時間依存型ネットワーク

タイムセンシティブネットワーキング（TSN ）は、 IEEE 802.1ワーキンググループのタイムセンシティブネットワーキングタスクグループによって開発中の一連の標準です。^[1] TSNタスクグループは、既存のオーディオビデオブリッジングタスクグループ^{[2]の名前を変更して作業を継続することにより、2012年11月に結成されました。名前が変更されたのは、標準化グループの作業領域の拡張のためです。標準は、決定論的な}イーサネットネットワーク上での時間に敏感なデータ伝送のメカニズムを定義します。

プロジェクトの大半は、仮想LANとネットワークスイッチを規定するIEEE 802.1Q  – ブリッジとブリッジネットワークの拡張を定義しています。^[3]これらの拡張は特に、非常に低い遅延と高い可用性を備えた伝送に対応しています。アプリケーションには、自動車アプリケーションや産業用制御設備で使用されるリアルタイムのオーディオ/ビデオストリーミングとリアルタイム制御ストリームを備えた統合ネットワークが含まれます。

標準的な情報技術ネットワーク機器には「時間」の概念がなく、同期や正確なタイミングを提供できません。特定の時間内にデータを配信することよりも、確実にデータを配信することが重要なので、遅延や同期の精度に制約はありません。平均ホップ遅延が非常に低い場合でも、個々の遅延は許容できないほど高くなる可能性があります。ネットワークの輻輳は、トランスポート層でドロップされたパケットを抑制して再送信することで処理されますが、リンク層で輻輳を防ぐ手段はありません。バッファが小さすぎる場合や帯域幅が不十分な場合はデータが失われる可能性がありますが、バッファリングが多すぎると遅延が増加し、低い確定的な遅延が求められる場合は許容できません。

IEEE 802.1 で規定されているさまざまな AVB/TSN 標準ドキュメントは、ポイントツーポイント接続の決定論的なサービス品質(QoS)を備えたスイッチド イーサネット ネットワークに基づく完全なリアルタイム通信ソリューションに必要な 3 つの基本的な主要コンポーネント カテゴリに分類できます。各標準仕様は単独で使用でき、ほとんどが自己完結的です。ただし、協調して一緒に使用した場合のみ、通信システムとしての TSN は最大限の可能性を発揮できます。3 つの基本コンポーネントは次のとおりです。

1. 時間同期: リアルタイム通信に参加しているすべてのデバイスは、時間について共通の認識を持つ必要があります。
2. スケジューリングとトラフィックシェーピング: リアルタイム通信に参加しているすべてのデバイスは、通信パケットの処理と転送において同じルールに従います。
3. 通信パスの選択、パスの予約、フォールトトレランス: リアルタイム通信に参加しているすべてのデバイスは、通信パスの選択と帯域幅およびタイムスロットの予約において同じルールに従い、フォールトトレランスを実現するために複数のパスを同時に利用することも可能です。

予測可能な動作をする決定論的ネットワークを必要とするアプリケーションには、オーディオとビデオ (当初はオーディオ ビデオ ブリッジング(AVB) で定義)、センサーからの入力を受け入れ、制御ループ処理を実行し、アクションを開始する制御ネットワーク、パケットとリンクの冗長性を実装する安全性が重要なネットワーク、気候制御、インフォテインメント、ボディ エレクトロニクス、運転支援をサポートする車両ネットワークなど、さまざまなレベルのタイミング感度と優先度でデータを処理する混合メディア ネットワークなどがあります。IEEE AVB/TSN スイートは、これらのアプリケーションの共通要件を満たす決定論的ネットワークの基盤として機能します。

AVB/TSN は、各ストリームに最小フレーム間隔と最大フレーム サイズによって定義される帯域幅制限があるレート制約トラフィックと、正確な送信時間を持つタイム トリガー トラフィックを処理できます。優先度の低いトラフィックはベスト エフォート ベースで渡され、タイミングと配信の保証はありません。

IEEE 802.3準拠の標準イーサネットやIEEE 802.1Q準拠のイーサネット ブリッジングとは異なり、TSN ネットワークでは時間が非常に重要です。エンドツーエンドの伝送遅延に対してハードでネゴシエーション不可能な時間境界を持つリアルタイム通信の場合、このネットワーク内のすべてのデバイスは共通の時間基準を持つ必要があり、したがって、相互にクロックを同期させる必要があります。これは、産業用コントローラや製造ロボットなどの通信ストリームのエンド デバイスだけでなく、イーサネット スイッチなどのネットワーク コンポーネントにも当てはまります。同期されたクロックを通じてのみ、すべてのネットワーク デバイスが一致して動作し、必要な操作を必要な時点で正確に実行できるようになります。TSN ネットワークでの時間同期はGPS クロックで実現できますが、コストがかかり、エンドポイント デバイスが常に無線または衛星信号にアクセスできるという保証はありません。これらの制約により、TSN ネットワーク内の時間は通常、イーサネット フレームを使用して時間同期情報を配布するIEEE 1588 高精度時間プロトコルを使用して、1 つの中央時間ソースからネットワーク自体を通じて直接配布されます。IEEE 802.1AS は、サブマイクロ秒の精度と WiFi 無線 ( IEEE 802.11 ) を介した同期をサポートするための拡張機能を備えた、厳しく制約された IEEE 1588 のサブセットです。このプロファイルの背後にある考え方は、さまざまな IEEE 1588 オプションの膨大なリストを、ホーム ネットワークや自動車または産業オートメーション環境のネットワークに適用可能な、管理しやすい少数の重要なオプションに絞り込むことです。

