Comparison of Time Sensitive Networking (TSN) and TTEthernet
Lin Zhao, Feng He, Ershuai Li, Jun Lu
School of Electronic and Information Engineering Beihang University
Beijing, China
{fzhaolin, robinleo, ershuai li, lujung}@buaa.edu.cn
Abstract— Time-Triggered Ethernet (TTEthernet), aviyonik tam çift yönlü anahtarlı Ethernet (AFDX)’den geliştirilmiş endüstriyel ve aviyonik uygulamalar için bir zaman kritik (time-critical) ağdır. SAE AS6802 tarafından standartlaştırılmıştır ve zaman tetiklemeli (TT), hız kısıtlaması (RC) ve en iyi çaba (BE) trafiklerini desteklemek için bir karışım altyapısı kullanılarak sıkı zamanlama iletimini karşılar. Temel özellik, küresel senkronizasyona dayalı off-line zamanlama tablosuna göre zaman tetikleyen bir iletişim paradigmasıdır. TT mesajı hazır olduğunda ve bir RC mesajı iletimde olduğunda, sorunu çözmek için üç tamamlayıcı yöntemi (bölmek-preemption, zamanında bloklama- timely block ve diretmek-shufing) kullanılır.
Birçok gerçek zamanlı Ethernet çözümünün yanı sıra, Zaman Duyarlı Ağ (TSN) otomotiv ve havacılık endüstrisi için artan ve değişken iletim gereksinimlerini karşılamak için büyük ilgi ve albenisi bulunmaktadır. TSN, 802.1AS, 802.1Qav, 802.1Qat, 802.1BA, 802.1Qbv ve 802.1Qbu gibi IEEE 802.1 TSN Görev Grubu altında geliştirilen çeşitli IEEE standartlarından oluşur. Paralel olarak en iyi çaba trafikleri ile SPQ (statik öncelikli Kuyruk) zamanlama mekanizmasının yanı sıra, TSN, Zaman Duyarlı Şekillendirici (TAS) altında kontrol veri trafiği (CDT) ve kredi tabanlı şekillendirici (CBS) altındaki ses video akışlarına odaklanarak garantili zamanlama davranışı sunar. Bu makale, TSN standardının temel ilkelerini ayrıntılı olarak sunar, TTEthernet standardının özellikleriyle karşılaştırır. Özellikle, öncelikle saat senkronizasyon algoritmalarını araştırıyoruz ve bireysel zamanlama gereksinimleri olan trafik türleri için şekillendirme ve zamanlama stratejilerini tartışıyoruz. Ardından, hard gerçek zamanlı trafiğin soft gerçek zamanlı trafik üzerindeki etkisini gösteriyoruz ve en kötü durum uçtan uca (overall) gecikme hesaplamasını veriyoruz. Son olarak, TSN'NİN aviyonik gereksinimler için esneklik sunup sunmadığını belirliyoruz.
Index Terms—TTEthernet; TSN; network performance evaluation; deterministic delay analysis
INTRODUCTION
OSI (Open Systems Interconnection) mimarisi, ölçeklenebilir COTS (Commercial off-the-shelf) teknolojisi ve yüksek bant genişliği özelliklerine sahip olan Ethernet ağı giderek daha caziptir. Kritik gömülü sistemlerde, tıkanıklık problemini çözmek için Ethernet'in bazı gerçek zamanlı uzantıları araştırılmaktadır.
AFDX (ARINC 664 part7 standardı) [1] Airbus tarafından geliştirilen ve deterministik bir ağ olmayı hedeflemektedir. Airbus A380 ve Boeing 787 gibi bazı uçaklarda kullanılmıştır. Her bir hız kısıtlamalı akış, kaynak uç sistemlerinde BAG-- (bant genişliği ayırma boşluğu) ve gerçek zamanlı garantiyi elde etmek için anahtarlardaki token bucket algoritmasına dayalı akış şekillendirmesine hakim olan bir sanal bağlantı (VL) ile düzenlenir.
Ethernet-AVB (Ses Video Köprüleme) [2-5] ses ve video akışlarının iletimi için hizmet kalitesi sağlar. Kredi Bazlı Şekillendirici (CBS), yüksek öncelikli akışların uçtan uca gecikmesinde üst sınırlar elde etmek için kullanılır ve düşük öncelikli akışlarda anahtar yönlendirme için adil koşul sağlar.
