在时间敏感网络中启用网络诊断：协议、算法和硬件

英文论文标题：Enabling Network Diagnostics in Time-Sensitive Networking: Protocol, Algorithm, and Hardware

作者信息：

• Zeyu Wang, Xiaowu He, Xiangwen Zhuge, Shen Xu, Fan Dang, Jingao Xu, Zheng Yang
• 所属机构：清华大学软件学院和BNRist，以及清华大学全球创新交流中心
• 邮箱：{ycdfwzy, horacehxw, zgxw18}@gmail.com, xushen20@mails.tsinghua.edu.cn, dangfan@tsinghua.edu.cn, {xujingao13, hmilyyz}@gmail.com

论文出处：2024 IEEE/ACM 32nd International Symposium on Quality of Service (IWQoS)

主要内容概述：

1. 摘要： 本文提出了TSNCard，一个针对时间敏感网络（TSN）的跨周期明信片式诊断系统。TSNCard通过引入一种新的遥测协议，利用TSN网络的周期性，在每个节点收集数据。该协议结合专用的分析算法和交换机内的硬件创新，形成了一个全面的TSN监控和故障定位系统。通过在模拟和物理测试平台上的广泛实验，TSNCard能够在遵守工业带宽限制的同时，100%定位TSN异常行为的根本原因。
   

2. 引言： TSN作为实现工业4.0的基础技术，提供了确定性的数据传输。然而，TSN容易受到软硬件错误的影响，需要有效的诊断系统。传统的网络诊断工具因TSN的独特特性而无法有效定位故障。因此，本文介绍了TSNCard，一个为TSN量身定制的诊断系统。

3. 背景和动机：

   • TSN的调度和转发错误：TSN使用全局调度来为关键流量保留专用带宽，但任何数据包的实际传输时间与计划时间的偏差都可能导致错误。
   • 当前实践的局限性：现有的以太网诊断系统在TSN环境中存在链式错误、带宽限制和时间测量不准确的问题。

4. 系统概述： TSNCard通过协议层、算法层和硬件层的协同工作，实现了TSN网络的可靠故障定位。系统包括跨周期的明信片式遥测、流中心的故障细化、带宽自适应的明信片优先级排序和交换机内的高精度明信片生成等关键功能模块。
   

5. 设计和实现：

   • 协议：提出了一种基于明信片的跨周期遥测协议，利用TSN的周期性收集数据帧传输信息。
   • 算法：设计了流中心故障细化算法和带宽自适应明信片优先级算法，以优化故障定位的效率和准确性。
   • 硬件：提出了交换机内的硬件技术，支持高精度同步传输时间的测量，而不干扰关键数据帧的流。

6. 评估： 在不同的测试平台和拓扑结构上进行了广泛的实验，包括环网和A380飞机的控制网络拓扑。实验结果表明，TSNCard能够在各种情况下100%定位时间相关的TSN异常行为的根本原因，且在1Mbps带宽限制下运行顺畅，仅需约10ms即可完成诊断数据收集。

7. 相关工作： 讨论了网络诊断领域的经典工具和技术，包括探测、追踪、护照式遥测和明信片式遥测，以及它们在TSN网络诊断中的局限性。

8. 结论： TSNCard作为首个全面的TSN流量诊断系统，通过先进的遥测协议、故障细化算法和前沿的硬件设计，实现了在带宽受限的TSN应用中快速准确地定位网络故障。