이름: Liu Jiamu
학생 ID: 19011210553
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Embedded Bull 소개: 시간에 민감한 네트워크 목표는 좋은 호환성을 가지고 동일한 네트워크에서 실시간 중요한 데이터 흐름과 일반 데이터 흐름의 동시 전송을 실현하는 것입니다. 이 두 서비스의 통합을 달성하려면 시간에 민감한 네트워크의 장치가 일정을 정확하게 제어하고 실시간 중요 서비스에 필요한 낮은 대기 시간과 낮은 지터를 달성해야 합니다. 또한, 다양한 유형의 장비의 복잡한 비즈니스 흐름을 동일한 네트워크에서 전송할 수 있다면 전용 네트워크 연결이 줄어들어 시스템 장비의 배포 프로세스가 단순화되고 동시에 시스템의 크기와 비용이 절감된다는 의미입니다. 장비.
Embed Niu Nose: 시간에 민감한 네트워크? TSN 결정론적 전송
Embed Niu Nose: 최근 몇 년 동안 제기된 시간에 민감한 네트워크 관련 문제
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1. 질문
기존 이더넷에서 일반적으로 채택하는 전달 모드는 "Best Effort"이지만 이 전달 모드에는 확실성이 부족한 경우가 많습니다. 데이터 패킷이 송신 포트에 도착하여 전송할 준비가 되면 송신 측에서는 선입선출 원칙에 따라 이를 전달합니다. 그러나 송신 포트에 동시에 전송할 데이터가 여러 개 있는 경우에는 데이터는 대기열에 추가되며 대기 시간은 대기열 길이, 데이터 전송 속도 등 여러 요소에 의해 결정됩니다. 네트워크의 트래픽이 너무 크면 혼잡이나 패킷 손실이 발생하고 대기 시간을 예측할 수 없게 되며 확실성을 보장할 수 없게 됩니다. 이로 인해 트래픽 스케줄링, 시간 동기화, 트래픽 모니터링 및 내결함성 메커니즘이 표준화됩니다. . 등의 질문.
대역폭이 충분하면 이 최선형 이더넷을 대부분의 현재 상황에 적용할 수 있지만 원격 의료나 네트워크 지원 자율 주행과 같은 일부 응용 분야에서는 이러한 불확실성을 견딜 수 없습니다. 이러한 보안 또는 생명에 중요한 네트워크 애플리케이션에서 특정 정보 전송의 불확실성은 돌이킬 수 없는 결과를 가져올 수 있습니다.
현재로서는 안정적인 전송 메커니즘을 구축하는 것이 기술자가 직면한 주요 문제가 되었습니다.
더욱 중요하게 제어되는 일부 물리적 시스템의 결정론적 동작을 보장하려면 실시간 네트워크가 결정론적이고 낮은 네트워크 지연 및 지연 변동(지터)을 가져야 합니다. 전통적으로 이러한 목적으로 필드버스가 사용되어 왔지만, 버스 설계, 비용, 부피, 무게 등 다양한 요인으로 인해 시간에 민감한 네트워크가 제안되기 시작했습니다.
TSN(Time Sensitive Networking)은 표준 이더넷을 기반으로 합니다. 표준 이더넷의 통신 트래픽(오디오 및 비디오 스트림 등)은 우선순위가 높은 결정론적 정보 흐름(모션 제어 등)과 물리적 네트워크를 공유할 수 있습니다. 서비스마다 대기 시간 요구 사항이 다르며, 특히 대기 시간 및 지터 요구 사항에 민감한 결정적 전송이 필요한 다운링크 서비스 영역에서는 더욱 그렇습니다.
시간에 민감한 네트워크의 목표는 동일한 네트워크에서 실시간 중요한 데이터 흐름과 일반 데이터 흐름을 우수한 호환성으로 동시에 전송하는 것입니다. 이 두 서비스의 통합을 달성하려면 시간에 민감한 네트워크의 장치가 일정을 정확하게 제어하고 실시간 중요 서비스에 필요한 낮은 대기 시간과 낮은 지터를 달성해야 합니다. 또한, 다양한 유형의 장비의 복잡한 비즈니스 흐름을 동일한 네트워크에서 전송할 수 있다면 전용 네트워크 연결이 줄어들어 시스템 장비의 배포 프로세스가 단순화되고 동시에 시스템의 크기와 비용이 절감된다는 의미입니다. 장비.
TSN은 전체 네트워크를 포괄하지 않고 MAC 계층의 정의와 데이터 프레임 처리 프로세스만 포괄합니다.
