EP4430773A1 - Dispositif et procede de gestion de la degradation de performances dans les reseaux tsn hybrides filaire/sans-fil - Google Patents

Dispositif et procede de gestion de la degradation de performances dans les reseaux tsn hybrides filaire/sans-fil

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Publication number
EP4430773A1
EP4430773A1 EP22809483.5A EP22809483A EP4430773A1 EP 4430773 A1 EP4430773 A1 EP 4430773A1 EP 22809483 A EP22809483 A EP 22809483A EP 4430773 A1 EP4430773 A1 EP 4430773A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
node
network
tsn
domain
subdomain
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22809483.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Siwar BEN HADJ SAID
Minh-Thuyen THI
Michael BOC
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4430773A1 publication Critical patent/EP4430773A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H04J3/0635—Clock or time synchronisation in a network
    • H04J3/0638—Clock or time synchronisation among nodes; Internode synchronisation
    • H04J3/0641—Change of the master or reference, e.g. take-over or failure of the master
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
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    • H04L47/10—Flow control; Congestion control
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    • H04J3/0658—Clock or time synchronisation among packet nodes
    • H04J3/0661—Clock or time synchronisation among packet nodes using timestamps
    • H04J3/0667—Bidirectional timestamps, e.g. NTP or PTP for compensation of clock drift and for compensation of propagation delays

Definitions

  • the present invention is in the field of time-sensitive networks (TSN), and more particularly of such TSN networks having wired links and wireless links.
  • TSN time-sensitive networks
  • the invention proposes methods and devices for dealing with performance degradations in wired/wireless TSN networks, also referred to as hybrid wired/wireless TSN networks or in a more condensed manner by hybrid TSN networks in the present description.
  • the invention addresses in particular the degradations of time synchronization and planning with consideration of the quality of service ("QoS Scheduling according to the established Englishism).
  • TSN is a set of standards, defined by the IEEE 802.1 working group, which extend the Ethernet network to meet the stringent requirements of real-time communications.
  • TSN The TSN specifications (IEEE 802.1) provide deterministic services, allowing the real-time transmission of data in a predictable framework within a known space of time, in industrial environments, such as control applications machines in the production process, from the sensor to the cloud (“cloud” according to established anglicism). TSN provides guaranteed latency and quality of service with time synchronization.
  • Time synchronization corresponding to the IEEE 802.1 AS standard, where all devices involved in real-time communication must have a common understanding of time;
  • the low latency corresponding for example to the IEEE 802.1 Qbv standard to ensure QoS quality of service
  • the high reliability corresponding for example to the IEEE 802.1 CB standard
  • the network configuration corresponding for example to the IEEE 802.1 Qcc standard.
  • time synchronization unlike the standard Ethernet of the IEEE 802.3 standard, time plays an important role in TSN networks.
  • all devices on that network must have a common time reference and must synchronize their clocks with each other. This is not only true for end devices in a communication stream, such as an industrial controller and manufacturing robot, but also for network components, such as Ethernet switches. Only through synchronized clocks is it possible to make all devices on the network work in unison and perform the required operations at exactly the right time.
  • Time synchronization in TSN networks can be achieved with different technologies. In theory, it is possible to set up all network equipment and switches with a Radio or GPS clock. That would be expensive and it is not guaranteed that the signal will always be accessible to everyone. For these reasons, time in TSN networks is usually distributed from a central time source directly through the network itself.
  • the TSN is initially designed for the Ethernet network.
  • FIG. 1a illustrates a simplified example of a hybrid wired/wireless TSN network 100, comprising two pieces of equipment (102, 110) able to communicate data through a succession of switches (“bridge or switch” 104 , 106,108) which are connected either to the equipment or to each other, by wired (103,107, 109) or non-wired (105) links.
  • the equipment 102 is wired 103 to a switch 104 which is connected by a wireless link 105 to a switch 106 which is connected by a wired link 107 to a switch 108 which is connected by a wired link 109 to an item of equipment 110.
  • switches (“bridge or switch” 104 , 106,108) which are connected either to the equipment or to each other, by wired (103,107, 109) or non-wired (105) links.
  • the equipment 102 is wired 103 to a switch 104 which is connected by a wireless link 105 to a switch 106 which is connected by a wired link 107 to a
  • a wired/wireless hybrid TSN network can comprise a plurality of TSN nodes made up of equipment, switches and wired and wireless links.
  • the TSN nodes within the meaning of the present invention can encompass any type of device or machine or apparatus, capable of transmitting and receiving data via the communication protocols implemented for the TSN network.
  • a node 102 having the role of master announces its clock as being the reference clock for the network, and it sends announcement messages to the other nodes of the network (104, 106, 108, 110), which have a slave role.
  • any node in the network can be designated as the master.
  • the node that plays the role of master is commonly named “GrandMaster” (GM), and the other nodes that play the role of slave are each named “Slave”.
  • the assignment of roles can be performed by a human or by an algorithm such as for example the “Best Master Clock Algorithm” (BMCA).
  • BMCA Best Master Clock Algorithm
  • the IEEE 802.1 AS standard which will be designated by AS in the remainder of the description, allows TSN devices (ie of the TSN network) to synchronize their clocks with the reference clock of a GM.
  • the known protocol “Precision Time Protocol” (PTP) and its improved version the protocol (gPTP) “Generalized Precision Time Protocol”, are used to synchronize the clocks. This protocol is established according to the principle of master clock and slave clocks.
  • the master clock serving as a time reference is called the "reference clock” and its time can possibly be synchronized (via GPS, NTP, etc.) on a
  • the TSN devices permanently exchange PTP or gPTP type messages.
  • the master respectively distributes the time signal to its slaves to determine the delay.
  • a timestamp in the form of a “PTP SYNC” synchronization message is sent at T1 from the master reference clock to the slave which determines the time of reception T2 of the timestamps from its own time.
  • the slave also transmits a delay request message at T3 to the master "Delay REQ", the time of which the master received T4 is then sent back to the slave as a delay response message "Delay RESP".
  • the master-slave delay 'T4-T3' and the slave-master delay 'T2-TT which are determined as the differences between the timestamps allow an average delay to be calculated '[(T4-T3) + (T2-T1)] / 2, from which the slave knows the difference between its clock and the master's clock, and which then allows it to adjust its clock.
  • the IEEE 802.1 Qbv standard designated by Qbv in the remainder of the description, contributes to guaranteed latency services in TSN.
  • the Qbv standard allows TSN switches to perform planning based on QoS quality of service in order, for example, to guarantee the quality of priority traffic.
  • Figure 1 b illustrates on the architecture 100 of the TSN network of Figure 1 a, an example with two network streams (112, 114) between two devices (102, 110), which can be programmed in transmission by switches (104, 106, 108) which periodically open their doors to transmit data for both streams. Moreover, if a stream has a higher priority, for example the first stream 112, then it is served longer than the second stream 114 of lower priority.
  • the AS and Qbv standards are important in future industrial communication systems, especially in smart factories with autonomous manufacturing systems. In these systems, devices such as robots, actuators, and sensors need to communicate with each other quickly because they need to react very quickly based on the command and control system, or based on some unexpected events. In this way, these systems can ensure the accuracy of a manufacturing process and minimize any defects.
  • the wired links offer great reliability in terms of delay and delay variation or “jitter”.
  • TSN services can be degraded due to unexpected wireless link delay and jitter.
  • the GM can then become inaccessible if the PTP or gPTP messages, that is to say the synchronization and announcement messages, are not received by the slaves for a certain time.
  • the authors presented the idea of GM deduplication, in order to have a main GM and a backup GM.
  • the TSN network is separated into two sub-domains (one speaks of domain and sub-domain PTP or gPTP), the sub-domains being defined to overlap and each of them covers the whole network.
  • the limitations of this approach are that it does not take into account how to select the backup GM, nor how to handle Qbv degradation.
  • the patent application WQ2020067977A1 deals with the interworking between a cellular communication network and a TSN network, and aims at mitigating the degradation of time synchronization.
  • the authors focused on how to get PTP messages through the wireless cellular network.
  • To calculate the residence time on the cellular domain the approach is based on "translators" which are placed at the entry and exit nodes of the domain and which take the timestamp of the PTP messages.
  • the Qbv is not taken into account in this approach.
  • a switch can switch from a normal operating mode with the primary GM to an operating mode with a secondary or redundant GM if the network detects that the primary GM is lost.
  • a node closest to the primary GM can serve as a secondary GM.
  • the slaves synchronize with the secondary GM and the procedure for selecting a new GM is not necessary.
  • This solution does not considers embedded wired networks which are generally smaller and less complicated than hybrid wired/wireless industrial networks.
  • This approach like that of the standard AS, does not consider the scenario where a wireless link separates a group of nodes from all the GMs.
  • no details are provided on how to select the secondary GM to mitigate jitter or clock skipping, and there is no mention of consideration for Qbv's performance degradation, nor that Qbv planning recovery.
  • the present invention meets these different needs.
  • An object of the present invention is to propose a method and a device for its implementation, making it possible to manage the performance degradation in wired/wireless hybrid time-sensitive networks (TSN), and more precisely to attenuate AS and Qbv performance degradation caused by clock drift and clock skipping.
  • TSN wired/wireless hybrid time-sensitive networks
  • Another object of the present invention is a method which aims to eliminate the drift factor of the frequency of the oscillator both on the device having the role of GM and on the slave equipment.
  • the principle of the invention is based on an approach called by domain and sub-domains to deal with both the problems of performance degradation for the AS and for the Qbv.
  • the invention proposes a new definition of a subdomain making it possible to adapt to a new hybrid wired/wireless TSN network topology.
  • the subdomains of the present invention instead of overlapping as in the AS standard, are separated from each other.
  • the wireless links will make it possible to establish virtual separations throughout a TSN network, in order to create several distinct sub-domains, each sub-domain grouping together a plurality of nodes, in smaller number than the nodes of the domain, and where all the nodes of the same subdomain are wired.
  • the method of the present invention operates in a modular manner, each module being a functional group corresponding to a sequence of independent steps.
  • the method of the invention comprises a sub-method making it possible to reorganize the general network by dividing it into a plurality of sub-domains, with a primary sub-domain and a plurality of secondary sub-domains, and to determine how to allocate a respective sub-domain to a set of equipment; a sub-method for determining how to select a secondary master or secondary GM in each sub-domain, a sub-method for determining how to calculate a Defer Time or Defer Time, and a sub-method for determining how to recover a corrected Qbv schedule.
  • each of the sub-methods is modifiable and adaptable, independently of the other sub-methods.
  • the present invention can be implemented in industrial systems such as a network of automation control systems. It can also be implemented in all other networks using the TSN protocol, such as the networks of future intelligent transport systems. Thus, the present invention is particularly suitable for a hybrid wired/wireless TSN network, even when it is a relatively large-scale network composed of numerous devices.
  • the present invention is not limited to these systems, and it can be applied to any system where TSN is used.
  • TSN autonomous driving systems where TSN is required to transmit critical traffic to infrastructures either inside a vehicle, or from vehicle to vehicle, or from a vehicle to road infrastructures.
  • the link between the vehicle and the infrastructures, which is generally wireless, is vulnerable.
  • the present invention can be advantageously used to overcome this vulnerability.
  • the invention can be implemented directly on hardware and/or software. It can take the form of a product for providers of industrial systems solutions sold to customers such as factory owners. These solutions can be purely hardware, purely software or both. Software solutions can be provided through software and firmware updates.
