[發明專利]用于在TSN中的時間控制的數據傳輸的方法和設備

有效

• 申請號: 201780088491.1
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN110431769B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 陳峰;弗朗茨-約瑟夫·格茨;馬塞爾·基斯林;安·寧赫·恩固因;于爾根·施米特
• 申請（專利權）人: 西門子股份公司
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 張英

本發明涉及一種方法和設備，用于在TSN中的時間控制的數據傳輸的方法和設備。描述了一種用于時間敏感的數據流的新的流量整形方法。目的是提供像現有技術一樣的實時性能和配置復雜性，但不需要整個網絡上的時間同步。流量整形器確保在第一時間間隔中通過橋接收的數據幀在下一個時間間隔中通過該橋到達最近的跳躍/橋。每個橋識別出與特定的數據流相關的時間間隔的開始時間。每個數據幀必須包括所謂的“Delay值”，即延遲值，其由每個橋測量，在使用本地時鐘的情況下測量數據幀在輸出端口處的等待隊列中的延遲時間。

技術領域

本發明涉及數據通信領域，具體而言，涉及一種用于在TSN中的時間控制的數據傳輸的方法和設備。

背景技術

通過對IEEE工作組TSN(時間敏感網絡，IEEE 802.1)的擴展，實現了在根據以太網標準工作的網絡中的實時通信。當前不斷發展的針對TSN的IEEE標準特別考慮的是汽車工業和自動化設備中的控制器的要求以及其對于網絡在實時性能方面的要求。定義機制和協議，從而能夠為經過符合以太網標準的網絡的時間敏感流提供確定性服務。

在IEEE 802.1Qbv中定義了所謂的時間感知整形器(TAS)，并且能夠防止在時間上預先規劃的、安排的數據傳輸受到來自其他數據通信的干擾，這通過使用確定的時間窗口并且因此達到了確定的、小的延時(Latenz)來實現。如果提供所謂的“直通式”路由與TAS的接合，則能夠實現具有最低的延時和最低的延遲方差的最優實時效率。TAS網絡為了使用安排的數據傳輸而要求所有網絡元素、即交換站/橋以及終端用戶站是時間同步的，使得TAS時間窗口基于同一時基進行安排。

TAS窗口的安排取決于全局網絡信息，例如取決于網絡拓撲，并且因此需要完全管理的網絡。由于高的規劃花費和管理花費以及對于對剩余的數據通信的低效帶寬利用率，這些網絡、例如PROFINET IRT(等時同步實時)網絡提出了在實時性和可靠性方面的最高要求，其主要應用于硬件實時系統以及運動控制應用。對于不要求具有最少延時的這種最高要求的這類實時系統，只要提供所需要的決定性(Determinismus)，則優先選擇具有規劃花費少于TAS的通信流調節。

在IEEE標準802.1Qav中由AVB(音頻-視頻-橋接)任務組定義了所謂的基于信用的整形器(CBS)，其被設置用于在數據堵塞時具有有限的延時并且不產生損失。CBS通過將數據包在時間上均勻分布來平滑流的數據通信。背后的想法是，防止數據幀的集中，該集中能夠導致橋的數據緩沖過載并進而導致數據幀丟失。對集中進行限制的優點在于：橋中所需要的數據緩沖在輸出端口處可以更小并且在橋的輸出流中產生更低的最大延遲。

AVB使用EEE標準802.1Qat中定義的流預定協議(SRP)為每個單獨的AVB流在網絡中預定資源，根據最壞情況的延遲進行估算并且以存儲要求根據流量類型來為橋進行計算。

然而，事實證明在CBS的情況中的每個網絡元素(橋)的最壞情況延遲是與拓撲相關的，并且同樣的相關性在存儲需求中也存在。這導致最壞情況分析變得特別復雜并且是與拓撲相關的。不準確的最壞情況的計算導致網絡中的錯誤預定，或者占用太多的資源。然而，問題更大的情況是預定太少，該情況由于橋存儲器容量小而導致意外的數據丟失，這最終將引起在實時系統中嚴重的錯誤。

為了避免上述問題，定義有另一種協議，即循環隊列和轉發(CQF)協議，IEEE802.1Qch。其提供具有保證的最大延時和每次跳動(所謂的在網絡中每個橋處固定的傳輸抖動)時有限的延遲波動的流量控制。根據CQF協議發送數據包將示例地在圖2中示出。

在每個橋B1、B2中，時間被分成一系列等長的時間間隔T。在此，CQF要求，在時間點t1和t2之間的時段中的第一間隔中接收的數據幀P1、P2、P3在緊隨的t2和t3之間的第二間隔中被傳輸到在路徑中緊隨的下一個網絡元素處。這尤其意味著，要求網絡是時間同步的，也就是說，在網絡中的所有橋識別下一個間隔什么時候開始并且持續多長時間。將通過中央計時器MC同步，其確保了各個網絡元素在相同的時基上運行SYNC。