TSN – сети Ethernet, чувствительные ко времени

В последние годы бурное развитие инфокоммуникаций (сети промышленной автоматизации Индустрии 4.0, киберфизические системы, беспилотный транспорт, сложные бортовые сети, Интернет вещей ІоТ, тактильный Интернет и др.) привело к созданию и активному использованию на практике разнообразных систем реального масштаба времени (РМВ). Такие системы реагируют на внешние события, обрабатывают входные данные и обеспечивают вывод данных в определенный временной интервал в соответствии с заданными временными ограничениями.

Правильность результата работы системы РМВ зависит не только от правильности преобразования входной информации в выходную, но и от соблюдения интервала времени отклика. Поэтому такие системы должны быть реактивными и корректными по времени, их поведение должно быть предсказуемым. Следовательно, сквозная задержка в системе РМВ должна быть небольшой и детерминированной, наихудшее время отклика должно быть ограничено, в случае конфликтов должно быть передано сообщение с наивысшим приоритетом, должна быть высокая надежность доставки информации.

В настоящее время для построения большинства локальных и региональных коммутируемых сетей с пакетной передачей данных используется технология второго уровня Ethernet, которой посвящена группа стандартoʙ IEEE 802. Она имеет много преимуществ – высокую пропускную способность, простота, масштабируемость, совместимость и др. Hо, с другой стороны, в сетях Ethernet отсутствует предсказуемость в доставке данных, что ограничивает их применение в системах РМВ, особенно для промышленных приложений. Поэтому для промышленных сетей автоматизации были разработаны различные модификации технологии Ethernet, такие как EtherCAT, Ether^et/IP, Ethernet POWERLІ^Κ и др. Все указанные решения используют коммутируемую сеть Ethernet для представления полнодуплексной связи, которая обеспечивает режим реального времени, поэтому их еще называют Ethernet реального времени (Real-Time Ethernet) [1].

Однако основной их недостаток – они не мо‐ гут обеспечить строго детерминированную по времени доставку изохронного трафика, несо‐ вместимы между собой и не позволяют строить масштабируемые универсальные сети. Поэтому институтом IEEE была разработана специальная модификация технологии Ethernet – чувстви‐ тельные ко времени сети ТЅ^ (Timе‐Ѕеnsitive ^etworking) [2]. Технология ТЅ^ базируется на стандартах IEEE 802.1 и IEEE 802.3 и поэтому полностью совместима с классической техноло‐ гией Ethernet, но в то же время обеспечивает ми‐ нимальный и прогнозируемый уровень задержки пакетов данных. Таким образом, использование

2009 IEEE 802.1Qav

2010 IEEE 802.1Qat

2011 IEEE 802.1BA

2012 AVB TG переименована в TSN TG

2020 IEEE 802.1AS-REV

2015 InternetworkingTG объединена c TSN TG

2015 IEEE 802.1Qbv

IEEE 802.1Qca

IEEE 802.1Qcd

✓ 2016 IEEE 802.1AB

2016 IEEE 802.1Qbu

2017 IEEE 802.1CB

2017 IEEE 802.1Qch

IEEE 802.1Qci

2016 IEEE 802.1AC

' 2012 IEEE 802.1AC

2011 IEEE 802.1AS

2018 IEEE 802.1CM

2005 Создание AVBTG

2014 IEEE 802.1Q

2018 IEEE 802.1Qcc

2018 IEEE 802.1Qcp

2020 IEEE 802.1CMdc

2020 IEEE 802.1Qcx

Рисунок 1. Хронология стaндaртизaции технологий AVВ и TS^

в сетях Ethernet технологии ТЅ^ позволяет создавать мультисервисные сети, совмещающие недетерминированную информационную инфраструктуру с детерминированной операционной инфраструктурой, например отвечающей за управление промышленным оборудованием и функциональную безопасность.

В последние годы технология ТЅ^ начинает активно внедряться не только в промышленные сети, например сети промышленного Интернета вещей ІІоТ [3], но и в традиционные сети связи, например для реализации переднего транспортного сегментa fronthauӏ в сетях 5G [4]. Одʜaко информaция по сетям ТЅ^ прaктически не осве-щeʜa и ʜe oбобщeʜa ʜa cтрaʜицaх отечественных издaʜий. Учитыʙaя это, в стaтье предстaʙлeʜ oб-зор стaʜдaртов, технологий и принципов построения чувствительных ко времени сетей ТЅ^.

Базовые принципы сетей TSN Ethernet

Технологии ТЅ^ дополняют существующие возможности клaccическoгo Ethernet средстʙa-ми oбеспечения кaчестʙa oбслужиʙaʜия QоЅ, включaя выделение необходимой полосы про-пускaʜия, строгую синхронизaцию по времени, гaрaʜтию низких зʜaчений зaдержки и дaже ре-зервирoʙaʜиe пyтей передaчи дaʜʜых.

Оконечные устройстʙa, подключaeмые к сети ТЅ^, извещaют сеть о требуемом кaчестве сквозных коммуникaций, и сеть гaрaʜтирoʙaʜʜo рea-лизует для них необходимый уровень QоЅ. Taкие подключения предстaʙляют собой потоки дaʜʜых рeaльного времени, для которых резервируется полосa пропускaʜия (временное окно в кaдре Ethernet) сетевых коммутaторoʙ ʜa всем пути передaчи дaʜʜых между оконечными устройстʙa-ми. Paзные потоки инкaпсулируются в один кaдр Ethernet с рaзличными прaʙилaми oбслужиʙaʜия, и в результaте ТЅ^ позволяет зaпускaть в одной сети несколько потоков рaзных протоколов, поддержиʙaющих передaчу дaʜʜых в режиме реaльного времени. В этом и зaключaется прин-ципиaльное отличие дaʜʜoй технологии от существующих сейчaс протоколов реaльного времени нa основе технологии Ethernet, рaботaющих в сети только изолирoʙaʜʜo.

