CN110431769A - 用于在tsn中的时间控制的数据传输的方法和设备 - Google Patents

用于在tsn中的时间控制的数据传输的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种方法和设备，用于在TSN中的时间控制的数据传输的方法和设备。描述了一种用于时间敏感的数据流的新的流量整形方法。目的是提供像现有技术一样的实时性能和配置复杂性，但不需要整个网络上的时间同步。流量整形器确保在第一时间间隔中通过桥接收的数据帧在下一个时间间隔中通过该桥到达最近的跳跃/桥。每个桥识别出与特定的数据流相关的时间间隔的开始时间。每个数据帧必须包括所谓的“Delay值”，即延迟值，其由每个桥测量，在使用本地时钟的情况下测量数据帧在输出端口处的等待队列中的延迟时间。

Description

用于在TSN中的时间控制的数据传输的方法和设备
背景技术
通过对IEEE工作组TSN(时间敏感网络，IEEE 802.1)的扩展，实现了在根据以太网标准工作的网络中的实时通信。当前不断发展的针对TSN的IEEE标准特别考虑的是汽车工业和自动化设备中的控制器的要求以及其对于网络在实时性能方面的要求。定义机制和协议，从而能够为经过符合以太网标准的网络的时间敏感流提供确定性服务。
在IEEE 802.1Qbv中定义了所谓的时间感知整形器(TAS)，并且能够防止在时间上预先规划的、安排的数据传输受到来自其他数据通信的干扰，这通过使用确定的时间窗口并且因此达到了确定的、小的延时(Latenz)来实现。如果提供所谓的“直通式”路由与TAS的接合，则能够实现具有最低的延时和最低的延迟方差的最优实时效率。TAS网络为了使用安排的数据传输而要求所有网络元素、即交换站/桥以及终端用户站是时间同步的，使得TAS时间窗口基于同一时基进行安排。
TAS窗口的安排取决于全局网络信息，例如取决于网络拓扑，并且因此需要完全管理的网络。由于高的规划花费和管理花费以及对于对剩余的数据通信的低效带宽利用率，这些网络、例如PROFINET IRT(等时同步实时)网络提出了在实时性和可靠性方面的最高要求，其主要应用于硬件实时系统以及运动控制应用。对于不要求具有最少延时的这种最高要求的这类实时系统，只要提供所需要的决定性(Determinismus)，则优先选择具有规划花费少于TAS的通信流调节。
在IEEE标准802.1Qav中由AVB(音频-视频-桥接)任务组定义了所谓的基于信用的整形器(CBS)，其被设置用于在数据堵塞时具有有限的延时并且不产生损失。CBS通过将数据包在时间上均匀分布来平滑流的数据通信。背后的想法是，防止数据帧的集中，该集中能够导致桥的数据缓冲过载并进而导致数据帧丢失。对集中进行限制的优点在于：桥中所需要的数据缓冲在输出端口处可以更小并且在桥的输出流中产生更低的最大延迟。
AVB使用EEE标准802.1Qat中定义的流预定协议(SRP)为每个单独的AVB流在网络中预定资源，根据最坏情况的延迟进行估算并且以存储要求根据流量类型来为桥进行计算。
然而，事实证明在CBS的情况中的每个网络元素(桥)的最坏情况延迟是与拓扑相关的，并且同样的相关性在存储需求中也存在。这导致最坏情况分析变得特别复杂并且是与拓扑相关的。不准确的最坏情况的计算导致网络中的错误预定，或者占用太多的资源。然而，问题更大的情况是预定太少，该情况由于桥存储器容量小而导致意外的数据丢失，这最终将引起在实时系统中严重的错误。
为了避免上述问题，定义有另一种协议，即循环队列和转发(CQF)协议，IEEE802.1Qch。其提供具有保证的最大延时和每次跳动(所谓的在网络中每个桥处固定的传输抖动)时有限的延迟波动的流量控制。根据CQF协议发送数据包将示例地在图2中示出。
在每个桥B1、B2中，时间被分成一系列等长的时间间隔T。在此，CQF要求，在时间点t1和t2之间的时段中的第一间隔中接收的数据帧P1、P2、P3在紧随的t2和t3之间的第二间隔中被传输到在路径中紧随的下一个网络元素处。这尤其意味着，要求网络是时间同步的，也就是说，在网络中的所有桥识别下一个间隔什么时候开始并且持续多长时间。将通过中央计时器MC同步，其确保了各个网络元素在相同的时基上运行SYNC。
因为在CQF的情况中，一个桥的每个数据帧在当前的间隔期间在路径中以正好一次跳跃继续传输，因此每一跳的延迟被限制为时间间隔T的两倍，即最坏情况延迟。
因此，帧在网络中传输的最大延时是：
LatenzMax＝(h+1)*T
