了解關(guān)鍵應(yīng)用對時間敏感網(wǎng)絡(luò)的需求

在 10 Mbps 以太網(wǎng)的時代，早在時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking）成為一種技術(shù)之前，最先進的共享網(wǎng)絡(luò)需要處理數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突的情況。對于當時的原始技術(shù)來說，這是非常實用的……優(yōu)于任何需要仔細管理訪問介質(zhì)的解決方案。

在“破壞”了彼此的數(shù)據(jù)后，兩個相互競爭的終端將等待（隨機地浪費更多的時間），然后再嘗試傳輸。這被認為是正常的，因為最小大小的幀是 64 字節(jié)（512 位），并且合理估計該幀將消耗線路的時間是基于網(wǎng)絡(luò)速度（每秒 1000 萬位意味著每個位需要約 0.1 微秒），因此 512 位至少等于 51.2 微秒。

以太網(wǎng)技術(shù)已從 80 年代初的 10 Mbps 發(fā)展到今天的 400Gbps ，未來計劃為 800Gbps 和 1.6Tbps（圖 1）。

圖 1 . 以太網(wǎng)速度隨時間的演變

應(yīng)該清楚的是，希望你的網(wǎng)絡(luò)運行得更快是一個持續(xù)的趨勢！因此，任何必須跨這些網(wǎng)絡(luò)管理事件的應(yīng)用程序都需要一種同步良好、一致的、全網(wǎng)絡(luò)時間標準，時間分辨率隨著網(wǎng)絡(luò)速度的加快而逐漸變窄。

這就是為什么 IEEE 至少自 2008 年以來一直在研究如何支持對時間敏感的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，最初用于音頻和視頻應(yīng)用程序，但現(xiàn)在用于更豐富、更重要的應(yīng)用程序。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)的三個應(yīng)用場景

對精確和準確定時的要求超出了物理和數(shù)據(jù)鏈路層，擴展到高度依賴于來自網(wǎng)絡(luò)的可預(yù)測、可靠服務(wù)的某些應(yīng)用程序。這些新興應(yīng)用程序利用了對時間的精確、準確和高分辨率理解。

5G 、 6G 及未來

從 3GPP 的 5G 系列協(xié)議開始，一些應(yīng)用程序（如物聯(lián)網(wǎng)或 IoT）不一定需要極高的帶寬。它們確實需要嚴格控制對無線介質(zhì)的訪問，以實現(xiàn)低延遲和低抖動的可預(yù)測訪問。這是通過向所有參與站提供精確、準確和高分辨率的時間來實現(xiàn)的。

圖 2 . 無線發(fā)射塔

在時域訪問方式中，每個站點請求并被授予使用介質(zhì)的權(quán)限，然后網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器通知站點他們可以使用介質(zhì)的時間和持續(xù)時間。

5G 和未來網(wǎng)絡(luò)向所有參與站點提供準確、精確和高分辨率的時間，以實現(xiàn)這種新的高價值應(yīng)用。以前，新網(wǎng)絡(luò)最理想的屬性是速度。這些新的應(yīng)用程序?qū)嶋H上需要控制而不是速度。

成功啟用這些應(yīng)用程序需要參與站對絕對時間具有相同的理解，以便它們不會太早或太遲開始傳輸，或傳輸錯誤的時間量。

如果一個站點的傳輸時間過快或過長，它可能會干擾另一個站點。如果它開始傳輸?shù)锰恚赡軙速M一些寶貴的機會來使用這種媒介，因為在這種情況下，它可以使用的傳輸時間少于它被允許使用的傳輸時間。

我應(yīng)該指出，5G 顯然不是以太網(wǎng)，但以太網(wǎng)技術(shù)將 5G 無線接入網(wǎng)絡(luò)與從城域數(shù)據(jù)中心延伸出來的 backhaul 網(wǎng)絡(luò)連接在一起。網(wǎng)絡(luò)的時間關(guān)鍵部分從以太網(wǎng)回傳域擴展到數(shù)據(jù)中心和無線接入網(wǎng)絡(luò)。

