Redes deterministas

La red determinista (DetNet) es una iniciativa del Grupo de Trabajo DetNet de la IETF para estudiar la implementación de rutas de datos deterministas para aplicaciones en tiempo real con tasas de pérdida de datos extremadamente bajas, variación en el retardo de los paquetes (jitter) y latencia limitada, como la transmisión de audio y vídeo, la automatización industrial y el control de vehículos.

DetNet opera en los segmentos enrutados de la capa 3 de IP utilizando una capa de red definida por software para proporcionar integración IntServ y DiffServ , y ofrece servicio sobre segmentos puenteados de la capa 2 inferior utilizando tecnologías como MPLS y IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking . ^{[ 1 ]} DetNet Networking tiene como objetivo migrar aplicaciones de control industrial y audio-video críticas en el tiempo y de alta confiabilidad desde redes Fieldbus de propósito especial ( HDMI , bus CAN , PROFIBUS , RS-485 , RS-422 / RS-232 e I²C ) a redes de paquetes y, en particular, a IP. DetNet admitirá tanto las nuevas aplicaciones como las aplicaciones de TI existentes en la misma red física.

Para dar soporte a aplicaciones en tiempo real, DetNet implementa la reserva de recursos del plano de datos en nodos intermedios a lo largo de la ruta del flujo de datos, el cálculo de rutas explícitas que no dependen de la topología de la red y la redistribución de paquetes de datos en el tiempo y/o el espacio para entregar datos incluso con la pérdida de una ruta.

La infraestructura de TI estándar no puede gestionar de forma eficiente los datos sensibles a la latencia. Los conmutadores y enrutadores utilizan algoritmos intrínsecamente inciertos para el procesamiento de paquetes/tramas, lo que puede provocar un flujo de datos esporádico. Una solución común para suavizar estos flujos es aumentar el tamaño de los búferes, pero esto repercute negativamente en la latencia de entrega, ya que los datos deben llenar los búferes antes de que pueda comenzar la transmisión al siguiente conmutador o enrutador.

IEEE Time-Sensitive Networking (TSN) task group has defined deterministic algorithms for queuing, shaping and scheduling which allow each node to allocate bandwidth and latency according to requirements of each data flow, by computing the buffer size at the network switch. The same algorithms can be employed at higher network layers to improve delivery of IP packets and provide interoperability with TSN hardware when available.

Applications from different fields often have fundamentally similar requirements, which may include:^[2]

1. Time synchronization at each node (routers/bridge)across the entire network, with accuracy from nanoseconds to microseconds.
2. Deterministic data flow, which shall support:
   • unicast or multicast packets;
   • guaranteed minimum and maximum latency endpoint-to-endpoint across the entire network, with tight jitter when required;
   • Ethernet packet loss ratio from 10⁻⁹ to 10⁻¹², wireless mesh networks around 10⁻⁵;
   • high utilization of the available network bandwidth (no need for massive over-provisioning);
   • flow processing without throttling, congestion feedback, or other network-defined transmission delay;
   • a fixed transmission schedule, or a maximum bandwidth and packet size.
3. Scheduling, shaping, limiting, and controlling transmission at each node.
4. Protection against misbehaving nodes (in both the data and the control planes): a flow cannot affect other flows even under high load.
5. Reserving resources in nodes that carry the flow.

To reduce contention related packet loss, resources such as buffer space or link bandwidth can be assigned to the flow along the path from source to destination. Maintaining adequate buffer storage at each node also limits maximum end-to-end latency. The maximum transmission rate and maximum packet size have to be explicitly defined for each flow.

Each network node along the path shall not exceed these data rates, as any packet sent out of scheduled time requires additional buffering on the next node, which may exceed its allocated resources. To limit data rates, traffic policing and shaping functions are applied at the ingress ports. This also protects regular IT traffic from misbehaving DetNet sources. Time-of-execution fields in the packets and sub-microsecond time synchronization across all nodes are used to ensure minimum end-to-end latency and eliminate irregular delivery (jitter). Jitter reduces the perceived quality of audiovisual applications, and control network applications built around serial communication protocols cannot handle jitter at all.

