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MAGGIO 2023 FIELDBUS & NETWORKS 30 Fieldbus & Networks Il progetto Time Sensitive Networking L’idea alla base dell’intero progetto TSN è quella di modificare radicalmente lo standard Ethernet, fin dalle sue fondamenta, per introdurre tutti quei mec- canismi intrinseci necessari a supportare un’ampia gamma di applicazioni critiche in termini di tempo, missione e sicurezza. L’esatto opposto dell’ap- proccio di tutte le reti RTE disponibili, che si basano sull’uso delle caratteri- stiche tradizionali di Ethernet, impiegando strategie di protocollo, come l’uso intelligente della prioritizzazione delle Virtual LAN, o persino livelli di data- link fuori standard, per introdurre funzionalità in tempo reale su un supporto di rete che intrinsecamente non lo è. Appare chiaro come la ridefinizione dello standard Ethernet imponga, invece, un approccio molto diverso: TSN ha richiesto (e continua a richiedere) un ampio sforzo di ricerca e normativo all’interno della stessa Ieee, l’istituzione che, tra le altre cose, pubblica e mantiene lo standard internazionale Ethernet, che tecnicamente corrisponde alla coppia di standard Ieee 802.1 e 802.3. È doveroso menzionare che i primi sforzi nella direzione indicata sono in realtà stati perseguiti nel campo dell’elettronica di consumo, in particolare per soddi- sfare le esigenze di connessioni deterministiche per lo streaming audio-video professionale. Infatti, il Task Group (TG) Audio Video Bridging (AVB), all’interno del comitato di standardizzazione Ieee 802.1, è stato costituito nel 2005 e ha rappresentato l’avvio di questo processo. Parallelamente, è stata costituita la Avnu Alliance, un gruppo di produttori e venditori associato per supportare le attività di conformità e marketing. Le attività del TG AVB hanno permesso di po- tenziare fortemente le capacità di sincronizzazione, prioritizzazione e supporto al traffico realtime Ethernet, con la definizione dei 4 standard Ieee 802.1AS-2011, 802.1Qat-2010, 802.1Qav-2009 e 802.1BA-2011. Le nuove potenzialità di Ethernet AVB sono state presto ritenute adatte anche allo scenario industriale e, per questo motivo, è stato rapidamente evidente che il nome AVB non era adatto a coprire tutti i potenziali casi d’uso che le pre- stazioni ottenute attiravano. È quindi nel 2012 che AVB viene definitivamente rinominato in TSN Task Group. Gli sforzi maggiori si sono concentrati intrinsecamente sulla completa ridefini- zione dello standard Ieee 802.1, che descrive le caratteristiche dell’architettura di rete di ogni sistema di comunicazione facente capo alla serie 802.x (a parte Ethernet, si basano su questa architettura anche Bluetooth e wi-fi). In sostanza, si è mirato a creare fondamenta del tutto nuove per soddisfare le richieste prestazionali derivanti da diversi settori tecnologici e applicazioni innovative ed emergenti. Ciononostante, il focus principale di questo processo di standardiz- zazione è stato, fin dall’inizio, la rete cablata definita dallo standard Ieee 802.3, alla quale ci riferiamo con il nome Ethernet. Estensioni verso altre tipologie di rete sono intrinsecamente possibili e, anzi, volute. Non è però scontato trasfe- rire TSN su altri supporti. Negli anni successivi, il progetto di standardizzazione di TSN ha portato alla definizione di una serie di standard, ognuno dei quali rivolto alla definizione di specifiche funzionalità di una rete che supporti TSN. L’architettura di TSN si concentra, inoltre, principalmente sulla ristrutturazione dello standard Ieee 802.1Q, con lo sviluppo di diversi emendamenti. Le principali caratteristiche di TSN Vediamo ora, di seguito, una selezione di alcune caratteristiche dello standard TSN. − Sincronizzazione: Ieee 802.1AS Il concetto di tempo è intrinseco all’interno del paradigma TSN e per que- sto uno dei primi sforzi di standardizzazione (fin dal progetto AVB) è stato quello di definizione del protocollo di sincronizzazione e di disseminazione dell’informazione ‘tempo’ specifico per TSN. Ieee 802.1AS è quindi uno degli standard principali che compongono TSN, e definisce il concetto di gPTP (Generalized Precision Time Protocol). Ieee 802.1AS è di fatto un ‘profilo’ dello standard Ieee 1588, noto come PTP (Precision Time Protocol), già largamente utilizzato per sincronizzare i clock in una rete. Il PTP è già ampiamente impiegato per sincronizzare le reti dedicate alle transazioni finanziarie, le trasmissioni di torri per telefoni cellulari, gli array acustici sottomarini e le reti che richiedono una temporizzazione precisa, ma non hanno accesso ai segnali di navigazione satellitare. L’idea di Ieee 802.1AS è quella di identificare un sottoinsieme ottimale di parametri di configura- zione di PTP specifici per applicazioni industriali, automotive, audio-video ecc. Inoltre, gPTP è anche un adattamento specifico per TSN, in quanto il suo impiego avviene direttamente a basso livello nella rete, senza sfruttare il protocollo UDP. Con questo standard è possibile ottenere un’accuratezza di sincronizzazione nell’ordine di decine di nanosecondi. − Enhancements for Scheduled Traffic: Ieee 802.1Qbv Lo standard Ieee 802.1Qbv fornisce un meccanismo per migliorare il deter- minismo nelle reti TSN; identifica un sistema di gate specifici per le diverse code di traffico, regolando la possibilità di inviare selettivamente frame pronti per la trasmissione da code specifiche. In particolare, il traffico viene suddiviso in code diverse in base a livelli di priorità, e il gate di ogni speci- fica coda viene controllato permettendo o negando la possibilità di trasmet- tere un frame della coda. Inoltre, all’interno di ogni coda con gate aperto viene eseguito uno specifico algoritmo di schedulazione per decidere quale frame della coda sarà inviato. Lo standard specifica anche l’esecuzione di un preciso scheduling degli istanti di tempo in cui cambiare gli stati delle porte. Alcuni risultati significativi mostrano che l’utilizzo di questa tecnica permette di limitare in modo efficace la latenza delle classi di traffico. − Frame preemption Per migliorare la gestione del traffico nelle reti TSN è stato inoltre svilup- pato Ieee 802.3br, noto anche come ‘Preemption Capable Fast Ethernet’ La tabella riporta i principali standard coinvolti nel progetto di standardizzazione di TSN, ognuno volto alla definizione di specifiche funzionalità della rete TSN La tabella riporta alcuni degli emendamenti apportati allo standard Ieee 802.1Q per la definizione dell’architettura di TSN