  • the invention may also be of direct interest to factory owners who can implement it themselves and use it in their factory. It can also find application with network equipment suppliers, in particular 5G/6G equipment suppliers.
  • the advantageous characteristics of the present invention are mainly the following: it is not based on complex algorithms; it is widely applicable in the field of smart manufacturing and Industry 4.0, which is a rapidly growing market; it deals with the most important problems of the AS and Qbv standards, which are clock drift and clock jumping. These two standards are also among the most important TSN standards; it addresses the problem of inaccessible GM, which is highly possible in hybrid wired-wireless networks. This issue is particularly important in critical industrial systems because it can affect the timing and quality of manufacturing processes; it is based on the concept of "hot-standby GM" present in the AS standard, thus avoiding the introduction and implementation of new concepts in the standard; it is based on independent subdomains that have their own secondary GM to sync with.
  • the invention also relates to a device for managing the performance degradation of a time-sensitive network TSN comprising a plurality of nodes, a node being a data stream transmitter and/or receiver device or a stream transmitter switch data, the nodes being connected by wired links or wireless links, the TSN network having a node acting as GM master according to the TSN principles to announce its clock as the reference clock to the slave nodes of the network, the device comprising means for implementing the steps of the method of the invention.
  • the invention addresses the use of the claimed device, in a centralized time-sensitive network, the architecture of the centralized network being an architecture implemented according to the so-called “Software Defined Network” model.
  • the invention also relates to a computer program product which comprises code instructions making it possible to perform the steps of the method of the invention, when the program is executed on a computer.
  • FIG.1a illustrates a simplified example of a wired/wireless hybrid TSN network
  • FIG.1 b illustrates on the TSN network architecture of Figure 1a, an example of two flows between two devices
  • FIG.2 illustrates another simplified example of a wired/wireless hybrid TSN network making it possible to implement the invention in an industrial context, according to one embodiment
  • FIG.3a illustrates subdomains on the example of the network architecture of Figure 1a, according to one embodiment of the invention
  • FIG.3b illustrates a broken wireless link between the subdomains of Figure 3a, according to one embodiment of the invention
  • FIG.4 is a flowchart to illustrate the different functionalities operated by different equipment of a wired/wireless hybrid TSN network I, in one embodiment of the invention
  • FIG.5a is a temporal representation of the cyclic planning to transmit flows via wired and wireless switches of a hybrid TSN network
  • FIG.5b illustrates the re-establishment of a lost wireless link, and the drift of the clocks of the wired and wireless switches for the temporal representation of FIG. 5a;
  • FIG.5c illustrates a resetting of the clocks of the wired and wireless switches
  • FIG.6 is a temporal representation of different steps of the method of the invention, in an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 presents a simplified TSN network topology to allow the principles of the present invention to be described clearly.
  • Figure 2 presents a simplified TSN network topology to allow the principles of the present invention to be described clearly.
  • Those skilled in the art will be able to generalize these principles to any other environment, whatever the application domain, whatever the complexity of the network topology.
  • Figure 2 includes a controller 202 of an automation system 200, configured to communicate with end devices (210, 212) by wired and wireless paths via different switches (204, 206, 208).
  • the end equipment can be robots 212 and sensors 210.
  • the controller 202 of the automation system is located on a remote site separated from the field devices (206, 208, 210, 212) by a wireless link, for example a 5G link.
  • a wireless link for example a 5G link.
  • robots (212) and actuators are generally separated from the sensors (210) by wireless links of a local network, for example a WLAN network.
  • a local network for example a WLAN network.
  • the implementation of TSN standards allows network equipment to synchronize their clocks and transfer network traffic deterministically, that is to say with a limited range of drift and latency.
  • the devices must have a common clock time for the 212 robots to synchronize their movements and perform very precise actions.
  • the common clock time also allows the robots to quickly receive signals from the controller 202 and the sensors 210, in order to react in real time to operational events and thus avoid manufacturing defects.
  • the controller 202 is designated as being the device which has the role of GrandMaster and which holds the reference clock on which all the slave clocks of the TSN network are synchronized.
  • the method of the invention which makes it possible to attenuate the impact of clock drift on the AS and the impact of clock skipping on Qbv scheduling, comprises two mechanisms.
  • the first mechanism consists in creating sub-domains of the general domain of the network where each sub-domain groups together several nodes of the network, and in allocating for each sub-domain, apart from the one which contains the GrandMaster, a backup GrandMaster or Redundancy GrandMaster or "Hot-Standby GM".
  • the second mechanism of the invention consists in coordinating the TSN switches before applying corrected Qbv schedules, if there is potentially a significant clock jump.
  • Figures 3a and 3b illustrate the first mechanism for creating subdomains with backup GrandMaster, for the simplified TSN network topology of Figure 1a.
  • the references of identical elements remain the same.
  • the general domain 302 of the TSN network (gPTP or PTP domain, but to simplify the description it is only mentioned gPTP) is divided into several sub -gPTP domains (304, 306), and a fallback GM 108 is assigned to each subdomain except the one that contains the primary GM 102.
  • the subdomains are assigned such that two subdomains are only separated by wireless links.
  • subdomain 304 is separated from subdomain 306 by wireless link 105.
  • Another rule can, for example, be defined such that each subdomain must have at least one node with a very precise clock, for example, the Global Positioning System (GPS) clock.
  • GPS Global Positioning System
  • Each subdomain thus has an ingress node, which is the node in wireless connection with another subdomain.
  • node 106 is the entry node to subdomain 306.
  • the first mechanism consists in assigning a redundant GM role to a node for each sub-domain.
  • assigning the role of redundancy GM to a node consists of determining and selecting from among all the nodes of the same sub-domain, the node whose clock frequency best corresponds to that of the primary GM, i.e. to which it is closest.
  • the assignment of the role of redundancy GM to a node consists in determining and selecting among all the nodes of the same subdomain, the node whose clock is the most precise.
  • the topology of a TSN network after the application of the first subdomain creation mechanism contains three types of nodes which are: the main GM node, redundancy GM nodes, and slave nodes.
  • node 108 is designated redundancy GM for subdomain 306 grouping the nodes (106, 108, 110), node 102 being the initial GM of the global TSN network and becoming the GM of its subdomain 304 grouping the nodes (102, 104).
  • main GM When a node is designated as the main GM, it is configured for and assigned only to the role of master.
  • a node When a node is assigned to be a slave, it is configured for and assigned only to the slave role.
  • a node is assigned to be a redundant GM, it is configured to sometimes act as a slave, and sometimes to act as both slave and master for its subdomain.
  • the node 102 is configured to act only as a master (i.e. GM of the subdomain 304); the nodes (104, 106, 110) are configured to act only as slaves; the node 108 is configured to act either only as a slave when the wireless link between the subdomains (304, 306) is active, or to act as a slave and master of its subdomain 306 when the wireless link between the subdomains (304, 306) is broken.
  • a master i.e. GM of the subdomain 304
  • the nodes (104, 106, 110) are configured to act only as slaves
  • the node 108 is configured to act either only as a slave when the wireless link between the subdomains (304, 306) is active, or to act as a slave and master of its subdomain 306 when the wireless link between the subdomains (304, 306) is broken.
  • the network has a main GM designated primary GM which is assigned to the whole of the network and to a sub-domain primary, and it has as many backup GMs (“hot-standby GMs” in English) designated secondary GMs, as there are secondary sub-domains 'n-T.
  • a secondary GM synchronizes its clock with the primary GM like any other slave node of the network.
  • the time synchronization via PTP IEEE 802.1 AS can be evaluated using simple software, i.e. the difference between the clock frequency of each node and the frequency of The primary GM clock is measured by AS software, in the form of a clock frequency correction.
  • the primary GM When the primary GM is inaccessible, for example if the wireless link 105 between the primary subdomain 304 and a secondary subdomain 306 is down as illustrated in FIG. 3b, the clocks of the slave nodes which have a clock frequency different from that of the primary GM will start to drift.
  • the primary GM 102 when the primary GM 102 is inaccessible and the slaves of one or more other subdomains can no longer synchronize with precision on this GM, all the slaves (106, 110) belonging to the same subdomain will synchronize on the secondary GM 108 assigned to their subdomain.
  • the slave nodes (106, 110) will synchronize on the secondary GM 108 of the subdomain 306 to which they belong. Since the secondary GM was selected as being the node of this subdomain which has a clock frequency closest to that of the primary GM, the difference between the clock of the primary GM and the clocks of the slaves decreases , and AS performance degradation is reduced.
  • the method of the invention operates in a distributive and independent manner between the sub-domains.
  • clock drift is detected at each subdomain by the secondary GM.
  • Clock drift detection is then independent between subdomains, which means that clock drift can be detected in one subdomain but not detected in another subdomain.
  • Figure 4 illustrates on a flowchart, the different functionalities operated by the different equipment of a wired/wireless hybrid TSN network, in one embodiment of the invention.
  • An “initiator” entity 402 is configured to create a plurality of subdomains in a TSN network, then select and assign the role of secondary GM 406 to a node in each subdomain.
  • the initiator may be the same entity that appoints the initial GM of the global TSN network.
  • the initiator can be either a person, or a distributed algorithm, or a centralized algorithm that runs on a centralized controller such as a Software Defined Network (SDN) controller.
  • SDN Software Defined Network
  • SDN approach corresponds to a network architecture model that allows network administrators to manage network services by abstracting functionalities, to control or configure the network in such a way intelligent and centralized using software applications.
  • This consists of a set of technologies having the following common points: - centralized control of network resources;
  • a TSN network is made up of a plurality of devices which are sources and/or recipients of data streams in the TSN network.
  • a centralized network configuration system comprises an SDN controller coupled to a functional entity which comprises software applications of the SDN service type, and which may in particular comprise a software application making it possible to perform steps of the method of the invention.
  • This functional entity implemented in the form of an SDN service interfaces with the SDN controller via an interface
  • the SDN controller interfaces with the TSN network via its “Southbound” interface, in particular towards TSN switches and optionally directly towards destination nodes (“EndNodes” TSN).
  • the SDN service is implemented within the CNC/CUC, "Centralized Network Configuration / Centralized User Configuration” according to the accepted Anglicism, as a computer program comprising code instructions making it possible to carry out steps of the method of the invention in the operational phase of the network.
  • the initial GM of the global network becomes the primary GM 404 for all the sub-domains and it acts only as master, broadcasting 405 in a common and known manner SYNC messages to the slave nodes of the network.
  • a secondary GM node acts only as a slave, and it receives and accepts 407 SYNC messages from the primary GM in a known manner, in order to synchronize with the primary GM. at any time.
  • Each secondary GM will then enter a checking loop, to check 409 on a regular basis whether a clock drift with the clock of the primary GM is observed.
  • the method makes it possible to determine whether the clock frequency correction value which is calculated continuously, for example by the AS software, corresponds to a clock drift. As long as the value is below a threshold, the verification continues (non branch of 409).
  • the threshold value is chosen based on the timing accuracy requirement of the real system application (eg, a robot system in the factory).
  • the threshold value is configurable, and may be initially chosen by the person configuring the TSN network, or chosen by algorithm.
  • a clock drift occurs.
  • the sub-process at the secondary GM maintains the node as a slave of the primary GM, and it additionally activates 411 a local GM function, to allow the secondary GM to simultaneously act as the local GM for all nodes belonging to its subdomain.
  • the secondary GM that is activated broadcasts 413 SYNC synchronization messages to all nodes in its subdomain, and checks 413 on a regular basis if a clock drift is detected by determining if the clock frequency correction value that is calculated continuously, corresponds to a clock drift.
