初识DetNet:确定性网络的前世今生

在刚刚落幕的2019中国 SDN/NFV/AI大会上,确定性网络(Deterministic Networking)成为了大家讨论的热点话题之一。随着工业物联网(IIoT)的兴起和工业4.0的提出,TSN的风正悄悄刮来,DetNet也悄然进入了大家的视线。那么,DetNet究竟是什么?它与TSN又有什么联系?它能够给我们带来什么?下面跟小编一起来学习吧!

什么是DetNet?

DetNet是一项帮助实现IP网络从“尽力而为(best-effort)”到“准时、准确、快速”, 控制并降低端到端时延的技术。2015年,IETF成立DetNet工作组,专注于在第2层桥接和第3层路由段上实现确定传输路径,这些路径可以提供延迟、丢包和抖动的最坏情况界限,以此提供确定的延迟。DetNet工作组的目标在于将确定性网络通过IP/MPLS等技术扩展到广域网上。

DetNet的演进史

IEEE 1588委员会成立于2000年,2002年发布了第一个标准,该标准与IEEE 802的工作结合使得构建标准以太网接口和软件成为可能,并支持企业级网络的时间同步,实现高于1µs的精度。

AVB的提出

IEEE 802.1于2007年创建了音频视频桥接(AVB)任务组。其目标是用以太网取代家庭中的HDMI、扬声器和同轴电缆。 AVB仅适用于桥接的第2层网络。

AVB ->TSN

虽然IEEE 802.1 AVB标准没有占领家庭娱乐市场,但它们已经成功应用于工作室、体育和娱乐场所。有人可能会注意到,所有苹果笔记本电脑都支持AVB标准。这一成功吸引了工业界和汽车界的关注。2012年,IEEE 802.1 AVB任务组更名为时间敏感网络(TSN)任务组。

TSN标准扩展了AVB的技术,成为以以太网为基础的新一代网络标准,具有时间同步、延时保证等确保实时性的功能。

确定性网络的诞生

802.1 TSN TG诞生了许多标准,其中IEEE 802.1标准大部分都局限于第2层。也就是说,只支持桥接网络,端到端不支持需要路由器的数据流。

2015年,互联网工程任务组(IETF)成立了确定性网络(DetNet)工作组,致力于将TSN中开发的技术扩展到路由器,这样在TSN中开发的技术就可以扩展到路由数据流。确定性网络还有一个目标是扩大TSN技术的规模,使它们能够在比以太网桥支持的更大的网络中工作。

确定性网络的基本特征

确定性网络是由网络提供的一种特性,这里的网络指的是主要由网桥、路由器和MPLS标签交换机组成的尽力而为的分组网络。确定性网络的基本特征是:

1.时钟同步。所有网络设备和主机都可以使用IEEE 1588精确时间协议将其内部时钟同步到1µs-10 ns的精度。大多数(不是全部)确定性网络应用程序都要求终端站及时同步。一些队列算法还要求网络节点同步,而有些则不需要。

2.零拥塞丢失。拥塞丢失是网络节点中输出缓冲区的统计溢出,是尽力而为网络中丢包的主要原因。通过调整数据包的传送并为临界流(critical flow)分配足够的缓冲区空间,可以消除拥塞。

确定性网络数据包延迟计算模型

3.超可靠的数据包交付。丢包的另外一个重要原因是设备故障。确定性网络可以通过多个路径发送序列数据流的多个副本,并消除目的地处或附近的副本。不存在故障检测和恢复周期 - 每个数据包都被复制并被带到或接近其目的地,因此单个随机事件或单个设备故障不会导致丢失任何一个数据包。

数据包复制和消除

4.与尽力而为(best-effort)的服务共存。除非临界流的需求消耗了过多的特定资源(例如特定链路的带宽),否则可以调节临界流的速度,这样,尽力而为的服务质量实践,例如优先级调度、分层QoS、加权公平队列等仍然按照其惯常的方式运行,但临界流降低了这些功能的可用带宽。

从某种意义上说,DetNet只是尽力而为网络提供的另一种QoS。 DetNet服务最大的作用在于整个网络的大部分流量都是尽力而为的。

DetNet+TSN : L2/L3的结合

目前,IETF(DetNet)工作组和IEEE802.1 TSN 任务组正在合作推进解决方案:

  • IETF关注DetNet的整体架构、数据平面规范、数据流量信息模型、YANG模型
  • IEEE802.1 TSN 任务组关注具体技术及其算法

确定性网络工作组侧重于在第2层桥接和第3层路由段上运行的确定性数据路径,致力于支持需要确定性网络应用的第3层。同时,确定性网络工作组与负责第2层操作的IEEE802.1 时间敏感网络(TSN)合作,为第2 层和第3 层定义通用的体系架构。


L2/L3混合参考网络

确定性网络的用例

1.专业的音频和视频(ProAV):4K/8K/AR/VR音视频行业包括音视频制作工作室、直播、广播、电影院、现场音乐会、大型场所(机场,体育场馆,教堂,主题公园)的公共广播媒体和应急系统。一方面该行业出现了不间断流播放、同步播放、消除回声等网络应用需求;另一方面,这个行业正在从点对点的硬件互连转向无线互联,从而降低成本,提高灵活性。因此,该行业未来对确定性网络有较大需求。

2.电力公用事业:电力公用事业部署中的许多系统都依赖于底层网络的高可用性和确定性行为。廉价的以太网设备可以取代专用数字系统,将实时控制和企业流量结合在一个网络中。

3.智慧建筑自动化系统:智慧建筑自动化系统(BAS)管理建筑物中的设备和传感器,以改善居民的舒适度,降低能耗,并应对故障和紧急情况。例如,BAS使用传感器测量房间的温度,然后控制HVAC(采暖、通风和空调)以维持设定温度并将能耗降到最低。该系统的现场网络使用时延敏感的物理接口,若使用以太网或无线网改造则必须具备确定性;除此之外,系统中所包含的各种传感器也需要极低的通信延迟,以保证建筑的安全。

中型/大型建筑的BAS部署模型

4.工业无线:无线网络在工业中的应用通常要求底层网络支持实时服务质量(QoS),以及诸如可靠性、冗余和安全性等其他网络属性。确定性网络定义了分时技术,可应用于无线系统,以避免时间/带宽冲突。

6TiSCH网络与PRE

5.蜂窝无线:确定性网络可以满足对蜂窝无线基站(前端)的数据基带处理和射频块互连的网络的要求。确定性网络的共存特性使得在同一网络上传输前端和回程数据成为可能。

6.工业M2M。物理过程的实时控制是推动确定性网络发展的基本用例,也是推动确定性网络创建的第二个用例。

7.网络切片:网络切片要求一个或多个用户的活动变化不会对其他切片的性能参数产生任何影响。目前使用的典型技术(在用户之间共享物理网络)不提供这种级别的隔离。DetNet可以提供点对点或点对多点路径,为用户提供带宽和延迟保证,不受其他用户数据流量影响。因此,当网络切片需要延迟和可靠性时,DetNet是一个强大的工具。

确定型QoS和尽力而为QoS的共存

确定型QoS和尽力而为QoS可以在同一网络中共存,并且这也是体现确定性网络价值的重要组成部分。下面分别讨论常见的共存问题以及是否使用数据包复制和消除(PRE)需要考虑的情形。

常见的共存问题

通常情况下,属于best-effort流的包会被赋予尽可能高的优先级。例如桥接、路由控制协议、生成树或者OSPF。因为如果这些数据包被过度延迟,它们支持的拓扑控制算法就会失败,数据包被过度复制,网络可能会“崩溃”并完全失败。然而,这些协议并不严格限制带宽,在实践中,它们很少支配链接的使用,但在理论上,它们可以做到这一点。因此,在确定性网络中,临界流被赋予比最高优先级best-effort流更高的有效优先级。这不会导致破坏网络的重大风险,因为临界流的带宽有限。

所有确定性队列选择机制都不允许一个临界流使用另一个临界流未使用的带宽以高于正常速率传输。原因是,如果一个节点为流传输额外的数据包,则下一个节点必须缓冲它们,以防止拥塞丢失。但是,临界流几乎所有未使用的带宽都可以被非临界流使用。

不使用数据包复制和消除(PRE)的共存

假设PRE不用于网络中的临界流,在这种情况下,建立临界流的包所采用的路径的方法与用于非临界流的方法相同。所有这些都必须使用网络使用的路由或桥接算法。这些协议有多种选择,具有许多不同的功能,通常可以分为三类:路径交换(ITU-T交换网桥)、环协议(例如ODVA或ITU-T提供的协议)或网状协议(生成树、ISIS)。

