《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gbt 42561-2023》详细解读

《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gb/t42561-2023》详细解读contents目录1范围2规范性引用文件3术语和定义4缩略语5概述6网络适配帧映射要求contents目录6.1网络适配数据流类型6.2网络适配帧结构6.3实时以太网适配数据流6.4实时以太网帧映射7网络适配功能要求7.1时钟同步7.2参考时间contents目录7.3链路速度7.4入口速率限制7.5时间感知7.6帧抢占8网络适配桥接要求contents目录8.1优先级队列8.2传输选择算法8.3门控调度机制8.4保护带8.5转发技术8.6网络资源保护011范围实时以太网技术本标准详细规定了实时以太网在系统间远程通信和信息交换中的技术要求，包括其通信协议、数据传输速率、传输延迟等关键参数。时间敏感网络技术针对时间敏感网络（TSN）在实时以太网中的应用，本标准提出了相应的技术要求，确保数据传输的实时性和确定性。涵盖的技术领域本标准适用于工业自动化领域中的实时以太网通信系统，特别是需要高精度时间同步和确定性传输的应用场景。工业自动化领域对于系统集成商和设备制造商而言，本标准提供了统一的实时以太网适配时间敏感网络的技术要求，便于产品的开发与集成。系统集成商与设备制造商适用的场景和对象标准的约束力和应用层次应用层次明确本标准明确了实时以太网适配时间敏感网络技术在系统间通信架构中的层次和定位，为各层次的技术实现提供了指导。强制性标准本标准为信息技术领域的重要强制性标准，相关产品或系统必须遵循本标准规定的技术要求。022规范性引用文件这些文件共同构成了本标准的基础支撑体系。引用文件的内容在本标准中具有规范性效力。本标准详细列出了所引用的规范性文件。引用文件概述GB/TXXXXX-XXXX信息技术词汇定义核心引用文件GB/TYYYYY-YYYY通信系统通用技术要求这些核心引用文件为本标准提供了关键术语定义和通用技术要求。010203GB/TZZZZZ-ZZZZ数据传输安全标准GB/TWWWWW-WWWW网络设备互操作性规范这些辅助引用文件提供了与本标准实施相关的补充性技术指导和要求。辅助引用文件引用文件的查阅与使用读者可依据本标准中提供的引用文件信息，查阅相关文件以获取更详细的技术内容。在使用引用文件时，应确保所引用内容的版本与本标准所指定的版本一致，以确保技术要求的准确性和适用性。033术语和定义定义实时以太网是指能够在确定的时间内传输数据，并保证数据传输的确定性和可预测性的以太网技术。特点实时以太网具有低延迟、高带宽、高可靠性等特点，适用于对时间要求严格的工业控制领域。3.1实时以太网定义时间敏感网络（Time-SensitiveNetworking，简称TSN）是指通过一系列标准和协议，在以太网上实现时间同步和流量调度的网络技术。核心技术3.2时间敏感网络TSN的核心技术包括时间同步、流量调度、网络配置等，旨在确保数据在传输过程中的确定性和实时性。0102定义适配时间敏感网络是指将实时以太网技术与时间敏感网络技术相结合，以实现更高效、更可靠的数据传输。应用场景适配时间敏感网络可应用于工业自动化、智能制造、智能交通等领域，提高系统的实时性和可靠性。3.3适配时间敏感网络规定了时间敏感网络中时间同步的精度要求，确保各节点之间的时间一致性。时间同步精度明确了数据传输过程中的延迟和抖动范围，以满足实时性需求。传输延迟与抖动制定了流量调度和控制的策略和方法，防止网络拥堵和数据丢失。流量调度与控制3.4技术要求010203044缩略语AVB缩略语AVB设备支持AVB协议的网络设备，如交换机、终端等。AVB流量指按照AVB协议传输的音视频数据流。AVBAudioVideoBridging，音视频桥接技术，一种用于实时音视频传输的以太网技术标准。TSNTime-SensitiveNetworking，时间敏感网络，一种具有确定性和可靠性的实时以太网技术。TSN流量指按照TSN协议传输的实时数据流。TSN调度指TSN网络中对数据流的调度和管理，确保数据的实时性和确定性。