IEEE 802.1AS-2011 は、Generalized Precision Time Protocol (gPTP) プロファイルを定義します。このプロファイルは、IEEE 1588のすべてのプロファイルと同様に、1588 のオプションの中から選択しますが、アーキテクチャを一般化して、PTP を有線イーサネット ネットワーク以外にも適用できるようにします。

データ パスの遅延を考慮するために、gPTP プロトコルは各ブリッジ内のフレーム滞留時間 (入力ポートから出力ポートへのタイミング情報の受信、処理、キューイング、および送信に必要な時間) と各ホップのリンク遅延 (2 つの隣接ブリッジ間の伝搬遅延) を測定します。計算されたこれらの遅延は、すべてのクロック マスター (CM) およびエンドポイント デバイスが同期を試みるクロック スパニング ツリー プロトコルであるベスト マスター クロック アルゴリズムによって選択されたブリッジのグランドマスター (GM) クロックを参照します。タイミング メッセージに同期しないデバイスは、タイミング ドメイン境界の外側にあります (図 2)。

同期の精度は、リンク遅延とフレーム滞留時間の正確な測定に依存します。802.1AS は「論理同期」を使用します。これは、ローカル クロックと GM クロック周波数の比率を使用して同期時間を計算し、ローカル クロックと GM クロック周波数の比率を使用して伝播遅延を計算するものです。

IEEE802.1AS-2020 では、時間測定精度の向上と冗長性のための複数の時間ドメインのサポートが導入されています。

スケジューリングとトラフィック シェーピングにより、同じネットワーク上で優先度の異なるさまざまなトラフィック クラスを共存させることができます。各トラフィック クラスには、利用可能な帯域幅とエンドツーエンドのレイテンシに対する異なる要件があります。

トラフィック シェーピングとは、トラフィックをスムーズにするために、フレーム/パケットを時間内に均等に分散するプロセスを指します。ソースとブリッジでトラフィック シェーピングを行わないと、パケットが「束」になり、つまりトラフィックのバーストに凝集し、パスに沿った後続のブリッジ/スイッチのバッファーを圧倒します。

IEEE 802.1Q に準拠した標準ブリッジングでは、8 つの異なる優先度を持つ厳密な優先度方式が使用されます。プロトコル レベルでは、これらの優先度は、標準Ethernet フレームの802.1Q VLAN タグの Priority Code Point (PCP) フィールドに表示されます。これらの優先度によって、ネットワーク トラフィックの重要度がすでに区別されていますが、8 つの優先度のうち最も高い優先度であっても、エンドツーエンドの配信時間について絶対的な保証を与えることはできません。その理由は、Ethernet スイッチ内のバッファリング効果です。スイッチがポートの 1 つで Ethernet フレームの送信を開始した場合、最も優先度の高いフレームであっても、この送信が完了するまでスイッチ バッファ内で待機する必要があります。標準 Ethernet スイッチングでは、この非決定性は避けられません。これは、オフィスの IT インフラストラクチャなど、アプリケーションが単一の Ethernet フレームのタイムリーな配信に依存しない環境では問題になりません。これらの環境では、ファイル転送、電子メール、またはその他のビジネス アプリケーション自体の時間的制約が限られており、通常はプロトコル スタックのさらに上位にある他のメカニズム ( Transmission Control Protocolなど) によって保護されています。閉ループ制御や安全アプリケーションがイーサネット ネットワークを使用している産業オートメーション (産業用ロボットを備えたプログラマブル ロジック コントローラ ( PLC ) ) や自動車環境では、信頼性が高くタイムリーな配信が最も重要です。 AVB/TSN は、さまざまなトラフィック クラスに異なるタイム スライスを提供するメカニズムを追加することで、標準のイーサネット通信を強化し、制御システム アプリケーションのソフト リアルタイムおよびハード リアルタイム要件に合わせてタイムリーな配信を保証します。 8 つの異なる VLAN 優先度を利用するメカニズムは保持され、非 TSN イーサネットとの完全な下位互換性が確保されます。 エンドツーエンドの遅延が保証された送信時間を実現するために、8 つのイーサネット優先度の 1 つまたはいくつかを、既存の方法 (IEEE 802.1Q 厳密な優先度スケジューラなど) または新しい処理方法 (IEEE 802.1Qav クレジットベース トラフィック シェーパー、IEEE 802.1Qbv 時間認識シェーパー、^[4]、 IEEE 802.1Qcr 非同期シェーパーなど) に個別に割り当てることができます。

時間に敏感なトラフィックには、いくつかの優先クラスがあります。クレジットベースのシェーパー 802.1Qav の場合、ストリーム予約クラス A は、送信周期が125 μsで最も優先度が高く、クラス B は最大送信周期が250 μsで 2 番目に優先度が高いです。トラフィック クラスは、事前設定された最大帯域幅 (オーディオおよびビデオ アプリケーションの場合は 75%) を超えてはなりません。最大ホップ数は7 です。最悪の場合の遅延要件は、クラス A の場合は2 ms 、クラス B の場合は50 msと定義されていますが、信頼性が低いことがわかっています。^{[5] [6]} gPTP によって提供されるポートごとのピア遅延とネットワーク ブリッジの滞留遅延を追加して、累積遅延を計算し、遅延要件が満たされるようにします。制御トラフィックは 3 番目に優先度が高く、gPTP トラフィックと SRP トラフィックが含まれます。時間認識型スケジューラ 802.1Qbv は、センサーおよびコマンド ストリームからアクチュエータへのリアルタイム制御データ用のクラス CDT を導入します。最悪の場合の遅延は 5 ホップで 100 μs、最大伝送期間は 0.5 ms です。クラス CDT は、クラス A、B、および制御トラフィックよりも高い優先度を持ちます。