其中，h是跳跃的次数。
如果一帧在每次跳跃总是被传输到下一帧的开头，并且没有因其他干扰的数据通信引起的延迟，除了由网络中的整形器引起的延迟外，那么如下地计算最小的延时：
LatenzMax＝(h-1)*T
传输抖动在CQF的情况中为持续时间2T，其是固定值，与传输链路中的跳跃数无关。CQF实现了确定性延迟和与拓扑无关的抖动，然而，在以提高延时的代价在最好情况下的结果是在每个桥中由整形器迫使形成等待时间。
与CBS相比，CQF最大的优点是：由于没有与网络拓扑的相关性，极大的降低了在计算最坏情况延迟中的复杂性。CQF流量类型的固定的抖动使得储存器的容量均匀地分布在所有桥的CQF等待队列中，这允许通用化地使用资源计算模型，其适用于每一种可能的CQF场景。
为了确保能够达到上面计算的延时边界，必须选择足够大的时间间隔的持续时间T，以便在预设的类型测量间隔中给所有数据提供空间，以及优先级较低的最大长度的干扰帧。如果将在IEEE802.lbu/802.3.3br中定义的帧抢占与CQF进行组合，那么干扰帧的最大长度能够继续下降到最大帧片段的最大长度。这意味着，如果使用抢占，能够为相同的间隔持续时间T为利用CQF的应用预定更多的流数据。
尽管相对于CBS在技术独立性以及对在最坏情况下的最坏情况延时的计算的简化性方面，CQF是占优的，CQF同样还需要周期性的时间过程作为时间同步网络的基础。如果利用PSFP(每流过滤和监管，IEEE802.1Qi)和TAS(IEEE 802.QBv)来实施CQF，那么针对单个SR(流预定)类型，CQF在输出端口处对于每个数据流需要两个传输类型等待队列。借助于输入和输出门控制来周期性交替地使用这两个等待队列，以确保一个等待队列以缓冲状态工作并且另一个以传输状态中工作。因为流量类型是桥的有限资源(对于IEEE 802.1Q兼容的桥最多8个)，所以每个流量类型需要两个等待队列被视为CQF的缺点。如上所诉，CQF的第二个缺点是，需要时间同步。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于传输时间关键的数据包的方法，其具有保证的最大延时、与拓扑无关的延时估算以及受限的延迟(delay)波动，而不需要在网络和/或终端中进行中央时间同步。
该目的通过具有独立权利要求的特征的方法和设备来实现。
该方法涉及数据包在根据TSN标准的时间敏感网络中的时间控制的数据传输。在此，网络由单独的网络元素组成，并且在每个网络元素中的时间经过划分为预先规划的、同样大小的时间窗口中。每个网络元素分别具有自有的独立的计时器，并且在所有的网络元素中，这些时间窗口都在同样的时间点开始和结束。在紧随数据包被之前的网络元素接收的时间窗口的时间窗口中，进行数据包从第一网络元素到紧随第一网络元素的网络元素的传输。然后，每个网络元素基于自有的独立的计时器和延迟值来确定，在什么时间点开始和/或结束下一个发送窗口。
从属权利要求的特征给出本发明的其他的有利的实施方式。
描述了一种用于时间敏感的数据流的新流量整形方法，其在之后也被称为“包延迟变化补偿(PDVC)”。目标是提供与CQF同样的实时性能以及配置复杂度而不需要整个网络的时间同步。PDVC整形器还确保由桥在第一时间间隔中接收到的数据帧通过该桥在下一个时间间隔中继续到达最近的跳跃/桥。与CQF最重要的区别是，如何在桥中实现这些时间间隔。CQF通过使用循环网络中央计时器以特定的方式在桥中实现了间隔，并且基于同样的安排(连续的时间间隔的顺序)形成预设的传输类型的流。因此，在网络中CQF桥的循环的计时器必须在共同的时基上运行，由此时间间隔能够同步到相同的开始时间。
这里描述的方法不需要在根据现有技术的方法中不可缺少的中央时基。每个桥识别属于特定的数据流的时间间隔的开始时间。数据流通过流的源(StreamID)来定义，通过跟踪每一帧在沿着从源到宿的数据路径的每个跳跃的时间经过。每个数据帧必须包括所谓的“Delay(延迟)值”，即延迟值，其由每个桥在使用测量延迟时间的本地时钟的情况下测得，该延迟时间是数据帧在输出端口处的等待队列中度过的时间。与实施方式相关地，测量的延迟值应算出由PDVC整形器引起的每个延迟，并且反映出，实际的传输时间AT偏离规划的传输时间多少。为数据帧规划的传输时间通常称为合格时间ET，如果数据帧输入到输出传输端口的等待队列中，将由PDVC整形器在尽可能早的时间点来确定合格时间。
在桥处测量的延迟值DV，如下地计算：
DV(i)＝AT(i)-ET(i)