Bildiri [6, 7] AFDX ve Ethernet-AVB arasında bir karşılaştırma yapmıştır. Her iki ağ da olay tetiklemeli ve senkronize olmayan iletişim paradigmalarını benimser. AFDX ve Ethernet-AVB, Ethernet'in tıkanıklık hatalarını önleyemez. Olayla tetiklenen iletişimden farklı olarak, senkronize iletişim özellikleriyle zaman ayarlı iletişim, güvenlik açısından kritik sistemler için daha uygundur. En genişletilmiş çözümler zaman tetiklemeli Ethernet (TTEthernet) ve Ethernet-AVB generation 2- Time Sensitive Networking (TSN) [9]' dir. TTEthernet zamanlama gereksinimlerini uygulamak için bir off-line zamanlama tablosuna bağlıdır [10]. TSN, zaman tetiklemeli iletişimin basit bir formu olan kontrol uygulamalarına destek sağlamak için bir zamana duyarlı şekillendirici tanımlar [11]. İletişim kanallarındaki zaman bölmeli çoklu erişim (TDMA) stratejisi hem TTEthernet hem de TSN ağlarında benimsenmesine rağmen, iki ağ teknolojisi arasında birçok fark vardır. Bu makale buna odaklanıyor. Bu makalenin geri kalanı aşağıdaki gibi düzenlenmiştir. Bölüm II ve III, sırasıyla Ethernet-AVB/TSN ağı ve TTEthernet ağına genel bir bakış sunar. Bölüm IV, ağ mimarisi, saat senkronizasyon mekanizması, zamanlama stratejisi vb. gibi çeşitli yönlerden iki ağın karşılaştırmalı bir analizini sunar. Bölüm V'de, soft gerçek zamanlı akışlar için en kötü durum uçtan uca gecikme hesaplaması verilmiştir. Bölüm VI, gelecekteki çalışmalara karar verir ve tartışır.
FROM AVB TO TSN
Ethernet-AVB, geleneksel Ethernet tabanlı gerçek zamanlı bir ağ çözümüdür. IEEE AVB Görev Grubu tarafından geliştirilmiştir ve dört ana IEEE 802.1 standardına göre multimedya akışları için düşük gecikme hizmeti sağlar: 802.1AS [2], 802.1Qat [3], 802.1Qav [4] ve 802.1BA [5]. Özellikle 802.1AS, zamana duyarlı uygulamalar için zaman senkronizasyonu gereksinimlerini sağlama alır. IEEE1588-Hassas (Precision) Zaman Protokolüne (PTP) dayanmaktadır; 802.1Qat, bir Akış Rezervasyon Protokolü (SRP) kullanarak akış yolu boyunca bant genişliği ayırma talebini yerine getirir [7]. Gerçek zamanlı kısıtlamalara sahip SR (Akış Rezervasyonu) trafik sınıfı A ve B ve En İyi Çaba (best-effort) (BE) özelliklerine sahip SR olmayan trafik sınıfı ağlar üzerinden iletişim kurar; 802.1Qav [8] kuyruk ve yönlendirme politikası sağlar. Her Ethernet-AVB çıkış bağlantı noktası, trafik şekillendirme yapmak için her SR sınıfı için kredi tabanlı bir şekillendirici uygular; 802.1 BA [5] Ethernet-AVB sistemini ve varsayılan yapılandırmayı tanımlar. Ethernet-AVB, olay tetiklemeli iletişim mekanizmasını benimser ve uygulamaların bu katı zamanlama gereksinimleri için tasarlanmamıştır.
Ethernet-AVB'nin daha da geliştirilmesi TSN teknolojisidir. IEEE TSN Görev Grubu tarafından geliştirilmiştir ve ek bir CDT (Control Data Traffic) sınıfı ile hard gerçek zamanlı gereksinimleri karşılamak için Ethernet-AVB'yi geliştirmeyi amaçlamaktadır. Temel gelişmeler, IEEE 802.1AS-Rev [12], IEEE 802.1Qbv [13] tarafından tanımlanan bir Time Aware Shaping (TAS) algoritması, IEEE 802.1Qbu [14] tarafından tanımlanan frame preemption ve IEEE 802.1CB [15] tarafından tanımlanan fazlalık mekanizması tarafından tanımlanan optimize edilmiş bir senkronizasyon yaklaşımıdır. TSN standartlarına genel bakış [12-22] aşağıdaki gibidir:
IEEE 802.1AS-Rev: Zaman Duyarlı Uygulamalar için Zamanlama ve Senkronizasyon
IEEE 802.1Qbv: Zamanlanmış Trafik için Geliştirmeler
IEEE 802.1Qbu: Frame Preemption (parçalama)
IEEE 802.1CB: Güvenilirlik için Çerçeve Çoğaltma ve Eleme (Sorunsuz Yedeklilik)
IEEE 802.1Qca: Yol Kontrolü ve Rezervasyon
IEEE 802.1Qcc: Akış Rezervasyon Protokolü Geliştirmeleri ve Performans İyileştirmeleri (SRP)
IEEE 802.1Qch: Cyclic Queuing and Forwarding
IEEE 802.1Qci: Akış Başına Filtreleme ve Kontrol (Giriş kontrolü)
IEEE 802.1CM: Fronthaul için Zamana Duyarlı Ağ
IEEE 802.1br: Hızlı Trafiği Karıştırmak IEEE 802.1Qcr: Köprüler ve Köprülü Ağlarda Değişiklik: Asenkron Trafik Şekillendirme
TTETHERNET
Afdx geliştirilmiş TTEthernet, TDMA çoğullama stratejisi ile mix-kritik gereksinimler için tasarlanmıştır. Üç tür stream (trafik) var: zamanla tetiklenen (TT) akışları, kısıtlı (RC) akışları ve en iyi çaba (BE) akışları aynı fiziksel bağlantıyı paylaşır. TT trafiği, genel senkronizasyonu temel alan çevrimdışı tasarlanmış bir zamanlama tablosuna göre tarifelenir. Önceden tasarlanmış slotların tahsisi nedeniyle, TT akışları tüm ağlar boyunca çakışmaları önleyebilir ve güvenlik açısından kritik uygulamalar için uygundur. RC akışları, benzer bir akış şekillendirme mekanizmasına sahip AFDX sanal bağlantılarıyla uyumludur. BE akışları IEEE 802.3 standardına uygundur ve Hizmet Kalitesi (QoS) gereksinimleri olmayan uygulamalar için kullanılır.