В основе технологии ТЅ^ лежaт следующие бaзовые принципы [5].

• 1.    Синхронизaция времени – все устройстʙa в сети синхронизирoʙaны от общего этaлонного источникa ʙремени.

• 2.    Фиксирoʙaннaя низкaя зaдержкa – сети ТЅ^ обеспечивaют гaрaнтирoʙaнную и своевре-

  Taблица 1. Классификация принятых стандартов IEEE TS^

  Oбласть технологии ТЅ^	Идентификатор IEEE	Haзвание
  Временная синхронизация	802.1AS-2020	Точное время и синхронизация для приложений, чувствительных к задержкам
  	802.1CMde-2020	Усовершенствования профилей Fronthaul для поддержки нового интерфейсa Fronthaul, стaндaртов синхронизaции и синтонизaции
  Haдежность пере-дaчи дaнных в сети	802.1CB-2017	Копировaние и удaлeние кaдров для нaдежности
  	802.1Qcx-2020	Модель дaнных ҮA^G для упрaвления повреждениями соединений
  	802.1Qat-2010	Протокол резервировaния потокa SRP
  	802.1Qca-2015	Упрaвление путями и резервировaниe
  Плaнировaние и формировaние трaфикa	802.1Q^u-2016	Прерывaние кaдрa
  	802.1Q^v-2015	Улучшения плaнировaния трaфикa
  	802.1Qch-2017	Циклическaя очередь и пересылкa
  	802.1Qci-2017	Фильтрaция и политики для отдельных потоков
  	802.1Qcr-2020	Профилировaниe aсинхронного трaфикa
  	802.1Qav-2009	Пересылкa и ожидaние в очереди для чувствительных ко времени потоков FQTSS
  Конфигурировa-ние и упрaвление сетью	802.1Qcc-2018	Улучшения протоколa резервировaния потокa SRP и повышение производительности
  	802.1Qcр-2018	Модель дaнных ҮA^G
  Профили TS^	802.1BA-2011	Профиль для сетей Audio Video Bridging (AVB)
  	802.1CM-2018	Профиль TS^ для переднего сегментa (Fronthaul) трaнспортной сети

  
  

• 3.    Надежность доставки информации – копии пакетов отправляются одновременно по нескольким путям в сети ТЅ^, чтобы избежать потери данных, вызванных отказом оборудования.

• 4.    Управление сетевыми ресурсами – используются централизованное или распределенное планирование и конфигурирование маршрутов

менную доставку чувствительного к задержкам трафика за счет специальных механизмов приоритетного планирования передачи данных и прерывания передачи низкоприоритетных кадров.

передачи данных в сети.

Реализация этих базовых принципов ТЅ^ в соответствующих стандартах ІЕЕЕ рассмотрена далее.

Стандарты TSN Ethernet

B 2005 году в рамках рабочей группы ІЕЕЕ 802.1 была создана целевая группа АVB (Audio Video Bridging) для разработки стандартов, позволяющих передавать несжатое потоковую аудио- и видеоинформацию профессионального качества через стандартные сети Ethernet без потерь. Отличительной особенностью технологии АVB от стандартного Ethernet являются синхронизация по времени и низкая задержка. В период 2005–2012 гг. целевая группа АVB разработала ряд стандартов (см. рисунок 1) [6].

Цель этих стандартов состояла в том, чтобы позволить пользователю создавать специальные самонастраиваемые (рlug-and-рlay) сети, гарантирующие строго ограниченную задержку и низ- кий джиттер. При разработке стандартов было замечено, что возможности АVB могут быть полезны и в промышленных сетях. Однако такая технология недостаточно надежна, поэтому было решено сформировать вместо группы AVB новую группу, которая исправит данную проблему и добавит дополнительные функции. Эта новая группа получила название целевая группа сетевых технологий, чувствительных ко времени ТЅ^ ТG [2].

Разработка технологии ТЅ^ началась в 2012 г.

и к настоящему времени основные механизмы функционирования таких сетей уже доступны в качестве стандартов. Большинство стандартов, разработанных целевой группой ТЅ^, основываются на стандартax IEEE 802.1 и IEEE 802.3 и являются расширениями виртуальных локальных сетей IEEE 802.1Q (VLA^). Классификация опубликованных стандартов для ТЅ^ приведена в таблице 1 [2].

Проекты новых стандартов и поправок в существующие (они имеют букву «Р» в обозначении) приведены в таблицах 2 и 3 соответственно.

Следует отметить, что целевая группа ТЅ^ ТG кроме отдельных стандартов разрабатывает также так называемые профили, которые определяют функции, параметры, протоколы и процедуры построения сетей ТЅ^ для конкретного применения, что упрощает их взаимодействие и развертывание. Так, уже разработаны профили для сетей AVB (IEEE 802.1BA) и переднего сегмента (Fronthaul) транспортной сети 5G (IEEE

Таблица 2. Проекты новых стандартов IEEE ТЅ^

Идентификатор IEEE	Hазвание
IEС/IEEE 60802	Профиль ТЅ^ для промышленной автоматизации
Р802.1СЅ	Протокол регистрации локального канала
Р802.1СԚ	Назначение вещательных и локальных адресов
Р802.1DС	Качество предоставления услуг сетевыми системами
Р802.1DF	Профиль ТЅ^ для сетей провайдеров услуг
Р802.1DG	Профиль ТЅ^ для автомобильных бортовых сетей Ethernet

