TSN puede ser nuevo para muchas personas a pesar de que el Grupo de trabajo IEEE 802.1 ha completado más de una docena de estándares TSN en la última década y algunos ya son compatibles con HW, p. por el nuevo conmutador Ethernet SJA1110 de NXP. Muchos de estos estándares TSN tienen como objetivo limitar la latencia de un vapor. Con tantos estándares o "herramientas" disponibles, el desafío de saber cuál es la "herramienta" adecuada para usar y cuándo es cada vez más difícil. ¡Esto es especialmente cierto cuando se considera que las herramientas TSN están diseñadas para funcionar juntas en el mismo puerto al mismo tiempo!

Los estándares Shaper

Formador de prioridad estricta
El primer modelador IEEE 802.1 se estandarizó en IEEE 802.1p-1998 y define el algoritmo de selección estricta de prioridad utilizado para seleccionar la siguiente trama que se transmitirá a un puerto para puertos con múltiples colas. Estas colas de prioridad se denominan colas de clase de tráfico (TC) en el estándar. Hoy en día, hay muchos mecanismos compatibles en 802.1 que se pueden usar para determinar a qué TC se coloca en cola una trama. Si bien la mayoría de estos mecanismos están más allá del alcance de este artículo, el mecanismo original de usar la asignación por puerto del campo de punto de código de prioridad (PCP) de 3 bits de la trama contenido en las tramas etiquetadas 802.1 es una parte integral de TSN, ya que esto es el mecanismo utilizado para indicar que algunos marcos deben tratarse de manera diferente.
Se creó una prioridad estricta para resolver el problema de la gestión eficaz de la red. En pocas palabras, una red no se puede administrar utilizando los mismos cables que el tráfico de "datos" utiliza si el tráfico de "datos" está utilizando todo el ancho de banda del cable y no se da preferencia (es decir, una prioridad más alta) a la administración de la red tráfico.
La Figura 1 muestra la solución a través de una estructura de cola de salida típicamente utilizada en la ruta de transmisión de puentes y NIC de la estación final (Controlador de interfaz de red).


Figura 1. Modelo de cola de salida básico con prioridad estricta.

El estándar de 1998 admite de 1 a 8 colas TC y la figura muestra la asignación predeterminada del valor de PCP de 3 bits de una trama a la cola TC para un diseño de 8 colas (PCP 0 es una prioridad más alta que PCP 1 es como está en el estándar ) El TC más alto (8) está etiquetado como Administración de red, ya que esta es la cola a la que deben ir estas tramas para resolver los problemas de administración de red.

Shaper basado en crédito
Pasaron más de 10 años antes de que un nuevo shaper fuera estandarizado en IEEE 802.1. Ese nuevo shaper, el Credit-Based Shaper (CBS), estaba destinado a resolver problemas asociados con las transmisiones de audio y video, pero también se puede usar para otros tipos de datos. ¿Por qué? Porque CBS fue diseñado para resolver el problema genérico de la explosión, que ocurre independientemente del tipo de datos. El estallido (la transmisión de múltiples tramas consecutivas) ocurre naturalmente en puentes en puertos de puente que son puntos de congestión y en estaciones finales como resultado de la forma en que se diseña el hardware y el software de la estación final (NIC).
Las NIC están optimizadas para obtener el mayor rendimiento de datos posible y utilizan el estallido para lograr este objetivo.
Si el punto de congestión de la red está en un puente, ese puente podría descartar paquetes. Ejemplos de puntos de congestión son un puerto Gigabit que cambia datos a un puerto de 100 Mb / s, o dos puertos de 100 Mb / s que cambian datos a un solo puerto de 100 Mb / s. En ambos casos, la velocidad de datos de salida es menor que la velocidad de datos de entrada potencial.
CBS resuelve el problema de caída de paquetes en los puntos de congestión de la red y las NIC desarmando los flujos en el hardware. Es configurable por TC, por lo que los flujos asignados a una cola donde CBS está habilitado eliminan automáticamente sus ráfagas de transmisión sin ningún cambio en los controladores NIC "optimizados" o los mecanismos de conexión en puente.
La Figura 2 muestra dónde reside CBS (junto con otros moldeadores que se analizan más adelante).