NETWORK PERFORMANCE COMPARISON
Ethernet Evolution
İlgili TSN standartları, eski Ethernet ağ standardı 802.3 ile uyumlu hale getirilen ve MAC Katmanında data framelerinin işlenmesi tanımı ile Ethernet'e gerçek zamanlı, güvenilirlik ve esneklik hizmetleri sağlayan OSI Katman 2'de bulunur.
TTEthernet protokol yığını ve standartların etkileşimi [10] ' da gösterilmiştir. TT hizmetleri, ortak OSI katmanlarına paralel olarak görüntülenebilir. IEEE 802.3 standardının bir uzantısı olarak TTEthernet, deterministik ve karma-kritik iletişim yoluyla gelişmiş hizmet kalitesi sağlar.
Network Architecture
TSN ağında, bir kaynak uç-sistemi, veri akışları üreten bir konuşmacı (Talker) olarak adlandırılır. Hedef uç-sistemi, veri akışlarını alan bir dinleyici (Listener) olarak adlandırılır. TSN'de uç-sistemler ya Konuşmacılar, ya dinleyiciler ya da her ikisidir. Konuşmacı ve dinleyici arasındaki köprüler üzerindeki tek noktaya yayın ve çok noktaya yayın akış yolları desteklenir. Şekil l'de gösterildiği gibi, flow
TTEthernet ayrıca birbirine bağlı uç-sistemler ve switchlerden oluşur. Yalnızca bir kaynak uç-sisteminden gelen akışlar, bazı anahtarlar aracılığıyla bir veya daha fazla hedef uç-sisteme gönderilebilir. Her TT çerçevesi periyodik olarak önceden belirlenmiş bir atanmış slot'a gönderilir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, ES1'den yol (ES1 → Switch1 → ES3) boyunca oluşturulan TT çerçevesinin iletim için 3 µs döngü süresi varken ES2'den yol (ES2 → Switch1 → ES3) üretilen TT çerçevesinin 2 µs döngü iletim zamanı vardır. TTE-Switch 1'de, TTE-Switch 1'de, rakip TT akışları için bir tarifeleme tablosu ve tarifeleme periyodu vardır, bu TT akışlarının periyotlarının en küçük ortak katları (EKOK - LCM) ile tanımlanır. RC ve be akışları belirli bir tarifelemenin kapsamında değildir.
Timing and Synchronization Mechanism
TSN ağındaki tüm düğümler, düşük-jitterlı saatler elde etmek için Hassas Zaman Protokolü (PTP) önermek üzere Katman 2 Ethernet için IEEE 1588v2'yi temel alan IEEE 802.1AS-Rev standardı ile senkronize edilir. PTP prosedürleri aşağıdaki gibidir [2, 23]: En iyi Master Saat Algoritması'na (BMCA) göre, ağlardaki düğümlerden biri senkronizasyon için grandmaster düğümü olarak seçilir, diğerleri slave düğümleri olarak kabul edilir. Şekil 3'te gösterildiği gibi, dört mesaj tipi vardır: Senkronizasyon mesajı, takip mesajı, gecikme talebi mesajı ve gecikme yanıtı mesajı. Slave düğümlerin, master saatine göre saat farkını belirlemek ve slave saatini ayarlaması için t1, t2, t3, t4 zaman damgaları gereklidir.
TTEthernet cihazları farklı yerel saatlerle çalışabilir, cihazlar arasında periyodik senkronizasyon gerekir. Şekil 2, aynı zamanda bir entegrasyon döngüsü olarak da adlandırılan üç trafik sınıfına sahip TTEthernet senkronize çevrimler konseptini sunmaktadır [8, 24]. TTEthernet, dağıtılmış bir saat senkronizasyon algoritmasını benimser ve senkronizasyon bileşenleri arasında Protokol Kontrol Çerçeveleri (Protocol Control Frames PCF) değişimi ile global bir zaman tabanı sağlar [8]. Üç tür senkronizasyon rolü vardır: Senkronizasyon Masterı (SM), Senkronizasyon Client-İstemcisi (SC) ve Sıkıştırma Masterı (CM). Genellikle, kaynak uç-sistemleri SM'ler olarak atanır. Bir anahtar CM, diğer anahtar ve uç-sistemler SC olarak yapılandırılmıştır. Şekil 4'te gösterildiği gibi, senkronizasyon işlemi aşağıdaki gibidir: İlk aşamada, SM'ler PCF'leri CM'lere gönderir. İkinci adımda, CM'ler, bu PCF'lerin nispi varış sürelerinden ortalama bir değer hesaplayarak, yanıt olarak yeni bir sıkıştırılmış PCF verir. Bu yeni PCF ayrıca geçerli bir döngü süresi oluşturmak için SC'lere gönderilir.