IEEE 802.1Qav 転送およびキューイング拡張機能 (Time-Sensitive Streams 用) は、優先度クラスを使用したトラフィック シェーピングを定義します。これは、単純な形式の「リーキー バケット」クレジット ベースの公平なキューイングに基づいています。802.1Qav は、受信ブリッジおよびエンドポイントでのバッファリングを削減するように設計されています。

クレジットベースのシェーパーは、クラス A とクラス B のトラフィック専用の 2 つの別々のキューのクレジットをビット単位で定義します。フレームの送信は、クレジットが負でない場合にのみ許可されます。送信中、クレジットは sendSlope と呼ばれるレートで減少します。

${\displaystyle {\text{sendSlope}}={\text{idleSlope}}-{\text{portTransmitRate}}.}$

フレームが他のキューの送信を待機している場合、クレジットはidleSlopeのレートで増加します。

${\displaystyle {\text{idleSlope}}={\frac {\text{reservedBytes}}{\text{divFrameIntervalTime}}}.}$

したがって、idleSlope はブリッジによってキュー用に予約された帯域幅であり、sendSlope はポート MAC サービスの送信速度です。

クレジットが負で、フレームが送信されていない場合、クレジットはゼロに達するまでアイドル スロープ レートで増加します。非 AVB フレームが送信中であるため AVB フレームを送信できない場合、クレジットはアイドル スロープ レートで蓄積されますが、正のクレジットは許可されます。

追加の制限 hiCredit と loCredit は、最大フレーム サイズと最大干渉サイズ、idleSlope/sendSlope、および最大ポート伝送速度から導出されます。

予約済みの AV ストリーム トラフィック フレームは、予約されていないベスト エフォートトラフィックよりも高い優先度で転送されます。クレジット ベースのトラフィック シェーピング ルールが適用され、一定量のクレジットを待機する必要がある場合があります。これにより、最大 AV ストリーム バーストが制限され、ベスト エフォート トラフィックが保護されます。フレームは、配信時間を平滑化し、バッファ オーバーフローやパケット ドロップを引き起こして再送信をトリガーする可能性のあるバーストとバンチングを削減するために、集約ベースでのみ非常に均等にスケジュールされます。バッファリングの遅延が増加すると、再送信されたパケットは到着するまでに古くなり、フレーム ドロップが発生して AV アプリケーションの品質が低下します。

クレジットベースのシェーパーは、低優先度パケットの公平なスケジューリングを提供し、トラフィックをスムーズにして輻輳を解消しますが、残念ながら平均遅延はホップごとに最大 250 μs まで増加し、制御アプリケーションには大きすぎます。一方、時間認識シェーパー (IEEE 802.1Qbv) は、固定サイクル遅延が 30 μs から数ミリ秒で、典型的な遅延は 125 μs です。TSN における遅延の保証された上限を導出することは簡単ではなく、現在、数学的フレームワーク Network Calculus などを使用して研究されています。^[7]

IEEE 802.1Qatストリーム予約プロトコル(SRP) は、フローのリソース要件と利用可能なネットワーク リソースに基づいて アドミッション コントロールを指定する分散ピアツーピア プロトコルです。

SRP はリソースを予約し、送信者/ソース (トーカー) から受信者/宛先 (リスナー) にストリームをアドバタイズします。これにより、各ストリームの QoS 要件を満たし、フローの伝送パス全体にわたって十分なネットワーク リソースの可用性が保証されます。

トラフィック ストリームは、48 ビットのMAC アドレス(EUI) と 16 ビットの UniqueIDで構成される 64 ビットの StreamID で識別および登録され、1 つのソースからの異なるストリームを識別します。

SRP は、スイッチ/ブリッジ/デバイス上の属性値を登録および登録解除するために、Multiple Registration Protocol (MRP)のバリエーションであるMultiple MAC Registration Protocol (MMRP)、Multiple VLAN Registration Protocol (MVRP)、およびMultiple Stream Registration Protocol (MSRP) を使用します。

SRP プロトコルは基本的に次の順序で動作します。

1. トーカーからのストリームを宣伝する
2. データフローに沿ったパスを登録する
3. 最悪のレイテンシを計算する
4. AVBドメインを作成する
5. 帯域幅を予約する

リソースは、データ ストリームのエンド ノードとデータ フロー パスに沿ったトランジット ノードの両方で割り当てられ、構成されます。エンドツーエンドのシグナリング メカニズムによって成功/失敗が検出されます。最悪の場合のレイテンシは、すべてのブリッジを照会して計算されます。

予約リクエストは、MRP 属性伝播メカニズムを備えた一般的な MRP アプリケーションを使用します。フロー パスに沿ったすべてのノードは、ブリッジが必要なリソースを割り当てることができるように、ストリームの特性を記述する MRP 属性宣言 (MAD) 仕様を渡します。

ブリッジが必要なリソースを予約できる場合、次のブリッジにアドバタイズメントを伝播します。そうでない場合は、「トーカー失敗」メッセージが生成されます。アドバタイズメント メッセージがリスナーに到達すると、リスナーは「リスナー準備完了」メッセージで応答し、トーカーに伝播します。

トーカーのアドバタイズおよびリスナーの準備完了メッセージは登録解除され、ストリームが終了します。

予約の成功は、すべての中間ノードが SRP をサポートし、アドバタイズ メッセージと準備完了メッセージに応答する場合にのみ保証されます。上記の図 2 では、AVB ドメイン 1 は AVB ドメイン 2 に接続できません。

