GBT 42561-2023 信息技术 系统间远程通信和信息交换 实时以太网适配时间敏感网络技术要求（正式版）

信息技术系统间远程通信和信息交换实时以太网适配时间敏感网络技术要求2023-05-23发布国家市场监督管理总局I前言 12规范性引用文件 13术语和定义 14缩略语 25概述 26网络适配帧映射要求 46.1网络适配数据流类型 46.2网络适配帧结构 46.3实时以太网适配数据流 56.4实时以太网帧映射 67网络适配功能要求 67.1时钟同步 67.2参考时间 77.3链路速度 77.4入口速率限制 77.5时间感知 77.6帧抢占 88网络适配桥接要求 88.1优先级队列 88.2传输选择算法 88.3门控调度机制 88.4保护带 88.5转发技术 98.6网络资源保护 9ⅢGB/T42561—2023本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国信息技术标准化技术委员会(SAC/TC28)提出并归口。本文件起草单位：重庆邮电大学、中国电子技术标准化研究院、重庆邮电大学工业互联网研究院、深圳赛西信息技术有限公司、江苏赛西科技发展有限公司、北京东土科技股份有限公司、北京赛西科技发展有限责任公司、国网湖北省电力有限公司电力科学研究院、上海格麟倍科技发展有限公司、北京固源网络科技有限公司、工因特(重庆)科技有限公司、北京智芯微电子科技有限公司、安徽电信规划设计有限责任公司、深圳市汇芯通信技术有限公司、研祥智能科技股份有限公司。本文件主要起草人：王浩、郭雄、王婷、黄旭炜、杨宏、卓兰、薛百华、黄学达、刘洋、魏旻、黄庆卿、1GB/T42561—2023信息技术系统间远程通信和信息交换实时以太网适配时间敏感网络技术要求1范围本文件规定了实时以太网适配时间敏感网络的网络适配帧映射要求、网络适配功能要求和网络适配桥接要求。本文件适用于需要确定性时延而又异构互联的时间敏感网络工业应用，用于指导实时以太网接入时间敏感网络的适配帧设计、优先级映射和时间同步等。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T15629.3信息技术系统间的远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第3部分：带碰撞检测的载波侦听多址访问(CSMA/CD)的访问方法和物理层规范GB/T42404信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网桥接局域网中时间敏感应用的定时和同步ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第1Q部分：桥接和桥接网络(Telecommunicationsandexchangebetweeninformationtech-nologysystems—Requirementsforlocalandmetropolitanareanetworks—Part1Q:Bridgesandbridgednetworks)3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。在局域网数据链路层工作，通过网桥链接两个或多个相似或者相同的局域网，并实现数据交换的过程。注：包括MAC或VLAN等功能组件。时钟源clocksource在时间敏感网络域中提供标准时间的时钟设备。符合GB/T15629.3的实时通信网络。基于IEEE802.1TSN任务组制定的一整套数据链路层协议构建的支持时间同步和确定性调度等机制的以太网。2在一个系统内，各个子系统的时钟所指示的时间点在任意时刻都是一致的，时间的变化、更新也是一致的。下列缩略语适用于本文件。DEI可丢弃标识(dropeligibleindicator)EPA工厂自动化以太网(ethernetforplantautomation)EPL高速工业以太网(ethernetpowerlink)EMAC快速式媒体访问控制(expressmediaaccesscontrol)ID序列号(identity)MAC媒体访问控制(mediaaccesscontrol)PCP优先级数值(prioritycodepoint)PMAC抢占式媒体访问控制(preemptiblemediaaccesscontrol)SERCOS串行实时通信协议(serialrealtimecommunicationspecification)TCnet时间关键控制网络(time-criticalcontrolnetwork)TPID标签协议标识符(tagprotocolidentifier)TSN时间敏感网络(timesensitivenetwork)VLAN虚拟局域网(virtuallocalareanetwork)VID虚拟局域网标识符(VLANidentifier)5概述实时以太网设备通过适配设备与支持时间敏感传输机制的桥接设备连接。