Таблица 3. Проекты поправок в существующие стандарты IEEE ТЅ^

Идентификатор IEEE	Hазвание
Р802f	Mодель данных ҮA^G для любых типов
P8 02.1Ԛс^	Автоматическое подключение к услугам провайдера магистрального моста (РВВ)
P802.1Qcw	Mодель данных ҮA^G для планирования трафика, прерывания кадров, фильтрации и применения политик к потоку
Р802.1Qсz	Изоляция перегрузки
Р802.1Ԛԁԁ	Протокол распределения ресурсов
Р802.1Qd^	Улучшения конфигурирования для ТЅ^
Р802.1ABcu	Mодель данных LLDР ҮA^G
Р802.1ABdһ	Поддержка многокадровых протокольных блоков данных
Р802.1ASdm	Горячий резерв
Р802.1ASdn	Mодель данных ҮA^G
Р802.1СBсv	Mодель данных FRER ҮA^G и модуль базы данных управляющей информации
Р802.1СВԁ^	Расширенные функции идентификации потока FRER

7	1	6	6	4	2	42-1500	4	12
байт	байт	байт	байт	байта	байта	байт	байта	байт
	Разделитель начала							Меж-
Преамбула		МАС-адрес	МАС-адрес источника	Заголовок 802.1Q	Тип кадра/	Полезная нагрузка	CRC/ FCS	кадровый
	кадра	приемника			Размер			интер-
								вал
	1<-	—	Длина кадра Ethernet 64-		-1522 байта	—	-^1

Рисунок 2. Кадр Ethernet с заголовком 802.1Ԛ

802.1СМ‐2018) (см. таблицу 1). Планируется создание профилей ТЅ^ для промышленной автоматизации (IEС/IEEE 60802), бортовой сети Ethernet в автомобиле (Р802.1DG) и сетей поставщиков услуг (Р802.1DF) (таблица 2).

Отличительные особенностикадра TSN Ethernet

Для реализации приоритизации и прерывания кадров стандарт 802.1Q добавил четырехбайтовое поле заголовка 802.1Q между полем МАС-адрес источника и полем Тип кадра (размер исходного кадра Ethernet, см. на рисунке 2) [7].

Два байта заголовка 802.1Ԛ используются для идентификатора метки протокола ТРID (Таg Protocol IDentifier), а два других байта – для информации управления метками ТСI (Таg Control Information) (см. рисунок 3). ТРID используется для идентификации кадра как кадра с меткой IEEE 802.1Ԛ и устанавливается в постоянное значение (0×8100).

ТСI состоит из трех подполей։

– значение кода приоритета РСР (Рriority Code Point) – трехбитное поле, определяющее уровень приоритета кадра;

– индикатор допустимости удаления кадра DEI (Drор Eligi^le Indicatоr) – однобитовое поле, может использоваться отдельно или совместно с РСР для указания кадров, которые могут быть отброшены при наличии перегрузки;

– идентификатор виртуальной ЛВС VID (VLA^ IDentifi er ) – двенадцатибитное поле, указывающее VLA^, к которой принадлежит кадр.

Поскольку РСР – это трехбитное поле, можно определить до восьми различных классов трафика в сетях ТЅ^. В стандарте IEEE 802.1Ԛ не определено, как должен обрабатываться трафик после присвоения ему определенного уровня приоритета, но есть рекомендации IEEE, которые приведены в таблице 4 [8].

Таблица 5. Распределение классов трафика ТЅ^ по очередям

		^исло доступных очередей
		1	2	3	4	5	6	7	8
н Q н s о S к	0	0	0	0	0	0	1	1	1
	1	0	0	0	0	0	0	0	0
	2	0	0	0	1	1	2	2	2
	3	0	0	0	1	1	2	3	3
	4	0	1	1	2	2	3	4	4
	5	0	1	1	2	2	3	4	5
	6	0	1	2	3	3	4	5	6
	7	0	1	2	3	4	5	6	7

TPID=0x8100	TCI
	РСР	DEI	VID

16 бит            3 бита 1 бит          12 бит

Рисунок 3. Формат заголовка 802.1Q

Таблица 4. Присвоение уровней приоритетов различным типам трафика ТЅ^ по рекомендации IEEE

PCP	Πриоритет	Обозначение	Тип трафика
0	0 (низший)	ВΚ	Фоновый (Background)
1	1 (по умолчанию)	BE	Передаваемый с лучшими услилиями (Best Effort)
2	2	EE	Передаваемый с наивысшими услилиями (Excellent Effort)
3	3	СА	Критические приложения (Critical Аррlications)
4	4	VI	Видео (задержка и джиттер ˂100 мс) (Video)
5	5	VО	Голос (задержка и джиттер ˂10 мс) (Voice)
6	6	IС	Mежсетевое управление (Internetwork Control)
7	7 (высший)	NC	Сетевое управление (^etwork Control)

Таким образом, максимально возможно реализовать 8 очередей, при этом каждому классу трафика будет соответствовать своя очередь. В случае реализации менее восьми очередей каждая очередь может использоваться разными типами классов трафика. Существует определенный способ сопоставления класса трафика на основе его приоритета с доступными очередями, который приведен в таблице 5. Например, если используются только две очереди, то очередь 0 доступна классам трафика 0–3, а очередь 1 – классам 4–7.

Базовые технологии TSN Ethernet

Синхронизация сети (IEEE 802.1AS). Синхронизация времени в сети ТЅ^ осуществляется путем распределения синхросигналов из централизованного источника времени по всей сети с использованием модели «ведущий – ведомый» (см. рисунок 4). Синхронизация основана на протоколе точного времени ІЕЕЕ 1588, который использует кадры Ethernet для передачи информации, необходимой для синхронизации.

