虹科分享 | TSN（时间敏感网络）协议如何提升以太网性能？

TSN标准

自1973年以太网协议推出以来，该技术已经发展到支持每一个可以想象到的连接应用。在这些应用中，以太网被设计成一个非确定性的基于数据包的网络，但这也意味着以太网不能满足那些需要时间关键性、故障安全操作的应用需求。

为了满足对时间敏感的应用对严格控制延迟和抖动的需求，TSN任务组对现有的IEEE 802.1标准进行扩展，旨在解决时间同步、延迟和可靠性问题，这使得具有时间敏感、故障安全要求的应用能够使用与其他基于以太网的服务相同的基础设施。

TSN并非单一标准，而是多个标准的组合。图1显示了TSN的4个主要组成部分，主要用于解决以太网在时间同步、可靠性、延迟和资源管理方面的挑战。下文中，我们将从以太网的缺陷出发，讲述TSN标准如何解决这些挑战。

图1 TSN标准的构成

TSN如何提升以太网性能？

1. 时间同步

以太网并非一个时间同步的网络，在这方面的扩展是精确时间协议(PTP)。在IEEE 1588-2008中定义了PTP 2.0版本，而在IEEE 1588-2019中更新了向后兼容的2.1版本。在TSN中，使用了一种被称为广义PTP(gPTP)的PTP改编，它被定义在标准IEEE 802.1AS中。两者都使用分层的主从结构，在物理网络中分配时钟同步和校正信息。

PTP是基于网络进行同步，其设备使用通过局域网（LAN）发送的同步信息来同步其时间基准，所连接的时钟进行通信，并选出一个主时钟作为最终参考，并使用来自主时钟的信息同步它们的时间。
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图2 广义精确时间协议

图2显示了一个支持gPTP的以太网网络。PTP v2引入了“ 透明时钟” 的概念，它使转播PTP消息的设备能够支持他们自己的时钟，并发送通过该设备来调整延迟的后续消息。这就是所谓的两步同步。gPTP进一步发展了这一概念，要求所有网络节点都支持透明时钟。在gPTP中，主站首先发送一个同步信息，然后发送一个后续信息，指出同步信息发送的精确时间。PTP v2支持不需要后续信息的单步同步，而gPTP 则需要两步同步.

在每个设备上，接收端口被认为是一个时钟从属端口，而所有其他出口端口则作为网络中其他节点的时钟主机。每个主端口传播同步信息，同时也发送一个后续信息，指出从主站到节点的路径延迟，加上通过桥的延迟。有了同步消息和延迟信息，每个节点可以补偿和纠正它们的时钟，确保可靠的时间同步。

2. 延迟

将传统的以太网用于时间敏感的应用时，主要的挑战之一是延迟。绝对延迟是一个问题，但延迟的可变性和不可预测性是更值得关注的。如果网络中的延迟和抖动能够被控制在一定范围内，或者说被限制，那么就有可能支持时间敏感的应用。

在TSN中，扩展现有标准的目的不是消除延迟和抖动，而是尽可能地减少延迟，保证延迟和抖动性能的最大极限。在这方面来说，时间感知调度和抢占式转发是很有帮助的，两者的结合意味着支持时间敏感应用的以太网帧将以尽可能低的延迟传输。

2.1 时间感知调度

在传统的以太网中，帧是完整地发送的。换句话说，当交换机开始发送一个帧时，其他帧将不得不等待，直到它完成。对于一个最大长度为1518字节的10Gbps的以太网帧，需要1.23微秒的时间来发送该帧。这听起来可能不多，但当延迟通常以纳秒为单位时，1微秒是一个很大的数字。大多数使用以太网的应用对时间不敏感，可以承受这种等待，但对时间敏感的应用却无法承受这种延迟。

TSN在IEEE 802.1Qbv中引入了时间感知调度器的概念，通过确保高优先级的帧在传输中总是被优先考虑来解决这个问题。时间感知调度器是基于时分多址的概念，其中时间被划分为长度相等的离散时间间隔，称为周期。它依靠gPTP时间同步来确保以太网TSN网络中的所有节点都是时间同步的。在每个周期内，可以为数据传输分配一定数量的时隙。在每个端口，时间感知调度器决定哪一个以太网帧要被传输，如图3所示。
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图3 时间感知调度

