Reti Ethernet ad alta efficienza

Con l’avvento della tecnologia TSN (Time Sensitive Networking), le reti Ethernet hanno ottenuto nuove funzionalità nella pianificazione della trasmissione delle informazioni

Diversamente dagli approcci con priorità fissa e con pianificazione circolare (round robin), la tecnologia TSN consente il controllo esatto dell’istante di partenza di un pacchetto da ogni nodo. Sebbene questa possa sembrare una piccola aggiunta, l’approccio TSN è diventato un requisito essenziale per consentire la coesistenza di diversi tipi di traffico su una connessione comune, e ciò è vero per i collegamenti a banda stretta e ad alta capacità.
Un’analogia con il trasporto pubblico spiega le nuove funzionalità. Nella città in cui vivo in Germania, il governo municipale è determinato a ottimizzare il nostro trasporto pubblico locale. Ottimizzare significa migliorare la puntualità, che si traduce in tempi di attesa prevedibili per i passeggeri, senza ridurre la capacità di trasporto dei singoli utenti. Questo risultato è stato ottenuto grazie a terminali ottimizzati che consentono di modificare la sequenza degli autobus per rispettare gli orari di partenza previsti e con semafori intelligenti agli incroci tra le stazioni. Qualsiasi capacità residua ancora disponibile su strada può essere sfruttata nel miglior modo possibile dal trasposto privato.
Il traffico su strade pubbliche è un sistema sensibile al tempo. Esistono molti parallelismi con le reti TSN su collegamenti Ethernet condivisi.
Un solido sistema di trasporto segue un programma a livello di rete. La pianificazione viene determinata in base ai livelli di servizio per i quali gli utenti pagano. Quest’ultima è gestita centralmente e si traduce in orari che si applicano a ogni stazione e terminal da cui partono gli autobus, come pure a ogni incrocio. La rete può essere suddivisa approssimativamente in tre domini: “configurazione centralizzata”, “terminali/stazioni (finali)”, “collegamenti e ponti”, come mostrato in figura.

sL’elenco che segue classifica le metodologie applicate nelle reti TSN, e i termini in corrispondenza di ogni punto elenco definiscono l'elemento corrispondente secondo lo standard IEEE 802.1Q-2018. L’automazione industriale fa ricorso a tutti questi metodi.

Configurazione centralizzata

• Identifica le relazioni di traffico e i relativi ponti e determina una pianificazione
• Configurazione a rete centrale (CNC)
• Definisce l'orario di partenza e di arrivo per ogni servizio e per ogni stazione
• Configurazione a utente centrale (CUC)

Terminali/Stazioni (finali)

• Tutte le stazioni sono sincronizzate, cioè funzionano con lo stesso orario
• Protocollo gPTP (Precision Time Protocol) generalizzato
• Le stazioni sanno quale mezzo di trasporto appartiene a quale servizio e sono a conoscenza dell'orario valido per le partenze
• Identificazione della sequenza
• La sequenza dei veicoli può essere ordinata presso la stazione, in modo da rispettare i singoli orari
• Code

Connessioni e ponti

• I semafori tengono conto dei tempi
• Elenco di controllo delle porte (GCL)
• La rete è in grado di fermare il traffico in caso di urgenze come il transito delle ambulanze o dei veicoli dei vigili del fuoco
• Traffico di prelazione e intervallamento
• La rete conosce i metodi e gli algoritmi per controllare i picchi di traffico non pianificati
• PSFP (Per Stream Filtering and Policing)

Lo standard emergente IEC/IEEE 60802 definisce il profilo per la selezione delle funzioni e il loro dimensionamento in applicazioni industriali. Per quest’ultimo è stato introdotto il termine «TSN-IA». Sono definite due classi di conformità: Classe di Conformità A (ccA) per i dispositivi ricchi di funzionalità, e la Classe di Conformità B (ccB) per i dispositivi con risorse limitate. Sia ccA che ccB possono coesistere nella stessa rete e interoperare tra loro.
Nota: Questo articolo si concentra sulle caratteristiche dello standard IEEE 802.1Q-2008. La tecnologia TSN include anche funzionalità che vanno oltre questo ambito, ad esempio la ridondanza ottimizzata secondo IEEE 802.1CB, nota anche come FRER (Frame Replication and Elimination), che non viene discussa in questa sede.