2. 콘텐츠 내역
AVB - 이더넷 오디오 비디오 브리징 기술(Ethernet Audio Video Bridging)은 IEEE 802.1 작업 그룹이 2005년에 개발하기 시작한 새로운 이더넷 아키텍처를 기반으로 하는 실시간 오디오 및 비디오 세트입니다. 전송 프로토콜이 설정되었습니다.
이는 이더넷 전송에서 데이터의 타이밍, 낮은 대기 시간 및 트래픽 형성 문제를 효과적으로 해결합니다. 동시에 기존 이더넷과 100% 하위 호환성을 유지하며 개발 잠재력이 큰 차세대 네트워크 오디오 및 비디오 실시간 전송 기술입니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
1. 802.1AS: 정밀 시간 프로토콜(PTP)
2. 802.1Qat: 스트림 예약 프로토콜(SRP) )
3. 802.1 Qav: Qav(큐잉 및 전달 프로토콜)
4. 802.1BA: 오디오 비디오 브리징 시스템
p>5. 1722: AVBTP(오디오/비디오 브리징 전송 프로토콜)
6. 1733: RTP(실시간 전송 프로토콜)
7. 1722.1: 1722 기반 장치 간의 장치 검색, 열거, 연결 관리 및 상호 제어를 담당합니다.
AVB는 오디오뿐만 아니라 비디오도 전송할 수 있습니다. 오디오 전송에 사용되는 경우 1G 네트워크에서 AVB는 자동으로 750M의 대역폭을 사용하여 대역폭 예약 프로토콜을 통해 양방향 420채널 고품질, 비압축 전문 오디오를 전송합니다. 나머지 250M 대역폭은 여전히 일부 비실시간 네트워크 데이터를 전송할 수 있습니다. 비디오 전송에 사용될 때 예약된 대역폭은 특정 애플리케이션에 따라 조정될 수 있습니다. 예를 들어, 750M 대역폭은 고화질 풀 HD 시각적 무손실 비디오 신호를 쉽게 전송할 수 있습니다. AVB 네트워크에서는 임의로 라우팅될 수 있습니다.
IEEE 802.1 태스크 포스는 2012년 11월 공식적으로 AVB의 이름을 TSN(Time Sensitive Network)으로 변경했습니다. 즉, AVB는 TSN의 하나의 애플리케이션일 뿐입니다.
첫 번째 애플리케이션은 전문 오디오 및 비디오(Pro AV)입니다. 이 응용 분야에서 강조되는 점은 마스터 클록 주파수입니다. 즉, 모든 오디오 및 비디오 네트워크 노드는 시간 동기화 메커니즘을 따라야 합니다.
두 번째 응용 분야는 자동차 제어 분야입니다. 현재 대부분의 자동차 제어 시스템은 매우 복잡합니다. 예: 브레이크, 엔진, 서스펜션 등은 CAN 버스를 사용합니다. 조명, 문, 리모컨 등은 LIN 시스템을 사용합니다. 엔터테인먼트 시스템은 FlexRay 및 MOST와 같은 현재 차량 내 네트워크를 포함하여 훨씬 더 다양합니다. 실제로 위의 모든 시스템은 낮은 대기 시간을 지원하고 실시간 전송 메커니즘을 갖춘 TSN을 사용하여 통합 관리가 가능합니다. 자동차 및 전문 A/V 장비에 네트워크 기능을 추가하는 데 드는 비용과 복잡성을 줄일 수 있습니다.
세 번째 응용 분야는 상업용 전자 분야입니다. 예를 들어 집에 앉아 있으면 무선 WIFI를 통해 집에 있는 모든 전자 장치에 연결하고 실시간으로 오디오 및 비디오 자료를 탐색할 수 있습니다.
마지막 애플리케이션은 향후 가장 널리 사용되는 애플리케이션이기도 합니다. 실시간 모니터링이나 실시간 피드백이 필요한 모든 산업 분야에는 TSN 네트워크가 필요합니다. 예: 로봇 산업, 심해 석유 시추 및 은행 산업 등 TSN은 빅데이터를 지원하는 서버 간 데이터 전송에도 사용될 수 있습니다. 글로벌 산업은 사물 인터넷(IoT) 시대에 진입했습니다. TSN이 사물 인터넷의 상호 연결 효율성을 향상시키는 가장 좋은 방법이라는 것은 의심의 여지가 없습니다.
3. 연구 현황 및 핫스팟
TSN은 안정적인 ULL 엔드투엔드 연결을 구축하기 위해 중요한 소규모 폐쇄형 자동차 및 산업 네트워크에 널리 채택되고 있습니다. 그러나 주요 TSN 제한은 차량 네트워크 및 소규모 로봇 네트워크와 같은 폐쇄형 네트워크에 정확하게 초점을 맞추고 있습니다.