SRPは、TSN/AVB標準でもフレームの優先順位、フレームのスケジューリング、トラフィックシェーピングに使用されます。

SRP は分散登録および予約手順を使用するため、複数の要求があると重要なトラフィックに遅延が生じる可能性があります。IEEE 802.1Qcc-2018「ストリーム予約プロトコル (SRP) の機能強化とパフォーマンスの向上」修正では、予約メッセージのサイズが縮小され、タイマーが再定義されて、リンク状態または予約が変更された場合にのみ更新がトリガーされるようになりました。大規模ネットワークでの TSN 管理を改善するために、各ユーザー ネットワーク インターフェイス(UNI) は、レイヤー 2 サービスを要求する方法を提供します。これには、集中ネットワーク構成 (CNC) が補足され、集中予約とスケジュール、および NETCONF/RESTCONF プロトコルと IETF YANG/NETCONF データ モデリングを使用したリモート管理が提供されます。

CNC はストリームごとの要求応答モデルを実装します。このモデルでは、SR クラスは明示的に使用されません。エンド ステーションは、ネットワーク構成を認識せずに特定のストリームに対する要求を (エッジ ポート経由で) 送信し、CNC はストリーム予約を集中的に実行します。MSRP は、ストリーム予約用ではなく、CNC とエンド ステーション間の情報キャリアとしてエンド ステーションへのリンク上でのみ実行されます。集中ユーザー構成 (CUC) は、エンド ステーション、その機能、およびユーザー要件を検出し、遅延が最適化された TSN 機能 (閉ループIACSアプリケーション用) を構成するオプションのノードです。リソース予約プロトコル(RSVP) トランスポートとのシームレスな相互運用性が提供されます。802.1Qcc では、集中構成管理と SRP プロトコルの分散型完全分散構成の共存が可能で、従来の AVB デバイスのハイブリッド構成もサポートされます。

802.1Qcc は、IEEE 802.1Qca パス制御および予約 (PCR) および TSN トラフィック シェーパーと組み合わせることができます。

802.1Qav FQTSS/CBS はソフト リアルタイム トラフィックでは非常にうまく機能しますが、最悪の場合の遅延はホップ カウントとネットワーク トポロジの両方に依存します。異常なトポロジは遅延を引き起こすため、バッファ サイズ要件ではネットワーク トポロジを考慮する必要があります。

IEEE 802.1Qch 巡回キューイングおよび転送 (CQF) は、蠕動シェイパー (PS) とも呼ばれ、ブリッジが周期的に送信 (フレームのエンキュー/デキュー操作) を同期できるようにするダブル バッファリングを導入します。このとき、制限されたレイテンシはホップ数とサイクル時間のみに依存し、ネットワーク トポロジとは完全に独立しています。

CQF は、IEEE 802.1Qbv 時間認識スケジューラ、IEEE 802.1Qbu フレーム プリエンプション、および IEEE 802.1Qci 入力トラフィック ポリシングで使用できます。

IEEE 802.1Qci ストリームごとのフィルタリングとポリシング (PSFP) は、個々のトラフィック ストリームをフィルタリングすることで、ネットワークの堅牢性を向上させます。これにより、誤動作やサービス拒否 (DoS) 攻撃によってブリッジや受信エンドポイントに影響を及ぼす可能性のあるトラフィックの過負荷状態を防止できます。ストリーム フィルタは、ルール マッチングを使用して、指定されたストリーム ID と優先度レベルのフレームを許可し、それ以外の場合はポリシー アクションを適用します。すべてのストリームは、802.1Qch シグナリングと同様に、ゲートで調整されます。フロー メータリングは、各ストリームに定義済みの帯域幅プロファイルを適用します。

IEEE 802.1Qbv 時間認識スケジューラは、イーサネット ネットワーク上の通信を固定長の繰り返し時間サイクルに分割するように設計されています。これらのサイクル内で、8 つのイーサネット優先度の 1 つまたは複数に割り当てることができるさまざまなタイム スライスを設定できます。これにより、伝送保証が必要で中断できないトラフィック クラスに、イーサネット伝送媒体を限られた時間だけ排他的に使用できるようになります。基本概念は、時分割多重アクセス(TDMA) 方式です。特定の期間に仮想通信チャネルを確立することで、時間的に重要な通信を、重要でないバックグラウンド トラフィックから分離できます。

時間認識型スケジューラは、IEEE 802.1Qav クレジットベース トラフィック シェーパー用に定義されたクラス A および B に加えて、タイムクリティカルな制御データ用のストリーム予約クラス CDT を導入します。このクラスでは、最悪ケースのレイテンシが 5 ホップで 100 μs、最大送信期間が 0.5 ms です。タイムクリティカルなトラフィック クラスに伝送媒体とデバイスへの排他的アクセスを許可することで、イーサネット スイッチ伝送バッファのバッファリング効果を回避し、タイムクリティカルなトラフィックを非決定論的な中断なしに送信できます。IEEE 802.1Qbv スケジューラ構成の 1 つの例を図 1 に示します。

この例では、各サイクルは 2 つのタイム スライスで構成されています。タイム スライス 1 では、VLAN 優先度 3 のタグが付けられたトラフィックの送信のみが許可され、各サイクルのタイム スライス 2 では、残りの優先度の送信が許可されます。IEEE 802.1Qbv スケジューラでは、すべてのネットワーク デバイス (イーサネット スイッチとエンド デバイス) のすべてのクロックを同期し、同一のスケジュールを設定する必要があるため、すべてのデバイスは、任意の時点でネットワークに送信できる優先度を認識します。タイム スライス 2 には複数の優先度が割り当てられているため、このタイム スライス内では、優先度は標準の IEEE 802.1Q 厳密な優先度スケジューリングに従って処理されます。