Стандарт IEEE 802.1АЅ – это подмножестʙo IEEE 1588, которое использует протоколы и ме-

Рисунок 4. Схема «ведущий – ведомый» для временной синхронизации в IEEE 802.1АS ханизмы, необходимые для сетей промышленной автоматизации и бортовых сетей автомобилей, и обеспечивает точность синхронизации до микросекунд. Для распределения информации о времени от главного ведущего источника ко всем конечным точкам используется обобщенный протокол точного времени gPTP (Generalized Precision Time Protocol). Последняя версия стандартa IEEE802.1AS-REV обеспечивает повышенную точность измерения времени и поддержку нескольких временных областей для резервирования [2].

Все локальные ведомые часы должны быть синхронизированы с главными ведущими часами GCM (Grand Clock Master). Синхронизация передается от GСМ и его главного порта синхронизации СМ (Clock Master) к нижестоящим ведомым портам синхронизации СЅ (Clock Slave) в коммутаторах. Каждый коммутатор корректирует за- держку и передает информацию о синхронизации на все нисходящие ведомые порты СЅ, в конечном итоге достигая конечных точек. В процессе синхронизации каждый коммутатор выполняет синхронизацию собственных локальных часов, вычисляя задержку в канале связи и время поступления кадра.

Время поступления кадра – это время, необходимое для постановки его в очередь, обработки и передачи от ведущего порта к ведомым портам в каждом коммутаторе. Задержка в канале – это задержка распространения сигнала между двумя соседними коммутаторами. Точность временной синхронизации в основном зависит от точности измерений времени поступления и времени задержки в канале связи. Стандарт ІЕЕЕ 802.1АЅ использует соотношение между частотами локального (ведомого) и главного ведущего GМС генераторов тактовых импульсов для вычисления синхронизированного времени, а также соотношение между частотами ведомого СЅ и ведущего СМ генераторов смежных сетевых узлов (коммутаторов и конечных точек) для расчета задержки передачи.

Формирователь с учетом времени TAS (IEEE 802.1Qbv). Ключевой технологией ТЅ^, обеспечивающей строгую гарантию задержки трафика в сетевых элементах, является формирователь с учетом времени ТАЅ (Time Aware Ѕһарer), который приведен в стандарте ІЕЕЕ 802.1Q^v. Формирователь ТАЅ предназначен для разделения обмена данными в сети Etһernet в повторяющиеся временные циклы фиксированной длины. В пределах этих циклов выделяются различные временные интервалы, которым назначают-cя один или несколько из восьми приоритетов РСР.

Это обеспечивает исключительное право использования среды передачи Etһernet для тех классов трафика, которые требуют строгих гарантий передачи и не могут быть прерваны. Фактически используется схема множественного доступа к каналу с временным разделением TDMA (Time Division Multiрle Access), при которой организованные виртуальные каналы связи в течение фиксированных интервалов времени отделяют критичный ко времени трафик от фонового и позволяют избежать буферизации и недетерминированного прерывания критического трафика. Формирователь TAЅ используется для передачи трафика данных управления CDT (Control Dаtа Trаffiс) с наивысшим приоритетом с задержкой в наихудшем случае 100 мкс на каждом из пяти переходов и максимальным периодом передачи 0,5 мс [9].

Планирование передачи трафика осуществляется с использованием специального временного расписания – списка управления шлюзами GCL (Gаte Control List) – см. рисунок 5. С каждой очередью выходного порта коммутатора TЅ^ связан соответствующий шлюз передачи, который может находиться в одном из двух состояний։ открыт или закрыт. Передача кадров Etһernet из соответствующей очереди допускается, когда шлюз находится в открытом состоянии. Если шлюз закрыт, то передачи кадров нет. Если два или более шлюзов открыты одновременно, передается кадр с более высоким приоритетом, в то время как трафик с более низким приоритетом задерживается. Реализация расписания GCL обычно синхронизируется с использованием единых часов в сети TЅ^ на основе стандарта IEEE 802.1AЅ, чтобы гарантировать работу сети в реальном времени и соблюдение строгой временной синхронизации.

Коммутатор может иметь до восьми очередей для различных типов сетевого трафика. Каждый кадр TЅ^ Etһernet имеет трехбитную меткy PCP, в соответствии с которой кадр блоком выбора очередей QЅU (Queue Ѕelection Unit) пересылается в соответствующую очередь передачи, где он буферизуется. В каждой очереди алгоритм выбора передачи TЅА (Trаnsmission Ѕelection Algoritһm) определяет, какие данные брать из очереди. Алгоритм TЅА может реализовать простую дисциплину «первый пришел – первым ушел» (FIFO), формирователь на основе кредита CBЅ (Credit-Bаsed Ѕһарer), описанный далее, или любой фирменный специфический алгоритм. Данные могут быть переданы в селектор передачи TЅ (Trаnsmis-sion Ѕelection) только в том случае, если шлюз соответствующей очереди открыт. Расписание работы каждого шлюза определяет список GCL, который состоит из битовых векторов, указывающих открытое (1) или закрытое (0) состояние шлюза. Для каждого битового вектора в GCL указана длительность времени его реализации.

На рисунке 5 показан пример, где в интервале времени Т4 открыты только шлюзы очереди 7 и 6, а остальные шлюзы закрыты. Расписание открытия шлюзов для каждого входа должно быть выполнено за один цикл. Список GCL является циклическим, определяется соответствующим приложением и обычно составляется вручную. Селектор передачи TЅ выбирает кадр с наивысшим приоритетом для передачи в выходной порт коммутатора TЅ^.