TSN缩略语QoSVirtualLocalAreaNetwork，虚拟局域网，是一种将局域网设备从逻辑上划分成一个个网段，从而实现虚拟工作组的新兴技术。VLANPTPPrecisionTimeProtocol，精确时间协议，是一种用于同步计算机系统时钟的协议，可实现微秒级的时间同步精度。QualityofService，服务质量，网络中的一种安全机制，用来解决网络延迟和阻塞等问题。其他相关缩略语055概述5.1范围和目的本标准规定了实时以太网适配时间敏感网络的技术要求，包括适配层功能、性能、管理、安全等方面的要求。目的是确保实时以太网能够无缝接入时间敏感网络，实现系统间的高效、可靠远程通信和信息交换。一种具有实时性、确定性和可预测性的以太网技术，用于满足工业控制等领域对通信的严苛要求。实时以太网一种能够确保数据在特定时间内准确传输的网络技术，具有低延迟、低抖动等特性。时间敏感网络连接实时以太网和时间敏感网络的关键层次，负责数据的格式转换和传输协议的映射。适配层5.2术语和定义适配层应具备完善的管理和安全机制，确保数据传输的可靠性和安全性。适配层必须确保实时以太网数据能够在时间敏感网络上准确、高效地传输，同时满足实时性、确定性和可预测性的要求。适配层应支持多种实时以太网协议，以适应不同应用场景的需求。5.3技术要求概览010203066网络适配帧映射要求帧映射过程应保持数据的透明性，确保原始数据在映射过程中不发生任何改变。透明性高效性兼容性帧映射应尽量减少数据冗余和传输延迟，提高网络传输效率。帧映射需兼容不同厂商和设备的实现，确保互操作性和可扩展性。6.1帧映射原则01帧解析对网络帧进行解析，提取出有效载荷和相关控制信息。6.2帧映射过程02适配层处理根据时间敏感网络的技术要求，对解析出的数据进行适配层处理，包括数据封装、时间戳添加等。03帧重构将适配层处理后的数据重新构造成符合目标网络要求的帧格式。帧映射过程应具有较低的延迟，确保实时数据的及时传输。低延迟帧映射应保证数据传输的可靠性，降低数据丢失和误码率。高可靠性帧映射需支持多种数据类型和帧格式的映射，以满足不同应用场景的需求。灵活性6.3帧映射性能要求对敏感数据进行加密处理，确保数据传输过程中的安全性。数据加密实施严格的访问控制策略，防止未经授权的访问和篡改。访问控制记录帧映射过程中的关键操作事件，便于故障排查和安全审计。日志记录6.4安全性考虑076.1网络适配数据流类型周期数据流是指在固定时间间隔内重复发送的数据流，具有确定性和可预测性。定义与特点6.1.1周期数据流适用于需要实时传输、对时间要求严格的应用，如工业控制、音视频同步传输等。应用场景包括数据发送周期、数据长度、传输延迟等，这些参数共同决定了周期数据流的传输性能。关键参数应用场景适用于突发性强、实时性要求相对较低的数据传输，如报警信息、事件日志等。传输策略为保证非周期数据流的实时传输，需采取相应的调度策略和优先级管理机制。定义与特点非周期数据流是指发送时间不确定、不遵循固定周期的数据流，具有灵活性和随机性。6.1.2非周期数据流定义与组成混合数据流是指同时包含周期数据流和非周期数据流的数据传输模式。传输挑战混合数据流的传输需要兼顾周期数据流的确定性和非周期数据流的灵活性，对网络的实时性和可靠性提出更高要求。解决方案通过合理规划网络资源、优化调度算法等手段，确保混合数据流的顺畅传输，满足不同应用场景的需求。0203016.1.3混合数据流086.2网络适配帧结构定义了实时以太网适配时间敏感网络的帧结构，包括帧头、负载数据和帧尾。负载数据是帧结构中的主要部分，用于传输实际的数据信息。帧头包含帧的起始标识、帧类型、帧长度等信息，用于标识帧的起始和类型。帧尾包含帧的结束标识和校验码，用于标识帧的结束和进行错误检测。6.2.1帧结构概述帧起始标识用于标识帧的起始位置，通常采用特定的字节序列。帧类型指示帧的种类，如数据帧、控制帧等，不同类型的帧具有不同的功能和格式。帧长度表示负载数据的长度，有助于接收端正确解析数据。6.2.2帧头结构详解6.2.3负载数据结构负载数据的内容根据具体应用场景和需求而定，可以包含传感器数据、控制指令等。在实时以太网适配时间敏感网络中，负载数据需要满足特定的时间约束和传输要求，以确保数据的实时性和可靠性。标识帧的结束位置，与帧起始标识相对应，用于确定帧的完整性。