  • the secondary GM continues to act as local master for all the nodes of its subdomain. If no drift is detected anymore (branch no of 413), the method makes it possible to deactivate the local master function and keeps active only the slave function of the primary GM.
  • each node acts 415 as a slave of the primary GM, by receiving 415 in a known manner the SYNC synchronization messages from the primary GM, in order to synchronize with the primary GM at any time.
  • Each slave node will then check 417 on a regular basis if it receives a SYNC synchronization message from the secondary GM of its subdomain to which it belongs.
  • a slave node When a slave node receives a local SYNC synchronization message, ie from the secondary GM of its membership sub-domain which then acts as local master, it continues to act as a slave by receiving and accepting 419 local SYNC messages as long as they are sent by the secondary GM.
  • the slaves When the primary GM becomes accessible again, the slaves immediately resynchronize with the primary GM. At this point, the secondary GM ceases to act as the local master for its subdomain, while continuing to synchronize with the primary GM.
  • the method of the present invention implements steps which make it possible to coordinate the TSN switches between them, before applying the corrected Qbv schedules.
  • FIGs 5a to 5c illustrate the restoration method according to the invention for the example of Figures 3a and 3b where:
  • FIG. 5a is a time representation of a Qbv planning cycle for transmitting two streams (112, 114) via wired 108 and wireless (104, 106) switches of a hybrid TSN network according to Figure 3a.
  • stream 112 has a higher priority than stream 114, which is represented by a longer cycle time;
  • FIG. 5c illustrates a resetting of the clocks of the wireless 106 and wired 108 switches with the application of the corrected planning cycle Qbv.
  • the switches of the isolated sub-domain can again synchronize each of their clock frequency and their clock time. with the main GM (principle of accepting SYNC messages sent by the main GM), but they do not yet apply the new corrected Qbv cycle, i.e. the cycle is planned but it is not yet executed.
  • a deferral time is determined by each TSN switch of the same secondary sub-domain, as illustrated in FIG. 5c. During this delay time, the switches are in standby mode before applying a new corrected Qbv cycle. For the duration of the deferral time, however, each switch continues to run its scheduled Qbv schedule.
  • the deferral time is calculated using the exchanges of PTP messages.
  • a preliminary step makes it possible to define a "DomainJD" identifier for each sub-domain and an initial accumulated delay value “Accumulated_Delay” between the entry node of the sub-domain concerned and the node which is furthest from it in this sub-domain.
  • the domain identifier makes it possible to identify in a PTP message the subdomain concerned by the message which can cross several subdomains. Nodes (i.e. equipment) in a subdomain only work with PTP messages that belong to their subdomain.
  • the furthest node is the node that requires the greatest number of hops to be reached.
  • Each subdomain updates and maintains its DomainJD ID and accumulated delay value Accumulated_Delay.
  • the identifier DomainJD and the initial accumulated delay value Accumulated_Delay are defined either by a person who configures the TSN network, or by a distributed algorithm, or by a centralized algorithm which executes on a centralized controller such as a software-defined network (SDN) controller.
  • SDN software-defined network
  • the method makes it possible to use the Suffix field in the header of PTP or gPTP messages, in particular the Suffix field of Sync messages and Pdelay_Req messages to declare the identifier of the DomainJD domain, the initial value of the accumulated delay AccumulatedJDelay then its update (current value of the accumulated delay).
  • the method of the invention allows each node of a secondary subdomain to update the value of the accumulated delay AccumulatedJDelay.
  • the update of the AccumulatedJDelay value is done by adding a 'Pdelay' value to the current value of the Accumulated_Delay inherited from its neighbor when receiving a Pdelay_Resp message.
  • the entry node of a subdomain for example the wireless switch 106 of the subdomain 306 of FIG. 3a, knows (by the value of the AccumulatedJDelay field in the last message Pdelay J ⁇ eq received), the accumulated delay towards its furthest node, that is to say the node 110 of FIGS. 3a and 3b.
  • Another phase of the invention occurs when it is determined that the main GM becomes accessible again after a wireless link with a subdomain has been broken.
  • the ingress node of each subdomain will then use another Suffix field, referred to as the 'flag field, to announce to all switches in its subdomain that they are to defer for a certain amount of time - the defer time - the application of a new corrected Qbv cycle.
  • the 'flag field another Suffix field
  • the indication of the activation of a delay time can for example result in the change of the value of a bit in the flag field (0 or 1).
  • the value of the delay time, identified by a variable ‘t’ in figure 6, corresponds for each node to the value of the accumulated delay Accumulated_Delay for this node.
  • Figure 6 illustrates for several nodes (N1, N2, ... Ni, ..., Nn) of a subdomain having the identifier "Subdomain2", the evolution of the different fields of the Suffix put implemented during the propagation of a PTP message 602.
  • a field the one on the left, is reserved for entering the identifier of the domain, here indicated at 2 for reasons of simplicity;
  • a field, i.e. the central field named 'flag' is reserved to indicate the moment to trigger the application of a new corrected Qbv schedule.
  • the example in Figure 6 illustrates the exchanges of a plurality of PTP messages between the different nodes N1 to Nn, for a first phase P1 where the primary GM belonging to a primary subdomain "Subdomain1" is approachable; then for a second phase P2 where the primary GM is inaccessible, the wireless link between the primary subdomain and the secondary subdomain being broken, the PTP messages from the primary subdomain no longer reach the secondary subdomain; then for a third phase P3 where the primary GM becomes accessible again, and PTP messages can again be received by the secondary sub-domain.
  • a message 601 from the primary subdomain arrives at the entry node N1 of the subdomain 2.
  • the node updates the identifier of its domain in the corresponding field, the Suffix fields indicating then respectively “2 / 0 / 0”, and the message 602-1 is propagated from the node input Nl to the next neighbor node N2, which in the example has been assigned the role of secondary GM.
  • the node N2 relays the message 602-1 to its neighboring node N3, and so on until the last node Nn of the subdomain 2 which is the farthest node (in number of hops) from the entry node N1.
  • each node computes in a conventional PTP manner a value ‘d’ for the delay offset Pdelay.
  • each node updates the value of the accumulated delay in the Accumulated-Delay field when it receives a Pdelay_Req message from a neighbor.
  • the nodes when the “Accumulated_Delay” field contains a value signifying that the accumulated delay is zero (value equal to 0 or empty field for example), the nodes consider this field to be empty and ignore it; and if the "Accumulated_Delay” field is not empty or contains a value meaning that there is an accumulated delay, the nodes take into account the value contained in this field.
  • the accumulated delay value is propagated from the furthest node to the ingress node, in back propagation mode.
  • the value of the accumulated delay is in the example equal to 4.
  • the node N2+1 propagates towards its neighbor N2 with a message Pdelay_Req (602-3), the value of the accumulated delay. After several rounds of this propagation, each node knows the accumulated delay of itself at the node farthest from the ingress node.
  • Each node stores in a local memory the value of the accumulated delay received by its neighbor, as a variable 't' which makes it possible to calculate the delay time before the application of the corrected Qbv planning.
  • This accumulated delay value is stored by the input node N1 as variable 't' to define the delay time.
  • the entry node N1 of the secondary subdomain upon receipt of a new SYNC message, modifies the value of the 'Flag' field (for example from 0 to 1), before sending the new message 602-6 to its neighboring node N2.
  • the propagation of the SYNC message informs the other nodes to prepare to apply a new corrected Qbv schedule.
  • each node On receipt of the SYNC message, each node starts a counter to count down a postponement time, equal to the last value of the variable 't' that it has stored, before the application of the corrected Qbv planning.
  • the corrected planning is applied 604 at the same time for all the nodes of the restored sub-domain.
  • the delay time can consist of pre-defining a value large enough so that this value is most of the time greater than the accumulated delay of transmitting a packet between any two nodes inside the network. same subdomain.
  • the application of a corrected Qbv schedule is done for all the nodes of the restored subdomain, after counting down the predefined postponement time value.
  • Figure 5c illustrates an example where the wired and wireless switches apply a new corrected Qbv schedule, after 6 clock cycles, a value which has been predefined as the carry time value, for a base cycle of 10 clock cycles.
  • the process for defining or calculating the deferral time is performed locally within each sub-domain. Throughout a TSN network, this is done subdomain by subdomain in a propagative fashion. In other words, each subdomain computes and maintains its deferral time distributively locally within its subdomain. This way, the deferral time can differ from one subdomain to another.
  • the deferral time calculation process is performed in a distributed manner for at least two reasons.
  • the clocks of the same subdomain are synchronized more precisely than the clocks between different subdomains.
  • a method has been described for mitigating the degradation of Qbv due to the inaccessibility of the main GM.
  • the method can be applied to other scenarios, such as for example, it can be implemented for a TSN network which has a frequently congested link.

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Abstract

La présente invention propose un procédé pour atténuer les dégradations de performances d'un réseau hybride filaire/sans-fil IEEE 802.1 Time Sensitive Network (TSN), en termes de synchronisation temporelle et de planification de la qualité de service (QoS). Le procédé permet d'atténuer l'impact de la dérive d'horloge sur l'AS et l'impact du saut d'horloge sur l'ordonnancement Qbv. Le procédé comprend deux mécanismes qui consistent (i) à regrouper les nœuds du réseau en sous-domaines et attribuer un GrandMaster de redondance par sous-domaine; et (ii) à coordonner les commutateurs TSN d'un sous-domaine avant d'appliquer un ordonnancement Qbv corrigé.

Description

DESCRIPTION
Titre de l’invention : Dispositif et procédé de gestion de la dégradation de performances dans les réseaux TSN hybrides fi laire/sans-fil [0001] Domaine de l’invention
[0002] La présente invention est dans le domaine des réseaux sensibles au temps (TSN) (« Time Sensitive Network » selon l’anglicisme consacré), et plus particulièrement de tels réseaux TSN ayant des liaisons filaires et des liaisons sans- fil. L'invention propose des procédés et dispositifs pour traiter les dégradations de performances dans les réseaux TSN filaires/sans-fil, encore désignés par réseaux TSN hybrides filaires/sans-fil ou de manière plus condensée par réseaux TSN hybrides dans la présente description. L’invention adresse en particulier les dégradations de la synchronisation temporelle et de la planification avec considération de la qualité de service (« QoS Scheduling selon l’anglicisme consacré).
[0003] Etat de la Technique
[0004] TSN est un ensemble de normes, définies par le groupe de travail IEEE 802.1 , qui étendent le réseau Ethernet afin de répondre aux exigences strictes des communications en temps réel.
[0005] La transmission de données des applications critiques en temps réel (par exemple les régulations rapides, l'acquisition de signaux dans les réseaux électriques ou le contrôle des mouvements) et des applications à forte intensité de données (par exemple les flux vidéo ou les systèmes informatiques) est aujourd'hui mise en œuvre dans des réseaux séparés afin d'éviter les interférences mutuelles. La flexibilisation et la numérisation croissantes des processus de travail ont toutefois nécessité une fusion croissante de l'informatique et de l'exploitation industrielle, et par conséquent une fusion des systèmes auparavant séparés. En étendant et en adaptant les standards Ethernet existants, le TSN crée une convergence entre la technologie de l'information (IT) et la technologie de l'exploitation industrielle (OT) dans les réseaux industriels. Cela signifie que les données critiques en temps réel et les applications à forte intensité de données peuvent être mises en œuvre sur un câble Ethernet commun sans interférer les unes avec les autres. [0006] Les spécifications TSN (IEEE 802.1) fournissent des services déterministes, permettant la transmission en temps réel de données dans un cadre prévisible à l’intérieur d’un espace de temps connu, dans les environnements industriels, tels que les applications de contrôle des machines dans les processus de production, du capteur au nuage (« cloud » selon l’anglicisme consacré). TSN offre une latence et une qualité de service garanties avec la synchronisation temporelle.