Figura 2. Ejemplo de modelo de cola de salida de TSN Shaper simultáneo.

En este ejemplo, es importante tener en cuenta que los flujos de gestión de red se mueven a TC 6 y los flujos de CBS se encuentran en colas TC por encima de gestión de red. Esto funciona porque la especificación de perfil de Audio Video Bridging (AVB) (IEEE 802.1BA) limita la velocidad de transmisión total de los flujos de CBS a no más del 75% de la velocidad de datos de salida del puerto. La gestión de red es la máxima prioridad del ancho de banda restante (no reservado) para garantizar que pueda realizar su función original.

Moldeador de tiempo
Después de que se completó el conjunto de estándares AVB para el caso de uso de audio / video plug-and-play, quedó claro que había casos de uso que requerían una latencia menor de lo que AVB podía proporcionar. Y estos usuarios estaban dispuestos a diseñar la red si fuera necesario para obtener latencias más bajas.
El Time Aware Shaper (TAS) comenzó como un ejercicio del autor para encontrar la latencia teóricamente más baja posible y TAS es lo que se propuso y estandarizó (IEEE 802.1Qbv). TAS funciona mejor en aplicaciones que son cíclicas, es decir, hay intervalos periódicos fijos cuando se transmiten y procesan los datos críticos del sensor, y se emiten los comandos del actuador críticos resultantes. La mayoría de las máquinas industriales trabajan en este concepto al igual que muchos otros sistemas.
TAS minimiza la latencia de los flujos críticos en el tiempo al garantizar que el puerto de salida de una trama (puente o estación final) esté inactivo en el momento en que el flujo crítico está programado para salir del puerto. Esto minimiza la latencia ya que el flujo crítico puede comenzar a transmitir con precisión a la hora programada, ya que el puerto no está ocupado transmitiendo nada más. La sincronización de la transmisión de paquetes se logra mediante la adición de puertas de transmisión a la salida de cada cola TC (los cuadros naranjas en la Figura 2). También se necesita un cronograma de apertura y cierre de puertas para cada TC. Si una puerta se cierra en una cola, TC no puede transmitir ningún dato.
El cronograma TAS se vuelve más fácil de resolver al minimizar el número de flujos críticos y colas TC que utilizan este mecanismo de latencia extremadamente bajo y al minimizar el número de puertas abiertas y cerradas por ciclo. Esto se muestra en la Figura 2 ya que solo un TC se muestra como “Programado” y este es TC 2 indicado por un valor PCP de 0. ¿Cómo puede una cola de muy baja prioridad obtener una latencia más baja que las colas TC por encima? Si es el único TC con una puerta abierta, es, por definición, la máxima prioridad durante esa ventana de transmisión.

Derecho preferente de compra
Preemption se desarrolló como un estándar al mismo tiempo que TAS. Fue visto como una alternativa para las redes que no eran conscientes del tiempo y también tiene una latencia muy baja, pero no tan baja. La aprobación previa es más fácil de usar ya que no hay "Horarios" para resolver. Pero cuesta mucho en hardware, solo funciona si su socio de enlace también admite la preferencia, funciona mejor a 100 Mb / so enlaces más lentos, y el estándar solo admite un nivel de preferencia, todo lo cual minimiza sus posibles casos de uso.
Preemption interrumpe una trama "preferente" en el medio de su transmisión. Luego permite que la trama o tramas "express" salgan del puerto. Solo entonces se reanuda la transmisión de la trama "anticipada" donde se dejó. Esta interrupción puede ocurrir varias veces en el mismo marco.
Preemption es una combinación de dos estándares. El mecanismo MAC y los códigos enviados a través del cable están estandarizados en IEEE 802.3br. Define dos MAC, un pMAC (Preemptable MAC) y un eMAC (Express MAC). Estos se pueden ver en el lado derecho de la Figura 2. Preemption tiene las siguientes restricciones:
El tamaño mínimo del fragmento es de 64 bytes, pero el socio de enlace puede negociar que sea 128 o 256
El relleno del fragmento no está hecho, por lo que un fragmento podría ser casi el doble del tamaño mínimo del fragmento
El estándar de socio para preferencia (IEEE 802.1Qbu) define qué cola o colas TC están conectadas a los dos tipos de MAC. En la Figura 2, TC 1 es el único TC conectado al eMAC. Eso significa que cualquier trama en cola para TC 1 se adelantará a todas las demás colas TC (es decir, cualquier dato que se esté transmitiendo actualmente). A pesar de que TC 1 es la cola de menor prioridad, ¡está efectivamente por encima de todas las otras colas ya que puede evitarlas! Pero solo si su puerta TAS está abierta.