로봇 및 차량 네트워크에서 실행되는 네트워크 애플리케이션에는 TSN이 아닌 외부 네트워크와의 중요한 상호 작용이 포함되는 경우가 많습니다. 로봇 공학 및 차량 네트워크 애플리케이션은 외부 네트워크를 통해 모빌리티 핸들러와 긴밀하게 통합되어야 합니다. 이동성과 같은 고급 네트워크 기능이 외부 네트워크에서 제대로 지원되지 않는 경우 TSN의 이점은 본질적으로 소규모 폐쇄 네트워크로 제한됩니다. 따라서 이기종 네트워크 시나리오에서 TSN을 운영하려면 TSN과 다른 외부 네트워크 간의 원활한 상호 운용성이 필수적입니다. 이상적으로는 TSN과 비TSN 네트워크 간의 연결이 TSN과 유사한 특성을 수용하여 이기종 배포에서 전체적인 종단 간 연결 요구 사항을 보장할 수 있어야 합니다.
V2X 통신: 이씨와 박씨는 대규모 애플리케이션을 위해 대규모 TSN 네트워크를 상호 연결하는 새로운 방법인 iTSN을 제안했다. iTSN 접근 방식은 서로 다른 TSN 네트워크 간의 인터넷을 위해 IEEE 802.11p와 같은 무선 프로토콜을 활용합니다. 특히, 외부 네트워크에서 TSN 기능을 지원하는 공용 타이밍 플랫폼을 구축하려면 상호 연결된 네트워크에서 글로벌 타이밍 및 동기화 정보를 공유하는 것이 중요합니다. 따라서 iTSN 접근 방식을 사용하면 예를 들어 차량 네트워크가 이기종 배포에서 마이크로초 지연 시간을 갖고 RSU(노변 장치)와 같은 제어 노드에 안전에 중요한 정보를 보낼 수 있습니다. 이 신뢰할 수 있는 상호 연결 기술을 사용하면 현재 밀리초 범위에서 가능한 것보다 훨씬 더 짧은(마이크로초) 시간 범위에서 차량 제동 안전 거리를 달성할 수 있습니다. TSN과 iTSN 등의 상호연결 기술을 종합하면 안전한 자율주행 시스템을 위한 통신 플랫폼을 만들 수 있다.
네트워크 모델링: TSN 표준은 자동차 운전 네트워크에서 큰 주목을 받았지만 네트워크 배포의 주요 과제는 네트워크의 복잡성을 관리하는 방법입니다. 기술이 발전함에 따라 자동차 산업은 기존 차량 내 네트워크 인프라에 대한 더 많은 요구 사항을 제시했습니다. 차량 네트워크의 센서 수가 증가함에 따라 네트워크 계획 및 대역폭 요구 사항에 따라 증가하는 센서 간의 연결이 충족되어야 합니다. 그러나 차량 내 제어 시스템 네트워크 요구 사항의 동적인 변화로 인해 더 광범위한 네트워크 인프라가 필요하게 되어 비용이 높아질 수 있습니다.
하드웨어 및 소프트웨어 설계: TSN 노드의 스케줄링, 선점 및 시간 트리거 이벤트 생성과 같은 TSN 기능을 지원하는 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소를 설계하려면 많은 엔지니어링 및 개발 작업이 필요합니다. 하드웨어 구현은 컴퓨팅 리소스 활용도와 실행 대기 시간 측면에서 매우 효율적이지만 새로운 애플리케이션 요구 사항에 적응하기 어려운 경직된 아키텍처를 초래합니다. 반면, 소프트웨어 구현은 새로운 애플리케이션 요구 사항에 유연하게 적응할 수 있지만 시간 트리거 스케줄링 및 하드웨어 가상화와 같은 네트워크 기능의 소프트웨어화로 인해 CPU에 과부하가 걸릴 수 있습니다.
요약 및 교훈: 지금까지 TSN에 대한 대부분의 연구는 독립적이고 외부 네트워크와 격리된 차량 내 네트워크에 중점을 두었습니다. TSN 연구 분야의 또 다른 한계는 대규모 이기종 네트워크 아키텍처를 포괄하는 시뮬레이션 프레임워크가 부족하다는 것입니다. 로컬 및 외부 네트워크 상호 작용(예: 자동차 운전)을 포함한 유효한 사용 사례를 생성하고 기준 평가에서 고려해야 합니다. 현재 대부분의 TSN 연구에서 일반적인 사용 사례는 차량 내 센서 연결과 인포테인먼트용 오디오/비디오 전송을 지원하는 차량 내 네트워크입니다. 미래의 맞춤형 TSN 시뮬레이션 프레임워크는 자동차 운전과 같은 국지적 및 외부 네트워크 상호 작용을 통해 차세대 애플리케이션을 지원하는 네트워크를 기반으로 해야 합니다. 마찬가지로, SDN 기반 TSN 관리는 계층화된 컨트롤러 설계를 활용하여 차량 네트워크와 같은 지역화된 네트워크에서 V2X(Vehicle-to-Any) 네트워크와 같은 외부 네트워크로 관리를 확장할 수 있습니다.