[0007] Les différents documents de la norme TSN offrent une solution de communication en temps réel complète lorsqu'ils sont utilisés ensemble de manière concertée. Les spécifications relèvent généralement de quatre catégories :
La synchronisation temporelle correspondant à la norme IEEE 802.1 AS, où tous les équipements qui participent à la communication en temps réel doivent avoir une compréhension commune du temps ;
La faible latence correspondant par exemple à la norme IEEE 802.1 Qbv pour assurer une qualité de service QoS ;
La haute fiabilité correspondant par exemple à la norme IEEE 802.1 CB ;
La configuration réseau correspondant par exemple à la norme IEEE 802.1 Qcc.
[0008] Concernant la synchronisation temporelle, contrairement à l'Ethernet standard de la norme IEEE 802.3, le temps joue un rôle important dans les réseaux TSN. Pour une communication en temps réel, avec des anomalies et des limites de temps non négociables pour les latences de transmission de bout en bout, tous les périphériques de ce réseau doivent avoir une référence de temps commune et doivent synchroniser leurs horloges entre eux. Ceci n'est pas seulement vrai pour les équipements finaux d'un flux de communication, tels qu'un contrôleur industriel et un robot de fabrication, mais également pour les composants du réseau, tels que les commutateurs Ethernet. Ce n'est que par l'intermédiaire d'horloges synchronisées qu'il est possible de faire fonctionner à l'unisson tous les appareils du réseau et leur faire exécuter les opérations requises exactement au moment voulu.
[0009] La synchronisation temporelle dans les réseaux TSN peut être réalisée avec différentes technologies. En théorie, il est possible de mettre en place tous les équipements et commutateurs réseau avec une horloge Radio ou GPS. Cela coûterait cher et il n'est pas garanti que le signal soit toujours accessible par tous. Pour ces raisons, le temps dans les réseaux TSN est généralement distribué à partir d'une source de temps centrale directement via le réseau lui-même.
[0010] Par ailleurs, le TSN est initialement conçu pour le réseau Ethernet. Pourtant, il existe actuellement des demandes croissantes pour un réseau TSN sans fil et un réseau TSN hybride filaire/sans-fil.
[0011] La figure 1a illustre un exemple simplifié d’un réseau TSN hybride filaire/sans- fil 100, comprenant deux équipements (102, 110) pouvant communiquer des données au travers d’une succession de commutateurs (« bridge ou switch » 104, 106,108) qui sont reliés soit aux équipements, soit entre eux, par des liens filaires (103,107, 109) ou non-filaires (105). Sur l’exemple de la figure 1a, l’équipement 102 est relié en filaire 103 à un commutateur 104 qui est relié par un lien sans-fil 105 à un commutateur 106 qui est relié par un lien filaire 107 à un commutateur 108 qui est relié par un lien filaire 109 à un équipement 110. L’homme du métier comprend que la représentation du réseau TSN hybride de la figure 1a est simplifiée à l’extrême pour permettre d’exposer la problématique de dégradation des performances de manière claire. Cette représentation est non limitative, et un réseau TSN hybride filaire/sans-fil peut comprendre une pluralité de nœuds TSN faits d’équipements, de commutateurs et des liens filaires et sans-fil. Les nœuds TSN au sens de la présente invention peuvent englober tout type de dispositif ou machine ou appareil, apte à émettre et recevoir des données via les protocoles de communication mis en œuvre pour le réseau TSN.
[0012] Dans le réseau de la figure 1a, un nœud 102 ayant le rôle de maître selon les principes TSN, annonce son horloge comme étant l’horloge de référence pour le réseau, et il envoie des messages d’annonce aux autres nœuds du réseau (104, 106, 108, 110), qui eux ont un rôle d'esclave.
[0013] En général, n'importe quel nœud du réseau peut être désigné comme maître. Le nœud qui joue le rôle de maître est communément nommé « GrandMaster » (GM), et les autres nœuds qui jouent le rôle d'esclave sont chacun nommé « Slave ». L’affectation des rôles peut être effectuée par un humain ou par un algorithme tel que par exemple le « Best Master Clock Algorithm » (BMCA). [0014] La norme IEEE 802.1 AS, que l’on désignera par AS dans la suite de la description, permet aux appareils TSN (i.e. du réseau TSN) de synchroniser leurs horloges avec l'horloge de référence d'un GM. Le protocole connu « Precision Time Protocol » (PTP) et sa version améliorée le protocole (gPTP) « Generalized Precision Time Protocol », sont utilisés pour synchroniser les horloges. Ce protocole est établi selon le principe d'horloge maître et d'horloges esclaves. L'horloge maître servant de référence temporelle est appelée « horloge de référence » et son heure peut être éventuellement synchronisée (via GPS, NTP, etc) sur une horloge appelée horloge globale.
[0015] Les appareils TSN échangent en permanence des messages de type PTP ou gPTP. En fonctionnement, le maître distribue respectivement le signal horaire à ses esclaves afin de déterminer le retard. A cet effet, un horodatage sous forme de message de synchronisation « PTP SYNC » est envoyé en T1 de l'horloge de référence maître à l'esclave qui détermine l'heure de réception T2 des horodatages à partir de sa propre heure. L'esclave transmet également un message en T3 de demande de délai au maître « Delay REQ », dont l'heure de réception T4 par le maître est ensuite renvoyée à l'esclave en tant que message de réponse de délai « Delay RESP ». Le délai maître-esclave ‘T4-T3’ et le délai esclave-maître ‘T2-TT qui sont déterminés comme les différences entre les horodatages permettent de calculer un délai moyen ‘[(T4-T3) + (T2-T1)] / 2, à partir duquel l’esclave connait la différence entre son horloge et l’horloge du maître, et qui lui permet alors de régler son horloge.
[0016] Concernant la qualité de service, la norme IEEE 802.1 Qbv, désignée par Qbv dans la suite de la description, contribue aux services de latence garantie dans TSN. La norme Qbv permet aux commutateurs TSN d'effectuer une planification basée sur la qualité de service QoS afin, par exemple, de garantir la qualité du trafic prioritaire.
[0017] La figure 1 b illustre sur l’architecture 100 du réseau TSN de la figure 1 a, un exemple avec deux flux de réseau (112, 114) entre deux équipements (102, 110), qui peuvent être programmés en transmission par des commutateurs (104, 106, 108) qui ouvrent périodiquement leurs portes pour transmettre des données pour les deux flux. De plus, si un flux a une priorité plus élevée, par exemple le premier flux 112, il est alors servi plus longtemps que le deuxième flux 114 de priorité inférieure. [0018] Les normes AS et Qbv sont importantes dans les futurs systèmes de communication industriels, en particulier dans les usines intelligentes dotées de systèmes de fabrication autonomes. Dans ces systèmes, les appareils tels que les robots, les actionneurs et les capteurs doivent communiquer entre eux rapidement car ils doivent réagir très vite en fonction du système de commande et de contrôle, ou en fonction de certains événements inattendus. De cette façon, ces systèmes peuvent garantir la précision d’un processus de fabrication et minimiser tout défaut.
[0019] Dans TSN pour Ethernet, les liens filaires offrent une grande fiabilité en termes de délai et de variation du délai ou « jitter ». Lorsque ces liens filaires coexistent avec des liens sans fil, les services TSN peuvent alors être dégradés en raison d'un délai et d'un jitter inattendus des liens sans fil.
[0020] Le GM peut alors devenir inaccessible si les messages PTP ou gPTP, c'est-à- dire les messages de synchronisation et d'annonce, ne sont pas reçus par les esclaves pendant un certain temps.
[0021] Deux raisons principales à l’inaccessibilité d’un GM sont (i) le dysfonctionnement du GM et (ii) le manque de fiabilité des liens sans fil. Il ressort alors des impacts de cette inaccessibilité du GM sur les normes AS et Qbv.
[0022] L’impact sur l'AS est tel que lorsque le GM est inaccessible, les horloges des équipements esclaves peuvent dériver par rapport à l'horloge de référence du GM. Cette dérive d'horloge provoque alors une imprécision dans la synchronisation temporelle.
[0023] L’impact sur le Qbv est tel que lorsque le GM est de nouveau accessible et joignable, les horloges des équipements esclaves sont de nouveau synchronisées avec l'horloge de référence du GM, mais la resynchronisation peut potentiellement provoquer un saut ou un décalage significatif des horloges des esclaves. Cette dérive d'horloge et ce saut ou décalage d'horloge peuvent entraîner une imprécision ou une planification asynchrone dans Qbv.
[0024] Il existe des approches connues pour aborder ces problématiques.
[0025] Dans les normes IEEE 802.1AS 2019 et 802.1AS 2020, les auteurs ont présenté l'idée d’une déduplication du GM, afin d’avoir un GM principal et un GM de secours. Le réseau TSN est séparé en deux sous-domaines (on parle de domaine et sous-domaine PTP ou gPTP), les sous-domaines étant définis pour se superposer et chacun d'eux couvre l'ensemble du réseau. Les limites de cette approche sont qu’elle ne prend pas en compte la manière de sélectionner le GM de secours, ni la manière de gérer la dégradation de Qbv.
[0026] Certaines publications ne discutent que de la problématique de la dérive d'horloge et de l'amélioration des performances du PTP dans les réseaux locaux sans fil industriels, mais sans considérer Qbv.
[0027] D’autres articles proposent des solutions pour améliorer la précision de l’AS en estimant les retards et la dérive d'horloge d’un réseau hybride filair/sans-fil. Ils introduisent un filtre « Path Deviation Delay » pour exclure les valeurs de retard aberrantes causées par un encombrement ou une perte.
[0028] La demande de brevet WQ2020067977A1 traite de l’interfonctionnement entre un réseau de communication cellulaire et un réseau TSN, et vise à l'atténuation de la dégradation de la synchronisation temporelle. Les auteurs se sont concentrés sur la façon de faire passer les messages PTP via le réseau cellulaire sans fil. Pour calculer le temps de résidence sur le domaine cellulaire l’approche est basée sur des « traducteurs » qui sont placés aux nœuds d'entrée et de sortie du domaine et qui prennent l’horodatage des messages PTP. Cependant, le Qbv n'est pas pris en compte dans cette approche.
[0029] Les brevets U.S. 9,577,817 et U.S. 9,692,614 proposent d’utiliser un GM redondant pour améliorer les performances de la synchronisation horaire d’un réseau embarqué dans un véhicule. Cependant, ces solutions ne concernent que les réseaux filaires embarqués et ne discutent pas les questions de « comment sélectionner le GM redondant ? », « comment attribuer des sous-domaines ? », et « comment gérer la dégradation de Qbv ? ».