イーサネット伝送をサイクルとタイム スライスに分離する機能は、IEEE 802.1Qav クレジット ベースのトラフィック シェーパーなどの他のスケジューリング アルゴリズムやトラフィック シェーピング アルゴリズムを組み込むことでさらに強化できます。IEEE 802.1Qav はソフト リアルタイムをサポートします。この特定の例では、IEEE 802.1Qav をタイム スライス 2 で使用される 1 つまたは 2 つの優先度に割り当てることで、オーディオ/ビデオ トラフィックとバックグラウンド ファイル転送をさらに区別できます。Time-Sensitive Networking Task Group は、ハード リアルタイム、ソフト リアルタイム、およびバックグラウンド トラフィックを同じイーサネット インフラストラクチャ上で非反応的に共存させるために組み合わせることができるさまざまなスケジューラーとトラフィック シェーパーを指定しています。

イーサネット インターフェイスが伝送媒体へのフレームの伝送を開始すると、次の伝送を行う前にこの伝送が完全に終了する必要があります。これには、信頼性が高くエラーのない伝送を保証するために、フレームの最後にCRC32チェックサムの伝送が含まれます。イーサネット ネットワークのこの固有の特性は、IEEE 802.1Qbv スケジューラの TDMA アプローチに再び課題をもたらします。これは、図 2 に示されています。

サイクル n のタイム スライス 2 が終了する直前に、新しいフレームの送信が開始されます。残念ながら、このフレームはタイム スライスに収まらないほど大きいです。このフレームの送信は中断できないため、フレームは次のサイクル n+1 の次のタイム スライス 1 を侵害します。時間的に重要なタイム スライスを部分的または完全にブロックすると、リアルタイム フレームは、アプリケーション要件を満たせなくなるまで遅延される可能性があります。これは、非 TSN イーサネット スイッチで発生する実際のバッファリング効果と非常によく似ているため、TSN ではこれを防ぐメカニズムを指定する必要があります。

IEEE 802.1Qbv 時間認識スケジューラは、スケジューラが 1 つのタイム スライスから次のタイム スライスに変更するときに、イーサネット インターフェイスがフレームの送信でビジー状態にならないようにする必要があります。時間認識スケジューラは、時間重視のトラフィックを伝送するすべてのタイム スライスの前にガード バンドを配置することでこれを実現します。このガード バンド時間中は、新しいイーサネット フレームの送信を開始することはできません。すでに進行中の送信のみを終了できます。このガード バンドの期間は、最大フレーム サイズを安全に送信するのにかかる時間と同じ長さにする必要があります。単一の IEEE 802.1Q VLAN タグを持ち、フレーム間スペースを含む IEEE 802.3 に準拠したイーサネット フレームの場合、合計の長さは次のようになります。1500 バイト (フレーム ペイロード) + 18 バイト (イーサネット アドレス、EtherType、および CRC) + 4 バイト (VLAN タグ) + 12 バイト (フレーム間スペース) + 8 バイト (プリアンブルおよび SFD) = 1542 バイト。

このフレームの送信に必要な合計時間は、イーサネット ネットワークのリンク速度によって異なります。ファスト イーサネットと 100 Mbit/s の伝送速度の場合、伝送時間は次のようになります。

${\displaystyle t_{\text{maxframe}}={\frac {1542{\text{ バイト}}}{12.5\cdot 10^{6}{\text{ バイト}}\cdot {\frac {1}{s}}}}=123.36\cdot 10^{-6}s}$

この場合、ガードバンドは少なくとも123.36μsの長さが必要です。ガードバンドを使用すると、タイムスライス内で使用可能な合計帯域幅または時間は、ガードバンドの長さだけ減少します。これは図3に示されています。

注: トピックの説明を容易にするために、図 3 のガード バンドの実際のサイズは縮尺どおりではなく、図 2 のフレームで示されているサイズよりも大幅に小さくなっています。

この例では、タイム スライス 1 には常に高優先度データ (モーション コントロールなど) が含まれ、タイム スライス 2 には常にベスト エフォート データが含まれます。したがって、重要なデータ ストリームのタイム スライスを保護するために、タイム スライス 1 への遷移ポイントごとにガード バンドを配置する必要があります。

ガード バンドは、優先度の高い重要なトラフィックのタイム スライスを保護することができますが、いくつかの重大な欠点もあります。

• ガード バンドによって消費される時間は失われます。イーサネット ポートは沈黙している必要があるため、データの送信には使用できません。したがって、失われた時間は、その特定のイーサネット リンク上のバックグラウンド トラフィックの帯域幅の損失に直接つながります。
• 単一のタイム スライスは、ガード バンドのサイズよりも小さく構成することはできません。特に、低速のイーサネット接続とガード バンドのサイズの拡大により、達成可能な最小のタイム スライスの長さとサイクル タイムに悪影響が及びます。

