Deterministiskt nätverk

Deterministic Networking (DetNet) är ett försök av IETF DetNet Working Group för att studera implementering av deterministiska datavägar för realtidsapplikationer med extremt låga dataförlusthastigheter, paketfördröjningsvariationer (jitter) och begränsad latens, såsom ljud- och videoströmning , industriell automation och fordonskontroll.

DetNet arbetar på IP Layer 3- routade segment med hjälp av ett mjukvarudefinierat nätverkslager för att tillhandahålla IntServ och DiffServ -integration, och levererar tjänster över lägre Layer 2- bryggade segment med hjälp av teknologier som MPLS och IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking . Deterministic Networking syftar till att migrera tidskritiska, högtillförlitliga industriella kontroll- och audio-videoapplikationer från specialändamål fältbussnätverk ( HDMI , CAN-bus , PROFIBUS , RS-485 , RS-422 / RS-232 och I²C ) till paket nätverk och IP i synnerhet. DetNet kommer att stödja både de nya applikationerna och befintliga IT-applikationer på samma fysiska nätverk.

För att stödja realtidsapplikationer implementerar DetNet reservation av dataplansresurser i mellanliggande noder längs dataflödesvägen, beräkning av explicita rutter som inte är beroende av nätverkstopologi och omfördelar datapaket över tid och/eller utrymme för att leverera data även med förlusten av en väg.

Logisk grund

Standard IT-infrastruktur kan inte effektivt hantera latenskänslig data. Switchar och routrar använder fundamentalt osäkra algoritmer för att bearbeta paket/ramar, vilket kan resultera i sporadiskt dataflöde. En vanlig lösning för att jämna ut dessa flöden är att öka buffertstorlekarna, men detta har en negativ effekt på leveransfördröjningen eftersom data måste fylla buffertarna innan överföring till nästa switch eller router kan starta.

IEEE Time-Sensitive Networking (TSN) har definierat deterministiska algoritmer för köbildning, formning och schemaläggning som gör att varje nod kan allokera bandbredd och latens enligt kraven för varje dataflöde, genom att beräkna buffertstorleken vid nätverksväxeln. Samma algoritmer kan användas i högre nätverkslager för att förbättra leveransen av IP-paket och ge interoperabilitet med TSN-hårdvara när den är tillgänglig.

Krav

Ansökningar från olika områden har ofta i grunden likartade krav, som kan inkludera:

  1. Tidssynkronisering vid varje nod (routrar/brygga) över hela nätverket, med noggrannhet från nanosekunder till mikrosekunder.
  2. Deterministiskt dataflöde, som ska stödja:
    • unicast- eller multicast- paket;
    • garanterad minsta och maximala latens från slutpunkt till slutpunkt över hela nätverket, med tätt jitter vid behov;
    • Ethernet-paketförlustförhållande från 10–9 till 10–12 , trådlösa mesh-nätverk runt 10–5 ;
    • högt utnyttjande av tillgänglig nätverksbandbredd (inget behov av massiv överprovisionering);
    • flödesbearbetning utan strypning, överbelastningsfeedback eller annan nätverksdefinierad överföringsfördröjning;
    • ett fast överföringsschema, eller en maximal bandbredd och paketstorlek.
  3. Schemalägga, forma, begränsa och kontrollera överföringen vid varje nod.
  4. Skydd mot felaktiga noder (i både data- och kontrollplanet): ett flöde kan inte påverka andra flöden även under hög belastning.
  5. Reservera resurser i noder som bär flödet.

Drift

Resursfördelning

För att minska konfliktrelaterade paketförluster kan resurser såsom buffertutrymme eller länkbandbredd tilldelas flödet längs vägen från källa till destination. Att upprätthålla adekvat buffertlagring vid varje nod begränsar också maximal fördröjning från slut till ände. Den maximala överföringshastigheten och den maximala paketstorleken måste definieras explicit för varje flöde.