它使用服务类别(CoS)信息，例如VLAN标记中的优先级代码点(PCP)，来对在CoS队列中传输的帧进行优先级排序。对于每个CoS队列，都有一个具有时间感知能力的门，它控制是否可以发送CoS队列中的下一帧。门可以打开或关闭传输，这允许调度器控制在下一个时隙中将传输哪个CoS优先级。通过这种机制，可以对更高优先级的帧进行优先级传输。

2.2 优先转发

通过时间感知调度，只有当没有其他更高的优先级的帧被安排传输时，才会传输尽力而为帧。然而，当一个尽力帧正在传输时，一个更高优先级的帧可能到达。这个帧可能支持一个对时间敏感的应用，它不能容忍延迟。

通过802.1Qbu中定义的抢占式转发，较低优先级的以太网帧的传输可以被中断，以便较高优先级的以太网帧可以被加速。如图4所示，这实际上意味着支持时间敏感应用的较高优先级的快速以太网帧经历了非常小的延迟，而牺牲了其他对时间不敏感的应用。

图4 优先转发

3. 可靠性

包括以太网在内的互联网协议被设计为能够容忍网络中的变化。然而，对于重新建立网络路径的机制，如生成树协议，可能需要大量的时间来收敛到新的网络状态。因此，需要可靠地传送以太网帧而不出现明显的延迟，以支持时间敏感的应用。一个必须支持时间敏感应用的网络还需要对有缺陷的分布式应用有一定的容忍度。

TSN在IEEE 802-1CB中引入了帧复制和可靠性消除（FRER）机制。为了解决通信故障问题， TSN还引入了每流过滤和警戒（PSFP）机制，该机制首先在IEEE 802.1Qci中定义，并在IEEE p802.1Qcr中成熟。

3.1 帧复制和可靠性消除(FRER)

顾名思义，FRER允许每个传输的以太网节点复制以太网帧，以提供通往目的地的多条路径，如图5所示。
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图5 帧复制和可靠性消除

每个复制的帧都有一个序列号。这允许接收节点使用序列号来消除在同一入口端口收到的重复数据。通过使用复制和消除， 以太网帧很有可能在不引入任何额外延迟的情况下到达其目的地。

3.2 每流过滤和警戒（PSFP）

PSFP的目标是确保单个节点的故障不会传播到整个网络。TSN为IEEE 802.1Qci 提供了扩展，它规定了限制数据流可使用的带宽或时间资源的对象和功能。这意味着，如果一个数据流的以太网帧进入交换机并超过分配的资源，它将被放弃。

4. 资源管理

TSN使用专用时隙来传输帧，但这些时隙的保留和网络上传输的协调需要进行端到端的配置。这意味着需要引入新的配置和资源管理机制来支持这些改进。
在IEEE 802.1Qcc中，为配置和资源管理定义了三种不同的模式；完全集中式、分布式和混合模式。

4.1 完全集中的模式

完全集中的模式提出了资源分配的集中控制，类似于软件定义网络（SDN）。以太网帧的发送者，称为 ” talker” ，与集中式用户配置（CUC）实例进行通信，为它们想要传输的基于以太网的通信流提供要求。这个流的接收者，称为 “listener” ，通知CUC它们想接收这个流，如图6所示。
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图6 TSN的配置

CUC将这些要求和配置参数传达给集中网络配置（CNC）实例，该实例负责配置网络节点，这些节点将支持流通过网络的路径。这包括计算和选择用于通信的时隙，需要与路径中的所有节点同步。TSN没有规定配置和网络管理的协议，但允许使用现有的解决方案来实现，如Netconf和Yang。

4.2 去中心化和混合模式

去中心化模型不依靠集中控制来设置路径，而是依靠网络中节点之间的信息交换。在TSN中，IEEE 802.1Qcc中定义了流保留协议（SRP）的修改版，端点使用该协议来宣传他们的要求，并用于交换信息，以便在保留时隙和路径上实现同步。在混合模式中，集中式和非集中式的机制都被结合起来。终端仍然使用SRP来公布他们的需求，这消除了对CUC实例的需要。然而，网络节点可以使用SRP或CNC实例来协调预订。