ガード バンドによる帯域幅の損失を部分的に軽減するために、標準 IEEE 802.1Qbv には長さを考慮したスケジューリング メカニズムが含まれています。このメカニズムは、ストア アンド フォワード スイッチングが利用されるときに使用されます。ガード バンドが有効なポートで送信する必要があるイーサネット フレームを完全に受信した後、スケジューラはフレームの全体の長さをチェックします。フレームが、後続の高優先度スライスを侵害することなく、ガード バンド内に完全に収まる場合、スケジューラはアクティブなガード バンドにもかかわらずこのフレームを送信し、帯域幅の無駄を減らすことができます。ただし、このメカニズムは、カットスルー スイッチングが有効になっているときには使用できません。イーサネット フレームの合計長を事前に知っておく必要があるためです。したがって、カットスルー スイッチングを使用してエンドツーエンドの遅延を最小限に抑える場合、帯域幅の無駄は依然として発生します。また、これは達成可能な最小サイクル タイムには役立ちません。したがって、長さを考慮したスケジューリングは改善ではありますが、ガード バンドによってもたらされるすべての欠点を軽減できるわけではありません。

ガードバンドによる悪影響をさらに軽減するために、IEEE ワーキンググループ802.1および802.3 はフレーム プリエンプション技術を規定しました。この技術には、IEEE 802.3 の管理下にあるイーサネットメディア アクセス制御 (MAC)スキームの変更と、IEEE 802.1 の管理下にある管理メカニズムの変更の両方が必要であったため、2 つのワーキンググループはこの取り組みに協力しました。このため、フレーム プリエンプションは、ブリッジ管理コンポーネントについては IEEE 802.1Qbu ^[8]、イーサネット MAC コンポーネントについては IEEE 802.3br ^{[9] という}2 つの異なる標準文書で説明されています。

フレーム プリエンプションは、出力ポートに対して、プリエンプティブ MAC (pMAC) とエクスプレス MAC (eMAC) の 2 つの MAC サービスを定義します。エクスプレス フレームは、プリエンプティブ フレームの送信を中断できます。再開すると、MAC マージ サブレイヤーが次のブリッジでフレーム フラグメントを再構成します。

プリエンプションにより、操作コンテキストがエクスプレス フレームに移行されるため、リンク インターフェイスで計算オーバーヘッドが発生します。

図 4 は、フレーム プリエンプションの基本的な仕組みの例を示しています。ベスト エフォート イーサネット フレームの送信プロセス中に、MAC はガード バンドの開始直前にフレームの送信を中断します。部分的なフレームは CRC で完了し、次のスイッチに格納されて、フレームの 2 番目の部分が到着するまで待機します。タイム スライス 1 の高優先度トラフィックが経過し、サイクルがタイム スライス 2 に戻ると、中断されたフレームの送信が再開されます。フレーム プリエンプションは常に純粋なリンクごとに動作し、1 つのイーサネット スイッチから次のイーサネット スイッチへのフラグメントのみが行われ、そこでフレームが再構成されます。インターネット プロトコル (IP) によるフラグメント化とは異なり、エンドツーエンドのフラグメント化はサポートされていません。

各部分フレームは、エラー検出用の CRC32 によって完了します。通常のイーサネット CRC32 とは異なり、部分フレームを通常のイーサネット フレームと区別できるように、最後の 16 ビットが反転されます。さらに、フレーム開始区切り文字(SFD) が変更されます。

フレーム プリエンプションのサポートは、デバイス間の各リンクで個別にアクティブ化する必要があります。リンク上でフレーム プリエンプションの機能を通知するために、イーサネット スイッチはLLDP (Link Layer Discovery Protocol)を通じてこの機能を通知します。デバイスがネットワーク ポートでこのような LLDP 通知を受信し、フレーム プリエンプション自体をサポートしている場合、この機能をアクティブ化できます。隣接デバイスでこの機能の直接ネゴシエーションとアクティブ化は行われません。LLDP プリエンプション通知を受信したデバイスは、リンクのもう一方の端に、フレーム形式の変更 (変更された CRC32 と SFD) を理解できるデバイスが存在するものと想定します。

フレーム プリエンプションにより、ガード バンドを大幅に削減できます。ガード バンドの長さは、フレーム プリエンプション メカニズムの精度、つまりメカニズムがプリエンプションできるフレームの最小サイズがどの程度小さいかによって決まります。IEEE 802.3br では、このメカニズムの最高精度を 64 バイトと指定しています。これは、これが有効なイーサネット フレームの最小サイズであるためです。この場合、ガード バンドは合計 127 バイトまで削減できます。64 バイト (最小フレーム) + 63 バイト (プリエンプションできない残りの長さ)。これより大きいフレームはすべて再度プリエンプションできるため、ガード バンドでこのサイズから保護する必要はありません。

これにより、失われるベスト エフォート帯域幅が最小限に抑えられ、100 Mbit/s 以下などの低速イーサネットではサイクル時間が大幅に短縮されます。フレームが通過するときに MAC のハードウェアでプリエンプションが行われるため、全体のフレーム サイズを事前に知る必要がなく、カットスルー スイッチングもサポートできます。MAC インターフェイスは、フレームをプリエンプトする必要があるかどうかを 64 バイト間隔で定期的にチェックするだけです。

時間同期、IEEE 802.1Qbv スケジューラ、およびフレーム プリエンプションの組み合わせは、ネットワーク上のさまざまなトラフィック カテゴリの共存を保証すると同時に、エンドツーエンドの遅延保証を提供するために使用できる効果的な標準セットをすでに構成しています。802.1Qch などの新しい IEEE 802.1 仕様が完成するにつれて、この機能はさらに強化されるでしょう。

全体的に、時間認識型スケジューラは実装が非常に複雑で、帯域幅の使用が効率的ではありません。遅延を短縮するには、エンドポイントでのタスクおよびイベントのスケジューリングをトラフィック シェーパーのゲート スケジューリングと組み合わせる必要があります。重大な欠点は、エンドポイントが非同期データをストリーミングするときに、次の時間トリガー ウィンドウを待つ時間のために遅延が発生することです。