Métricas para los Estándares Shaper

El Grupo de trabajo IEEE 802.1 diseña sus estándares para que puedan trabajar juntos al mismo tiempo, ya que cada cola TC en un puerto se puede configurar con un moldeador diferente. Para que sea más fácil determinar qué moldeador es el mejor para un trabajo determinado, es necesario evaluar las métricas. Los que se abordan aquí son el costo y el rendimiento. La disponibilidad también es una métrica importante, ya que la herramienta perfecta no puede ayudarlo si no puede obtenerla a cualquier precio. En general, los nuevos estándares IEEE están menos disponibles y no se discuten.

Costos de modelador
Los costos examinados son:
Complejidad de ingeniería: la dificultad o el esfuerzo del usuario esperado necesarios para obtener resultados adecuados.
Eficiencia del cable: la cantidad de datos puede pasar por el cable, incluidos los datos críticos y los datos de fondo.

Shaper Performance
Es bastante difícil llegar a los números absolutos del peor de los casos para un modelador, ya que la topología de red u otros parámetros pueden entrar en juego. En su lugar, se utilizan aproximaciones de primer orden que dan como resultado números de latencia ligeramente mayores. Una vez que la red está completamente configurada con todos los flujos esperados, se debe utilizar una herramienta de análisis de red para calcular los números de latencia precisos en el peor de los casos.
Las ecuaciones de latencia por salto para cada formador se muestran a continuación, ya que son más fáciles de evaluar ya que un flujo puede atravesar muchos saltos. Solo el diseñador de red sabe cuántos saltos y cuál es el objetivo de latencia límite máximo para cada flujo.

Shaper basado en crédito (se admiten varias clases)

Clase A ≈ tInterval + tMaxFrameSize
tInterval: el intervalo de observación de la clase (125 uSec como se especifica en AVB, ¡pero esto se puede cambiar para redes de ingeniería!)
tMaxFrameSize: el tamaño máximo de un marco interferente + espacios, etc.

Clase B ≈ tInterval + tMaxFrameSize + tTimeForAllHigherFrames
tTimeForAllHigherFrames: el tiempo para transmitir todos los cuadros de Clase A (+ espacios, etc.) durante la duración del tInterval de la Clase B (que generalmente es un múltiplo del tInterval de la Clase A)

Clase C ≈ tInterval + tMaxFrameSize + tTimeForAllHigherFrames
tTimeForAllHigherFrames: el tiempo para transmitir todos los marcos de Clase A y Clase B …

Etc.

Moldeador de tiempo

Almacenar y reenviar con Traffic Class Gate Open ≈ tDevice + tFrameSize
tDevice: el retraso a través de un puente Store y Forward
tFrameSize: el tamaño del marco que pasa por el puente

El dispositivo es específico del producto. Para avanzar en las discusiones de latencia en IEEE 802.1, se propuso un valor predeterminado de "regla general", que resulta ser ≈ 10.5 uSec para 100 Mb / sy 1.5 uSec para Gb / s.

