虹科分享 | 独特的FRER机制：TSN如何确保网络的可靠性？

1.IEEE802.1 CB协议

Frame Replication and Elimination for Reliability(FRER)是IEEE 802.1CB协议的一个重要特性，旨在增强以太网网络的可靠性。FRER利用帧复制和消除技术提供冗余保护和从连接故障中快速恢复。

FRER-IEEE 802.1CB协议的应用场景：

高可靠性要求：在电力系统自动化、智能交通系统或工业控制系统等关键网络应用中，高可靠性和容错性是必不可少的。FRER提供冗余路径和帧复制机制，即使在连接失败的情况下也能确保持续可用的网络通信。

连接停机时间最小化：连接失败会导致网络中断和数据丢失。通过利用FRER，可以通过替代路径复制和传输冗余帧，从而确保数据的完整性和可靠性。这最大限度地减少了连接失败的影响并加快了恢复时间。

无缝冗余切换：FRER提供快速的故障检测和恢复能力，能够在连接失败时自动切换到备选路径或端口。这种无缝的冗余切换确保了网络服务的连续性和可靠性。

支持高带宽应用：某些网络应用需要高带宽和实时性能，例如高清视频流、实时数据采集或虚拟现实。 FRER 可以提供冗余和故障恢复功能，即使在连接失败期间也能确保这些高带宽应用程序不间断和高质量的数据传输。

2. 技术简介

IEEE802.1CB中规定的帧复制和可靠性消除，通过序列编号和在网络中的源系统中选择性地复制每个包，以及消除目标系统中的那些复制，为流提供了更高的可靠性（降低了包丢失率）。在使用冗余时，即使存在单点故障，也可以保证延迟。如图所示。

帧复制和消除的可靠性传输结构

2.1 Sequence Encode

将序列号编码到数据包中，以便它可以由其对等点解码，通常是通过某种方法编码数据包数据中的序列号，例如，冗余标记（R-TAG）。R-TAG是序列编码/解码函数的一个例子。它是一个48位的标签，立即位于VLAN标签的后面，前16位是R-TAG的醚类型（“0xF1C1”），最后16位是FRER序列号。如图所示。

R-Tag结构

2.2 Sequence Decode

它从传递给它的数据包中提取序列号，并可以从数据包中删除序列号封装。

3. IEEE802.1 CB协议测试

3.1 测试设备

采用虹科的RELY-TSN-PCIe作为TSN网络结构的端节点，进行TSN数据的发送和接收。PCIe板卡提供2个多媒体千兆以太网端口（SFP光电转换），通过在托管设备中（PC等）引入TSN技术，以便将其集成到确定性网络中，并从这些技术复杂性中抽象出用户设备和应用程序。

采用虹科的4端口的RELY-TSN-BRIDGE作为TSN网络结构的桥接点，进行TSN数据的转发。该交换机提供4个多媒体千兆以太网端口（SFP光电转换），用于无缝实施确定性以太网网络，并保证确定性以太网网络中所有设备的互操作性和标准化。基于 TSN 技术，该设备受益于在要求最苛刻的行业（铁路、航空航天、汽车、工业自动化等）中使用的稳健且经过现场验证的设计。

3.2 测试台架

通常在TSN网络当中，除了TSN端节点之间的数据交互，还包括外围的常规以太网设备的接入，作为以太网的增强，允许传统的以太网接入并保证将其集成到确定性以太网当中，根据客户端的需求，以按需对不同的网络传输数据采用TSN传输调度以满足流量的规划需求和传输目标。

以流量发生器，结合网络雷达以及摄像头为例，作为TSN网络的传输负载，以观察不同的流量在TSN网络传输骨架当中，证明CB协议对于传输的可靠性保证。其中流量发生器作为可调节的负载，可满足客户端对于不同传输压力的调节（可结合其他的TSN协议），雷达以及摄像头作为稳定传输的网络源。

以流量发生器GEN数据为例，发送两层结构的数据帧（带有VLAN Tag）到某一确定的端节点，通过TSN网络骨架，使得原本的数据帧带有时间敏感特性。如下是流量发生器中所定义的持续发送帧。

通过TSN-Switch，使得原始数据帧具备时间敏感特性的同时，赋予IEEE802.1 CB协议特有的标签R-Tag，复制相同的数据帧经过冗余双链路传输到目标节点。这就是CB的帧复制能力，如下图所示，传输骨架中某一冗余链路中的复制帧，在原始帧上添加了6个字节长度的Tag。

作为终端节点，需要对冗余链路中的复制帧进行先到优取的原则，对两条不同的链路中的复制帧进行解码消除，并将唯一的数据帧信息递交终端处理。作为整体的传输结构，以冗余传输的方式解决单点故障从而保证网络通信的可靠性。如下图所示，终端获取的消除恢复帧。

总结

IEEE 802.1CB 帧复制和消除可靠性功能，它基于 TSN 流的定义和管理，TSN 流是时间敏感数据从一个源到一个或多个目的地的单向流。可实现帧复制和故障转移保护。它复制流的数据包，将副本分成多个成员流，然后在一个或多个其他点重新加入这些成员流，消除复制，并从这些点传送重构流。

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