帧结束标识采用特定的算法对帧数据进行校验，以检测在传输过程中是否发生错误，提高数据传输的可靠性。校验码6.2.4帧尾结构分析096.3实时以太网适配数据流实时数据流指在时间敏感网络中，各个节点之间传输的具有确定性和实时性要求的数据流。数据流特征包括数据流的带宽、传输延迟、抖动等关键参数，这些参数对于保证实时以太网的性能至关重要。数据流调度通过网络中的调度机制，确保实时数据流能够按照预定的时间和路径进行传输，避免数据冲突和丢失。数据流模型拥塞控制在数据传输过程中，实时以太网需要采取有效的拥塞控制机制，避免网络拥塞导致的数据传输失败。传输可靠性实时以太网需要保证数据在传输过程中的可靠性，包括数据的完整性、准确性和一致性。低延迟传输为了满足实时性要求，数据流需要具有低延迟的传输特性，确保数据能够及时到达目标节点。数据流传输质量数据加密对实时以太网中传输的数据进行加密处理，确保数据在传输过程中的安全性，防止数据泄露和非法访问。访问控制通过实施严格的访问控制策略，限制对实时数据流的非法访问和操作，保护数据的完整性和机密性。隐私保护在实时以太网中，需要采取适当的隐私保护技术，如数据匿名化、脱敏等，以保护用户隐私不被泄露。数据流安全性与隐私保护106.4实时以太网帧映射确定性映射实时以太网帧的映射需遵循确定性原则，确保数据在传输过程中的可预测性和稳定性。透明传输帧映射应实现数据的透明传输，即不对传输的数据内容做任何修改或限制。高效性在保证数据完整性和实时性的前提下，帧映射应尽可能降低传输开销，提高传输效率。030201帧映射原则VS将实时以太网数据帧封装到标准以太网帧中，以便在通用以太网上传输。封装过程中需考虑数据的完整性、安全性和实时性。帧解析在接收端对封装的实时以太网数据帧进行解析，还原出原始数据。解析过程应确保数据的准确性和实时性。帧封装帧映射方法帧映射实现软件配置通过软件配置实时以太网适配器的参数，如帧长、传输速率等，以满足不同应用场景的需求。同时，软件应提供友好的用户界面，方便用户进行配置和管理。硬件支持实时以太网适配器的硬件设计应支持帧映射功能，包括数据封装、解析和传输等。传输延迟评估实时以太网帧在映射过程中的传输延迟，以确保数据在规定的时间内到达目标节点。数据完整性验证经过帧映射后数据的完整性，确保在传输过程中数据未发生丢失或损坏。兼容性测试实时以太网帧映射功能与不同厂商设备的兼容性，以确保在实际应用中的广泛适用性。帧映射性能评估117网络适配功能要求010203网络适配功能应符合实时以太网通信协议和时间敏感网络技术的要求。适配器应具备高效的数据处理能力，确保实时数据的可靠传输。适配器应支持与其他系统设备的互联互通，实现无缝集成。7.1总体要求适配器应保证数据传输的实时性，满足系统对延迟和抖动的严格限制。7.2数据传输要求在数据传输过程中，适配器应具备数据完整性保护和错误检测机制。适配器应支持灵活的数据传输配置，以适应不同应用场景的需求。7.3时间同步要求适配器应支持精确的时间同步功能，确保分布式系统中各节点的时间一致性。01时间同步精度应满足系统设计和实际应用的需求。02适配器应提供时间同步状态监测与报告功能，便于及时发现和解决问题。03适配器应具备一定的安全防护能力，抵御常见的网络攻击和威胁。在数据传输和存储过程中，适配器应采取加密措施保护数据的机密性。适配器应具备高可靠性设计，确保长时间稳定运行并降低故障率。7.4安全性与可靠性要求010203127.1时钟同步时钟同步是指在网络中的各个节点之间，通过特定的协议和技术手段，确保它们的时钟保持一致的过程。定义在实时以太网系统中，时钟同步是确保数据正确传输和处理的关键因素。它可以避免因时钟偏差导致的数据传输错误，提高系统的可靠性和稳定性。重要性时钟同步的定义与重要性高精度时钟源系统应提供高精度的时钟源，以确保各个节点能够获取到准确的时间信息。这通常涉及到使用专用的时钟设备或利用网络上已有的高精度时钟资源。时钟同步的技术要求同步协议应采用合适的同步协议来实现时钟同步。这些协议通常包括网络时间协议（NTP）、精确时间协议（PTP）等，它们能够通过网络传输时间信息，并对各个节点的时钟进行调整，以达到同步的目的。同步精度时钟同步的精度应满足系统的实际需求。在实时以太网系统中，通常需要达到微秒级甚至更高的同步精度，以确保数据的实时性和准确性。