如果在传输路径中的下一个桥i+1得到具有DV(i)的数据帧，那么为数据帧计算ET(i+1)
ET(i+1)＝T-(DV(i)+CD)
其中，T是类型测量间隔，其属于该数据帧的流，并且流的传输间隔在其源表示。作为SR类型的PDVC的常参数，必须在每个桥处配置T的值，要么通过网络管理或者在流预定时利用SRP。
CD是延迟值，由以下分量组成，这些分量取决于硬件和具体的帧长度：
-从AT(i)测量的数据帧的延迟值(延迟)，其是在一时间点桥i的输出端口的数据传输的实际开始时间，在该时间点下一个桥i+1的输入端口接收到完整的数据帧。该延迟值的主要部分能够容易地在桥i+1中基于传输链的速度和帧的长度来计算。剩余的部分取决于硬件，包括在发送桥i和接受桥i+1之间的线缆的延迟值(链路传播延迟)，只要适用，其同样也通过网络管理来确定或者通过时间同步协议测量(例如gPTP of 802.1AS)来测定。
-在桥i+1中的交换过程中的延迟值通常是固定值，可以在桥的硬件规格中找到。
如在第二公式中所示，PDVC根据数据帧在前次跳跃的延迟信息来确定当前桥上数据帧的ET。这种整形方法基于来自前次跳跃的信息，并且也称为“基于路由的流量整形”。
附图说明
下面将通过附图来说明本发明
图1示出了根据本发明的方法，并且
图2示出了根据现有技术的方法。
具体实施方式
图2已经在说明书的引言中被详细的说明。
图1示出了根据本发明的方法的实例，该方法在使用PDVC整形器的情况下用于将单独的数据流从数据源Source通过两个桥B1、B2传输到数据宿Sink。这些网络元素中的每个都具有各自的计时器C1至C4，这些计时器是自己自足的并且不与其他时间源同步。
如图所示，数据源Source在时间点t1、t2、t3、t4周期性地产生帧P1、P2、P3、P4，其中，在t1至t4的时间点之间分别有恒定的时间间隔T。每个时间间隔的开始时间点在图中由垂直的虚线表示。虚线数据包显示数据包按计划应被发送的时间点，而在相应的网络元素的相应的时间线t下方的实线包显示在包被发送的实际时间点(优选地在相同的时间窗口中)。借助于延迟值DV0、DV1、DV2，其由于停留在相应的网络元素的输出端口的向外输出的等待队列中而产生，该延迟值在每一跳测量，并且作为帧中的附加数据字段一起被传输到下一个网络元素，每个紧随的进行接受的桥B1、B2能够在时间上重新校准传输数据帧的时间点。在此，根据上面的用于ET(i+1)的公式来计算传输时间点。CD表示每次跳跃的额外恒定延迟。PDVC的这一特征对于控制应用是有利的，其中，多个流以协调的方法和方式在不同的时间点从不同的数据源进入网络。PDVC能够沿着数据传输路径的在每个输出端口处的所有流处有相同的传输顺序。
为了保证PDVC正确的工作，PDVC必须应用在沿着数据传输路径上的所有桥B1、B2上，同样地在数据源中，如果这些数据源此外还产生了另外的数据通信，其与第一数据通信冲突并且使计划的传输在时间上延迟。由于与时间间隔T和跳跃数h的相关性，每个桥的最大的延迟以及PDVC的最大的端到端延时与CQF类似。
PDVC每个桥的延迟<2T
每次跳的传递抖动＝2T
(h-1)*T<PDVC端到端延时<h*T
在公式2的条件下计算上述边界值，其中，T的值总是小于(DV(i)+CD)的每个可能出现的值。为了确保总是满足条件，相同的条件适用于在CQF中对T的选择，即通过考虑在时间间隔T期间观察到的流数据最大量加上最大干扰数据帧。与CQF类似，帧抢占和PDVC的组合使用有助于在固定的时间间隔T内减少可能的流数据的数量，或者减少相同数量的流数据的时间间隔T，从而减少最坏情况延时。
在图1中的例子中，忽略了用于整形器的时间计算的各个本地计时器的其他时间偏差。在分布的时钟之间的这些偏差不会干扰PDVC的运行，然而能够导致违反在所传输的流中的期望延迟限制。为了避免这种影响，允许考虑可能在网络中出现的在两个本地时钟之间的最大时间偏差作为PDVC配置中的附加因素，通过要么增加T的值要么减少预定的流的数量的方式。
这里描述的流量整形器提供类似的具有像CQF的固定的最大延时以及固定的传递抖动的好的实时性能。在没有最高实时要求的各种工业应用以及工业控制中需要这种效率。相对于标准化的解决方案，最大的优点在于，该解决方法能够放弃像PTP IEEE 1588或者IEEE 802.1AS的时间同步的网络，并且因此能够节省所需的成本。