什么樣的應(yīng)用程序需要這樣的精度？

遙測等應(yīng)用需要這種精度。未來的測量可以通過等待下一個讀數(shù)隱式地從錯過的讀數(shù)中恢復(fù)。例如，儀表讀數(shù)可能每 30 分鐘生成一次。

對于必須以亞毫秒分辨率理解其位置的機器人呢？丟失一些位置報告可能會損壞機器人，損壞附近或連接的設(shè)備，損壞機器人正在處理的材料，甚至導(dǎo)致附近人員死亡。

你可能會認為這與 5G 無關(guān)，因為它顯然是一個制造場景。在這種情況下，5G 可能是更好的解決方案，因為精確時間協(xié)議（PTP）從一開始就內(nèi)置在協(xié)議堆棧中。

PTP（IEEE 1588-2008）是一套協(xié)議和配置文件的基礎(chǔ)，這些協(xié)議和配置文件能夠在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間以高精度和高分辨率同步高精度的時間。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使 5G（或后續(xù)）網(wǎng)絡(luò)能夠服務(wù)于數(shù)千或上萬個節(jié)點。根據(jù)連接設(shè)備的需求，它提供了高速、可預(yù)測延遲或低抖動服務(wù)的不斷變化的組合。

是的，這些用戶可能是手機、工業(yè)機器人或醫(yī)療器械的普通用戶。關(guān)鍵是，通過內(nèi)置時間敏感網(wǎng)絡(luò)，只要帶寬（和時間）可用，網(wǎng)絡(luò)可以滿足各種應(yīng)用場景。

包含 NVIDIA Cumulus Linux 5.0 及更高版本的產(chǎn)品中的 PTP 實現(xiàn)定期提供深亞毫秒（甚至亞微秒）精度，支持 5G 應(yīng)用的各種要求。

媒體和娛樂

電視行業(yè)中的大多數(shù)視頻內(nèi)容目前以串行數(shù)字接口（SDI）形式存在。然而，該行業(yè)正在向互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）模式過渡。

在媒體和娛樂行業(yè)，有幾種場景需要考慮，例如演播室（例如組合多個攝像機反饋和疊加）、視頻制作、視頻廣播（從單點到多個用戶）和多屏幕。

時間同步對于這些類型的活動至關(guān)重要。

圖 3 . 制作工作室

在媒體和廣播領(lǐng)域，一致的時間同步對于提供最佳觀看體驗和防止幀對齊、唇形同步以及視頻和音頻同步問題至關(guān)重要。

在基帶世界中，參考黑色或 同步鎖相 用于保持相機和其他視頻源幀同步，并避免在從一個源切換到另一個源時引入令人討厭的偽影。

但是，隨著 IP 的采用，更具體地說，是 SMPTE-2110（或帶有 AES67 的 SMPTE-2022-6），您需要一種不同的方式來提供計時。隨之而來的是 PTP，也稱為 IEEE 1588 (PTP V2)。

PTP 完全基于網(wǎng)絡(luò)，可以在已經(jīng)用于傳輸和接收現(xiàn)有數(shù)據(jù)流的相同數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接上傳輸。各種配置文件，如 SMPTE 2059-2 和 AES67 ，提供了一組標準化的配置和規(guī)則，以滿足不同類型分組網(wǎng)絡(luò)的要求。

Spectrum 完全支持 SMPTE 2059-2 和其他配置文件下的 PTP 1588。

汽車應(yīng)用

新一代的車載區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）已從共享/總線架構(gòu)發(fā)展到 5G 無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）或 IT 環(huán)境中的架構(gòu)：交換拓撲。

圖 4 . 自動駕駛汽車

當引入交換機時，可能會因爭用或緩沖而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失或延遲變化，從而限制或消除對汽車中各種應(yīng)用程序可能需要的對網(wǎng)絡(luò)的可預(yù)測訪問。