所有方法都会自动处理链路或节点故障或恢复后的重路由流。确定性网络的问题是资源预留如何对网络拓扑中的变化做出反应。

在确定性标准的第一版IEEE Std 802.1BA-2009中,拓扑更改导致预留被删除,因此必须在新路径上建立新的预留。这对于某些应用程序是适用的,但不是全部。

交换网桥和环协议的相应速度通常比网状协议快得多。实际上,它们的速度足以满足许多实时应用程序的需求。在这些情况下,临界流的最佳解决方案是为每个临界流保留多个(通常为两个)预留,一个在主路径上,一个在备用路径上。然后,当路径切换时,预留已经到位以提供确定性QoS。

目前定义的标准协议还不支持此类操作。但是,中央控制程序可以使用标准控件来实现该计划。由于到目前为止还没有满足所有DetNet要求的资源预留协议的完整规范,因此只有中央控制器对路由确定性操作是可行的。

使用数据包复制和消除(PRE)的共存

如果为流配置了PRE,通常不希望数据包的路径发生变化,当网络设备的故障或恢复导致非临界数据包所采用的路径发生变化时。 PRE旨在取代普通的路由和桥接协议,而不是对其进行扩展。

对于IEEE 802.1网桥,确定性和非确定性数据包的路径的分离是使用VLAN完成的。IEEE 802.1桥接协议,即ISIS和生成树,都能够通过桥接协议将 vlan 分配给或排除它们。网络管理员可以保留某些VLAN以用于PRE。终端站或边缘网桥可以将确定性流传输到这些特殊VLAN,这样它们就不会受到桥接协议的影响。此外,每个单独的临界流都被赋予桥接网络唯一的组播目标地址,以便可以在网桥的转发表中建立唯一的路径。

DetNet工作组正在选择将确定性流与普通路由流分离的机制。最可行的解决方案是使用MPLS伪线来承载PRE的数据, MPLS伪线封装既解决了序列编号问题,又解决了固定路径问题。还可以使用固定路径,但不能定义和使用多个路径和PRE。在这种情况下,链路或节点的故障将中断流。在某些应用中,这可能是更好的选择,以避免使用较低优先级(但实时)的流重载剩余的链接。

确定性网络架构

确定性网络将由启用DetNet的节点(即终端系统、边缘节点和中继节点)组成,并共同提供DetNet服务。启用DetNet的节点通过传输节点(即路由器)进行互连,这些节点支持DetNet,但不支持DetNet服务。传输节点将DetNet节点视为端点。 所有启用DetNet的节点都连接到子网,其中点对点链路也被视为是一个简单的子网。 这些子网将提供与DetNet兼容的服务,以支持DetNet流。子网的例子包括IEEE 802.1 TSN和OTN。当然,多层DetNet系统也是可能的,其中一个DetNet作为子网出现,并为更高层的DetNet系统提供服务。 下图展示了一个简单的DetNet概念网络。

简单的DetNet网络

下图显示了另一个与DetNet服务相关的参考点和主要组件的视图。

图中,DetNet-UNI可以提供多种功能,例如,它可以向DetNet流添加特定于网络技术的封装; 它可以提供与reservation相关的连接可用性的状态; 它可以为终端系统提供同步服务; 它可以携带足够的信令,以便在没有控制器的情况下将reservation放置在网络中,或者如果控制器仅处理网络但不处理端点。

结语

确定性网络的提出主要是为了解决低丢包、低时延等工业互联网的需求。目前,确定性网络已经成为了热门的研讨领域,华为正在领导确定性IP网络总体架构的研究,以解决工业控制、远程医疗、在线游戏等对时延要求特别高的应用。另外,确定性网络技术的部署还可以与固移融合网络及边缘云统筹考虑,未来还将继续推进DetNet在广域网、5G、边缘云的落地。

参考:
1.https://tools.ietf.org/id/draft-ietf-detnet-use-cases-15.html
2.https://tools.ietf.org/id/draft-ietf-detnet-architecture-04.html#rfc.section.4.5
3.https://datatracker.ietf.org/wg/detnet/about/
4.https://www.iab.org/wp-content/IAB-uploads/2013/01/tsn-nfinn-Deterministic-Networking-BOF-0914-v1.pdf
5.https://mentor.ieee.org/802.24/dcn/17/24-17-0020-00-sgtg-contribution-time-sensitive-and-deterministic-networking-whitepaper.pdf

注:文中图片均源自公开文档、ppt。


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SDNLAB君 发表于19-04-26
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