Derecho preferente de compra

Almacenamiento y reenvío previo ≈ tDevice + tFrameSize + tFramelet
tDevice: el retraso a través de un puente Store y Forward
tFrameSize: el tamaño del marco que pasa por el puente
tFramelet: 127 bytes + gastos generales si la fragmentación de 64 bytes está habilitada

tFramlet, es la parte más grande de un marco que no se puede evitar. Si se usa la fragmentación de 64 bytes, entonces 127 bytes no se pueden fragmentar más, ya que daría como resultado un fragmento más pequeño que el requisito mínimo de 64 bytes.
La velocidad del enlace afecta algunos de estos parámetros, pero no el intervalo de observación (tInterval). Por lo tanto, los resultados se calcularán tanto para Fast Ethernet (FE) como para Gigabit Ethernet (GE). Para una fácil comparación entre los modeladores, los siguientes parámetros se utilizan para todas las ecuaciones del modelador: tMaxFrameSize es 1542 (1522 + 20) bytes, tFrameSize es 64 bytes, tInterval es 125 uSec y todos los números se redondean al siguiente uSec más alto o décimo de un uSec.
La Tabla 1 resume el costo y los datos de rendimiento calculados para cada uno de los TSN Shapers discutidos con una clasificación propuesta.

Tabla 1. Comparación de la herramienta TSN de latencia en el orden de latencia más bajo
Tabla 1: Comparación de la herramienta TSN de latencia en el orden de latencia más bajo.

Tanto TAS como Preemption son mucho más rápidos en comparación con CBS, pero CBS ocupa el primer lugar por las siguientes razones:
Es lo suficientemente rápido para una gran cantidad de aplicaciones
Es el único moldeador de la lista que es fácil de usar.
Es el único modelador de la lista que permite utilizar el 100% del ancho de banda del cable.
Y se puede usar más de un TC con diferentes intervalos de observación / latencias. Los otros modeladores se limitan mejor a un solo TC o su facilidad de uso se vuelve difícil.
CBS es fácil de soportar más de un TC lo hace bastante interesante. Por ejemplo, el tráfico de audio estándar AVB Clase A se puede usar en un TC, mientras que al mismo tiempo que otros TC se pueden configurar para tipos de datos de tráfico CAN y / o LIN de latencia más larga (o datos con requisitos de ancho de banda de mensajes y latencia equivalentes) juntos en el mismo cable
TAS se clasifica por encima de Preemption por las siguientes razones:
Tiene la latencia alcanzable más baja absoluta
Ambos moldeadores tienen un impacto en los otros flujos, pero el efecto de TAS es determinista, mientras que el de preferencia no es tan fácil.
No se puede usar el preamplificación a menos que ambos lados del cable lo soporten
Preemption no está tan ampliamente disponible

Orden de uso de herramientas

Basado en la clasificación de las herramientas de TSN Shaper, la siguiente es una propuesta para un orden de selección de shaper que se utilizará para cada una de las transmisiones en una red. El objetivo es usar múltiples colas CBS con diferentes intervalos / latencias de observación para todos los flujos y solo usar los otros modeladores si es absolutamente necesario.
El primer paso es saber qué está pasando en la red.
Cree una lista ordenada de todos los flujos críticos en la red. Colóquelos en orden desde la latencia de extremo a extremo permitida más pequeña a la más alta necesaria para su aplicación de destino.
No es necesario considerar los mejores flujos de esfuerzo, por definición.

Verifique que el ancho de banda de los flujos críticos a través de cualquier enlace no exceda el 75%.
Si lo hace, hay que hacer algo. Mover fluye fuera del enlace del problema a un enlace o enlaces con mucha menos carga. Si esto no es posible, debe aumentar la velocidad del enlace.