为实现高精度的时钟同步，系统可能需要配备专门的硬件支持，如时钟芯片、时间戳设备等。这些硬件能够提供准确的时间戳信息，并辅助软件完成时钟同步的操作。硬件支持除了硬件支持外，还需要通过相应的软件配置来实现时钟同步。这包括在系统中启用同步协议、设置同步参数、监控同步状态等。通过合理的软件配置，可以确保系统能够在各种环境下实现稳定可靠的时钟同步。软件配置时钟同步的实现方法137.2参考时间参考时间是指用于同步各个节点时钟的时间基准。参考时间的选择需考虑系统的稳定性、可靠性和精度要求。在分布式系统中，各个节点通过参考时间进行时钟同步，以确保数据交换的实时性和准确性。参考时间的定义在实际应用中，需根据系统需求和场景选择合适的参考时间来源。参考时间的来源参考时间可以来源于外部时钟源，如全球定位系统（GPS）或原子钟等。也可采用内部时钟源，通过算法和技术手段实现各个节点间的时钟同步。010203参考时间在实时以太网适配时间敏感网络技术中起着至关重要的作用。参考时间的应用它保证了各个节点在处理数据时的时钟一致性，从而确保数据传输的实时性和准确性。通过参考时间的应用，可以实现对网络延迟和抖动的精确控制，提升系统的整体性能。147.3链路速度链路速度定义链路速度是指实时以太网通信系统中，数据传输链路所支持的最大传输速率。该速度决定了系统在单位时间内能够传输的数据量，是评估实时以太网性能的重要指标之一。链路速度的影响因素010203传输介质不同类型的传输介质（如铜缆、光缆等）具有不同的传输速度和带宽，直接影响链路速度。传输距离随着传输距离的增加，信号衰减和干扰会增大，从而影响链路速度。网络设备性能交换机、路由器等网络设备的性能也会对链路速度产生影响。链路速度的测试与评估根据测试结果，评估链路速度是否满足系统需求和性能指标。评估标准通过使用专业的测试仪器和软件，对实时以太网通信系统的链路速度进行测试。测试方法提升链路速度的方法升级传输介质采用更高速的传输介质，如升级为更高速率的光缆。优化网络设备减少传输距离选用性能更优越的网络设备，提高数据处理和转发能力。在可能的情况下，通过减少传输距离来降低信号衰减和干扰，从而提升链路速度。157.4入口速率限制保护网络免受流量冲击入口速率限制是指在网络入口处对进入的流量进行速率控制，以防止因大量数据涌入而导致的网络拥堵或崩溃。01入口速率限制的定义确保网络稳定性通过限制入口速率，可以确保网络在面临突发流量时仍能保持稳定的性能，从而保障关键业务的连续运行。02静态速率限制根据预先设定的速率值进行限制，无论网络实际流量如何变化，入口速率始终保持不变。这种方式简单易行，但可能无法充分利用网络资源。动态速率限制根据网络实时流量情况动态调整入口速率。当网络流量较大时，适当降低入口速率以减轻网络负担；当网络流量较小时，则提高入口速率以充分利用网络资源。入口速率限制的实现方式入口速率限制的应用场景数据中心网络在数据中心内部，大量服务器之间的数据交互可能导致网络拥堵。通过实施入口速率限制，可以确保每台服务器都能以稳定的速率进行数据传输，从而避免网络拥堵和性能下降。工业互联网在工业互联网场景中，各种传感器和设备产生的数据需要实时传输到数据中心进行处理。入口速率限制可以确保这些数据的平稳传输，防止因数据突发导致的网络故障。挑战入口速率限制可能导致数据传输延迟增加，影响实时性要求较高的应用。解决方案结合优先级调度算法，为不同类型的数据流分配不同的入口速率和优先级，以确保关键数据的实时传输。同时，通过优化网络架构和传输协议来降低传输延迟，提高网络整体性能。入口速率限制的挑战与解决方案167.5时间感知时间感知是指系统对时间的敏感度和准确性，能够精确地感知和响应时间变化。在实时以太网适配时间敏感网络技术中，时间感知是确保数据在特定时间内准确传输的关键因素。时间感知定义通过网络中各个节点的时间同步，确保所有设备在相同的时间基准下工作，从而实现精确的时间感知。时间同步技术时间戳技术延时测量与补偿对数据传输过程中的关键时间点进行标记，以便后续分析和处理，提高时间感知的精度。通过对网络传输延时的测量和补偿，减少数据传输过程中的时间误差，提升时间感知的准确性。时间感知技术实现时间感知在系统中的作用确保实时性时间感知能够确保数据在规定的时间内准确传输，满足实时性要求较高的应用场景。