀態(tài)。圖1.7TAS門控調(diào)度示意圖將數(shù)據(jù)流在以太網(wǎng)中的傳輸切分成固定長度的調(diào)度周期，調(diào)度周期又可繼續(xù)被分解成門控周期，每個傳輸隊列可以占用一個或幾個門控周期。依據(jù)實際情況進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，可以為周期性傳輸?shù)腟cheduledTraffic數(shù)據(jù)流創(chuàng)建一條無沖突的傳輸通道。該內(nèi)容也將在第三部分繼續(xù)展開討論。1.2.6IEEEStd801.1Qbu-2016標(biāo)準(zhǔn)801.1Qbu協(xié)議即為FramePreemption，規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸中的幀搶占機制，將實時性、優(yōu)先級不同的幀標(biāo)記并區(qū)分為高速幀和可搶占幀（或快速流量和可搶占流量），允許高速幀一次或多次打斷可搶占幀的傳輸，而可搶占幀則分片，在高速幀傳輸完成后，可搶占幀再進(jìn)行重組并恢復(fù)傳輸。通過這樣的方式，既保證了高優(yōu)先級流量的實時傳輸，也兼顧了低優(yōu)先級流量的有效、可靠傳輸。下圖為幀搶占的示意圖。圖1.8幀搶占機制保證高優(yōu)先級流量實時傳輸1.2.7IEEEStd801.1Qat-2010標(biāo)準(zhǔn)和IEEEStd801.1Qcc-2018標(biāo)準(zhǔn)801.1Qat標(biāo)準(zhǔn)定義了流預(yù)留協(xié)議（StreamReservationProtocol，SRP），即基于資源的預(yù)留要求和可用網(wǎng)絡(luò)資源，規(guī)定了數(shù)據(jù)流的準(zhǔn)入控制框架，在數(shù)據(jù)通信鏈路上通過留存?zhèn)鬏斮Y源來滿足傳輸所需的高實時性要求，以解決傳輸網(wǎng)絡(luò)中實時流量與普通流量之間的資源競爭問題。SRP以MRP（MultipleRegistrationProtocol，多注冊協(xié)議）為基礎(chǔ)包含MSRP（MultipleStreamRegistrationProtocol，多數(shù)據(jù)流預(yù)留協(xié)議）、MMRP（Multip