時間認識型スケジューラでは、時間によってトリガーされるウィンドウを厳密に同期する必要があるため、ストリーム パス上のすべてのブリッジを同期する必要があります。ただし、TSN ブリッジ フレームの選択と送信時間を同期することは、中規模のネットワークでも簡単ではなく、完全に管理されたソリューションが必要です。

フレームプリエンプションは実装が難しく、業界で広くサポートされていません。

クレジットベース、時間認識型、および周期的 (蠕動型) シェーパーは、ネットワーク全体で調整された時間を必要とし、定期的なサイクルでパケット送信を強制するため、ネットワーク帯域幅を非効率的に使用します。IEEE 802.1Qcr 非同期トラフィック シェーパー (ATS) は、各ブリッジのローカル クロックに基づいて非同期的に動作し、任意の期間の周期、散発的 (イベント駆動型)、およびレート制限付きなどの混合トラフィック タイプのリンク使用率を向上させます。

ATS は、クラスごとのキューイングとストリームごとの再シェーピングを使用して緊急トラフィックを優先する緊急ベース スケジューラ (UBS) を採用しています。非同期性は、クラスごとのシェーピングのバースト カスケード効果を排除するために、トークン バケット エミュレーション (トークン バケットエミュレーション モデル) に基づくトラフィック特性によるインターリーブ シェーピングによって実現されます。TBE シェーパーは平均伝送速度によってトラフィックを制御しますが、一定レベルのバースト トラフィックを許可します。バケットに十分な数のトークンがある場合は、すぐに伝送が開始されます。そうでない場合は、十分な数のトークンを蓄積するのに必要な時間だけキューのゲートが閉じます。

UBS は、レート制御サービス規律 (RCSD) を改良したもので、各ホップで個々のフレームの選択と送信を制御し、レート制御とパケット スケジューリングを分離することでストリーム帯域幅を遅延制限から切り離し、静的優先順位と先着順および期限最早優先のキューイングを使用します。

UBS キューイングには、2 つの階層レベルがあります。1 つはフローごとにシェイプされたキューで、アプリケーション定義のパケット送信時間に従ってアップストリーム ソースによって固定の優先順位が割り当てられ、各ストリームの任意の送信期間が許可されます。もう 1 つは共有キューで、複数のシェーパーから同じ内部優先順位を持つストリームをマージします。このキューイングの分離により、実装の複雑さが低くなり、優先順位の高いフレームが優先順位の低いフレームをバイパスすることが保証されます。

共有キューは高度に分離されており、異なる送信機からのフレーム、同じ送信機だが優先度が異なるフレーム、同じ送信機と優先度だが受信機で優先度が異なるフレームに対して別々のキューを作成するポリシーがあります。キューの分離により、悪意のあるデータの伝播が防止され、通常のストリームが干渉を受けないことが保証され、管理アクションによる柔軟なストリームまたは送信機のブロックが可能になります。共有キューの最小数はポート数から 1 を引いた数であり、追加の分離ポリシーによりさらに多くなります。共有キューにはスケジューラ内部で固定された優先度があり、フレームは先着順の原則に基づいて送信されます。

TAS (Qbv) や CQF (Qch) などの時間トリガー方式とは異なり、最悪の場合のクロック同期の不正確さによってリンク使用率が減少することはありません。

IEEE 802.1Qca パス制御および予約 (PCR) は、ブリッジ ネットワークで複数のパスを構成するためのIntermediate Station to Intermediate Station (IS-IS) プロトコルの拡張を指定します。

IEEE 802.1Qca 規格は、最短パス ブリッジング (SPB) をソフトウェア定義ネットワーク(SDN) ハイブリッド モードと共に使用します。IS-IS プロトコルが基本機能を処理し、SDN コントローラが専用サーバ ノードでパス計算要素(PCE) を使用して明示的なパスを管理します。IEEE 802.1Qca は、制御プロトコルを統合して、複数のトポロジを管理し、明示的な転送パス (各ストリームの定義済みパス) を構成し、帯域幅を予約し、データ保護と冗長性を提供し、フロー同期とフロー制御メッセージを配布します。これらは、等コスト ツリー(ECT)、マルチ スパニング ツリー インスタンス(MSTI)、内部スパニング ツリー (IST)、および明示ツリー (ET) プロトコルから派生しています。

IEEE 802.1CB 信頼性のためのフレーム複製および削除 (FRER) は、複数の分離パスを介して各フレームの重複コピーを送信し、パケット損失を許容できない制御アプリケーションにプロアクティブでシームレスな冗長性を提供します。

パケット複製では、トラフィック クラスとパス情報を使用して、ネットワークの輻輳を最小限に抑えることができます。複製された各フレームにはシーケンス識別番号があり、フレームの並べ替えや結合、重複の破棄に使用されます。

FRER には集中構成管理が必要であり、802.1Qcc および 802.1Qca と併用する必要があります。IEC 62439-3 で規定されている 産業用フォールト トレランスHSRおよびPRPがサポートされています。

ストリームの MRP 状態データは 1500 バイトです。トラフィック ストリームが増え、ネットワークが大きくなると、データベースのサイズも比例して大きくなり、ブリッジ ネイバー間の MRP 更新の速度が大幅に低下します。Link-Local Registration Protocol (LRP) は、効率的なレプリケーションによって増分更新を可能にする、約 1 MB の大きなデータベース サイズに最適化されています。古いデータを持つ応答のないノードは自動的に破棄されます。MRP はアプリケーション固有であり、登録された各アプリケーションが独自の操作セットを定義しますが、LRP はアプリケーションに依存しません。

