شبکه های حساس به زمان چه هستند و چگونه کار می کنند؟
از TSN (مخفف Time-Sensitive Networking) به عنوان یکی از محورهای آینده شبکه های اترنت صحبت می شود. چندین شرکت بزرگ دنیا مانند سیسکو و اینتل در حال کار روی شبکه های TSN برای کارخانه ها و صنایع بزرگ و حساس هستند. اگر بخواهیم پس از اترنت معمولی، از یک شبکه مهم آینده صحبت کنیم، باید از TSN و اجزای آن بگوییم.
در این مقاله شما می توانید نگاهی گذرا به این نوع شبکه و نحوه کار آن داشته باشید.
TSN مجموعه ای از استانداردهای در حال توسعه توسط گروهی به نام Time-Sensitive Networking تحت استاندارد IEEE 802.1 است. این گروه در سال 2012 تشکیل شده و به دنبال استانداردسازی شبکه های حساس زمانی است. به زبان ساده، روی یک شبکه حساس زمانی، محتوایی تبادل می شود که شدیداً به پارامتر زمان وابسته و حساس است. یعنی تاخیر شبکه باید در حد صفر باشد و دسترس پذیری شبکه به مرز صددرصد برسد. مثال خوبی از محتوای حساس به زمان، استریم محتوای ویدئویی یا بازی و حتی موسیقی است. وقتی شما می خواهید یک فیلم روی اینترنت تماشا کنید، ثانیه ای تاخیر در شبکه می تواند فیلم را خراب کند و تصویر با صدا همخوانی و همگرایی نداشته باشد. همینطور، وقتی دارید بازی آنلاین انجام می دهید، کوچکترین تاخیری در شبکه یا لگ زدن شبکه باعث می شود کل بازی خراب شود. این مثال ها در حوزه کاربران خانگی بود، ولی در حوزه صنعت و شبکه های سازمانی، طیف وسیعی از نرم افزارها و برنامه های کاربردی هستند که به کوچکترین تاخیر و اعوجاج یا سکته شبکه حساس هستند و واکنش نشان می دهند. این برنامه های کاربردی مبتنی بر شبکه های اترنت هستند و روی این شبکه ها پیاده سازی و اجرا می شوند، ولی نیازمند مکانیسم ها و سیاستگذاری هایی خواهند بود که تاخیر را به صفر برساند یا دسترس پذیری شبکه در بالاترین سطح باشد.
به عنوان مثال برنامه های کنترل خط تولید کارخانه ها از حساسیت بسیار بالایی برخوردار هستند و تاخیر حتی چند صدم میلی ثانیه ای می تواند کل سیستم را با مشکل روبرو کند. در این شبکه ها، تدابیر و مکانیسم های سخت گیرانه ای اعمال می شود تا بلافاصله انتقال اطلاعات تضمین شود. امروزه برای تامین نیازهای این نوع شبکه های حساس و تضمین رساندن اطلاعات در زمان لازم، فناوری های ارتباطی بی درنگی مانند PROFINET IRT – EtherCAT و SERCOS III استفاده می شود. تمام این فناوری ها مبتنی بر شبکه های اترنت معمولی هستند. بزرگترین مشکل این فناوری ها، ناسازگاری با یکدیگر و نیاز به پیاده سازی یکسری تنظیمات و پروتکل های بهبود دهنده روی اترنت معمولی است که موجب سربار می شوند.
در نتیجه، اترنت معمولی برای پشتیبانی و پیاده سازی ارتباطات بی درنگ حساس به زمان، چند تکه شده و نمی تواند پاسخگوی نیازها و تحولات آینده بازار باشد. اترنت معمولی در چندین بخش مانند پهنای باند یا شفافیت بیشتر اطلاعاتی میان سرور و کلاینت نیاز به اصلاح و بهبود دارد. به همین دلیل نیاز به استاندارد و نوع جدیدی از شبکه های اترنت پیشرفته داریم که بطور ویژه برای ارتباطات بی درنگ طراحی شده باشد و بتواند یک ارتباط قابل اعتماد و استاندارد شده را تحویل دهد.
در شبکه TSN با نظارت، پیکربندی، تنظیم و دسترسی به سوئیچ ها و کلاینت های شبکه، سعی می شود ترافیک روی شبکه اترنت مدیریت شود و ترافیک با اولویت بالاتر بدون تاخیر به مقصد برسد. در این شبکه ها، چند مکانیسم و تابع جدید افزوده شده است و یکسری سیاستگذاری ها و قوانین وضع می شود تا هر سوئیچ بداند چه زمانی باید اجازه عبور یک فریم در شبکه را بدهد. یکی از بخش های اصلی TSN، پارامترهای زمان بندی IEEE 802.1Qbv در سوئیچ ها و پایانه ها است.