[0030] Plus précisément, dans le brevet précité U.S. 9,692,614, les auteurs ont proposé qu'un commutateur puisse basculer d'un mode de fonctionnement normal avec le GM primaire à un mode de fonctionnement avec un GM secondaire ou redondant si le réseau détecte que le GM primaire est perdu. A titre d'exemple, un nœud le plus proche du GM primaire peut servir de GM secondaire. Lorsque le GM principal redémarre, les esclaves se synchronisent avec le GM secondaire et la procédure de sélection d'un nouveau GM n'est pas nécessaire. Cette solution ne considère que les réseaux filaires embarqués qui sont généralement plus petits et moins compliqués que les réseaux hybrides filaires/sans-fils industriels. Cette approche, tout comme celle de l'AS standard, ne considère pas le scénario où un lien sans-fil sépare un groupe de nœuds de tous les GM. Enfin, il n’est pas fourni de détails sur la façon de sélectionner le GM secondaire pour atténuer le jitter ou le saut d'horloge, et il n’est pas évoqué une prise en compte de la dégradation des performances de Qbv, ni celle de la récupération de la planification Qbv.
[0031] Aussi, il n’existe pas de solution pour les réseaux TSN hybrides filaire/sans-fil, qui permette de traiter des dégradations de performances, en particulier de traiter conjointement les dégradations de la synchronisation temporelle et de planification avec considération de la qualité de service.
[0032] La présente invention répond à ces différents besoins.
[0033] Résumé de l’invention
[0034] Un objet de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif pour sa mise en œuvre, permettant de gérer la dégradation de performances dans les réseaux sensibles au temps (TSN) hybrides filaire/sans-fil, et plus précisément atténuer la dégradation des performances de l'AS et du Qbv, causée par la dérive d'horloge et le saut d'horloge.
[0035] Un autre objet de la présente invention est un procédé qui vise à supprimer le facteur de dérive de la fréquence de l'oscillateur à la fois sur le dispositif ayant le rôle de GM et sur les équipements esclaves.
[0036] De manière générale, le principe de l'invention repose sur une approche dite par domaine et sous-domaines pour traiter à la fois les problématiques de dégradation de performances pour l'AS et pour le Qbv.
[0037] L’invention propose une nouvelle définition d’un sous-domaine permettant de s'adapter à une nouvelle topologie de réseau TSN hybride filaire/sans-fil. Les sous- domaines de la présente invention, au lieu de se superposer comme dans la norme AS, sont séparés les uns des autres. Les liens sans fil vont permettre d’établir sur l'ensemble d’un réseau TSN des séparations virtuelles, afin de créer plusieurs sous- domaines distincts, chaque sous-domaine regroupant une pluralité de nœuds, en nombre plus réduit que les nœuds du domaine, et où tous les nœuds d’un même sous-domaine sont reliés en filaire.
[0038] Avantageusement, le procédé de la présente invention opère de manière modulaire, chaque module étant un groupe fonctionnel correspondant à un enchainement d’étapes indépendant. Ainsi, le procédé de l’invention comprend un sous-procédé permettant de réorganiser le réseau général en le divisant en une pluralité de sous-domaines, avec un sous-domaine primaire et une pluralité de sous- domaines secondaires, et de déterminer comment attribuer un sous-domaine respectif à un ensemble d’équipements ; un sous-procédé permettant de déterminer comment sélectionner un maître secondaire ou GM secondaire dans chaque sous- domaine, un sous-procédé permettant de déterminer comment calculer un temps de report ou délai d’attente (« Defer Time » en anglais), et un sous-procédé permettant de déterminer comment récupérer une planification Qbv corrigée.
[0039] De manière avantageuse, en fonction des caractéristiques et des exigences du système réel pour lequel le procédé est mis en œuvre, chacun des sous-procédés est modifiable et adaptable, indépendamment des autres sous-procédés.
[0040] La présente invention peut être mise en œuvre dans des systèmes industriels tels qu’un réseau de systèmes de contrôle d'automatisation. Elle peut également être mise en œuvre dans tous les autres réseaux utilisant le protocole TSN, tels que les réseaux des futurs systèmes de transport intelligents. Ainsi, la présente invention est particulièrement adaptée à un réseau TSN hybride filaire/sans-fil, même quand il s'agit d'un réseau à relativement grande échelle composé de nombreux dispositifs.
[0041] Cependant, même si les systèmes de fabrication sont des applications importantes, la présente invention n'est pas limitée à ces systèmes, et elle peut être appliquée à n'importe quel système où TSN est utilisé. Ainsi, par exemple, les systèmes de conduite autonome où TSN est nécessaire pour transmettre le trafic critique vers des infrastructures soit à l'intérieur d’un véhicule, soit de véhicule à véhicule, soit d’un véhicule vers des infrastructures de la route. Dans ces systèmes, la liaison entre le véhicule et les infrastructures qui est généralement sans fil est vulnérable. La présente invention peut être avantageusement utilisée pour faire face à cette vulnérabilité. [0042] L'invention peut être implémentée directement sur du matériel et/ou du logiciel. Elle peut prendre la forme d’un produit pour des fournisseurs de solutions de systèmes industriels vendues à des clients tels que des propriétaires d'usine. Ces solutions peuvent être purement matérielles, purement logicielles ou les deux. Les solutions logicielles peuvent être fournies via des mises à jour de logiciels et micrologiciels.
[0043] L’invention peut aussi intéresser directement les propriétaires d'usines qui peuvent la mettre en œuvre eux-mêmes et l'utiliser dans leur usine. Elle peut aussi trouver application auprès de fournisseurs d'équipements réseaux, notamment les fournisseurs d'équipements 5G/6G.
[0044] Les caractéristiques avantageuses de la présente invention sont principalement les suivantes : elle ne repose pas sur des algorithmes complexes ; elle est largement applicable dans le domaine de la fabrication intelligente et de l'industrie 4.0, qui est un marché en croissance rapide ; elle traite les problèmes les plus importants des normes AS et Qbv, qui sont la dérive d'horloge et le saut d'horloge. Ces deux normes font également partie des normes TSN les plus importantes ; elle traite le problème du GM inaccessible, qui est hautement possible dans les réseaux hybrides filaires-sans fil. Ce problème est particulièrement important dans les systèmes industriels critiques car il peut affecter le calendrier et la qualité des processus de fabrication ; elle s’appuie sur le concept de « hot-standby GM » présent dans la norme AS, évitant ainsi d'introduire et de mettre en œuvre de nouveaux concepts dans la norme ; elle se base sur des sous-domaines indépendants qui ont leur propre GM secondaire avec lequel se synchroniser.
[0045] Pour obtenir les résultats recherchés, il est proposé un procédé de gestion de la dégradation de performance d’un réseau sensible au temps TSN tel que revendiqué dans la revendication indépendante de procédé. [0046] L’invention peut être mise en œuvre selon des modes de réalisation alternatifs ou combinés, tels que revendiqués dans les revendications dépendantes de procédé.
[0047] L’invention concerne aussi un dispositif pour gérer la dégradation de performance d’un réseau sensible au temps TSN comprenant une pluralité de nœuds, un nœud étant un équipement émetteur et/ou récepteur de flux de données ou un commutateur transmetteur des flux de données, les nœuds étant reliés par des liaisons filaires ou des liaisons sans-fils, le réseau TSN ayant un nœud agissant comme maître GM selon les principes TSN pour annoncer son horloge comme l’horloge de référence aux nœuds esclaves du réseau, le dispositif comprenant des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé de l’invention.
[0048] L’invention adresse l’utilisation du dispositif revendiqué, dans un réseau sensible au temps centralisé, l’architecture du réseau centralisé étant une architecture implémentée selon le modèle dit « Software Defined Network ».
[0049] L’invention concerne aussi un produit programme d’ordinateur qui comprend des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé de l’invention, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.
[0050] Description des figures
[0051] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit et des figures des dessins annexés dans lesquels :
[0052] [Fig.1a] illustre un exemple simplifié d’un réseau TSN hybride filaire/sans-fil ;
[0053] [Fig.1 b] illustre sur l’architecture réseau TSN de la figure 1a, un exemple de deux flux entre deux équipements ;
[0054] [Fig.2] illustre un autre exemple simplifié d’un réseau TSN hybride filaire/sans-fil permettant de mettre en œuvre l’invention dans un contexte industriel, selon un mode de réalisation ;
[0055] [Fig.3a] illustre des sous-domaines sur l’exemple de l’architecture réseau de la figure 1a, selon un mode de réalisation de l’invention ;
[0056] [Fig.3b] illustre un lien sans-fil en panne entre les sous-domaines de la figure 3a, selon un mode de réalisation de l’invention ; [0057] [Fig.4] est un organigramme pour illustrer les différentes fonctionnalités opérées par différents équipements d’un réseau TSN hybride fi laire/sans-fi I, dans un mode de réalisation de l’invention ;
[0058] [Fig.5a] est une représentation temporelle de la planification cyclique pour transmettre des flux via des commutateurs filaires et sans-fil d’un réseau TSN hybride ;
[0059] [Fig.5b] illustre le rétablissement d’un lien sans-fil perdu, et la dérive des horloges des commutateurs filaires et sans-fils pour la représentation temporelle de la figure 5a ;
[0060] [Fig.5c] illustre un recalage des horloges des commutateurs filaires et sans- fils ;
[0061] [Fig.6] est une représentation temporelle de différentes étapes du procédé de l’invention, dans un exemple de réalisation.
[0062] Description détaillée de l’invention
[0063] Un contexte pour une mise en œuvre de l’invention dans un environnement industriel, est illustré sur la figure 2, qui présente une topologie de réseau TSN simplifiée pour permettre de décrire les principes de la présente invention de manière claire. L’homme du métier pourra généraliser à tout autre environnement ces principes, quel que soit le domaine applicatif, quelle que soit la complexité de la topologie du réseau.
[0064] La figure 2 comprend un contrôleur 202 d’un système d’automatisation 200, configuré pour communiquer avec des équipements finaux (210, 212) par des chemins filaires et sans-fils via différents commutateurs (204, 206, 208). Dans le contexte d’une industrie 4.0, les équipements finaux peuvent être des robots 212 et des capteurs 210.
[0065] Généralement le contrôleur 202 du système d'automatisation se situe sur un site distant séparé des appareils de terrain (206, 208, 210, 212) par un lien sans fil, par exemple un lien 5G. Parmi les appareils de terrain, des robots (212) et des actionneurs sont généralement séparés des capteurs (210) par des liens sans fil d’un réseau local, par exemple un réseau WLAN. [0066] Dans cet environnement, la mise en œuvre des normes TSN permet aux équipements réseau de synchroniser leurs horloges et de transférer le trafic réseau de manière déterministe, c'est-à-dire avec une plage limitée de dérive et de latence. Par exemple, les appareils doivent avoir une heure d'horloge commune pour que les robots 212 synchronisent leurs mouvements et effectuent des actions très précises. L'heure d'horloge commune permet également aux robots de recevoir rapidement les signaux du contrôleur 202 et des capteurs 210, afin de réagir en temps réel aux événements opérationnels et ainsi éviter les défauts de fabrication.
[0067] Dans un mode de réalisation, le contrôleur 202 est désigné comme étant le dispositif qui a le rôle de GrandMaster et qui détient l’horloge de référence sur laquelle toutes les horloges esclaves du réseau TSN se synchronisent.
[0068] Le procédé de l’invention qui permet d’atténuer l'impact de la dérive d'horloge sur l'AS et l'impact du saut d'horloge sur l'ordonnancement Qbv, comprend deux mécanismes.
[0069] Le premier mécanisme consiste à créer des sous-domaines du domaine général du réseau où chaque sous-domaine regroupe plusieurs nœuds du réseau, et à attribuer pour chaque sous-domaine, hors celui qui contient le GrandMaster, un GrandMaster de secours ou GrandMaster de redondance ou « Hot-Standby GM ».
