الشبكات الحتمية

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

الشبكات الحتمية (DetNet) هي جهد من قبل مجموعة عمل IETF DetNet لدراسة تنفيذ مسارات البيانات الحتمية للتطبيقات في الوقت الحقيقي مع معدلات فقدان بيانات منخفضة للغاية، وتغير تأخير الحزمة (الارتعاش)، وزمن انتقال محدود، مثل بث الصوت والفيديو، والأتمتة الصناعية، والتحكم في المركبات.

تعمل شبكة DetNet على مستوى الطبقة الثالثة من بروتوكول الإنترنت (IP) باستخدام طبقة شبكات مُعرّفة برمجياً لتوفير تكامل IntServ و DiffServ ، وتقدم الخدمة عبر الطبقة الثانية (Layer 2) باستخدام تقنيات مثل MPLS وIEEE 802.1 Time-Sensitive Networking . [ 1 ] تهدف الشبكات الحتمية إلى نقل تطبيقات التحكم الصناعية وتطبيقات الصوت والفيديو الحساسة للوقت وعالية الموثوقية من شبكات Fieldbus ذات الأغراض الخاصة ( HDMI ، و CAN bus ، وPROFIBUS ، وRS-485 ، و RS-422 / RS-232 ، و I²C ) إلى شبكات الحزم، وخاصةً بروتوكول الإنترنت (IP). ستدعم DetNet التطبيقات الجديدة وتطبيقات تكنولوجيا المعلومات الحالية على نفس الشبكة المادية.

لدعم التطبيقات في الوقت الحقيقي، يقوم DetNet بتنفيذ حجز موارد مستوى البيانات في العقد الوسيطة على طول مسار تدفق البيانات، وحساب المسارات الصريحة التي لا تعتمد على طوبولوجيا الشبكة، وإعادة توزيع حزم البيانات بمرور الوقت و/أو المكان لتسليم البيانات حتى مع فقدان مسار واحد.

الأساس المنطقي

لا تستطيع البنية التحتية القياسية لتكنولوجيا المعلومات التعامل بكفاءة مع البيانات الحساسة للتأخير. تستخدم المحولات والموجهات خوارزميات غير مؤكدة أساسًا لمعالجة الحزم/الإطارات، مما قد يؤدي إلى تدفق بيانات متقطع. يتمثل أحد الحلول الشائعة لتحسين هذا التدفق في زيادة أحجام المخازن المؤقتة، ولكن هذا يؤثر سلبًا على زمن وصول البيانات، إذ يجب أن تمتلئ المخازن المؤقتة قبل بدء الإرسال إلى المحول أو الموجه التالي.

حددت مجموعة عمل شبكات IEEE الحساسة للوقت (TSN) خوارزميات حتمية لتنظيم وتشكيل وجدولة البيانات، مما يسمح لكل عقدة بتخصيص عرض النطاق الترددي وزمن الاستجابة وفقًا لمتطلبات كل تدفق بيانات، وذلك عن طريق حساب حجم المخزن المؤقت عند محول الشبكة. ويمكن استخدام الخوارزميات نفسها في طبقات الشبكة العليا لتحسين تسليم حزم بروتوكول الإنترنت (IP) وتوفير التوافق مع أجهزة TSN عند توفرها.

متطلبات

غالباً ما تتشابه متطلبات التطبيقات من مختلف المجالات بشكل أساسي، والتي قد تشمل ما يلي: [ 2 ]

  1. مزامنة الوقت عند كل عقدة (أجهزة التوجيه/الجسر) عبر الشبكة بأكملها، بدقة تتراوح من النانوثانية إلى الميكروثانية.
  2. تدفق البيانات الحتمي، والذي سيدعم ما يلي:
    • حزم أحادية البث أو متعددة البث ؛
    • ضمان الحد الأدنى والحد الأقصى لزمن الاستجابة من نقطة إلى نقطة عبر الشبكة بأكملها، مع تقليل التذبذب عند الحاجة؛
    • نسبة فقدان حزم البيانات في شبكة الإيثرنت من 10−9 إلى 10−12 ، وشبكات المش اللاسلكية حوالي 10−5 ؛
    • الاستخدام الأمثل لعرض النطاق الترددي المتاح للشبكة (لا حاجة لتوفير مفرط وكبير)؛
    • معالجة التدفق دون تقييد أو ردود فعل الازدحام أو أي تأخير آخر في الإرسال تحدده الشبكة؛
    • جدول إرسال ثابت، أو حد أقصى لعرض النطاق الترددي وحجم الحزمة.
  3. جدولة وتشكيل وتحديد والتحكم في الإرسال عند كل عقدة.
  4. الحماية من العقد التي تتصرف بشكل سيئ (في كل من مستويات البيانات والتحكم): لا يمكن للتدفق أن يؤثر على التدفقات الأخرى حتى في ظل الحمل العالي.
  5. حجز الموارد في العقد التي تحمل التدفق.

عملية

تخصيص الموارد

لتقليل فقدان الحزم الناتج عن التنافس، يمكن تخصيص موارد مثل مساحة التخزين المؤقت أو عرض نطاق الربط لتدفق البيانات على طول المسار من المصدر إلى الوجهة. كما أن الحفاظ على مساحة تخزين مؤقتة كافية في كل عقدة يحد من أقصى زمن استجابة شامل. يجب تحديد الحد الأقصى لمعدل الإرسال والحد الأقصى لحجم الحزمة بشكل صريح لكل تدفق.