شاید بتوان برخی از این تنظیمات و پیکربندی ها در TSN را هم بطور دستی روی یک اترنت معمولی پیاده سازی کرد تا برای یک ترافیک خاص، اولویت قائل شده و تاخیر یا خطایی صورت نگیرد. این اتفاق در برخی روترهای خانگی و اداری کوچک با افزوده شدن برخی ابزارها در حال انجام است، ولی سربار شبکه را افزایش می دهد و لایه های جدیدی به معماری شبکه می افزاید که مستلزم پیچیدگی بیشتر است. هدف TSN تسهیل و روانسازی ترافیک شبکه بر اساس یکسری اولویت ها بدون ایجاد سربار اضافی است. ممکن است یک شبکه TSN در محیط صنعتی با هزاران نود و کلاینت و ده ها سوئیچ بزرگ اترنت پیاده سازی شود. در شبکه ای با این مقیاس، کوچکترین پیکربندی اضافی می تواند کل شبکه را به مخاطره بیندازد یا تاخیرهای کشنده ای در سراسر شبکه ایجاد کند. بنابراین، وظیفه اصلی و بزرگ طراحان شبکه های TSN، جلوگیری از ایجاد تاخیر برای برنامه های کاربری با ماموریت های خاص و حیاتی است.
TSN و IIoT شبکه هایی برای آینده
مفهوم TSN و شبکه های حساس زمانی که با مفهوم اینترنت اشیاء صنعتی و استانداردهای Industrie 4.0 گره خورده است. اگر بخواهیم ضرورت و نیاز TSN را درک کنیم، باید ابتدا به سراغ خودکارسازی اتوماسیون های صنعتی برویم. خودکارسازی اتوماسیون و صنعت در مرحله گذر است. همه شرکت ها، سازمان ها و کارخانه ها می خواهند کارها را بطور خودکار ولی با انعطاف پذیری و قابلیت اطمینان بالا انجام دهند. نیاز به پویایی در تمام بخش های صنعت مشاهده می شود. فارغ از وضعیت موجود و تمام پیشرفت هایی که در این زمینه به لطف هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی رخ داده است، اگر می خواهیم در آینده به این اهداف برسیم، نیازمند شبکه های IIoT (اینترنت اشیاء صنعتی) و TSN هستیم. یعنی به شبکه ها و بسترهایی نیازمندیم که بتوانیم:
- ارتباطات بی درنگ قابل اعتماد و دقیقی برای پیاده سازی و استقرار برنامه های کاربردی بسیار حساس و مبتنی بر درخواست آماده کنیم. این ارتباطات باید بتوانند برنامه های کاربردی را در مقیاس وسیع و به صورت توزیع شده انعطاف پذیر در سراسر یک شبکه صنعتی پشتیبانی کنند. برای این منظور هم نیازمند ظرفیت های ارتباطی و پهنای باند بسیار بالا به همراه شبکه هایی خودکار و نرم افزار محور هستیم که بتوانند تعداد بسیار زیادی حسگر و اطلاعات را پشتیبانی کنند. قرار است روی این شبکه ها، برنامه های کاربردی اینترنت اشیاء یا سیستم های نگهداری و تحلیل اطلاعات اجرا شود.
- مهم تر از TSN و IIoT، زیرساخت و بسترهای ارتباطی است. چون باید از صدها یا شاید هزاران دستگاه، حسگر، کلاینت و نود شبکه متصل به اینترنت پشتیبانی کنند و اتصالی همیشه در دسترس بسازند.
TSN چگونه کار می کند؟
حالا که درباره چیستی شبکه های TSN و دلایل اهمیت آنها در صنعت و خودکارسازی صنعتی صحبت کردیم، وقت آن رسیده درباره چگونگی کارکرد TSN هم بگوییم. TSN مجموعه ای از مشخصات مختلف است که همه در توابع مختلفی روی یک شبکه خودکار آدرس دهی شده اند. یک شبکه اترنت معمولی را تصور کنید که چندین تابع روی آن پیاده سازی شده باشد و هر تابع یک وظیفه مشخص و هماهنگ با دیگر تابع ها در شبکه انجام دهد، ولی در مجموع همه توابع و اترنت به صورت یک شبکه یکپارچه به نظر برسند. روی TSN توابع بسیاری تعریف و پیاده سازی می شود که در اینجا می خواهیم با یکی از این توابع به نام Time-Aware Scheduler آشنا شویم.