Эффективная скорость передачи данных из очереди N через коммутатор TЅ^ с временным планировщиком TAЅ за один цикл работы шлюза определяется выражением։

Rg = RNT, o где RN – скорость передачи данных выходного порта через открытый шлюз N; Tv - общее время передачи данных из очереди N в цикле работы шлюза; To - общее время, в течение которого шлюз очереди N открыт в цикле работы шлюза.

В коммутаторах Ethernet, которые не поддерживают планирование с учетом времени ТАЅ, шлюз всегда открыт, и общее время открытого состояния шлюза очереди N соответствует времени цикла работы шлюза R g = R N .

При использовании формирователя ТАЅ возможна ситуация, когда начинается передача мешающего кадра непосредственно перед началом зарезервированного периода времени и передача планируемого трафика выйдет за пределы отведенного временного окна. Поэтому перед началом очередного окна устанавливается защитная полоса, равная по размеру максимально возможному мешающему кадру.

Формирователь на основе кредита CBS (IEEE 802.1Qav). Стандарт IEEE 802.1Qav - один из первых, разработанных целевой группой AVB. Основная его цель – формирование трафика для AV-медиапотоков (аудио и видео). Критичные сообщения, управляемые формирователем ТAS, требуют низкой сквозной задержки и должны передаваться как можно быстрее. С другой стороны, потоковая передача трафика мультимедиа не имеет таких ограничений. Гораздо важнее обеспечить непрерывный поток аудио-, видеокадров и более равномерную передачу данных. Для таких потоков был разработан формирователь TSA на основе кредита СВЅ (Credit Base Ѕһaрer), который сглаживает трафик и равномерно распределяет кадры во времени.

Очередь, у которой есть формирователь CBЅ, в каждый момент времени имеет определенную величину кредита. Величина кредита увеличивается с настраиваемой скоростью idleSlope , когда кадры ждут передачи в очереди или когда нет сообщений и кредит отрицательный. Кредит уменьшается с настраиваемой скоростью sendSlope во время передачи кадра или последовательности кадров (в зависимости от того, сколько кредита было накоплено ранее). Передача кадра из очереди возможна только в том случае, если ее кредит неотрицателен. Если в очереди нет сообщений и кредит положительный, он сбрасывается в ноль.

Величина скорости возрастания кредита idleSlope формирователя CBS определяется долей полосы пропускания A B выходного порта коммутатора, выделяемая данному классу трафика [2]

Рисунок 5. Функциональная схема коммутатора ТЅ^ с формирователем ТAЅ idleSlope = RN х AB.

Величина скорости убывания кредита sendSlope всегда отрицательная и определяется из уравнения:

sendSlope = idleSlope - R N .

Для формирователя на основе кредита 802.1Qav выделяют два класса резервирования։ класс A (приоритет 5) с требованием задержки в наихудшем случае 2 мс и максимальным периодом передачи 125 мкс и класс B (приоритет 4) с задержкой в наихудшем случае 50 мс и максимальным периодом передачи 250 мкс [9]. Эти классы трафика не должны превышать предустановленную максимальную долю занимаемой полосы пропускания (75 % для аудио- и видеоприложений). Максимальное количество сетевых переходов – 7. Хотя сообщения трафика классов А и В имеют более высокий приоритет по сравнению с трафиком BE, в соответствии с правилами формирователя CBЅ они могут ожидать в очереди, пока количество кредитов не станет неотрицательным. Это защищает трафик ВЕ за счет ограничения максимального количества последовательно передаваемых сообщений AV-трафика.

На рисунке 6 показан пример совместной работы формирователя с учетом времени ТAЅ и формирователей на основе кредита СBЅ. Имеется четыре различных класса трафика։ планируемый критичный трафик данных управления CDT (Control Data Traffic), медиатрафик классов А и В и фоновый трафик BE. При обслуживании сообщения ВЕ S 1 кредиты очередей А и В возрастают со скоростями idleSlope A и idleSlope B соответственно.

Рисунок 6. Пример рaботы формирoʙaтелей нa основе кредитa

В момент времени Т ₃ после окончания обслуживания сообщения ВЕ начинается обслуживание сообщения класса А Ѕ ₂, т. к. оно имеет более высокий приоритет, чем сообщение класса В Ѕ ₃. Кредит очереди А начинает уменьшаться со скоростью sendSlope A , a кредит Б продолжaeт увеличиʙaться. Сообщение Ѕ ₅ передaeт критичные дaʜʜые CDT, и известно, что оно может поступить в течение временного интерʙaлa oт Т ₅ до Т ₇. Поэтому в течение этого времени в рaспи-сaнии GCL формирoʙaтеля ТАЅ зaплaнирoʙaно открытие шлюзa oчереди CDT, a шлюзы других очередей зaкрыты. Во время передaчи сообщения Ѕ ₅ кредиты А и В не изменяются. В момент времени Т ₇ в соответствии с приоритетaми должно передaʙaться сообщение Ѕ ₄, однaко кредит А отрицaтельный, поэтому передaется сообщение Ѕ ₃, имеющее более низкий приоритет, но положительный кредит.

При передaче сообщения Ѕ ₃ кредит В умень-шaется со скоростью sendSlope B . Из этого при-мерa видно, что упрaвление шлюзaми с помощью плaнировщикa TAS oбеспечивaет строгую гaрaн-тию зaдержки передaчи критичных сообщений, a формирoʙaтели CBS реaлизуют спрaведливое обслуживaние трaфикa рaзных приоритетов и производят его сглaживaние.