Bandwidth Allocation (Tahsis)
IEEE 802.1Qat [3] tarafından belirlenen bir online Stream Rezervasyon Protokolü (SRP) ve IEEE 802.1Qcc [17] tarafından tanımlanan SRP geliştirmeleri, TSN ağlarında gerektiğinde bant genişliğini ayırmak için kullanılır. SRP, stream yolu boyunca rezervasyon talebini üç adımda duyurur ve gerçekleştirir: Şekil 5'te gösterildiği gibi stream duyurusu, kayıt ve kayıttan çıkarma. Maksimum Frame Boyutu (MFS) ile zamana duyarlı bir streamın bant genişliği gereksinimi (bits/s birimler) şu şekilde verilir:
Bandwidth = (MF S + Overhead)
Burada CMI (Sınıf Ölçüm Aralığı) periyodik bir zaman aralığıdır. MIF (Maksimum Aralık Frame'i), bir CMI sırasında iletilen maksimum frame sayısıdır. Zaman duyarlı streamlar, bir bağlantı noktasındaki toplam bant genişliğinin %75'ine kadar ayrılabilir. Kalan %25'lik bant genişliği kullanımı BE flow'larına tahsis edilmiştir.
TTEthernet ağında, toplam bant genişliği farklı flow türleri tarafından paylaşılır. Bazı önceden ayrılmış zaman pencereleri temin edilir ve yalnızca TT framelerinin iletimi için kullanılır. Tasarlanmış slot'ta iletim gerçekleşmezse, switch RC ve BE streamları için bant genişliğini serbest bırakır. RC streamı sanal bağlantı (Virtual Link-VL) kavramını kullanır [1]. Her VL, bir flow'un deterministik bir yoludur. Her VL için maksimum mantıksal bant genişliği
BandwidthRC = Smax = BAG; (2)
ile verilir. Burada Smax, maksimum frame boyutu ve BAG (Bant Genişliği Ayırma Aralığı), VL'den ardışık iki frame'in ilk bitleri arasındaki minimum zaman aralığıdır. BE streamları en düşük önceliğe sahiptir ve TT ve RC flowlarından kalan yedek bant genişliğini kullanır.
Tüm Trafik sınıfları tarafından paylaşılan toplam bant genişliği ve bant genişliği rezervasyon mekanizmasının eksikliği nedeniyle, yüksek öncelikli olanlardan büyük flow patlamaları genellikle TTEthernet ağlarında gerçekleşirse, düşük öncelikli kuyruklar aç (starvation) kalabilir. TTethernet'in aksine, TSN bant genişliğini ayırmak için online bir SRP sunar. Bu, yapılandırmayı gerçek bant genişliği talebine göre uyarlamak için esnekliği artırır ve anahtarlarda iletilen düşük öncelikli flowlar için bir adalet koşulu sağlar. Öte yandan, RC flow’larının maksimum logic bant genişliği sadece kaynak uç-sisteminde sınırlanırken, AVB SR sınıfı trafik için bant genişliği rezervasyonu tüm akış yolu boyuncadır. TSN, TTEthernet'den daha iyi performans gösterir, çünkü bant genişliklerinin SRP tarafından önceden tahsisi soft gerçek zamanlı akışlar için nispeten daha kararlı bir iletim içeriği sağlar.
Traffic Shaping and Scheduling Strategy - Trafik Şekillendirme ve Tarifeleme Stratejisi
Ethernet-AVB dayanarak, TSN hard gerçek zamanlı gereksinimlerini karşılamak için yeni bir CDT (a) back-to-back şekilde sınıfını tanıttı. CDT sınıfı için bazı yeni şekillendiricilerin [25], TAS (Zamana Duyarlı Şekillendirici), BLS (Burst Sınırlayıcı Şekillendirici) ve PS (Peristaltik Şekillendirici) gibi deterministik davranışa ulaşmaları önerilmektedir. En iyi aday IEEE 802.1Qbv standardı tarafından belirlenen TAS'dır (13). Şekil 6'da gösterildiği gibi, SPQ (Sıkı Öncelik Sırası) stratejisinin üstünde, TSN trafik şekillendirme ve iletmeyi uygulamak için TAS ve CBS zamanlama modelini kullanır. Tüm trafik işlemleri, sadece bir trafik sınıfının (veya bir dizi trafik sınıfının) ağa sabit ve periyodik zaman aralıklarında erişebilmesini sağlamak için bir geçit operasyonu uygulayan TAS tarafından ele alınmaktadır. Tarifeleme tablosu varsayılan olarak 500 µs'lik bir süreye sahiptir. Bir Gate Kontrol Listesi (GCL) tarafından çevrimdışı olarak yapılandırılır ve bir trafik sınıfı iletim için etkinleştirildiğinde (açıldığında) veya devre dışı bırakıldığında (kapatıldığında) belirtilir. CDT sınıfı frameler yalnızca CDT pencereleri sırasında gönderilebilir. Diğer öncelikli flowlardan CDT flowlarına girişimlerden-müdahalelerden kaçınmak için bir koruma bandı tanıtılmalıdır. En kötü durum zamanlama senaryosunda, koruma bandı, müdahale eden akışlar arasındaki en uzun çerçeve uzunluğuna eşittir.