Configurazione centralizzata delle reti

Per una rete sensibile al tempo è essenziale disporre di una pianificazione comune. La configurazione CNC (Central Network Configuration) contiene informazioni sui tipi di traffico ed è in grado di recuperare informazioni su tutte le stazioni, i ponti e tutte le reti degli utenti (individuazione della topologia). Inoltre, sono noti i tempi di percorrenza dei dati tra gli elementi della rete. Esiste esattamente una configurazione CNC attiva per ogni rete.
Analogamente a una rete nel trasporto pubblico, uno schema CNC può stabilire una pianificazione che consente ai tipi di traffico di ottenere le rispettive qualità del servizio e di utilizzare le risorse di rete esistenti in modo ottimale. Si stratta di un servizio che viene eseguito in modo asincrono, cioè prima che il traffico parta.
Esiste una connessione continua tra lo schema CNC e i ponti di rete che consente di accedere alle informazioni sulla topologia e di scaricare le configurazioni aggiornate sui ponti stessi.
La configurazione CUC (Central User Configuration) comunica con ciascuna stazione. Si occupa di inviare il servizio giusto al momento giusto. I servizi possono includere:
• Traffico con tempistiche rigorose di arrivo;
• Traffico ciclico con vincoli di latenza;
• Traffico AVB (Audio Video Bridging) con requisiti specifici di banda;
• Controllo del traffico con requisiti rigorosi di priorità e affidabilità;
• La modalità “best effort”, che viene adottata quando possibile ma che può anche essere scartata.
Questi servizi sono trasportati in diversi tipi di traffico elencati in figura.

L’elenco qui sopra è semplificato, ma illustra bene che ciascun tipo di traffico deve essere gestito in modo diverso in ogni stazione. Nell’analogia con il trasporto pubblico, su strada possono coesistere gli autobus espressi, i servizi standard e gli altri tipi di traffico privato, ma sono soggetti a una gestione diversa nelle stazioni. A differenza degli schemi CNC, in una rete possono coesistere più configurazioni CUC. Ciò è paragonabile a più mezzi di trasporto che condividono le stesse strade.
Le Classi di Conformità IEEE emergenti svolgono un ruolo significativo in questo contesto: la Classe di Conformità A (ccA) può gestire otto code per controllare i vari servizi. La classe ccB è in grado di gestire quattro code. Le classi di conformità definiscono le dimensioni delle stazioni e del ponte. La classe ccA è caratterizzata da più complessità, più memoria, una maggiore occupazione di spazio su silicio rispetto a quella di tipo ccB, e di conseguenza può gestire più tipi di traffico diversi in modo indipendente.

Terminali e stazioni (finali)

Le stazioni sono i nodi che inviano e ricevono unità alle connessioni. Il termine "stazione finale" potrebbe essere di primo acchito fuorviante, ma si spiega nell’analogia con il servizio di trasporto pubblico che può partire o giungere al capolinea ad ogni fermata.
I servizi seguono una pianificazione, ed è per questo motivo che ogni stazione finale connessa deve essere sincronizzata con lo stesso riferimento temporale. I protocolli sottostanti sono fondamentalmente noti a partire dallo standard IEEE 1588 e le stazioni hanno spesso funzione di elementi di rete con clock ordinario o trasparente.
Un microcontrollore incorporato nella stazione è dotato di un servizio prioritario noto come Generalized Precision Time Protocol (gPTP). Due stazioni adiacenti possono raggiungere una precisione di circa 10 ns, ed è necessario non superare alcune centinaia di nanosecondi tra tutte le stazioni in una rete. Le reti wireless possono presentare disallineamenti superiori.
Poiché le stazioni sono sia una sorgente che una destinazione per il traffico, è loro responsabilità etichettare correttamente le unità di trasporto. Questa etichetta è un tag nella struttura di pacchetto Ethernet (Livello 2). Il metodo più comune è il ricorso alle priorità VLAN (Priority Code Point o PCP) per identificare il tipo di traffico. Nelle proposte di standard più recenti, vengono anche discusse opzioni per contrassegnare i flussi in modo da poter utilizzare qualsiasi struttura dati nel pacchetto Ethernet (IEEE 802.1CBdb). Oltre a ciò, esistono anche metodi per utilizzare lo strato 3 (pacchetti IP) con intercettazione dell’indirizzo IP allo scopo di determinare il tipo di traffico.
Il termine comune cui si fa riferimento per l’assegnazione delle caratteristiche a un pacchetto dati è l’Identificazione del Flusso (Stream Identification). Ogni singolo pacchetto deve essere scansionato in ciascuna stazione affinché il tag determini come gestirlo nel punto di uscita della stazione stessa.