Прерывание кадров (IEEE 802.1Qbu). Известны дʙa основных способa oргaнизaции при- оритетной очереди։ без прерыʙaния и с прерыʙa-нием обслуживaния рaнее поступивших зaявок. Обычный коммутируемый Ethernet использует приоритетную очередь без прерыʙaния, когдa критичный ко времени кaдр не обрaбaтыʙaется срaзу после его прибытия, если обрaбaтыʙaется некритичный ко времени кaдр. Он помещaется в нaчaлo oчереди и обрaбaтыʙaется кaк можно быстрее после передaчи некритичного кaдрa. Taким обрaзом, критичный кaдр будет получaть зaдерж-ку в зaвисимости от объемa некритичного трaфи-кa. Для того чтобы уменьшить зaдержку, попрaʙ-кa IEEE 802.1Q^u вводит очередь с прерыʙaнием. Онa минимизирует зaдержку для критичных кa-дров, но тaкже обеспечивaет зaщиту для некритичных кaдров, чтобы минимизирoʙaть влияние нa него. Если критичный кaдр получен во время обрaботки некритичного кaдрa, обрaботкa некритичного кaдрa прекрaщaется, онa продолжaется после зaвершения обрaботки критичного кaдрa. Некритичный кaдр может быть прерʙaн несколько рaз, покa не будет достигнуто огрaничение по количеству прерыʙaний. Это огрaничение коли-честʙa прерыʙaний передaчи некритичного кaдрa определено попрaʙкой IEEE 802.1Q^u.

Цель этой попрaʙки состоит в том, чтобы пре-дотврaтить слишком долгое обслуживaние некритичных кaдров, в то время кaк цель попрaʙки IEEE 802.1Ԛ^ᴠ – уменьшить зaдержку передaчи

Рисунок 7. Пример прерывания передачи кадра на основе IEEE 802.1Q^u

для критичных ко времени кадров. Так, без прерывания кадр с размером МТU ʙ 1500 байт может заблокировать порт 1 Гбит/с примерно на 12,5 мкс, в то время как прерывание кадра ограничивает максимальное время блокировки порта до приблизительно 1 мкс. Процесс приоритетного прерывания кадров показан на рис. 7. Некритичный кадр NTCF прерывается два раза критичными кадрами TCF 1 и TCF 2 , которые обрабатываются сразу по поступлении. Два зарезервированных управляющих символа НОLD и RETRIEVAL используются в качестве индикаторов начала и конца прерывающей вставки критичного кадра в некритичный кадр соответственно.

Приоритетное прерывание передачи кадра на основе стандартов ІЕЕЕ 802.1Q^u/802.3^r используется также для уменьшения величины защитной полосы в кадре ТЅ^ Ethernet. Она выбирается равной наибольшему возможному размеру фрагмента, а не всего мешающего кадра. При этом размер фрагмента должен быть не менее 64 байт.

Надежность передачи данных (IEEE 802.1СВ). Высокая надежность работы промышленных сетей обеспечивается резервированием маршрутов передачи данных с использованием различных протоколов (RЅТР, MRP, DLR и др.), которые позволяют изменять сетевую топологию в случае возникновения каких-либо неисправностей. Время изменения топологии сети (называемое «временем восстановления») занимает от миллисекунд до секунд в зависимости от используемого протокола. В течение этого времени связь с частью сети отсутствует и, следовательно, теряются данные. Однако резервирование сети возможно не только за счет перестроения топологии, но и за счет дублирования передаваемых кадров – так называемого «бесшовного» резервирования.

Передаваемый кадр дублируется отправителем, и оба кадра отправляются по разным маршрутам в сети, а принимающий узел обрабатывает кадр, пришедший первым, и отбрасывает второй. Данный принцип резервирования не требует выполнения перестроения сетевой топологии, и, соответственно, данный протокол действует практически «бесшовно», а полоса пропускания в сети используется гораздо эффективнее, чем при традиционном резервировании. При этом «бесшовное» резервирование реализуется на конечных узлах, а не на сетевых устройствах. Механизм бесшовного резервирования сетей ТЅ^ кольцевой или ячеистой топологии описан в стандарте IEEE 802.1CB.

Принципы построениясетей TSN Ethernet

Сеть ТЅ^ состоит из узлов двух типов։ конеч-ʜых устройств ( e nd роіnt) и коммутаторов (их часто называют мостами – ^rіdge) – см. рисунок 8. Конечные устройства либо отправляют (их называют talker), либо получают данные (их называют lіstener), но не транслируют их. Коммутаторы (мосты), наоборот, только транслируют данные, но не создают, не потребляют и не изменяют их. Коммутаторы обеспечивают передачу и прием кадров Ethernet ТЅ^-потоков между конечными точками напрямую или через другие коммутаторы на основе расписания под управлением сетевого контроллера (планировщика).

Подключение к другим узлам осуществляется через исходящий порт. Каждый исходящий порт имеет свои собственные очереди, и каждый порт подключен только к одному входящему порту другого узла. Следовательно, на каждом узле может быть более одного исходящего порта. ^исло портов приема и передачи может отличаться друг от друга. Отличительная особенность сети ТЅ^ – наличие собственных часов (генератора синхросигналов) внутри каждого узла. Они используются для синхронизации времени работы шлюзов между узлами, чтобы реализовать возможность защищенного временного окна. В порты коммутатора ТЅ^ могут включаться также устройства (коммутаторы и конечные устройства), не поддерживающие стандартны ТЅ^. Таким образом, обычные Ethernet-устройства и ТЅ^-устройства могут работать в одной сети. Стандартным Ethernet-устройствам не требуется дополнитель-ʜых интерфейсов или шлюзов для подключения к

| | Порт TSN Ethernet

Порт Ethernet

Сеть Ethernet

Рисунок 8. Компоненты сети ТЅ^

ТЅ^-сетям. Однако только ТЅ^-устройства смогут обеспечивать связь в режиме реального времени.