Ayrıca, AVB SR sınıfları, CDT dışındaki eşzamanlı streamlar arasında kalan bant genişliğini paylaşan CBS shaping [4] altındadır. Şekil 7'de gösterildiği gibi, normal CBS algoritması şu şekildedir: Bir SR sınıfı frame iletim için bekliyorsa ve çıkış portunu bloklayan trafik varsa, kredi idleSlope oranında artar (kısaca idSl). İlgili kredi negatif değilse ve bağlantı boşsa, SR sınıfı framelerin iletimine yalnızca iletim bekleyen yüksek öncelikli trafik olmadığında veya karşılık gelen yüksek öncelikli sınıf kredisi iletim için yeterli olmadığında izin verilir. Aktarım ilerledikçe, kredi sendSlope (kısaca sdSl) oranında azalır. En kötü senaryoda, kredi sıfıra düştüğünde yine de maksimum boyutlu bir frame iletilebilir. Sıraya alınan başka bir SR sınıfı frame'i yoksa ve geçerli kredi negatifse, kredi idleSlope oranında sıfıra yükselir. Son frame kullanılabilir kredinin tamamını tüketecek kadar büyük değilse kredi hemen sıfıra ayarlanır.
TTEthernet ağında, her TT frame’i bir off-line TT-schedule (zaman tetiklemeli tarifeleme) göre çekişme olmadan iletilir. RC ve BE flowları TT frameleri için ek gecikme getiremez. TT-scheduled'ı tasarlamak için bazı yaklaşımlar vardır. W. Steiner [26] TT-schedule için uygulanabilir çözümler elde etmek için Satisfiability Modulo Teorisine (SMT) dayalı bir yöntem önerdi ve SMT tabanlı tarifeleme yaklaşımı iki aşama gerektiriyor: (a) tarifeleme kısıtlamalarının oluşturulması ve bunları YİCES gibi SMT-çözücünün logic bağlamına ekleme; (b) çözücünün çağrılması. TT-schedule, şekil 8'de gösterildiği gibi, arka arkaya biçiminde ve gözeneklilik biçiminde farklı davranışlara ayrılabilir. Kaynak uç-sistemlerinde, RC flowları Şekil 9'da gösterildiği gibi minimum süre ile sınırlandırılmıştır. Switch çıkış portunda RC flowları VL trafik güvenlik stratejisi tarafından iletilir. Bayt tabanlı ve frame tabanlı token bucket algoritmaları, her VL'nin trafiğini düzenlemek için belirtilmiştir. BE flowlarının iletimi zamanlamaya ve QoS garantilerine sahip değildir.
TTEthernet ağı, her bir TT frame'ini göndermek için statik tarifeleme yapılandırması gerektirir, bu da yüksek güvenilirliğe sahiptir, ancak yeni bir uç-sistem veya yeni bir flow eklemek için esnek değildir, çünkü tarifeleme tüm düğümlerde değiştirilmelidir. TSN, trafik artışına uyum sağlamada daha esnek olan ilgili trafik sınıfı için açık veya kapalı bir davranışı temsil eden bir ikili kapı yapılandırmasını benimser.
Delay Analysis - Gecikme Analizi
TAS, TSN switchlerindeki AVB sınıfı flowları üzerinde etkilidir. TAS mekanizması ile AVB'deki orijinal CBS tarifeleme fonksiyonunda bazı değişiklikler yapmalıdır [27]. Tarifeleyici ilk olarak tüm tarifeleme süreci boyunca zaman duyarlı iletim kapılarını kontrol eder. AVB SR ile ilişkili krediler, Şekil 10'da gösterildiği gibi, ilgili SR kapıları kapatıldığında CDT pencereleri sırasında dondurulur. SR kapılarının açılan pencerelerinde, SR frameleri AVB CBS algoritmasına göre tarifelenebilir. Non-preemption mod için, en kötü durumda, diğer sınıf flowlarından CDT sınıf flowlarına girişimleri önlemek için maksimum çerçeve boyutuna sahip bir koruma bandı kullanılır. Bu, AVB sınıfı ve BE sınıfı flowları için büyük gecikme sağlar ve bant genişliği boşa gider. Daha sonra IEEE 802.1Qbu [14], AVB sınıfı ve BE sınıfı frame'in CDT frameleri tarafından askıya alınabileceğini ve bu CDT frameleri iletimi tamamlandıktan hemen sonra devam edebileceğini belirleyen çerçeve önleme yaklaşımını sunar. Koruma bandını 128 bayta düşürmek mümkündür [14, 28]. Bunun nedeni, 128 bayttan daha küçük boyutlu bir frame önlendiğinde(preempted), tutulan - üstünlüğü uygulanan (preempted) frame veya frame'in geri kalanı, Ethernet frame'inin minimum boyutu olan 64 bayttan azdır.