SRP と MSRP は主に AV アプリケーション向けに設計されており、その分散構成モデルはクレジットベース シェーパー (CBS) によって定義されたストリーム予約 (SR) クラス A および B に限定されています。一方、IEEE 802.1Qcc には、追加のシェーパー、フレーム プリエンプション、パス冗長性などのすべての新しい TSN 機能をサポートする、より集中化された CNC 構成モデルが含まれています。

IEEE P802.1Qdd プロジェクトは、P802.1CS リンクローカル登録プロトコルに基づいて構築された新しいピアツーピア リソース割り当てプロトコル シグナリングを定義することにより、分散構成モデルを更新します。RAP はスケーラビリティを向上させ、802.1CB FRER の複数のパスを介した冗長伝送のサポートと、シーケンス回復の自動構成により、より多くのストリームの動的な予約を提供します。

RAP は、802.1Qch 巡回キューイングおよび転送 (CQF) や P802.1Qcr 非同期トラフィック シェーピング (ATS) などの TSN シェーパーの「トポロジに依存しないホップごとの遅延計算」機能をサポートします。また、高負荷時のパフォーマンスを向上させ、プロキシと拡張診断をサポートしながら、MSRP との下位互換性と相互運用性を維持します。

IEEE P802.1ABdhステーションおよびメディアアクセス制御接続検出 - マルチフレームプロトコルデータユニット（LLDPv2）のサポート^{[10] [11]は、} LLDPを更新してIETFリンクステートベクトルルーティングプロトコル^[12]をサポートし、プロトコルメッセージの効率を向上させます。

IEEE 802.1Qcp 標準は、YANG データ モデルを実装して、メディアアクセスコントロール (MAC) ブリッジ、2 ポート MAC リレー (TPMR)、顧客仮想ローカル エリア ネットワーク (VLAN) ブリッジ、プロバイダー ブリッジなどの機器のステータス報告と構成のためのユニバーサル プラグ アンド プレイ (uPnP) フレームワークを提供し、802.1X セキュリティおよび 802.1AX データセンター ブリッジング標準をサポートします。

YANG は、NETCONF/RESTCONF などのネットワーク管理プロトコルを使用してデバイス構成を設定するための、構成と状態データ、通知、リモート プロシージャ コール用の統一モデリング言語 (UML) です。

IETF Deterministic Networking (DetNet) ワーキング グループは、オーディオやビデオのストリーミング、産業オートメーション、車両制御など、高い信頼性と、遅延、損失、パケット遅延変動 (ジッター) の制限を備えた決定論的なデータ パスを定義することに重点を置いています。

Deterministic Networking の目標は、タイム クリティカルで信頼性の高い産業用およびオーディオ/ビデオ アプリケーションを、専用フィールドバスネットワークからIPパケット ネットワークに移行することです。これらの目標を達成するために、DetNet はリソース割り当てを使用してバッファ サイズと転送速度を管理し、エンドツーエンドの遅延要件を満たします。複数のパスと明示的なルートを冗長化して障害からサービスを保護し、パケット損失と並べ替えを減らします。同じ物理ネットワークでタイム クリティカルな予約済みトラフィックと通常のベスト エフォート トラフィックの両方を処理し、使用されていない予約済み帯域幅はベスト エフォート トラフィック用に解放されます。

DetNetは、ソフトウェア定義ネットワーク層を使用してIP レイヤー3ルーティングセグメントで動作し、 IntServとDiffServの統合を提供し、MPLSやIEEE 802.1 AVB/TSNなどの技術を使用して下位レイヤー2ブリッジセグメントを介してサービスを提供します。^[13]

トラフィックエンジニアリング (TE) ルーティングプロトコルは、DetNet フロー仕様を AVB/TSN 制御に変換し、キューイング、シェーピング、スケジューリングアルゴリズムを実行します。これには、IEEE 802.1Qav クレジットベースシェーパー、ローテーションタイムスケジューラを備えた IEEE802.1Qbv 時間トリガーシェーパー、IEEE802.1Qch 同期ダブルバッファリング、802.1Qbu/802.3br イーサネットパケットプリエンプション、信頼性のための 802.1CB フレームレプリケーションと削除などがあります。また、IEEE 802.1CB で定義されたプロトコルインターワーキングは、アクティブ宛先 MAC および VLAN ストリーム識別機能を介して、DetNet フローに TSN サブネットワーク機能を通知するために使用されます。DetNet フローは、宛先 MAC アドレス、VLAN ID、および優先度パラメータによって、AVB/TSN サブネットワークのトーカーとリスナーのストリーム ID および QoS 要件と照合されます。^[14]

関連プロジェクト:

• IEEE 802.1 タイムセンシティブネットワーキングタスクグループ
• IEEE 802.1 公開文書アーカイブ
• Avnu Alliance による IEEE TSN 標準の仕様
• リアルタイム イーサネット – 再定義(ドイツ語)
• タイムセンシティブネットワーキング（TSN）ビジョン：ビジネスと産業のオートメーションの統合
• TSN の活動は新たなフィールドバス戦争を引き起こしているか? ^{[リンク切れ‍ ]}
• 航空機におけるTSNアプリケーションに関する研究プロジェクト
• TSN トレーニング、マーク ボワイエ (ONERA)、ピエール ジュリアン チェーン (エアバス防衛宇宙)