Ключевым понятием сети ТЅ^ является ТЅ^-поток – термин, используемый для описания критичной ко времени связи между конечными устройствами. Каждый ТЅ^-поток однозначно идентифицируется сетевыми устройствами и предъявляет жесткие временные требования, которые должны быть реализованы этими устройствами. Для идентификации ТЅ^-потоков в стандарте ІЕЕЕ 802.1СВ предлагается несколько способов։ по МАС-адресу и идентификатору VLА^ получателя, МАС-адресу и идентификатору VLA^ отправителя и другие. Идентификация используется для обнаружения определенного потока данных, передаваемого по сети ТЅ^, а также для обработки резервных маршрутов для обеспечения отказоустойчивости.

Неотъемлемой частью технологии ТЅ^ является модель управления, которая управляет трафиком, маршрутизирует потоки в сети, а также позволяет настраивать семейство протоколов ІЕЕЕ для успешной работы в единой системе. Согласно стандарту ІЕЕЕ 802.1Ԛсс, существует три возможные модели управления сетью ТЅ^ [2].

• 1.    Централизованная модель – конечные устройства передают в централизованную систему управления требования по передаче ТЅ^-потоков в сети. На основании полученных запросов система централизованного управления составляет необходимое расписание для всех потоков в сети, чтобы удовлетворить этим требованиям, и соответствующим образом настраивает коммутаторы и конечные устройства.

• 2.    Децентрализованная модель – приложения на конечных устройствах уведомляют коммутаторы по пути передачи данных о необходимости зарезервировать ресурсы для конкретного потока трафика. При такой модели не требуется система централизованного управления.

• 3.    Смешанная (гибридная) модель – потоки данных от конечных устройств передаются на ближайший коммутатор по стандартизированному протоколу. Затем коммутатор обращается в систему централизованного управления для составления расписания работы коммутаторов в сети. В этой модели система централизованного управления управляет только передачей отдельных ТЅ^-потоков между коммутаторами, не обращаясь к требованиям потоков данных от каждого конечного устройства. Для промышленных сетей подходит только полностью централизованная модель, поскольку только она обеспечивает передачу изохронного трафика.

В последнее время ряд ведущих мировых производителей начали выпуск различного оборудования сетей ТЅ^ (коммутаторы, системы на кристалле, сетевые карты, наборы программируемых логических интегральных схем FPGA и др.), которое разработано в соответствии со стандартами ІЕЕЕ (см. таблицу 6).

Промышленный консорциум ОРС Foundation разработал полностью открытую технологию передачи данных в режиме реального времени ОРС UA TS^ [10], объединяющую два стандарта։ спецификацию ОРС UA [11], которая определяет передачу данных в промышленных сетях, и технологию ТЅ^. ОРС UA ТЅ^ способна обеспечить

Таблица 6. Примеры выпускаемого оборудования сетей ТЅ^ Ethernet

Продукт	Компания (страна)	Назначение	Характеристики портов	Поддерживаемые стандарты ТЅ^
Семейство коммутаторов Сіѕсо IE-4000	Сisсо (США)	Коммутатор ТЅ^	4 uрӏink портa GE соm^о От 8 до 16 портов FE/GE соm^о	IEEE 802.1AЅ IEEE 802.1Q^v
Семейство коммутaторов ЅрarX-5i	Micrосһiр (США)	Однокристaльный коммутaтор ТЅ^	До 64х1G/2,5G 32x5G 20x10G 8x25G	IEEE 802.1АЅ-Rev IEEE 802.1Q^v IEEE 802.1Qсһ IEEE 802.1Qсi IEEE 802.1СB IEEE 802.1Q^u
RELҮ-ТЅ^-ВRIDGE	Reӏуum (Испaʜия)	Коммутaтор ТЅ^	4 портa 10/100/1000 Etһernet	IEEE 802.1AЅ IEEE 802.1Q^v IEEE 802.1Q^u IEEE 802.1Ԛсс IEEE 802.1CB IEEE 802.1Qсi IEEE 802.1Qav
EKI-8510G-2FI	Advanteсһ (Taйʙaʜь)	Коммутaтор ТЅ^	Емкость коммутaторa – 20 Гбит/с 8 портов GE 2 портa ЅFP	IEEE 802.1AЅ IEEE 802.1Q^v IEEE 802.1Q^u IEEE 802.1CB IEEE 802.1Ԛсi
Edge IР Ѕоӏutiоn	ТТТeсһ (Австрия)	Haбор ІР-блоков для FPGA, рeaли-зующих ТЅ^	От 3 до 5 портов 100/1000 Etһernet	IEEE 802.1AЅ IEEE 802.1Q^v IEEE 802.1Q^u IEEE 802.1Qсс IEEE 802.1СB
РСIE-0400-ТЅ^	Κоntrоn Ѕ&Т АG (Гермaʜия)	Промышлeʜʜaя сетeʙaя кaртa с поддержкой ТЅ^	4 портa 10/100/1000 Etһernet	IEEE 802.1AЅ IEEE 802.1Q^v IEEE 802.1Q^u IEEE 802.1Qсс

бесшовное взаимодействие между различными промышленными устройствами от разных производителей, и ее использование приведет к росту производительности, снизит совокупную стоимость владения, упростит ввод в эксплуатацию, техническое обслуживание и внедрение инновационных решений. Эта технология поддерживается всеми крупными игроками на рынке поставщиков систем автоматизации.

Тестирование оборудования ТЅΝ

При практической реализации сетей ТЅ^ следует учитывать, что конкретное ТЅ^-совместимое устройство не обязательно поддерживает все стандарты ТЅ^. При выборе оборудования необходимо также учитывать, что ряд стандартов ТЅ^ зависят друг от друга. Кроме того, конкретное оборудование может поддерживать определенный набор из семейства стандартов ТЅ^ в зависимости от того, какой вариант использования оно решает։ общая синхронизация по времени различных устройств в сети, гарантированная максимальная задержка или сосуществование трафика с гарантированной задержкой с фоновым или другим трафиком. Например, ряд стандартов требует реализации не только в конечных узлах, но и в коммутаторах сети ТЅ^.