Le stazioni ordinano i pacchetti Ethernet e inviano il traffico pianificato al momento preciso per rispettare le temporizzazioni indicate. Ciò è possibile con un massimo di otto Code parallele nel punto di uscita di una stazione che può contenere più pacchetti Ethernet. La sincronizzazione delle porte fa sì che i dati lascino la coda al momento giusto.
Tutto questo deve essere effettuato per ogni singolo pacchetto in uscita e può comportare un carico di elaborazione significativo per la stazione. Il ricorso all'identificazione dei flussi, alla gestione delle code e alle porte con sincronizzazione avviene normalmente in logica dedicata per scaricare il software e aumentare la precisione temporale. Per realizzare questa funzione, gli elementi di rete si avvalgono della logica programmabile negli FPGA o nei SoC programmabili con microcodice. I fornitori di FPGA come Xilinx offrono blocchi dedicati per questa funzione nel proprio catalogo di blocchi di proprietà intellettuale.

Reti avanzate: connessioni e ponti

Connessioni e ponti costruiscono l'infrastruttura che collega le stazioni. Nell'esempio con i trasporti pubblici, i collegamenti sono le strade e i ponti sono gli incroci in cui è possibile unire il traffico proveniente da più parti.
Anche se il cablaggio tra i ponti è statico, questi ultimi gestiscono attivamente la distribuzione del traffico tra più connessioni. In questo contesto è richiesta l’identificazione del flusso, e lo stesso deve avvenire nelle stazioni. Ad ogni porta di uscita, i pacchetti Ethernet devono superare le porte con sincronizzazione che seguono un Elenco di Controllo delle Porte (GCL), come illustrato in figura.

Gli intervalli disponibili per il controllo delle porte sono compresi tra poche centinaia di microsecondi e alcuni millisecondi. I tempi di apertura delle porte vanno da 50 μs ad alcuni millisecondi.
Una porta che rimane aperta per un tempo ingiustificatamente lungo riduce la capacità della rete. Ecco perché di norma i ponti sanno esattamente quando arriva un pacchetto dati pianificato. L’apertura delle porte con elevata precisione temporale costituisce una funzione hardware presente nei moderni System on Chip (SoC) con funzioni TSN, nonché in alcuni FPGA. Spesso i ponti sono caratterizzati da una Classe di Conformità A, anche se tutte le stazioni connesse sono di Classe di Conformità B.
Torniamo all'analogia con i semafori: il passaggio a "verde" richiede che altri percorsi vengano interrotti in tempo per evitare collisioni. Un adeguato margine assicura che ci sia abbastanza tempo da consentire il completo deflusso del traffico proveniente dall'altra direzione, prima che si apra la porta successiva. L’adozione di un margine di sicurezza comporta anche la perdita di banda.
Lo schema TSN introduce la funzione di Prelazione e inframezzamento del traffico, per ridurre questa perdita di rendimento. Il traffico con priorità inferiore può essere suddiviso in frammenti più piccoli, in modo che il margine di banda diventi molto ridotto. Ciò consente di trasportare il traffico con priorità più elevata, anche se un pacchetto lungo con priorità inferiore sta già utilizzando la connessione.
Tutto ciò funziona bene se nella rete non è presente un sovraccarico di traffico ad alta priorità. Quest’ultimo può derivare da un'applicazione bloccata che supera i limiti di traffico. Lo schema PSFP (Per Stream Filtering and Policing) è in grado di applicare parametri e di filtrare il traffico in base alle policy. Si tratta di una funzionalità per la sicurezza che garantisce l’operatività della rete.

Conclusione

È sorprendente osservare come siano correlati i nostri metodi di gestione del traffico sulle strade fisiche e le prassi di gestione del traffico dati nelle reti TSN. La configurazione dei percorsi lungo una rete con traffico pianificato contribuisce a garantire un utilizzo ottimale delle risorse di rete, mentre è possibile utilizzare la capacità residua per il traffico in modalità “best effort”.
È necessaria la sincronizzazione in ogni stazione e in ogni ponte della rete. Dovendo identificare e gestire ogni pacchetto in base alla sua funzione per rispettarne esattamente i tempi di uscita dalle porte, il protocollo TSN richiede determinismo. I System on Chip e gli FPGA con funzione TSN possono essere programmati per fornire le funzioni logiche digitali con un disallineamento ridotto o nullo dei pacchetti, e queste soluzioni programmabili assicurano la possibilità di aggiornare le estensioni nelle reti esistenti per mantenere la vostra rete operativa con un grado ottimale di velocità ed efficienza.