确定性时延保障(一):背景综述

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前言

本文作者根据阅读大量文献，给出了确定性时延保障下的背景综述，有助于大家了解关注确定性时延保障的问题，目前应该还没有详尽描述确定性时延的博客，所以本文是一个原创作品

一、确定性网络提出的原因

1. 数据业务如视频传输，机器通信的激增，产生拥塞崩溃，传统的以太网传输方式是“尽力而为”，导致数据包端到端传输延迟只能控制在几十毫秒，并且抖动高，需要建立一种"准时、准确"的传输服务质量的新一代网络。
2. 边缘设备节点的异构性与有限的计算通信能力，使得边缘智能快速响应，低延迟和高效带宽利用产生巨大挑战，需要快速获取大量时间敏感流的有效静态调度

二、确定性网络的实际应用及时延抖动需求

1. 工业互联网中的数据上传和控制指令下发、远程机器人手术需要近实时连接，吞吐量取决于应用需求，从少量的物联网数据到从云传输的大量媒体数据交换，差异性很大。
2. 无人驾驶、VR 游戏，车联网、智慧交通、智慧农业等机器人运用需要高数据速率以及ULL，高数据速率可能需要从用于控制车辆和机器人的摄像头传输视频馈送。在这样的异构环境和应用程序中，需要一个专门的机制来普遍地适应不同范围的ULL需求。

三、确定性时延抖动的定义

1. 确定性服务质量（Quality of Service，QoS）指的是“准时、准确”数据传输服务质量。五种典型的确定性 QoS 包括：低时延（上限 确定）、低抖动（上限确定）、低丢包率（上限确定）、高带宽（上下确定）、高可靠（下限确定）。确定性网络（Deterministic Networking）是提供确定性服务质量的网络技术，是在以太网的基础上为多种业务提供端到端确定性服务质量保障的一种新技术。
2. 延迟的定义:是指从发送方(通话方)开始传输到接收方(监听方)完全接收的端到端数据包的总延迟。
3. 超低延迟(ULL):指非常短的延迟，在几毫秒或小于一毫秒的数量级上。
4. 确定性的延迟定义:即给定应用程序流量(连接)的所有帧必须不超过规定的界限
5. 时延抖动(Latency jitter)的定义:指报文时延的变化情况。通常ULL系统需要非常低的抖动。延迟和抖动是ULL网络的两个主要服务质量(QoS)指标。

四、TSN网络的提出

1. 为了克服前面所说的传统以太网"尽力而为"的传输缺点，这些年来研究学者们提出了多种以太网改进方式:PROFINET、EthernetCAT 、TTEthernet 、HaRTES，但它们要么不能相互兼容，要么不能与标准以太网设备集成，很难满足工业控制系统的实时确定性要求。同时以太网缺乏时钟同步机制、带宽预留等管理机制，数据分组优先级等过滤机制，在数据传输时会出现分组丢失和不确定的时延，无法满足确定性网络对确定性端到端传输路径与时延的需要（QoS）保障。
2. AVB（audio video bridging）即音视频桥接技术，是IEEE 802.1 任务组（TG, task group）在 2005 年基于以太网架构制定的一套用于实时音视频的二层传输协议集。AVB 标准通过时钟同步、资源预留和流量整形等技术有效降低了音视频数据在以太网传输中的最差时延，同时保持 100% 向后兼容传统以太网。
3. 随着对确定性网络需求的增加，AVB TG2012 年更名为 TSN（time sensitive network）TG，即时间敏感网络任务组。TSN 可以通过在以太网中的部署支持实时的 IACS（industrial automation and control system）应用。IEEE 802.1 TSN TG 基于桥接局域网扩展了传统以太网数据链路层的标准和协议，保证数据具有确定的低时延和抖动，满足数据传输的 QoS 要求，同时提供了足够的措施来实现网络中的端到端通信的安全性。
4. 在以太网交换机中，出口端口的传入帧临时存储在缓冲区中，并等待调度器根据预先计算的调度分配传输槽。相反，TSN中的传入帧直接插入到优先队列中，这些优先队列根据规定的时间表提供服务.
5. TTE网络和TSN网络之间的根本区别在于调度过程，其中TTE网络缓冲区是基于全局静态调度信息提供的，即分配以满足端到端延迟要求的TTE网络调度。相比之下，TSN采用每个节点本地的动态调度，用于从优先级队列传输控制帧。
6. TSN交换机可以与网络定时同步，并可以抢占正在进行的低优先级传输，这在以太网交换机中是不可能的。因此，相对于以太网交换机，部署TSN交换机可以提高对延迟关键应用的支持。然而，TSN的实现成本和复杂性(由于同步)通常高于TTE网络。

五、TSN网络实现确定性时延保障

1. 确定性时延主要通过时钟同步、频率同步、调度整形、资源预留等机制实现；确定性抖动和丢包率通过优先级划分、抖动消减、缓冲吸收等机制实现；确定性带宽通过网络切片和边缘计算等技术实现；确定性可靠性通过多路复用、 包复制与消除、冗余备份等技术实现。
2. TSN聚焦于链路层和网络层的确定性技术，提出了全网时钟/频率同步机制和基于时隙的门控优先级队列调度机制，即先通过门控优先级队列将时延敏感流和尽力而为流隔开，再从时间上或空间上将时延敏感流隔开，从而使网络出端口不发生排队或具有有界的排队时延。
3. 具体方法上TSN有采用排队理论分析了端到端传输时延，利用网络演算对时间敏感流的最坏情况时延进行分析。这两种方法的主要缺点是传输延迟的统计分析是基于假设的流到达模式。所以它们不适用于确定性网络中的延迟分析。
4. TSN中时间敏感流的调度问题被视为可满足性/优化模理论(SMT/OMT)问题，其通过使用现成的求解器计算静态调度来解决，但如果流的数量增加，时间复杂性将迅速增加。
5. TSN调度时，还要对受影响的其他流一起进行调度，即流量调度和路由的联合优化。流路线和进度是共同确定的，当网络结构发生变化或出现新的流程时，需要进行更新。但是一个端口中的时间敏感流之间的冲突所引起的延迟很少被认为是预定的。

引用文献

[1] Nasrallah et al., “Ultra-Low Latency (ULL) Networks: The IEEE TSN and IETF DetNet Standards and Related 5G ULL Research,” in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 21, no. 1, pp. 88-145, Firstquarter 2019.
[2] 黄韬, 汪硕, 黄玉栋, 郑尧, 刘江, & 刘韵洁. (2019). 确定性网络研究综述. 通信学报, 40(6), 17.
[3] Y. Lu et al., “An Intelligent Deterministic Scheduling Method for Ultralow Latency Communication in Edge Enabled Industrial Internet of Things,” in IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 19, no. 2, pp. 1756-1767, Feb. 2023.

总结

本文对确定性时延保障的背景做出了一定的研究，做出了一篇综述性文章，由于涉及到文章的撰写，所以上述内容严禁抄袭，如需引用需征求作者的同意。