用于应用的主要方法是所谓的流量整形，为了得到确定性性能，该性能迫使在每次跳跃对于每个数据帧都有延迟，以确保周期性流流量以固定的每跳延迟来通过网络。与在CQF的情况中不同，其中基于全球时钟来计算取决于整形器的延迟的值，PDVC基于之前的跳跃信息而做出决定，该跳跃信息借助于本地时钟来测量，并且在每个帧中逐桥传输。

Claims (9)

1.一种时间控制的数据传输方法，所述方法用于在根据TSN标准的时间敏感网络中传输数据包(P1、P2、P3、P4)，其中
-所述网络由各个网络元素(Source、B1、B2、Sink)组成，并且
-在每个所述网络元素(Source、B1、B2、Sink)中的时间经过(t)划分为预先规划的、同样大小的时间窗口(T)，并且
-所述网络元素(Source、B1、B2、Sink)分别具有自有的独立的计时器(C1、C2、C3、C4)，并且
-在所有所述网络元素处的所述时间窗口都在相同的时间点(t1、t2、t3、t4)开始和结束，并且
-在紧随所述数据包(P1、P2、P3、P4)被之前的网络元素(Source、B1、B2)接收的时间窗口的时间窗口中，所述数据包(P1、P2、P3、P4)从第一网络元素(Source、B1、B2)传输到紧随所述第一网络元素的网络元素(B1、B2、Sink)，并且
其特征在于，
每个所述网络元素(Source、B1、B2、Sink)能够基于自有的独立的所述计时器(C1、C2、C3、C4)和延迟值(DVi)来确定，在什么时间点(t1、t2、t3、t4)开始和/或结束下一个发送窗口。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
计算在进行发送的网络元素(Source、B1、B2)中所需要的延迟值(DVi)并且在所述数据包(P1、P2、P3、P4)中将所述延迟值传输到进行接收的网络元素(B1、B2、Sink)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
流相关地确定所述延迟值(DVi)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
从实际传输时间AT(i)中减去规划传输时间ET(i)来计算所述延迟值(DVi)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
通过测量间隔T-(延迟时间DV(i)加另一个延迟值(CD))来计算在下一个传输步骤中的规划传输时间ET(i+1)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
为了确定所述延迟值(CD)，通过确定
-从在进行发送的网络元素(Source、B1、B2)处的数据传输的开始时间直到在进行接收的网络元素(B1、B2、Sink)处完全接收数据包的传输过程的持续时间加上与硬件相关的时间延迟部分以及
-在所述网络元素(Source、B1、B2、Sink)中的交换过程的持续时间，
来确定数据包(P1、P2、P3、P4)的传输时间。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
通过时间同步协议来预先确定持续时间，所述时间同步协议特别是802.1AS的gPTP协议。
8.一种在根据TSN标准的时间敏感网络中的网络元素(Source、B1、B2、Sink)，其中
-网络由各个网络元素(Source、B1、B2、Sink)组成，并且
-在每个所述网络元素(Source、B1、B2、Sink)中的时间经过(t)划分为预先规划的、同样大小的时间窗口(T)并且
-所述网络元素(Source、B1、B2、Sink)分别具有自有的独立的计时器(C1、C2、C3、C4)并且
-在所有所述网络元素处的所述时间窗口都在相同的时间点(t1、t2、t3、t4)开始和结束，
-在紧随所述数据包(P1、P2、P3、P4)被之前的网络元素(Source、B1、B2)接收的时间窗口的时间窗口中，所述数据包(P1、P2、P3、P4)从一个网络元素(Source、B1、B2)传输到紧随该网络元素的网络元素(B1、B2、Sink)，
其特征在于，
每个所述网络元素(Source、B1、B2、Sink)能够基于自有的独立的所述计时器(C1、C2、C3、C4)和延迟值(DVi)来确定，在什么时间点(t1、t2、t3、t4)开始和/或结束一下个发送窗口。
9.一种适合用于执行根据权利要求1至7所述特征的方法的设备。
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