تاکنون با استفاده از مکانیسم هایی که CoS (مخفف Class of Service) مانند استاندارد اولویت دهی IEEE 802.1Q نمی توانستیم کیفیت یک لینک تنها را به تنهایی تضمین کنیم و قول بدهیم تاخیر در سراسر شبکه اترنت برای ارتباطات اطلاعاتی حساس به زمان وجود ندارد یا اتفاق نمی افتد. بدون Time-Aware Scheuler، یک ترافیک با اولویت پایین می تواند باعث تاخیر ترافیک با اولویت بالا در سراسر یک سوئیچ اترنت یا یک مسیر ارتباطی شبکه شود. بنابراین، بطور ناخواسته با وقفه ها و سکته هایی روبرو می شدیم. چون فریم های در حال حرکت روی اترنت معمولی نمی توانند یکدیگر را تحمل کنند یا به یک فریم با اولویت بالاتر اجازه عبور بدهند. با یک مثال این وضعیت روشن می شود.
تصور کنید در یک جاده یک طرفه باریک، کامیونی (فریم بزرگ) در حال حرکت باشد. آن جاده، شبکه اترنت با طول بلند است. راننده کامیون به یک تقاطع می رسد (سوئیچ اترنت) و چون هیچ ماشینی را در طول مسیر خود نمی بیند، بنابراین کامیون را به آن سوی تقاطع یا اترنت کوتاه هدایت می کند. در این لحظه، اگر یک خودروی پلیس (فریم کوچک) با اولویت سرعت و حرکت بالا از راه برسد، چون کامیون در این جاده یک طرفه و باریک قرار دارد، به ناچار باید در ترافیک بماند تا به یک تقاطع یا بزرگراه دیگر برسد و از کامیون پیشی بگیرد. بنابراین، کامیون بطور ناخواسته باعث تاخیر و ترافیک در شبکه می شود. اما اگر کامیون بداند که چه زمانی می تواند از تقاطع عبور کند و چه زمانی باید پشت تقاطع بماند، این ترافیک و تاخیر ایجاد نمی شود.
Time-Aware Scheduler وظیفه تعریف و پیاده سازی این زمان های بحرانی را در شبکه TSN بر عهده دارد و یک جزء اصلی و مرکزی شبکه های حساس زمانی است. TAS با زمان بندی پهنای باند شبکه برای فریم ها و اطلاعات با اولویت های مختلف، سعی می کند همیشه فریم های با اولویت بالاتر بتوانند سریع تر در شبکه حرکت کنند و فریم های بزرگتر مانعی بر سر راه فریم های کوچکتر نشوند.
یک شبکه TSN به تکه های زمانی مختلف تقسیم می شود و فریم های اطلاعات با برچسب های اولویت دار مختلف در طول شبکه حرکت می کنند و می دانند در کدام اسلات یا تکه شبکه باید متوقف شده یا به حرکت خود در مسیر و مقصد مشخص ادامه دهند.
سال ها از تصویب استاندارد اترنت معمولی می گذرد و اکنون برخی از نقایص و ضعف های آن، به ویژه در بخش شبکه های صنعتی و برنامه های کاربردی بی درنگ آشکار شده است. تیمی از توسعه دهندگان شبکه دارند روی استاندارد 802.1 و TSN کار می کنند تا نسل جدیدی از شبکه های حساس زمانی و قابل برنامه ریزی و اولویت بندی را برای استقرار برنامه های کاربردی بی درنگ پروتکل سازی کنند. یک TSN شبکه ای با مجموعه ای از توابع و تنظیمات خاص برای جلوگیری از تاخیر یا اعوجاج در شبکه های صنعتی و IIoT است. TSN هنوز در سال های اولیه حیات خود به سر می برد و طی سال های 2016 و 2017 چندین شرکت اقدام به ارائه راهکارها و محصولات خود کردند. تا استقرار گسترده و فراگیر این شبکه ها در صنایع مختلف، چندین سال زمان نیاز است و در این میان، نقش شرکت های بزرگ دنیای فناوری مانند گوگل، مایکروسافت، سیسکو، اینتل، IBM و سخت افزارسازها انکارناپذیر است.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «شبکه های حساس به زمان چه هستند و چگونه کار می کنند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت BELDEN ترجمه میثاق محمدی زاده از مجله شبکه، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