TT frameleri sabit zaman slotlarında tarifelenir ve kalan gözenekler RC ve BE frame iletimi için kullanılır. TT-schedule'nin gözenekliliği, RC ve be flowlarının iletim performansını açıkça etkileyecektir. Bir RC frame'i zaten iletimde olduğunda ancak bir TT frame'i sabit slota iletilmeye hazır hale geldiğinde, çekişmeyi çözmek için üç entegrasyon yöntemi vardır [10]: Bir RC frame'i zaten iletimde olduğunda ancak bir TT frame'i sabit slota iletilmeye hazır hale geldiğinde, çekişmeyi çözmek için üç entegrasyon yöntemi vardır [10]: Şekil 11'de gösterildiği gibi preemption, zamanında blok ve shufing. Preemption modu, RC frame’i preempted olabilir ve TT frame iletimi bittikten sonra geri kazanılabilir demektir. Zamanında blok modunda (timely block mode), bir RC frame’inin iletimi daha sonra TT framelerinin gelmesinden önce tamamlanamazsa, bu TT framelerinin iletimi bitene kadar RC frame’i engellenecektir. Shuffling modunda, TT framelerinin deterministik davranışını ihlal eden TT frame'i gecikecektir. Bu model genellikle pratikte dikkate alınmaz.
Redundancy approach – Fazlalık Yaklaşımı
TSN'nin fazlalık mekanizması IEEE 802.1Qca ve 802.1CB standartları tarafından tanımlanır. İki veya daha fazla ayrık yol boyunca paket göndermeye bağlı olarak frame kaybını önler, daha sonra ekstraları birleştirir ve siler. Özellikle 802.1Qca [16], ağda birden fazla yolun oluşturulmasına ve bu yollar aracılığıyla kaynakların rezervasyonuna izin verir. 802.1CB [15], birden çok yoldan iletilecek frame kopyalarının oluşturulmasını ve ortadan kaldırılmasını yönetir.
Fazlalık TTEthernet standardında tanımlanmamıştır. Ancak TTEthernet, ARINC 664 spesifikasyonu olarak iki ayrı kanalla şeffaf fazlalık uygulayabilir.
THE WORST-CASE END-TO-END DELAY CALCULATION – En Kötü Durum Uçtan Uca Gecikmenin Hesaplanması
Zaman açısından kritik sistemler bağlamında, sorun en kötü durum gecikmesinin hesaplanmasında yatmaktadır. Mevcut gecikme analizi yöntemleri üç gruba ayrılabilir [29]: Simülasyon yaklaşımı yalnızca bir dizi senaryoda gözlemlenen maksimum gecikmeyi sağlar; Tüm olası senaryoların kapsamlı keşifleri nedeniyle büyük ölçekli ağ yapılandırmalarıyla başa çıkabilen model kontrol (model-checking) yaklaşımı [30] ile tam olarak en kötü durum uçtan uca gecikme ulaşılabilir; Ağ hesabı [31, 32], yörünge yaklaşımı [33], bütünsel yaklaşım [34] gibi bazı matematiksel analiz yöntemleri, belirli bir kötümserlik ile kesin bir üst sınır gecikmesi elde edebilir.
Şekil 2'deki örneği, TTEthernet ağlarında preemption modeli kullanarak RC flowlarının üst sınır gecikmesinde (upper bounded delay) ağ hesabı yaklaşımını (network calculus) göstermek için kullanıyoruz. Ağ hesabı [31], en kötü durum uçtan uca gecikmeyi belirlemek için güçlü bir yöntemdir. Bu değerlendirmede dikkate alınan TTEthernet ağ yapılandırması üç uç-sistemi (ES1, ES2 ve ES3) ve bir anahtar (Sw1) içerir. Fiziksel bağlantının iletim hızı 100Mb/s'dir ve her switch'deki teknolojik gecikme 16 µs'dir. Tartışmayı basitleştirmek için, her TT, RC ve BE flow'unun frame uzunluğunun 1518 bayt olduğunu varsayıyoruz. ES1'den gönderilen TT frame'i için periyot 3 ms ve ES2'den gönderilen TT frame'i için periyot 2 ms'dir. TT-schedule SMT yöntemine dayanır ve TABLO 1'de gösterilmiştir. RC flow’u maximum frame büyüklüğü SRC, max ’a eşittir ve max ve min frame arası fark ES2→Sw1→ES3 yolu boyunca BAG=2ms’dir. Her VL, sızdıran kova varış (leaky bucket arrive curve) eğrisi ile modellenmiştir: ασ,ρ(t) = σ + ρt ile σ = SRC, max ve ρ = SRC, max /BAG. ES2 düğümünde,
burada C iletim hızı (transmission rate) ve
TSN ağları için, preemption modeli olmayan bir TSN switch’inde bir AVB sınıfı frame'inin gecikmesi parçalanabilir iki bileşen halinde [35]:
TAS kullanımının AVB flowları üzerinde bir etkisi vardır. Gecikme, koruma bandıyla birlikte CDT-slot'undan kaynaklanır.