时间敏感网络域能对网络进行划分，划分区域可以交叉重叠，单个设备可以属于多个域。未适配的实时以太网设备不属于时间敏感网络域定义范畴。时间敏感网络域仅限于数据链路层，由网络管理引擎进行维护。适配网络采用时间敏感网络帧进行传输，适配帧在GB/T15629.3规定的以太网帧结构中添加4字节的标签，适配设备在发送/接收桥接设备数据帧时添加/删除符合ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020的标签。实时以太网适配时间敏感网络是将不同协议的实时以太网连接到时间敏感网络中，实时以太网域中的组件(包括网段、系统、控制器、现场设备等)在时间敏感网络中具备低时延、低抖动和高可靠特性。适配架构见图1,实时以太网域中的输入输出设备、控制器和无线终端设备为实时以太网相关设备。时间敏感网络域在桥接设备接口上提供若干逻辑通信信道，用于连接适配设备建立通信服务。3GB/T42561—2023桥接设备桥接设备TSN终端桥接设备桥接设备时间敏感网络域输入/输山设备实时以太网域无线终端设备适配设备适配设备适配设备控制器图1适配架构适配设备结构见图2,适配设备具备两个或两个以上端口，对发送或接收的数据帧具有添加或删除标签功能，并具备应用配置管理、队列管理端口和入流过滤的功能。数据帧经过入流过滤后进入优先级队列，每个网络端口可同时配置PMAC和EMAC,EMAC适配帧可抢占PMAC适配帧。适配设备应用配置管理应用配置管理队列管理端π入流过滤优先级队列优先级队列物理层适配端口2适配端口1物理层图2适配设备结构46网络适配帧映射要求6.1网络适配数据流类型适配设备支持八种适配数据流类型，适配数据流类型见表1。表1适配数据流类型序号数据流类型周期/非周期说明1尽力而为流非周期指尽最大的可能性来发送报文，但对时延、丢包率和带宽等性能不提供任何保证的数据流类型2音频/视频周期指端点之间的音频或视频数据流的传输，对时延、丢包率和带宽要求很低的数据流类型3本地透传非周期负责将传输的内容由源地址传输到目的地址，不对数据内容做任何改变，对丢包率有要求，但对时延、带宽要求较低的数据流类型4配置/诊断非周期用于传输配置和诊断数据，对带宽、丢包率和时延有一定要求的数据流类型5警告/事件非周期当输入或输出变量发生更改时，将生成警告/事件消息，对时延、丢包率有一定要求的数据流类型6周期周期包括设备之间的循环/周期通信，对时延、丢包率要求较高的数据流类型7关键应用(同步)周期用于将每个设备中的应用程序都同步到一个共同的时间，对时延、丢包率要求高的数据流类型8网络控制非周期包含网络控制消息，消息量小，但有关键的交付要求；对带宽和丢包率要求高的数据流类型6.2网络适配帧结构适配帧在以太网帧中添加ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020中规定的4字节标签，标签位于以太网帧的源MAC地址和协议类型之间，应符合以下要求：a)MAC目的地址长度为6个字节，与VID共同确定唯一的流路径；b)TPID长度为2个字节，其值是0x8100;c)PCP长度为3位，其值为0～7的整数，表示实时以太网帧映射后数据类型的优先级，适配设备根据该值进行队列选择；d)DEI长度为1位，其值为0或1,表示帧在拥塞的情况下是否允许丢弃的标识；e)VID长度为12位，指明VLAN的ID值；f)协议类型字段长度为2字节，表示使用的实时以太网协议类型。不同协议类型字段对应的实时以太网协议类型见表2;g)帧的其余部分应按原有实时以太网协议定义。5表2实时以太网协议类型协议类型字段实时以太网协议0x88BC0x88AB0x8100802.1Q0x8892PROFINET0x88CDSERCOS0x88A4EtherCAT0x888BTCnet预留未定义6.3实时以太网适配数据流实时以太网适配数据流符合以下要求。a)为发送者到接收者的单向数据流。两个实时以太网设备双向通信时，适配设备应分别设置两个适配数据流。b)在时间敏感网络调度周期中可重复发送。c)添加的标签应符合ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020,并具有实时以太网协议的数据负载。实时以太网适配数据使用特定PCP表示数据流中实时以太网帧类型，并定义其传输方式，使用VID和目的MAC地址来标识数据流路径。一次双向实时以太网通信涉及的两个适配数据流适配过程见图3,图3中数据流从控制器到现场设备再到控制器，适配设备支持数据流VID与PCP的重新映射。