4. 다음 연구 동향
TSN 네트워크 인프라 및 프로토콜은 IoT, 의료, 자동차 운전 및 스마트 홈의 핵심 애플리케이션과 관련된 기본 기능을 지원하기 위해 제한된 엔드투엔드 대기 시간과 안정성을 지원해야 합니다. 이러한 애플리케이션 요구 사항을 충족하기 위한 TSN 기반 솔루션은 다양한 프로토콜을 지원하는 복잡한 네트워크 인프라를 구현합니다. 따라서 단순화된 TSN 네트워크 관리 메커니즘은 ULL 애플리케이션의 주요 요구 사항을 충족하면서 복잡성을 줄이는 데 매우 중요합니다.
따라서 다양한 TSN 네트워크 간의 안정적이고 안전하며 대기 시간이 짧은 통신은 다양한 미래 애플리케이션을 지원하는 데 매우 중요합니다. 외부 TSN 및 비 TSN 네트워크와의 연결 및 통신을 위한 TSN 표준이 부족하여 상호 운용 가능한 네트워크에서의 연구 활동을 방해하므로 시급히 해결해야 합니다. 요약하자면, 우리는 TSN 연구에 대해 다음과 같은 주요 미래 설계 요구 사항을 식별합니다.
① 트래픽 스케줄링 기능을 통해 시간에 민감한 애플리케이션부터 지연 허용 애플리케이션까지 다양한 애플리케이션을 지원합니다.
② 여러 개의 폐쇄형 TSN 아키텍처 간의 연결.
③ 우선순위가 낮은 트래픽에 대해 제한된 엔드투엔드 지연을 보장하는 유연하고 동적인 우선순위 할당입니다.
④ SDN을 활용하면 글로벌 네트워크 관점에서 TSN 기능을 중앙에서 관리할 수 있다.
⑤ 자체 추정 및 로컬 클럭 편차 보정을 통해 효율적인 타이밍 정보 공유와 정확한 클럭 설계를 달성합니다.
⑥ 계산적으로 효율적인 하드웨어 및 소프트웨어 설계.
1. TSN의 낮은 우선순위 데이터
TSN 노드는 진행 중인 낮은 우선순위 프레임 전송을 선점하고 높은 우선순위를 보장하기 위해 들어오는 높은 우선순위 프레임을 보내는 데 사용됩니다. 프레임에 대한 TSN 노드 전송 지연. 우선순위가 높은 트래픽의 강도에 따라 우선순위가 낮은 프레임이 여러 번 선점될 수 있습니다. 결과적으로 선점 이벤트는 우선순위가 높은 트래픽 강도에 직접적으로 의존하기 때문에 우선순위가 낮은 트래픽의 종단 간 지연 특성을 보장할 수 없습니다. 우선순위가 높은 서비스의 강도가 낮은 우선순위 서비스의 강도보다 현저히 높은 경우, 우선순위가 낮은 서비스의 종단 간 지연이 크게 증가할 수 있습니다. 일반적으로 우선 순위가 낮은 트래픽은 대기 시간에 민감한 데이터를 전달합니다. 이는 우선 순위가 높은 트래픽 데이터만큼 중요하지는 않지만 최악의 기한 내에 전달되어야 합니다. 현재 기술 수준에서는 선점 상태에서 우선순위가 낮은 트래픽의 최악의 종단 간 대기 시간을 보장하기 위한 연구 메커니즘이나 표준이 없습니다.
따라서 향후 연구에서는 TSN 네트워크의 우선순위가 낮은 트래픽에 대해 제한된 최악의 지연을 보장하기 위한 새로운 메커니즘을 개발해야 합니다.
2. 무선 TSN 개발
p >산업용 장비(산업용 센서/액추에이터)를 TSN 네트워크에 무선으로 연결하기 위해서는 5G가 매우 적합한 솔루션입니다. 4G에 비해 5G의 새로운 기능, 특히 RAN(무선 액세스 네트워크)은 더 나은 안정성과 전송 지연 시간을 제공합니다. 또한 새로운 5G 시스템 아키텍처를 통해 유연한 배포가 가능합니다. 따라서 5G는 케이블 설치에 제약을 받지 않는 TSN 네트워크를 구현할 수 있다.