自動駕駛汽車必須定期以相當高的頻率處理視頻和其他傳感器輸入，以確定車輛的安全前進路徑。車輛中的引導(dǎo)智能取決于定期訪問其傳感器，因此網(wǎng)絡(luò)必須能夠保證對傳感器的訪問足夠頻繁，以支持必須解釋這些傳感器數(shù)據(jù)的算法的輸入。

例如，方向盤和制動器讀取摩擦力，啟用防抱死和防滑功能，并與摩擦制動相比權(quán)衡再生能量捕獲。視頻輸入，可能還有雷達和激光雷達（光探測和測距），不斷掃描前方道路。它們使解釋算法能夠確定是否出現(xiàn)了需要轉(zhuǎn)向、制動或停車的新障礙。

所有這些都是在車輛導(dǎo)航子系統(tǒng)使用 GPS 接收粗定位數(shù)據(jù)并將其與地圖對齊時發(fā)生的，地圖與攝像機的視覺輸入相結(jié)合，以建立隨時間變化的準確定位信息，確定法律允許的最大速度，并將法律限制與當?shù)貤l件相結(jié)合，以確定安全速度。

這些不同的傳感器和相關(guān)的獨立子系統(tǒng)必須能夠在可預(yù)測的延遲/低抖動的基礎(chǔ)上將其輸入傳送到主處理器及其自驅(qū)動算法，同時網(wǎng)絡(luò)還支持非延遲關(guān)鍵應(yīng)用程序。整個系統(tǒng)的正確、可預(yù)測的運行對乘客（和行人）的生命安全至關(guān)重要。

除了支持車輛安全運行的傳感器和軟件外，CAN 上運行的其他應(yīng)用程序?qū)Τ丝蛠碚f仍然很重要，但顯然不是至關(guān)重要的：

操作通風(fēng)或氣候控制系統(tǒng)以保持每個座椅的理想溫度（包括空氣運動、座椅加熱或冷卻等）

向不同乘客提供多個音頻或視頻內(nèi)容流

與其他乘客或附近車輛上的乘客玩游戲

重要的日常維護活動，如測量輪胎的充氣壓力、蓄電池充電水平、制動效率（可能表明過度磨損）等

其他低頻但也具有時間關(guān)鍵性的傳感器輸入為車輛的自診斷提供了必要的輸入，以確定何時應(yīng)將其帶回維修站進行維修，或僅為其電池充電。

要求所有這些不同的應(yīng)用程序共享車輛中的同一物理網(wǎng)絡(luò)（在同一 CAN 上運行）是需要 PTP 的原因。

工程師將設(shè)計 CAN ，使其具有足夠的瞬時帶寬，以支持所有關(guān)鍵設(shè)備的最壞情況需求（例如爭用很少或不發(fā)生爭用），同時動態(tài)允許所有設(shè)備請求訪問量和每個請求所需的延遲邊界，這些延遲邊界可以隨時間變化。

在自動駕駛汽車的世界中，PTP 是實現(xiàn)車內(nèi)技術(shù)的關(guān)鍵，支持車輛的安全運行，同時提供豐富的娛樂和舒適性。

結(jié)論

您已經(jīng)看到了三個應(yīng)用場景示例，其中對網(wǎng)絡(luò)訪問的控制與基本速度同等重要。在每種情況下，應(yīng)用程序都定義了精確/準確/高分辨率計時的要求，但網(wǎng)絡(luò)使用通用機制來提供所需的服務(wù)。

隨著網(wǎng)絡(luò)速度的不斷加快，用于區(qū)分事件的時間分辨率與帶寬的倒數(shù)成線性比例。

強大的 PTP 實現(xiàn)，例如 NVIDIA Cumulus Linux 5.0 設(shè)備中的實現(xiàn)，體現(xiàn)了可擴展的協(xié)議機制，將適應(yīng)未來更快的網(wǎng)絡(luò)。它們將提供精確定時和精度，以適應(yīng)這些網(wǎng)絡(luò)不斷增長的速度。

未來的應(yīng)用程序有望繼續(xù)得到他們所需的可預(yù)測的時間相關(guān)服務(wù)。即使網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)以更快的速度、更細粒度的時間分辨率支持更多用戶，這也是事實。