[0070] Le deuxième mécanisme de l’invention consiste à coordonner les commutateurs TSN avant d'appliquer des horaires Qbv corrigés, s'il y a potentiellement un saut d'horloge important.
[0071] Les figures 3a et 3b permettent d’illustrer le premier mécanisme de création de sous-domaines avec GrandMaster de secours, pour la topologie de réseau TSN simplifiée de la figure 1a. Les références des éléments identiques restent les mêmes.
[0072] Afin d'atténuer l'impact de la dérive d'horloge sur l'AS, le domaine général 302 du réseau TSN (domaine gPTP ou PTP, mais pour simplifier la description il est uniquement mentionné gPTP) est divisé en plusieurs sous-domaines gPTP (304, 306), et un GM de secours 108 est attribué à chaque sous-domaine, sauf à celui qui contient le GM primaire 102. [0073] Dans un mode de réalisation, les sous-domaines sont attribués de sorte que deux sous-domaines ne sont séparés que par des liens sans fil. Ainsi sur la figure 3a, le sous-domaine 304 est séparé du sous-domaine 306 par le lien sans fil 105.
[0074] Dans d’autres modes de réalisation selon le contexte, d’autres règles d’attribution de sous-domaines peuvent être définies. Une autre règle peut, par exemple, être définie telle que chaque sous-domaine doit avoir au moins un nœud avec une horloge très précise, par exemple, l'horloge du système de positionnement global (GPS).
[0075] Chaque sous-domaine a ainsi un nœud d’entrée (« ingress node » en anglais), qui est le nœud en liaison sans-fil avec un autre sous-domaine. Dans l’exemple de la figure 3a, le nœud 106 est le nœud d’entrée du sous-domaine 306.
[0076] Après la création des sous-domaines, le premier mécanisme consiste à attribuer un rôle de GM redondant à un nœud pour chaque sous-domaine.
[0077] Dans un mode de réalisation, l’attribution du rôle de GM de redondance à un nœud consiste à déterminer et sélectionner parmi tous les nœuds d’un même sous- domaine, le nœud dont la fréquence d'horloge correspond le mieux à celle du GM primaire, i.e. dont elle est la plus proche.
[0078] Dans un autre mode de réalisation, l’attribution du rôle de GM de redondance à un nœud consiste à déterminer et sélectionner parmi tous les nœuds d’un même sous-domaine, le nœud dont l'horloge est la plus précise.
[0079] L’homme du métier pourra établir d’autres critères de sélection des nœuds pour définir les GM de redondance des sous-domaines.
[0080] Ainsi, la topologie d’un réseau TSN après l’application du premier mécanisme de création de sous-domaines, contient trois types de nœuds qui sont : le nœud GM principal, des nœuds GM de redondance, et des nœuds esclaves.
[0081] Sur l’exemple de la figure 3a, le nœud 108 est désigné GM de redondance pour le sous-domaine 306 regroupant les nœuds (106, 108, 110), le nœud 102 étant le GM initial du réseau TSN global et devenant le GM de son sous-domaine 304 regroupant les nœuds (102, 104). [0082] Lorsqu'un nœud est désigné comme GM principal, il est configuré pour et affecté uniquement au rôle de maître. Lorsqu'un nœud est assigné à être esclave, il est configuré pour et affecté uniquement au rôle d'esclave. Lorsqu'un nœud est assigné à être un GM redondant, il est configuré pour parfois agir comme esclave, et pour parfois agir à la fois comme esclave et maître pour son sous-domaine.
[0083] Ainsi, sur l’exemple de la figure 3a, le nœud 102 est configuré pour agir uniquement comme maître (i.e. GM du sous-domaine 304) ; les nœuds (104, 106, 110) sont configurés pour agir uniquement comme esclaves ; le nœud 108 est configuré pour agir soit uniquement comme esclave lorsque le lien sans-fil entre les sous-domaines (304, 306) est active, ou pour agir comme esclave et maître de son sous-domaine 306 quand le lien sans-fil entre les sous-domaines (304, 306) est rompue.
[0084] Quand la sélection de l’ensemble des GM est terminée pour une pluralité de sous-domaines ‘rï, le réseau dispose d’un GM principal désigné GM primaire qui est assigné à l’ensemble du réseau et à un sous-domaine primaire, et il dispose d’autant de GMs de secours (« hot-standby GMs » en anglais) désignés GM secondaires, que de sous-domaines secondaires ‘n-T.
[0085] Lors du fonctionnement normal opérationnel du réseau, un GM secondaire synchronise son horloge avec le GM primaire comme n’importe quel autre nœud esclave du réseau.
[0086] Dans un mode de réalisation avantageux, la synchronisation de l’heure via PTP IEEE 802.1 AS peut être évaluée à l’aide d’un simple logiciel, i.e. la différence entre la fréquence d'horloge de chaque nœud et la fréquence d'horloge du GM primaire est mesurée par un logiciel AS, sous la forme d'une correction de fréquence d'horloge.
[0087] Lorsque le GM primaire est inaccessible, par exemple si la liaison sans fil 105 entre le sous-domaine primaire 304 et un sous-domaine secondaire 306 est en panne comme illustré sur la figure 3b, les horloges des nœuds esclaves qui ont une fréquence d'horloge différente de celle du GM primaire vont commencer à dériver. Avantageusement, selon le procédé de l’invention, lorsque le GM primaire 102 est inaccessible et que les esclaves d’un ou plusieurs autres sous-domaines ne peuvent plus se synchroniser avec précision sur ce GM, tous les esclaves (106, 110) appartenant à un même sous-domaine vont se synchroniser sur le GM secondaire 108 assigné à leur sous-domaine.
[0088] Ainsi, sur l’exemple de la figure 3b, les nœuds esclaves (106, 110) vont se synchroniser sur le GM secondaire 108 du sous-domaine 306 auquel ils appartiennent. Etant donné que le GM secondaire a été sélectionné car étant le nœud de ce sous-domaine qui a une fréquence d'horloge la plus proche de celle du GM primaire, l'écart entre l'horloge du GM primaire et les horloges des esclaves diminue, et les dégradations de performances de l’AS s’en trouvent réduites.
[0089] Avantageusement, le procédé de l’invention opère de manière distributive et indépendante entre les sous-domaines. Dans une réalisation pratique, la dérive d'horloge est détectée au niveau de chaque sous-domaine par le GM secondaire. La détection de dérive d’horloge est alors indépendante entre les sous-domaines, ce qui signifie qu'une dérive d'horloge peut être détectée dans un sous-domaine mais qu'elle n'est pas détectée dans un autre sous-domaine.
[0090] La figure 4 illustre sur un organigramme, les différentes fonctionnalités opérées par les différents équipements d’un réseau TSN hybride filaire/sans-fil, dans un mode de réalisation de l’invention.
[0091] Une entité « initiateur » 402 est configurée pour créer dans un réseau TSN, une pluralité de sous-domaines, puis sélectionner et assigner le rôle de GM secondaire 406 à un nœud dans chaque sous-domaine.
[0092] Dans un mode de réalisation, l’initiateur peut être la même entité que celle qui désigne le GM initial du réseau TSN global. L'initiateur peut être soit une personne, soit un algorithme distribué, soit un algorithme centralisé qui s'exécute sur un contrôleur centralisé tel qu'un contrôleur de réseau défini par logiciel (SDN) acronyme signifiant « Software Defined Network » en anglais.
[0093] Pour l’homme de l’art, une approche dite SDN correspond à un modèle d’architecture réseau qui permet aux administrateurs de réseaux de gérer les services de réseaux par abstraction de fonctionnalités, de contrôler ou de configurer le réseau de manière intelligente et centralisée à l’aide d’applications logicielles. Cela consiste en un ensemble de technologies ayant comme points communs : - un contrôle centralisé des ressources réseau ;
- une orchestration centralisée ;
- une virtualisation des ressources physiques.
[0094] Un réseau TSN est composé d’une pluralité d’équipements qui sont sources et/ou destinataires des flux de données dans le réseau TSN. Un système de configuration réseau centralisé comprend un contrôleur SDN couplé à une entité fonctionnelle qui comprend des applications logicielles de type service SDN, et qui peut comprendre notamment une application logicielle permettant d’effectuer des étapes du procédé de l’invention.
[0095] Cette entité fonctionnelle implémentée sous la forme de service SDN (i.e. service réseau virtualisé) s’interface au contrôleur SDN via une interface
« Northbound » du contrôleur. Le contrôleur SDN s’interface avec le réseau TSN via son interface « Southbound », notamment vers des commutateurs TSN et optionnellement directement vers des nœuds destinataires (« EndNodes » TSN). Dans un mode de réalisation, le service SDN est implémenté au sein du CNC/CUC, « Centralized Network Configuration / Centralized User Configuration » selon l’anglicisme consacré, comme un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer des étapes du procédé de l’invention en phase opérationnelle du réseau.
[0096] Revenant à la figure 4, après l’assignation des rôles aux nœuds du réseau TSN, le GM initial du réseau global devient le GM primaire 404 pour l’ensemble des sous-domaines et il agit uniquement comme maître, en diffusant 405 de manière commune et connue des messages SYNC vers les nœuds esclaves du réseau.
[0097] Une fois avoir été assigné au rôle de GM secondaire 406, un nœud GM secondaire agit uniquement comme esclave, et il reçoit et accepte 407 de manière connue les messages SYNC en provenance du GM primaire, afin de se synchroniser avec le GM primaire à tout moment.
[0098] Chaque GM secondaire va ensuite entrer dans une boucle de vérification, pour vérifier 409 de manière régulière si une dérive d’horloge avec l’horloge du GM primaire est constatée. Le procédé permet de déterminer si la valeur de correction de fréquence d'horloge qui est calculée en permanence, par exemple par le logiciel AS, correspond à une dérive d'horloge. Tant que la valeur est inférieure à un seuil, la vérification se poursuit (branche non de 409).
[0099] Dans un mode de réalisation, la valeur du seuil est choisie en fonction de l'exigence de précision de synchronisation de l'application du système réel (par exemple, un système de robot en usine). La valeur du seuil est configurable, et peut être initialement choisie par la personne qui configure le réseau TSN, ou choisie par algorithme.
[0100] Si la valeur calculée est supérieure à un seuil, une dérive d'horloge se produit. Lorsqu'une dérive d'horloge est détectée (branche oui de 409), le sous-procédé au niveau du GM secondaire maintient le nœud en tant qu'esclave du GM primaire, et il active de plus 411 une fonction de GM local, pour permettre au GM secondaire d’agir en même temps en tant que GM local pour tous les nœuds appartenant à son sous- domaine. Le GM secondaire qui est activé diffuse 413 des messages de synchronisation SYNC vers tous les nœuds de son sous-domaine, et vérifie 413 de manière régulière si une dérive d’horloge est détectée en déterminant si la valeur de correction de fréquence d'horloge qui est calculée en permanence, correspond à une dérive d'horloge.
[0101] Tant qu’une dérive est présente (branche oui de 413), le GM secondaire continue d’agir comme maître local pour tous les nœuds de son sous-domaine. Si aucune dérive n’est plus détectée (branche non de 413), le procédé permet de désactiver la fonction de maître local et ne conserve active, que la fonction d’esclave du GM primaire.
[0102] Concernant les nœuds esclaves 414 dans un sous-domaine, chaque nœud agit 415 comme esclave du GM primaire, en recevant 415 de manière connue les messages de synchronisation SYNC en provenance du GM primaire, afin de se synchroniser avec le GM primaire à tout moment.