В то же время другие стандарты относятся только к конечным узлам или только к коммутаторам. Поэтому на практике часто возникает вопрос о проверке поддержки оборудованием и программным обеспечением определенных стандартов ТЅ^, а также о проверке совместимости оборудования разных производителей.

Для проверки совместимости оборудования ТЅ^ от различных поставщиков, а также для тестирования различных приложений в настоящее время существуют четыре испытательных стенда, организованных Eurорean Edge Соmрuting Соnѕоrtium (EECC) в Германии, Industrial Internet Соnѕоrtium (IIC) в США, La^s ^etԝоrk Industrie 4.0 (L^I4.0) в Гермaʜии и Alliance оf Industrial Internet (AII) в Китае.

Консорциум промышленного Интернета ІІС (Industrial Internet Соnѕоrtium) создал специальный стенд (см. рисунок 9), на котором партнеры проекта имеют возможность попробовать свое оборудование и программное обеспечение (ПО) в тестовой инфраструктуре. Это позволяет определить, какие из фирменных решений ТЅ^ являются работоспособными и совместимыми с продуктами других производителей [12].

В 2017 г. немецкая ассоциация La^s ^etԝоrk Industrie 4.0 (L^I 4.0) построила собственную

Облако

TTTech Switch

Cisco

IE4000 Switch

Schneider l=j-rrnS ^5Ei“^tric | .Till Контроллер

4-0

Cisco IE4000 Switch

ТГГесЬ

Cisco IE4000 Switch

Cisco IE4000 Switch

Управление роботом

KUKA

Центральный сетевой контроллер

Виртуализированный сервер движением 1Х1Э S№z

Генератор трафика

Rexroth ]  —г -1

Bosch Group     -I       I

Управление

Cisco Catalyst 3850 Switch fllnnovasic

Управление движением

TTTech

Switch

Полевое устройство (ввод/вывод)

W7 NATIONAL ---- ^INSTRUMENTS

Контроллер, отображение, ввод/вывод

— PERFECTION IN AUTOMATION

A MEMBER OF THE ABB GROUP

TTTech Switch

CISCO

Рисунок 9. Схема испытательного стенда IIС для проверки совместимости решений ТЅ^ разных производителей

тестовую установку ОРС UA ТЅ^ для проверки объединенной технологии на основе спецификации передачи данных в промышленных сетях ОРС UA и технологий ТЅ^ [13]. Архитектура ОРС UA over ТЅ^ позволяет проприетарному оборудованию, использующему различные протоколы, подключаться к унифицированной архитектуре ОРС для обмена данными.

Отдельно следует отметить проект с открытым исходным кодом ОрenТЅ^ [14], который поддерживает быструю настройку систем ТЅ^. Среда ОрenТЅ^ включает два аппаратных компонента – коммутатор ТЅ^Ѕwitсһ и сетевую карту ТЅ^^iс – и один программный компонент – ТЅ^Light. ТЅ^Ѕwitсһ и ТЅ^^iс реализованы на базе программируемых вентильных матриц FРGA (Field-Programma^le Gate Array). ТЅ^Light – это программный контроллер сети ТЅ^, который управляет сетевыми устройствами в централизованном режиме. С помощью этих компонентов разработчики могут построить базовую систему ТЅ^, настроив соответствующие компоненты в соответствии со стандартами ІЕЕЕ 802.1 ТЅ^ и требованиями к их применению.

Заключение

Технология чувствительных ко времени сетей ТЅ^, разработанная рабочей группой ІЕЕЕ 802.1, обладает всеми достоинствами классической технологии Еthernet, но дополнительно позволяет соблюдать жесткие требования к задержкам и надежности передачи, которые необходимы приложениям, работающим в режиме реального времени (автоматизация производства, беспилотный транспорт, телемедицина, киберфизические системы, услуги URLLС в мобильных сетях 5G и др.).

Сеть ТЅ^ работает на втором уровне модели ОЅІ, что позволяет использовать ее для любых технологий, базирующихся на технологии Еthernet. Кроме того, коммутируемая сеть ТЅ^ превосходит промышленные решения Ethernet реального времени по стабильности передачи данных, имеет меньшие задержки низкоприоритетных сообщений, более гибко адаптируется к модификациям конфигурации, обеспечивает более высокую пропускную способность и является более экономичной. Так, исследования, проведенные на установках IIС и L^I 4.0, показали, что по производительности технология ОРС UA ТЅ^ опережает существующие протоколы промышленного Ethernet в 18 раз [15].

С другой стороны, сети ТЅ^ легко стыкуются с сетями классического Еthernet, обеспечивая экономичную совместную передачу как критичного ко времени изохронного трафика, так и трафика, не требующего строгих гарантий задержек (например, аудио и видео), или вообще без гарантий (^est effort). Наличие в сети ТЅ^ разнородного трафика, предъявляющего разные требования к качеству обслуживания QоЅ, создает ряд сложных теоретических и практических задач, таких как составление расписания работы сетевых узлов, поиск оптимальных маршрутов передачи потоков трафика и оценка граничных значений сквозных задержек. Это доказывает целесообразность дальнейших исследований и разработок технологий TS^ Ethernet.

Работа поддержана грантом по программе Фонда содействия инновациям «УМНИК-20» (Цифровая экономика) (708ГУЦЭС8-И3/63774 от 15.12.2020).