Calcule el intervalo de observación CBS necesario para cumplir con la latencia de extremo a extremo para cada flujo. Se debe tener en cuenta la cantidad de saltos y sus velocidades. Vuelva a ordenar la lista en orden de intervalo de observación más bajo a más alto.
Examine su lista reordenada para encontrar agrupaciones naturales de intervalos de observación similares. Cuatro o cinco conjuntos son un gran número ya que muchos dispositivos admiten suficientes colas TC para esta cantidad. Algunas posibilidades interesantes de límite de corte son 125 uSec, 250 uSec, 1000 uSec, 2000 uSec, etc. El punto de corte de 125 uSec para el intervalo de observación es importante. ¿Hay algún flujo que requiera menos de este número? Si es así, estos necesitarán más trabajo de la siguiente manera:
Si el flujo pasa solo a través de enlaces GE, el intervalo de observación puede reducirse a 31.25 o 62.5 uSec.
Si el flujo pasa a través de cualquier enlace FE, ¿se puede reducir el número de saltos y / o se puede aumentar cualquiera de las velocidades de enlace? Si no, entonces use TAS luego y luego Preemption como último recurso.
Recuerde, estas opciones son recursos limitados que son menos eficientes en el cableado y funcionan mejor soportando la menor cantidad de flujos.
Reste cualquier pérdida de eficiencia del cable de TAS y Preemption como ancho de banda utilizado contra el límite de flujo crítico del 75% que se permite en un puerto.

Después de encontrar soluciones para los muy pocos flujos de latencia ultrabaja, procese las agrupaciones restantes en el orden de intervalo de observación más bajo a más alto.
Para cada agrupación, seleccione un intervalo de observación que sea lo más grande posible pero que sea más bajo de lo que requieren todos los flujos en esa agrupación.
Comience cargando cada clase con no más del 20% del ancho de banda restante de los enlaces. Ajuste esto si es necesario, pero recuerde que el total de TODOS los flujos críticos y su sobrecarga de trama (IFG y preámbulo) junto con cualquier ancho de banda y sobrecarga utilizada para TAS y / o Preemption en el puerto, ¡no debe exceder el 75% del ancho de banda de un solo enlace!
Si esto sucede, intente una ruta alternativa.
Aumente el intervalo de observación cuando sea posible ya que esto puede permitir más flujos.

No olvide reservar un TC para la gestión de la red (debe ser la clase de tráfico más alta que no sea CBS) y una para los flujos de mejor esfuerzo.

Resumen

Los estándares IEEE TSN están diseñados con la intención de que puedan trabajar juntos y que sean aplicables mucho más allá de su aplicación objetivo inicial. Credit-Based Shaper es un excelente ejemplo de esto, ya que el estándar admite más de las dos clases de tráfico que se requieren en el perfil AVB (es decir, CBS no se limita solo a datos de audio y video y no se limita a los perfiles AVB). parámetros plug-and-play).
La red automotriz tiene muchos requisitos nuevos de entrega de datos / latencia y TSN se ha diseñado para admitirlos a todos juntos en el mismo cable dentro de los límites de la física. Aunque las redes automotrices están diseñadas, las herramientas de TSN permiten que el hardware aplique las garantías necesarias para simplificar el trabajo de ingeniería. Con productos como el nuevo conmutador Ethernet SJA1110 de NXP, las herramientas están a la mano, listas para usar.
Un modelo de colas propuesto se muestra en la Figura 3.


Figura 3. Modelo de cola de salida TSN propuesto.

En IEEE 802.1 hay un límite actual de solo ocho códigos de prioridad Ppints (PCP) que se pueden indicar en tramas etiquetadas. Por lo tanto, este recurso muy limitado debe utilizarse con extrema eficiencia. En TSN, cada valor de PCP se convierte más en una etiqueta de clase de servicio en lugar de un valor de prioridad. Su asignación en la figura refleja este enfoque y es coherente con los estándares AVB, por lo que los tipos de datos de audio y video también pueden ser compatibles. Los artículos de la industria son una forma de contenido que permite a los socios de la industria compartir noticias, mensajes y tecnología útiles con los lectores de All About Circuits de una manera que el contenido editorial no es adecuado para ellos. Todos los artículos de la industria están sujetos a pautas editoriales estrictas con la intención de ofrecer a los lectores noticias útiles, experiencia técnica o historias. Los puntos de vista y opiniones expresados ​​en los artículos de la industria son los del socio y no necesariamente los de All About Circuits o sus escritores.

Dejar respuesta

Please enter your comment!
Please enter your name here