Gecikmeye CBS'nin flow şekillendirmesi neden olur.
Şekil 10'da gösterildiği gibi, AVB sınıflarının kredisi CDT-slot'u ve koruyucu bant sırasında dondurulur. En kötü durumda, Fn frame'inin iletilmesine izin verilmeden önce
burada
olduğunda tarifelenebileceğini bilebiliriz. Burada Tn frame aralığıdır. SR sınıfı X sinyali için, fn frame'inin kuyruk gecikmesi
olarak verilir. Daha sonra CBS tarafından uçtan uca gecikme
şeklinde olur.
CONCLUSION AND THE FUTURE WORK
Bu makale TSN ve TTEthernet'in temel prensibini vermekte ve iki ağ arasındaki farkı incelemektedir, özellikle de aşağıdaki tarifeleme stratejilerine ve gecikmeye yol açan faktörlere odaklanmaktadır. TSN'nin bazı temel avantajları ortaya çıkmıştır.
Flow bant genişliği, nispeten daha kararlı bir iletim ortamı sunan gerçek bant genişliği talebine göre ayrılmıştır.
SPQ cetveli tek başına kabul edilirse, yüksek öncelikli verilerden gelen büyük flow patlamaları, düşük öncelikli flowlar için yüksek gecikmelere neden olur. TSN, SPQ mekanizmasının üstüne kredi temelli şekillendiriciler uygular ve bu da bu sorunu kısmen azaltabilir.
TTEthernet'in TT-tarifelemesi, her bir düğümdeki her TT frame'i için sabit zaman dilimleri sağlamayı amaçlamaktadır. TSN'nin TAS tarifeleme tablosu, zaman pencerelerinin (time windows) bir listesidir, ancak bir trafik sınıfının (veya bir dizi trafik sınıfı) her bir zaman noktasında iletilmesine izin verilip verilmeyeceğini göstermeyi amaçlamaktadır. TSN, konfigürasyon (yapılandırma) değişikliklerine uyum sağlamak için daha uygundur.
TSN'nin tarifeleme mimarisi, Havacılık (Aeronautic) gereksinimlerini karşılamak için aday bir ağ çözümü olabilir. Şu anda, bazı TSN standartları devam etmektedir. CBS'nin daha düşük öncelikli akışlar için TSN gecikmelerini daha iyi bir şekilde azaltmaya çalışması için gelecekteki çalışmalara ihtiyaç vardır.
REFERENCES
[1] ARINC-664(2005), “ARINC Specification 664: Aircraft Data Network, Parts 7: Avionics Full-Duplex Switched Ethernet Network,” Aeronautical Radio Inc.: Annapolis, MD, USA, 2005.
[2] IEEE, “IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks,” pp. 1–292, 2011.
[3] ——, “IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks— Virtual Bridged Local Area Networks Amendment 14: Stream Reservation Protocol (SRP),” pp. 1–119, 2010.
[4] ——, “802.1Qav-2009: IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Virtual Bridged Local Area Networks Amendment 12: Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams,” 2010, pp. C1–72.
[5] ——, “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks–Audio Video Bridging (AVB) Systems,” pp. 1–45, 2011.
[6] S. Schneele and F. Geyer, “Comparison of IEEE AVB and AFDX,” in Digital Avionics Systems Conference (DASC), 2012, pp. 7A1–1–7A1–9.
[7] L. Zhao, F. He, and J. Lu, “Comparison of AFDX and audio video bridging forwarding methods using network calculus approach,” in IEEE/AIAA Digital Avionics Systems Conference (DASC), 2017, pp. 1–7.
[8] SAE, “Time-Triggered Ethernet; Technical Report AS 6802,” SAE International: Warrendale, PA, USA, 2011.
[9] Time-Sensitive Networking Task Group. [Online]. Availabe:http://www.ieee802.org/1/pages/tsn.html.
[10] W. Steiner, B. Hall, M. Paulitsch, and S. Varadarajan, “TTEthernet Dataflow Concept,” in 2009 Eighth IEEE International Symposium on Network Computing and Applications, 2009, pp. 319–322.
[11] W. Steiner, M. Gutierrez, Z. Matyas, and F. Pozo, “Current techniques, trends, and new horizons in avionics networks configuration,” in Digital Avionics Systems Conference (DASC), 2015, pp. 6C3–1–6C3–10.
[12] IEEE, “802.1AS-Rev-Timing And Synchronization for Time-Sensitive Applications,” [Online]. Available: http://www.ieee802.org/1/pages/802.1AS-rev.html.
[13] ——, “802.1Qbv-2015 - IEEE Standard for Local and metropolitan area networks – Bridges and Bridged Networks - Amendment 25: Enhancements for Scheduled Traffic,” 2016.