[0103] Chaque nœud esclave va ensuite vérifier 417 de manière régulière s’il reçoit un message de synchronisation SYNC du GM secondaire de son sous-domaine d’appartenance.
[0104] Quand un nœud esclave reçoit un message de synchronisation SYNC local, i.e. du GM secondaire de son sous-domaine d’appartenance qui agit alors comme maître local, il continue d’agir comme esclave en recevant et en acceptant 419 les messages SYNC locaux tant que ces derniers sont envoyés par le GM secondaire.
[0105] Lorsque le GM primaire redevient accessible, les esclaves se resynchronisent immédiatement avec le GM primaire. A ce moment-là, le GM secondaire cesse d'agir en tant que maître local pour son sous-domaine, tout en continuant à se synchroniser avec le GM primaire.
[0106] Cependant, il existe un risque que ces esclaves fassent un saut d'horloge significatif, dû à une dérive trop importante. Lorsqu'il y a un saut vers l'avant ou vers l'arrière, l'horaire du planificateur Qbv est respectivement décalé vers l'avant ou vers l'arrière. En conséquence, la précision de la planification Qbv est affectée. Afin d'atténuer l’impact d’un saut d'horloge sur l'ordonnancement Qbv, le procédé de la présente invention met en œuvre des étapes qui permettent de coordonner les commutateurs TSN entre eux, avant d'appliquer les planifications Qbv corrigées.
[0107] Les figures 5a à 5c illustrent le procédé de restauration selon l’invention pour l’exemple des figures 3a et 3b où :
- la figure 5a est une représentation temporelle d’un cycle de planification Qbv pour transmettre deux flux (112, 114) via des commutateurs filaire 108 et sans-fil (104, 106) d’un réseau TSN hybride selon la figure 3a. Sur l’exemple, le flux 112 a une priorité plus élevée que le flux 114, ce qui est représenté par une durée dans la cycle plus longue ;
- la figure 5b illustre la dérive des horloges des commutateurs sans-fil 106 et filaire 108 résultant de la perte du lien sans-fil 105 entre le sous-domaine primaire 304 et le sous-domaine 306, puis le rétablissement du lien sans-fil, où un cycle de planification corrigé est calculé mais non encore exécuté ; et
- la figure 5c illustre un recalage des horloges des commutateurs sans-fil 106 et filaire 108 avec l’application du cycle de planification corrigé Qbv.
[0108] Plus en détails, au début du processus Qbv, tous les nœuds du réseau TSN définissent un temps de base commun (figure 5a), ce qui leur permet de savoir quand et quelle planification Qbv exécuter au fil du temps.
[0109] Suite à la perte d’un lien sans-fil 105 entre le sous-domaine primaire 304 et un sous-domaine secondaire 306, le GM principal devient inaccessible, et la fréquence d'horloge des commutateurs (104, 106) du sous-domaine isolé s'écarte les unes des autres, les commutateurs ne pouvant plus se synchroniser sur l’horloge du GM principal. Selon la distance d’un commutateur du sous-domaine isolé au GM principal, la dérive d’horloge peut être plus importante. Dans l’exemple illustré en figure 5b, le commutateur filaire 108 a une dérive d'horloge plus élevée que le commutateur sans fil 106.
[0110] Une fois que le GM principal peut de nouveau être atteint (lien sans-fil 105 rétabli de la figure 5b), les commutateurs du sous-domaine isolé peuvent de nouveau synchroniser chacun leur fréquence d'horloge et leur heure d'horloge avec le GM principal (principe d’acceptation des messages SYNC envoyés par le GM principal), mais ils n'appliquent pas encore le nouveau cycle Qbv corrigé, i.e. le cycle est planifié mais il est non encore exécuté.
[0111] Dans un mode de réalisation du procédé de l’invention, un temps de report est déterminé par chaque commutateur TSN d'un même sous-domaine secondaire, tel qu’illustré sur la figure 5c. Pendant ce temps de report, les commutateurs sont en mode d’attente avant d'appliquer un nouveau cycle Qbv corrigé. Pendant la durée du temps de report, chaque commutateur continue cependant d'exécuter son calendrier Qbv planifié.
[0112] A la fin du décompte du temps de report, tous les commutateurs individuellement appliquent le nouveau cycle de planification Qbv corrigé pour leur sous-domaine.
[0113] Dans un mode de réalisation, le temps de report est calculé en utilisant les échanges de messages PTP.
[0114] Les messages standards dont il est fait référence, en particulier les messages « Sync », « Pdelay_Req » et « Pdelay_Resp », sont définis et décrits en détail dans la norme IEEE 802.1AS-2020 - « IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications », IEEE P802.1ASRev, Jan 2020, à laquelle l’homme du métier peut se référer.
[0115] Une étape préliminaire permet de définir un identifiant « DomainJD » pour chaque sous-domaine et une valeur initiale de retard accumulé « Accumulated_Delay » entre le nœud d’entrée du sous-domaine concerné et le nœud qui lui est le plus éloigné dans ce sous-domaine.
[0116] L’identifiant de domaine permet d’identifier dans un message PTP le sous- domaine concerné par le message qui peut traverser plusieurs sous-domaines. Les nœuds (i.e. les équipements) d’un sous-domaine ne travaillent qu'avec les messages PTP qui appartiennent à leur sous-domaine.
[0117] Dans un mode de réalisation, le nœud le plus éloigné est le nœud qui nécessite le plus grand nombre de sauts pour être atteint. Chaque sous-domaine met à jour et maintient son identifiant DomainJD et la valeur du retard accumulé Accumulated_Delay.
[0118] Selon des modes de réalisation, l’identifiant DomainJD et la valeur initiale de retard accumulé Accumulated_Delay sont définis soit par une personne qui configure le réseau TSN, soit par un algorithme distribué, soit par un algorithme centralisé qui s'exécute sur un contrôleur centralisé tel qu'un contrôleur de réseau défini par logiciel (SDN).
[0119] Dans un mode de réalisation, le procédé permet d’utiliser le champ Suffix dans l’entête des messages PTP ou gPTP, en particulier le champ Suffix des messages Sync et des messages Pdelay_Req pour déclarer l’identifiant du domaine DomainJD, la valeur initiale du retard accumulé AccumulatedJDelay puis sa mise à jour (valeur courante du retard acumulé).
[0120] Le procédé de l’invention permet que chaque nœud d’un sous-domaine secondaire mette à jour la valeur du retard accumulé AccumulatedJDelay. Dans un mode de réalisation, la mise à jour de la valeur AccumulatedJDelay est faite en ajoutant une valeur ‘Pdelay’ à la valeur courante de l’Accumulated_Delay héritée de son voisin lors de la réception d’un message Pdelay_Resp.
[0121] De cette manière, à tout moment, le nœud d'entrée d’un sous-domaine, par exemple le commutateur sans fil 106 du sous-domaine 306 de la figure 3a, connaît (par la valeur du champ AccumulatedJDelay dans le dernier message Pdelay J^eq reçu), le retard accumulé vers son nœud le plus éloigné, c’est-à-dire le nœud 110 des figures 3a et 3b. [0122] Une autre phase de l’invention intervient quand il est déterminé que le GM principal redevient accessible après qu’un lien sans-fil avec un sous-domaine a été rompue. Le nœud d'entrée de chaque sous-domaine va alors utiliser un autre champ Suffix, désigné comme champ ‘flag, pour annoncer à tous les commutateurs de son sous-domaine qu’ils doivent différer d’un certain temps - le temps de report - l'application d’un nouveau cycle Qbv corrigé.
[0123] L’indication de l’activation d’un temps de report peut par exemple se traduire par le changement de la valeur d’un bit dans le champ drapeau (0 ou 1 ). La valeur du temps de report, identifié par une variable ‘t’ dans la figure 6, correspond pour chaque nœud à la valeur du retard accumulé Accumulated_Delay pour ce noeud.
[0124] La figure 6 illustre pour plusieurs nœuds (N1 , N2, ... Ni, ... , Nn) d’un sous- domaine ayant comme identifiant « Sous-domaine2 », l’évolution des différents champs du Suffix mis en œuvre lors de la propagation d’un message PTP 602. Tel qu’illustré, un champ, celui de gauche, est réservé pour renseigner l’identifiant du domaine, ici indiqué à 2 pour des raisons de simplicité ; un champ, celui de droite, est réservé pour renseigner et mettre à jour la valeur du retard accumulé « Accumulated_Delay » pour chaque nœud ; et un champ, i.e. le champ central nommé ‘flag’, est réservé pour indiquer le moment pour déclencher l’application d’une nouvelle planification Qbv corrigée.
[0125] L’exemple de la figure 6 illustre les échanges d’une pluralité de messages PTP entre les différents nœuds N1 à Nn, pour une première phase P1 où le GM primaire appartenant à un sous-domaine primaire « Sous-domaine1 » est accessible ; puis pour une seconde phase P2 où le GM primaire est inaccessible, le lien sans-fil entre le sous-domaine primaire et le sous-domaine secondaire étant rompu, les messages PTP du sous-domaine primaire ne parviennent plus au sous- domaine secondaire ; puis pour une troisième phase P3 où le GM primaire redevient accessible, et des messages PTP peuvent de nouveau être reçus par le sous- domaine secondaire.
[0126] En première phase P1 , un message 601 du sous-domaine primaire arrive sur le nœud d’entrée N1 du sous-domaine 2. Le nœud met à jour l’identifiant de son domaine dans le champ correspondant, les champs Suffix indiquant alors respectivement « 2 / 0 / 0 », et le message 602-1 est propagé depuis le nœud d’entrée Nlvers le prochain nœud voisin N2, qui dans l’exemple a été assigné au rôle de GM secondaire. Le nœud N2 relaie le message 602-1 vers son nœud voisin N3, et ainsi de suite jusqu’au dernier nœud Nn du sous-domaine 2 qui est le nœud le plus éloigné (en nombre de sauts) du nœud d’entrée N1 .
[0127] En utilisant les messages de demande de délai Pdelay_Req et de réponse Pdelay_Resp, chaque noeud calcule de manière PTP conventionnelle une valeur ‘d’ pour le décalage de délai Pdelay. Dans l’exemple, le nœud N2 calcule une valeur de d=2, qui signifie que le décalage de délai Pdelay est égal à 2 microsecondes (pour cette unité de temps).
[0128] Selon le procédé de l’invention, chaque nœud met à jour la valeur du délai accumulé dans le champ Accumulated-Delay quand il reçoit un message Pdelay_Req d’un voisin.
[0129] Dans un mode de réalisation, quand le champ "Accumulated_Delay" contient une valeur signifiant que le retard accumulé est nul (valeur égale à 0 ou champ vide par exemple), les nœuds considèrent que ce champ est vide et l'ignorent ; et si le champ "Accumulated_Delay" n’est pas vide ou contient une valeur signifiant qu’il existe un retard accumulé, les nœuds prennent en compte la valeur contenue dans ce champ.
[0130] En utilisant les messages Pdelay_Req, la valeur du délai accumulé est propagée du nœud le plus éloigné jusqu’au nœud d'entrée, en mode propagation arrière.
[0131 ] Sur l’exemple, le champ Accumulated_delay a été mis à jour par le nœud le plus éloigné Nn lors de l’envoi d’un message Pdelay_Req (602-2), par l’ajout de la valeur de d=2.