现场设备现场设备发送者适配设备TSN交换机接收省操作处理控制器发送者接收者图3双向适配数据流适配过程66.4实时以太网帧映射适配帧映射指本地网络适配设备对不同类型的实时以太网数据帧的优先级映射。适配帧映射可采用以下两种映射方式，每种映射方式可包含多个优先级。a)适配设备接收其他时间敏感网络域的实时以太网帧时，赋予该实时以太网帧一个新的优先级。为避免来自其他时间敏感网络域的数据帧阻碍本时间敏感网络域数据帧的传输，其他时间敏感网络域数据帧的优先级不应高于本时间敏感网络域数据帧的优先级。映射的优先级见表3。表3适配帧的映射(其他时间敏感网络域的实时以太网)源帧优先级帧映射优先级0012343567b)适配设备接收不支持VLAN协议的实时以太网帧时，应赋予该实时以太网帧一个优先级，映射的优先级见表4,适配设备将实时以太网数据帧回传至其他时间敏感网络域时应将映射的优先级还原。表4适配帧的映射(不支持VLAN协议的实时以太网)实时以太网帧类型映射优先级尽力而为流0音频/视频1本地透传2配置/诊断3警告/事件4周期5关键应用(同步)6网络控制77网络适配功能要求7.1时钟同步适配设备应同步两种时钟。第一种时钟为国际标准时钟；第二种时钟为本地时钟，在国际标准时钟7丢失或未启用时使用，任意设备的本地时钟应与所在域中所有设备之间进行同步。时钟同步由充当时钟源的设备发起，并且两种时钟运行原理相同。适配设备周期性地(如每秒)发送请求和响应帧来确定链路时延以及时间信息。原时钟源丢失时，下一个设备的本地时钟作为时钟源，直到原时钟源可用为止。所有设备与主时钟的最长路径不超过7个中继段，与主时钟的时钟偏差不超过1μs。7.2参考时间实时以太网具有控制器到现场设备的双向控制回路，适配设备对控制回路中周期和同步类型数据的参考时间符合以下要求：a)同步类型应参考网络同步的时间进行发送，流量端到端时延小于循环周期；b)周期类型可参考本地时间固定间隔发送，根据应用程序的定期执行，流量端到端时延是一个或多个循环周期。7.3链路速度适配设备应根据工业网络中链路速度进行适配，可适配范围应为10Mbit/s～10Gbit/s。整个部分连接以较低的链路速度为整个连接最大的链路速度，两个单独的链路速度限制见图4,适配设备A通过桥接设备A和桥接设备B与适配设备B相连，其最大可用带宽为1Gbit/s,适配设备A通过桥接设备A、桥接设备B和桥接设备C与适配设备C相连，其最大可用带宽为10Mbit/s。适配设备B适配设备A桥接设备A桥接设备B桥接设备C适配设备CTSN终端TSN终端设备设备图4适配链路速度限制7.4入口速率限制入口速率限制用于保护适配设备的网络资源，为适配的单播、多播或广播帧配置最大带宽，也可当作数据突发时的断路器。包括以下要求：a)不应限制网络控制类型帧的传输；b)连接其他时间敏感网络域的设备时，应充当边界控制；c)为防止适配设备资源过载，入口速率应限制在出口速率以内。7.5时间感知时间敏感网络桥接服务应具备时间感知功能，能够计算何时发送或转发规定的适配帧，并计算其传输时间，时间基准应符合GB/T42404进行时间同步。8时间敏感网络桥接服务应根据时间感知计算适配帧的传输时间，如传输时间不符合指定时隙时被搁置到下一个传输时隙，或被划分成多个切片帧分别进行传输，最后由支持帧抢占的接收设备重组。发送或接收切片帧的设备应支持帧抢占功能。所有链路速度下，同步和网络控制类型适配帧都可使用帧抢占。周期类型帧可以在10Mbit/s、100Mbit/s和1Gbit/s带宽下发生抢占，并与门控调度功能结合使用；也可在无同步类型的通信时，在10Mbit/s、100Mbit/s和1Gbit/s带宽下发生抢占。具备抢占特征的适配帧可中断切片帧由EMAC优先发送。8网络适配桥接要求8.1优先级队列时间敏感网络桥接服务应根据适配帧PCP值分配不同的优先级队列。包括以下要求：a)桥接设备出口处队列不足时可多个优先级合并为一个队列；b)每个队列应配置是否能够中断其他队列的传输(帧抢占);c)每个队列的资源都应受到保护，并且互不占用其他队列资源；d)每个队列应使用传输选择算法。8.2传输选择算法传输选择算法应根据特定算法标准决定其中一个队列发送下一帧，可以通过基于队列的优先级、信用或剩余数据量作为参数。每个队列应配置两种标准算法。a)严格优先级：必选算法。选择最高优先级队列中的数据帧进行传输。不同的链路速度都应使用严格优先级算法。b)基于信用的整形：可选算法，即设置每个队列信用值，队列中含有帧并且信用值为零或正数时，就可以发送帧；队列中不含有帧时，则信用值设置为零。信用值在帧传输期间消耗，并在无传输期间累积。应配置每个队列消耗和积累信用值的比率。8.3门控调度机制时间敏感网络桥接服务应具备门控调度