[14] ——, “802.1Qbu-2016 - IEEE Standard for Local and metropolitan area networks – Bridges and Bridged Networks – Amendment 26: Frame Preemption,” 2016, pp. 1–52.
[15] ——, “802.1CB - Frame Replication and Elimination for Reliability,” [Online]. Available: http://www.ieee802.org/1/pages/802.1cb.html.
[16] ——, “802.1Qca - Path Control and Reservation,” [Online]. Available: http://www.ieee802. org/1/pages/802.1ca.html.
[17] ——, “802.1Qcc- Stream Reservation Protocol (SRP) Enhancements and Performance Improvements,” [Online]. Available: http://www.ieee802.org/1/pages/ 802.1cc.html.
[18] ——, “802.1Qch - Cyclic Queuing and Forwarding,” [Online]. Available: http://www.ieee802. org/1/pages/802.1ch.html.
[19] ——, “802.1Qci - Per-Stream Filtering and Policing ,” [Online]. Available: http: //www.ieee802.org/1/pages/802.1ci.html.
[20] ——, “802.1CM - Time-Sensitive Networking for Fronthaul,” [Online]. Available: http://www.ieee802.org/1/pages/802.1cm.html.
[21] ——, “802.3br - Interspersing Express Traffic,” [Online]. Available: http://www. ieee802.org/3/br/index.html.
[22] ——, “802.1Qcr - Bridges and Bridged Networks Amendment: Asynchronous Traffic Shaping,” [Online]. Available: http://www.ieee802.org/1/pages/802.1qcr.html.
[23] E. Heidinger, F. Geyer, S. Schneele, and M. Paulitsch, “A performance study of Audio Video Bridging in aeronautic Ethernet networks,” in 7th IEEE International Symposium on Industrial Embedded Systems (SIES’12), 2012, pp. 67–75.
[24] A. Starke, D. Kumar, M. Ford, J. Mcnair, and A. Bell, “A test bed study of network determinism for heterogeneous traffic using timetriggered Ethernet,” in 2017 IEEE Military Communications Conference (MILCOM), 2017, pp. 611–616.
[25] S. Thangamuthu, N. Concer, P. Cuijpers, and J. J. Lukkien, “Analysis of Ethernet-switch traffic shapers for in-vehicle networking applications,” in Proceedings of the IEEE Design, Automation, Test in Europe Conference and Exhibition (DATE), 2015, pp. 55–60.
[26] W. Sterner, “An Evaluation of SMT-Based Schedule Synthesis for TimeTriggered Multi-hop Networks,” in Real-Time System Symposium, 2011, pp. 375–384.
[27] F. He, L. Zhao, and E. Li, “Impact Analysis of Flow Shaping in Ethernet-AVB/TSN and AFDX from Network Calculus and Simulation Perspective,” Sensors, vol. 17, no. 5, 2017.
[28] H. Lee, J. Lee, and S. Park, “Time-aware preemption to enhance the performance of Audio/Video Bridging (AVB) in IEEE 802.1TSN,” in 2016 First IEEE International Conference on Computer Communication and the Internet (ICCCI), 2016, pp. 80–84.
[29] X. Li, “Worst-case delay analysis of real-time switched Ethernet networks with flow local synchronization,” Toulouse Inpt, 2013.
[30] B. Berard, M. Bidoit, A. Finkel, F. Laroussinie, A. Petit, L. Petrucci, and P. Schnoebelen, Systems and software verification: model-checking techniques and tools. Springer, 2001.
[31] J. Y. L. Boudec and P. Thiran, Network Calculus: A Theory of Deterministic Queuing Systems for the Internet. Springer-Verlag, 2001.
[32] R. L. Cruz, “A calculus for network delay. I. Network elements in isolation,” Information Theory IEEE Transactions on, vol. 37, no. 1, pp. 114–131, 1991.
[33] H. Bauer, J. L. Scharbarg, and C. Fraboul, “Improving the Worst-Case Delay Analysis of an AFDX Network Using an Optimized Trajectory Approach,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 6, no. 4, pp. 521–533, 2010.
[34] K. Tindell and J. Clark, “Holistic schedulability analysis for distributed hard real-time systems,” Microprocessing and Microprogramming, vol. 40, no. 2C3, pp. 117–134, 1994.
[35] D. Maxim and Y. Q. Song, “Dealy analysis of AVB traffic in timesensitive networks (TSN),” in International Conference on Real-Time Networks and Systems (RTNS), 2017, pp. 18–27.
[36] U. D. Bordoloi, A. Aminifar, P. Eles, and Z. Peng, “Schedulability analysis of Ethernet AVB switches,” in 2014 IEEE 20th International Conference on Embedded and Real-Time Computing Systems and Applications, 2014, pp. 1–10.
[37] J. Cao, P. J. L. Cuijpers, R. J. Bril, and J. J. Lukkien, “Independent yet Tight WCRT Analysis for Individual Priority Classes in Ethernet AVB,” International Conference on Real-Time Networks and Systems (RTNS), pp. 55–64, 2016
Comments