Packet loss can also result from media errors and equipment failures. Packet replication and elimination and packet encoding provide service protection from these failures.

La replicación y eliminación funciona distribuyendo los datos a través de varias rutas explícitas y reorganizándolos en orden cerca del destino. Se agrega un número de secuencia o una marca de tiempo al flujo DetNet o al paquete del protocolo de transporte; luego, se eliminan los paquetes duplicados y se reordenan los paquetes fuera de orden, según la información de secuenciación y los registros de transmisión. El cumplimiento de las restricciones de latencia del flujo también impone restricciones a los errores de orden, ya que los paquetes fuera de orden afectan la fluctuación y requieren almacenamiento en búfer adicional.

Las distintas longitudes de ruta también requieren almacenamiento en búfer adicional para igualar los retrasos y garantizar el cumplimiento de las restricciones de ancho de banda tras la recuperación ante fallos. Varios nodos de DetNet pueden utilizar la replicación y la eliminación para mejorar la protección contra fallos múltiples. La codificación de paquetes utiliza varias unidades de transmisión para cada paquete, lo que añade redundancia e información de corrección de errores de múltiples paquetes a cada unidad de transmisión.

En las redes malladas, los eventos topológicos, como fallos o recuperaciones, pueden afectar el flujo de datos incluso en segmentos de red remotos. Un efecto secundario de los cambios de ruta es la entrega desordenada de paquetes.

Las redes en tiempo real suelen basarse en anillos físicos con un protocolo de control sencillo y dos puertos por dispositivo para rutas redundantes, aunque esto conlleva un mayor número de saltos y una mayor latencia. Las rutas de DetNet se definen explícitamente y no cambian (al menos de inmediato) en respuesta a eventos de la topología de la red, por lo que no hay interrupciones derivadas de negociaciones de protocolos de enrutamiento o puenteo. Las rutas explícitas pueden establecerse con RSVP-TE, enrutamiento por segmentos, IS-IS, MPLS-TE (ruta conmutada por etiquetas o LSP) o una capa de red definida por software .

El grupo de trabajo de Arquitectura y Señalización de Ingeniería de Tráfico (TEAS) de la IETF mantiene los protocolos MPLS-TE LSP y RSVP-TE. Estos protocolos de enrutamiento de ingeniería de tráfico (TE) traducen la especificación de flujo de DetNet a los controles TSN de IEEE 802.1 para algoritmos de colas, modelado y programación, como el modelador basado en crédito IEEE 802.1Qav, el modelador activado por tiempo IEEE 802.1Qbv con un programador de tiempo rotativo, el almacenamiento en búfer doble y triple sincronizado IEEE 802.1Qch, la preempción de paquetes Ethernet 802.1Qbu/802.3br y la replicación y eliminación de tramas 802.1CB para mayor confiabilidad. La interoperabilidad de protocolos definida por IEEE 802.1CB se utiliza para anunciar las capacidades de la subred TSN a los flujos de DetNet a través de las funciones de MAC de destino activo e identificación de flujo VLAN. Los flujos de DetNet se asocian mediante la dirección MAC de destino, el ID de VLAN y los parámetros de prioridad con el ID de flujo y los requisitos de QoS para los emisores y receptores en la subred AVB/TSN. ^{[ 3 ]}

IETF prevé los siguientes casos de uso: ^{[ 4 ]}

• audio y vídeo profesional ( Audio Video Bridging );
• generación y distribución de energía eléctrica;
• sistemas de automatización de edificios (BAS);
• redes malladas industriales inalámbricas ;
• radio celular (fronthaul/backhaul);
• Redes industriales de máquina a máquina (M2M);
• industria minera (control remoto de vehículos);
• cadena de bloques privada ;
• segmentación de red .

• Audio a través de Ethernet
• Audio sobre IP
• Estándares de Internet

• Grupo de trabajo sobre redes deterministas (detnet)