يجب ألا تتجاوز أي عقدة شبكة على طول المسار معدلات نقل البيانات هذه، حيث أن أي حزمة بيانات تُرسل خارج الوقت المحدد تتطلب تخزينًا مؤقتًا إضافيًا على العقدة التالية، مما قد يتجاوز مواردها المخصصة. وللحد من معدلات نقل البيانات، تُطبق وظائف تنظيم حركة البيانات وتشكيلها على منافذ الدخول. وهذا يحمي أيضًا حركة بيانات تكنولوجيا المعلومات العادية من مصادر DetNet غير المتوافقة. تُستخدم حقول وقت التنفيذ في الحزم ومزامنة الوقت بأجزاء من الميكروثانية عبر جميع العقد لضمان الحد الأدنى من زمن الاستجابة الشامل والقضاء على عدم انتظام التسليم (الارتعاش). يُقلل الارتعاش من الجودة المُدركة لتطبيقات الصوت والصورة، ولا تستطيع تطبيقات شبكة التحكم المبنية على بروتوكولات الاتصال التسلسلي التعامل مع الارتعاش على الإطلاق.

حماية الخدمة

قد ينتج فقدان الحزم أيضًا عن أخطاء في الوسائط وأعطال في المعدات. وتوفر عمليات نسخ الحزم وإزالتها وتشفيرها حماية للخدمة من هذه الأعطال.

تعمل عملية النسخ والحذف عن طريق توزيع البيانات على عدة مسارات محددة وإعادة تجميعها بالترتيب الصحيح بالقرب من الوجهة. يُضاف رقم تسلسلي أو طابع زمني إلى تدفق DetNet أو حزمة بروتوكول النقل، ثم تُحذف الحزم المكررة ويُعاد ترتيب الحزم غير المرتبة، استنادًا إلى معلومات التسلسل وسجلات الإرسال. كما أن الالتزام بقيود زمن استجابة التدفق يفرض قيودًا على الترتيب الخاطئ، حيث تؤثر الحزم غير المرتبة على التذبذب وتتطلب تخزينًا مؤقتًا إضافيًا.

تتطلب أطوال المسارات المختلفة تخزينًا مؤقتًا إضافيًا لمعادلة التأخيرات وضمان الالتزام بحدود عرض النطاق الترددي بعد استعادة البيانات في حالة الفشل. يمكن استخدام النسخ والحذف بواسطة عدة عقد في شبكة DetNet لتحسين الحماية ضد حالات الفشل المتعددة. يستخدم ترميز الحزم وحدات إرسال متعددة لكل حزمة، مما يضيف معلومات التكرار وتصحيح الأخطاء من حزم متعددة إلى كل وحدة إرسال.

مسارات صريحة

في الشبكات المتشابكة، يمكن أن تؤثر أحداث البنية الشبكية، مثل الأعطال أو عمليات الاستعادة، على تدفق البيانات حتى في أجزاء الشبكة البعيدة. ومن الآثار الجانبية لتغييرات المسار وصول الحزم بترتيب غير صحيح.

تعتمد الشبكات الآنية غالبًا على حلقات مادية ذات بروتوكول تحكم بسيط ومنفذين لكل جهاز لتوفير مسارات احتياطية، وإن كان ذلك على حساب زيادة عدد القفزات وزمن الاستجابة. تُحدد مسارات DetNet عادةً بشكل صريح ولا تتغير (على الأقل في الوقت الفعلي) استجابةً لتغيرات بنية الشبكة، لذا لا توجد انقطاعات ناتجة عن مفاوضات بروتوكول التوجيه أو الربط. يمكن إنشاء مسارات صريحة باستخدام RSVP-TE، أو توجيه القطاعات، أو IS-IS، أو مسار تبديل التسميات MPLS-TE (LSP)، أو طبقة الشبكات المعرفة برمجياً .

مهندس مرور

تُشرف مجموعة عمل هندسة حركة المرور والإشارات (TEAS) التابعة لـ IETF على بروتوكولي MPLS-TE LSP وRSVP-TE. تُترجم بروتوكولات توجيه هندسة حركة المرور (TE) هذه مواصفات تدفق DetNet إلى عناصر تحكم IEEE 802.1 TSN لخوارزميات الترتيب والتشكيل والجدولة، مثل مُشكِّل IEEE 802.1Qav القائم على الرصيد، ومُشكِّل IEEE 802.1Qbv المُفعَّل زمنيًا مع مُجدول زمني دوار، والتخزين المؤقت المزدوج والثلاثي المتزامن IEEE 802.1Qch، واستباق حزم إيثرنت 802.1Qbu/802.3br، وتكرار الإطارات وإزالتها 802.1CB لضمان الموثوقية. يُستخدم التوافق بين البروتوكولات المُحدد بواسطة IEEE 802.1CB للإعلان عن إمكانيات الشبكة الفرعية TSN لتدفقات DetNet عبر وظائف تحديد MAC الوجهة النشطة وتدفق VLAN. تتم مطابقة تدفقات DetNet بواسطة عنوان MAC الوجهة ومعرف VLAN ومعلمات الأولوية مع معرف التدفق ومتطلبات جودة الخدمة للمرسلين والمستمعين في الشبكة الفرعية AVB/TSN. [ 3 ]

حالات الاستخدام

تتوقع IETF حالات الاستخدام التالية: [ 4 ]

انظر أيضاً

مراجع