[0132] A son tour, le nœud N2+1 met à jour la valeur de retard accumulé en ajoutant la valeur de son décalage de délai (d=2) à la valeur du délai accumulé existant dans le champ Accumulated_delay du message Pdelay_Req reçu du nœud voisin. La valeur du retard accumulé est dans l’exemple égale à 4. Le nœud N2+1 propage vers son voisin N2 avec un message Pdelay_Req (602-3), la valeur du retard accumulé. Après plusieurs tours de cette propagation, chaque nœud connaît le retard accumulé de lui-même au nœud le plus éloigné du nœud d'entrée. [0133] Chaque nœud stocke dans une mémoire locale la valeur du délai accumulé reçue par son voisin, comme une variable ‘t’ qui permet de calculer le temps de report avant l’application de la planification Qbv corrigée. Sur l’exemple, pour le nœud N2 GM secondaire, le temps de report a une valeur t=4, indiquant que son temps de report est de 4 microsecondes.
[0134] Dans l’exemple de la figure 6, le nœud N2 stocke la valeur t=4 correspondant à la valeur inscrite dans le champ Accumulated_delay du message 602-3 reçu de son voisin N2+1 .
[0135] Lors de l’envoi d’un prochain message Pdelay_Req (602-4) par le nœud N2 vers son voisin N1 , le nœud N2 met à jour le champ Accumulated_Delay en ajoutant la valeur de son décalage de délai (ici passée à d=3) à la valeur du délai accumulé existant dans le champ Accumulated_delay (ici égale à 4). La valeur du retard accumulé est dans l’exemple alors égale à 7.
[0136] Cette valeur de retard accumulée est stockée par le nœud d’entrée N1 comme variable ‘t’ pour définir le temps de report.
[0137] Une fois que le GM principal, qui a été inaccessible pendant une phase P2 où le GM secondaire N2 a activé son rôle de GM pour les nœuds de son sous-domaine, redevient accessible en phase P3, le nœud d'entrée N1 du sous-domaine secondaire, à réception d’un nouveau message SYNC, modifie la valeur du champ ‘Drapeau’ (par exemple de 0 à 1 ), avant d’envoyer le nouveau message 602-6 vers son nœud voisin N2. La propagation du message SYNC informe les autres nœuds de se préparer à appliquer un nouveau calendrier Qbv corrigé.
[0138] A réception du message SYNC, chaque nœud met en route un compteur pour décompter un temps de report, égal à la dernière valeur de la variable ‘t’ qu’il a stockée, avant l’application de la planification Qbv corrigée.
[0139] La planification corrigée est appliquée 604 en même temps pour tous les nœuds du sous-domaine rétabli.
[0140] Ainsi, lorsque le GM principal redevient accessible, tous les commutateurs à réception du nouveau message PTP ou gPTP émis par ce GM, savent qu'ils vont devoir exécuter la planification Qbv corrigée pour un flux réseau prioritaire selon les principes de la planification TSN. Cependant, étant donné que certains commutateurs ne sont pas correctement planifiés en raison d'une dérive d'horloge, ils se coordonnent par le temps de report pour convenir de l’exécution de l'ordonnancement du flux réseau prioritaire, après un certain nombre de cycles d'horloge. Les commutateurs mettent également à jour l'heure de base. De cette façon, l'inexactitude de la planification Qbv est limitée uniquement aux planifications Qbv passées, et non aux futures planifications Qbv.
[0141] Dans un autre mode de réalisation, le temps de report peut consister à prédéfinir une valeur suffisamment grande pour que cette valeur soit la plupart du temps supérieure au délai accumulé de transmission d'un paquet entre deux nœuds quelconques à l'intérieur d’un même sous-domaine. L’application d’une planification Qbv corrigée se fait pour tous les nœuds du sous-domaine rétabli, après le décompte de la valeur de temps de report prédéfinie.
[0142] La figure 5c illustre un exemple où les commutateurs filaires et sans-fil appliquent un nouveau programme Qbv corrigé, après 6 cycles d'horloge, valeur qui a été prédéfinie comme valeur de temps de report, pour un cycle de base de 10 cycles d’horloge.
[0143] Avantageusement, le processus de définition ou de calcul du temps de report est effectué localement au sein de chaque sous-domaine. Sur l'ensemble d’un réseau TSN, cela se fait sous-domaine par sous-domaine de manière propagative. En d'autres termes, chaque sous-domaine calcule et maintient son temps de report de manière distributive localement dans son sous-domaine. De cette façon, le temps de report peut différer d'un sous-domaine à l'autre.
[0144] Le processus de calcul du temps de report est effectué de manière distribuée pour au moins deux raisons.
[0145] Premièrement, en général, les horloges d'un même sous-domaine sont synchronisées plus précisément que les horloges entre différents sous-domaines.
[0146] Deuxièmement, il est généralement plus important de rester synchronisé avec les nœuds à l'intérieur d'un même sous-domaine, qu'avec les nœuds à l'extérieur du sous-domaine. Ceci est dû au fait qu'il existe potentiellement des flux de réseau locaux qui ont un émetteur (« Listener » en anglais) et un récepteur (« Talker » en anglais) qui cohabitent dans le même sous-domaine. De plus, il y a éventuellement des transmissions qui peuvent avoir été terminées par d'autres sous-domaines, et le reste des données à transmettre (« back-off » en anglais) peut se faire localement à l'intérieur d'un sous-domaine.
[0147] Il a été décrit une méthode d'atténuation de la dégradation de Qbv due à l'inaccessibilité du GM principal. Cependant, la méthode peut être appliquée à d'autres scénarios, tel que par exemple, elle peut être mise en œuvre pour un réseau TSN qui a un lien fréquemment encombrée.

Claims

26 Revendications
1. Procédé de gestion de la dégradation de performance d’un réseau sensible au temps TSN comprenant une pluralité de nœuds, un nœud étant un équipement émetteur et/ou récepteur de flux de données ou un commutateur transmetteur des flux de données, les nœuds étant reliés par des liens filaires ou des liens sans-fils, le réseau TSN ayant un nœud agissant comme maître GM selon les principes TSN pour annoncer son horloge comme l’horloge de référence aux nœuds esclaves du réseau, le procédé étant mis en œuvre par ordinateur et comprenant les étapes suivantes :
- diviser le réseau TSN en un sous-domaine primaire et une pluralité de sous- domaines secondaires, chaque sous-domaine regroupant un ensemble de nœuds différents reliés uniquement par des liens filaires, le sous-domaine primaire regroupant au moins le nœud maître GM, chaque sous-domaine secondaire ayant un nœud d’entrée en liaison sans-fil avec un autre sous-domaine ;
- sélectionner dans chaque sous-domaine secondaire un nœud pour agir comme maître vis-à-vis des autres nœuds esclaves dudit sous-domaine, ledit nœud sélectionné étant configuré pour opérer comme un nœud esclave du nœud maître GM en mode de fonctionnement normal du réseau TSN avec une planification Qbv prédéfinie pour ledit réseau TSN selon la norme IEEE 802.1 Qbv qui permet aux commutateurs TSN d’effectuer une planification basée sur la qualité de service QoS, et ledit nœud étant configuré pour opérer comme un nœud maître secondaire selon les principes TSN pour annoncer son horloge comme l’horloge de référence aux nœuds esclaves de son sous-domaine, quand le lien sans-fil avec le sous-domaine primaire est rompu ;
- calculer un temps de report pour chaque nœud d’un même sous-domaine secondaire, le temps de report correspondant à un temps d’attente pour chaque nœud avant d'appliquer une planification Qbv corrigée après le rétablissement d’un lien sans-fil perdu pour ce sous-domaine ; et
- après le rétablissement d’un lien sans-fil pour un sous-domaine secondaire, décompter, par chaque nœud dudit sous-domaine secondaire, ledit temps de report déterminé et appliquer une planification Qbv corrigée, le nœud maître secondaire dudit sous-domaine secondaire opérant de nouveau comme nœud esclave du nœud maître GM.
2. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel l’étape de diviser le réseau TSN consiste à créer des sous-domaines de sorte que deux sous-domaines ne sont séparés que par des liaisons sans fil.
3. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel l’étape de diviser le réseau TSN consiste à créer des sous-domaines de sorte que chaque sous-domaine a au moins un nœud avec une horloge très précise, par exemple, l'horloge du système de positionnement global (GPS).
4. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel l’étape de sélectionner dans chaque sous-domaine secondaire un nœud pour agir comme maître, consiste à déterminer parmi tous les nœuds d’un même sous- domaine, le nœud dont la fréquence d'horloge correspond le mieux à celle du GM primaire, notamment le nœud dont la fréquence d’horloge est la plus proche de celle du GM.
5. Le procédé selon la revendication 3 dans lequel l’étape de sélectionner dans chaque sous-domaine secondaire un nœud pour agir comme maître, consiste à sélectionner ledit nœud dont l'horloge est très précise.
6. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel l’étape de calculer un temps de report pour chaque nœud d’un même sous-domaine secondaire, comprend les étapes de :
- définir un identifiant « DomainJD » pour ledit sous-domaine secondaire et une valeur initiale de retard accumulé « Accumulated_Delay » entre le nœud d’entrée dudit sous-domaine secondaire et le nœud qui lui est le plus éloigné ;
- calculer par chaque nœud une valeur de décalage de délai (Pdelay) ; - mettre à jour par chaque nœud la valeur initiale de retard accumulé, en ajoutant la valeur de décalage de délai à une valeur de retard accumulé reçue d’un voisin dudit nœud.
7. Le procédé selon la revendication 6 comprenant de plus une étape consistant par chaque nœud à stocker la valeur de retard accumulé mise à jour, ladite dernière valeur stockée correspondant pour ledit nœud à la valeur du temps de report après le rétablissement d’un lien sans-fil pour ledit sous-domaine secondaire.
8. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 comprenant avant l’étape de décompter un temps de report, une étape consistant à déterminer quand un lien sans-fil entre le sous-domaine primaire et un sous-domaine secondaire est rompu, et une étape consistant à déterminer quand ladite liaison sans-fil est rétablie.
9. Le procédé selon la revendication 8 dans lequel l’étape de déterminer quand un lien sans-fil entre le sous-domaine primaire et un sous-domaine secondaire est rompu, consiste à déterminer s’il existe ou non une dérive d’horloge entre l'horloge de référence du nœud maître GM et les horloges des nœuds esclaves dudit sous- domaine secondaire, et l’étape de déterminer quand ladite liaison sans-fil est rétablie, consiste à déterminer s’il existe ou non une dérive d’horloge entre l'horloge de référence du nœud maître secondaire et les horloges des nœuds esclaves dudit sous-domaine secondaire.
10. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel l’étape de calculer un temps de report, est effectuée en utilisant les champs Suffix de messages « Sync », « Pdelay_Req » et « Pdelay_Resp » définis par la norme IEEE 802.1 AS.
11. Un produit programme d’ordinateur, ledit programme d’ordinateur comprenant 29 des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
12. Un dispositif pour gérer la dégradation de performance d’un réseau sensible au temps TSN comprenant une pluralité de nœuds, un nœud étant un équipement émetteur et/ou récepteur de flux de données ou un commutateur transmetteur des flux de données, les nœuds étant reliés par des liaisons filaires ou des liaisons sans- fils, le réseau TSN ayant un nœud agissant comme maître GM selon les principes TSN pour annoncer son horloge comme l’horloge de référence aux nœuds esclaves du réseau, le dispositif comprenant des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.
13. Utilisation du dispositif selon la revendication 12 dans un réseau sensible au temps centralisé, l’architecture du réseau centralisé étant une architecture implémentée selon le modèle dit « Software Defined Network ».
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