Varje nätverksnod längs vägen ska inte överskrida dessa datahastigheter, eftersom alla paket som skickas utanför schemalagd tid kräver ytterligare buffring på nästa nod, vilket kan överskrida dess tilldelade resurser. För att begränsa datahastigheter tillämpas trafikövervakning och formningsfunktioner vid ingångsportarna. Detta skyddar också vanlig IT-trafik från felaktiga DetNet-källor. Tidpunktsfält i paketen och submikrosekunders tidssynkronisering över alla noder används för att säkerställa minimal fördröjning från slut till ände och eliminera oregelbunden leverans (jitter). Jitter minskar den upplevda kvaliteten på audiovisuella applikationer, och kontrollnätverksapplikationer byggda kring seriella kommunikationsprotokoll kan inte hantera jitter alls.

Serviceskydd

Paketförlust kan också bero på mediafel och utrustningsfel. Paketreplikering och -eliminering och paketkodning ger tjänsteskydd från dessa fel.

Replikering och eliminering fungerar genom att data sprids över flera explicita vägar och sätter ihop dem i ordning nära destinationen. Sekvensnummer eller tidsstämpel läggs till i DetNet-flödet eller transportprotokollpaketet, sedan elimineras dubbletter av paket och paket som inte är i ordning ordnas om, baserat på sekvenseringsinformation och överföringsloggar. Följande begränsningar för flödeslatens medför också begränsningar för felordning, eftersom paket som inte är i ordning påverkar jitter och kräver ytterligare buffring.

Olika väglängder kräver också ytterligare buffring för att utjämna fördröjningarna och säkerställa bandbreddsbegränsningar efter felåterställning. Replikering och eliminering kan användas av flera DetNet-noder för att förbättra skyddet mot flera fel. Paketkodning använder flera överföringsenheter för varje paket och lägger till redundans- och felkorrigeringsinformation från flera paket till varje överföringsenhet.

Explicita rutter

I mesh-nätverk kan topologihändelser som fel eller återställning påverka dataflödet även i fjärrnätverkssegment. En bieffekt av ruttändringar är paketleverans i oordning.

Realtidsnätverk är ofta baserade på fysiska ringar med ett enkelt kontrollprotokoll och två portar per enhet för redundanta vägar, dock till en kostnad av ökat antal hopp och latens. DetNet-rutter är vanligtvis explicit definierade och ändras inte (åtminstone omedelbart) som svar på nätverkstopologihändelser, så det finns inga avbrott från routing- eller bryggprotokollförhandlingar. Explicita rutter kan upprättas med RSVP-TE, Segment Routing, IS-IS, MPLS-TE label-switched path (LSP) eller ett mjukvarudefinierat nätverkslager .

Trafikteknik

IETF Traffic Engineering Architecture and Signaling (TEAS) arbetsgrupp upprätthåller MPLS-TE LSP- och RSVP-TE-protokoll. Dessa routingprotokoll för trafikteknik (TE) översätter DetNet-flödesspecifikationen till IEEE 802.1 TSN-kontroller för kö-, form- och schemaläggningsalgoritmer, såsom IEEE 802.1Qav kreditbaserad shaper, IEEE802.1Qbv tidsutlöst shaper med en IEEE802 .1Qch synkroniserad dubbel- och trippelbuffring, 802.1Qbu/802.3br Ethernet-paketförbud och 802.1CB frame replikering och eliminering för tillförlitlighet. Protokollsamverkan definierad av IEEE 802.1CB används för att annonsera TSN-undernätverkskapacitet till DetNet-flöden via identifieringsfunktionerna Active Destination MAC och VLAN Stream. DetNet-flöden matchas av destinations-MAC-adress, VLAN-ID och prioritetsparametrar till Stream ID- och QoS-krav för talare och lyssnare i AVB/TSN-undernätverket.

Användningsfall

IETF förutser följande användningsfall:

Se även

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Deterministic_Networking&oldid=1141051336 "