提高可靠性通过精确的时间感知，系统能够及时发现并处理潜在的时间相关问题，从而提高系统的可靠性。优化资源利用准确的时间感知有助于系统更合理地分配和利用资源，提高资源使用效率。177.6帧抢占帧抢占定义帧抢占是指在实时以太网通信中，高优先级的数据帧能够打断低优先级数据帧的传输，优先占用通信资源的技术。实现原理通过实时监测数据帧的优先级，并在传输过程中进行动态调度，确保高优先级数据帧的实时性。帧抢占的概念帧抢占的应用场景随着智能网联汽车的发展，车载网络对数据传输的实时性和可靠性要求越来越高，帧抢占技术能够满足这一需求。车载网络在工业自动化领域，实时性要求极高的控制系统需要帧抢占技术来确保关键数据的及时传输。工业自动化优势提高实时性、确保关键数据传输、优化网络资源利用等。挑战帧抢占的优势与挑战技术实现复杂度高、需要硬件支持、可能引发数据碎片等。0102帧抢占技术的未来发展趋势标准化与兼容性随着帧抢占技术的普及，标准化和兼容性将成为重要的发展方向，以确保不同设备和系统之间的互联互通。性能优化未来帧抢占技术将不断进行优化，以降低延迟、提高传输效率，满足更为严苛的实时性要求。安全与可靠性在保障实时性的同时，如何确保帧抢占技术的安全性和可靠性将成为研究的重点，以防止恶意抢占和意外中断等问题的发生。188网络适配桥接要求桥接功能透明传输网络适配桥接应实现数据的透明传输，确保在不同网络之间传递数据时不会丢失或修改任何信息。01流量控制桥接应具备流量控制功能，以防止因数据流量过大而导致网络拥堵或数据丢失。02优先级映射在桥接过程中，应支持对数据的优先级进行映射，以确保重要数据能够优先传输。03低延迟网络适配桥接应保证数据传输的低延迟，确保数据能够及时到达目的地。桥接性能高可靠性桥接应具备高可靠性，能够长时间稳定运行，避免因桥接故障而导致整个网络的瘫痪。可扩展性随着网络规模的不断扩大，桥接应能够支持更多的网络设备和更复杂的网络结构。数据隔离访问控制安全日志网络适配桥接应实现不同网络之间的数据隔离，防止非法访问和恶意攻击。桥接应具备严格的访问控制机制，确保只有授权的设备才能够接入网络并进行数据传输。桥接应记录详细的安全日志，包括数据传输、设备接入等关键操作，以便进行安全审计和故障排查。桥接安全性010203198.1优先级队列优先级队列定义优先级队列是一种数据结构，用于管理具有不同优先级的元素。在实时以太网适配时间敏感网络技术中，优先级队列用于确保关键数据的及时传输。优先级队列根据元素的优先级进行排序，高优先级的元素先于低优先级的元素出队。队列的实现通常基于数组、链表等数据结构，结合优先级比较机制实现高效管理。优先级队列实现原理确保关键数据的实时传输通过优先级队列，可以确保高优先级的数据在传输过程中得到优先处理，从而满足实时性要求。提升网络传输效率通过对数据进行优先级划分，合理调配网络资源，避免网络拥堵和关键数据传输延迟。优先级队列在实时以太网中的应用优先级队列性能评估性能优化针对实际应用场景，可以采用合适的算法和数据结构来优化优先级队列的性能，如使用堆结构实现高效的优先级队列管理等。评估指标包括队列的插入、删除、查找等操作的时间复杂度，以及队列的容量、稳定性等性能指标。208.2传输选择算法传输选择算法的定义传输选择算法是指在实时以太网适配时间敏感网络中，用于确定数据包传输路径和优先级的算法。该算法综合考虑网络拓扑、流量负载、传输延迟等因素，以确保数据包的可靠和高效传输。根据网络拓扑结构和链路状态信息，计算出从源节点到目的节点的最优路径。路径计算为不同类型的数据包分配不同的优先级，以确保关键数据包的及时传输。优先级分配通过监测网络流量，动态调整数据包的发送速率，避免网络拥堵和丢包现象。流量控制传输选择算法的核心要素010203集中式算法由中央控制器负责全局路径计算和优先级分配，适用于网络规模较小、拓扑结构稳定的环境。分布式算法各节点根据局部信息自主进行路径选择和优先级分配，适用于大规模、动态变化的网络环境。传输选择算法的实现方式传输效率评估算法在给定网络条件下，数据包从源节点到目的节点的平均传输时间。可靠性考察算法在面临网络故障或异常情况时，能否保证关键数据包的可靠传输。可扩展性分析算法在网络规模扩大或拓扑结构复杂化时的性能和稳定性表现。传输选择算法的性能评估218.3门控调度机制门控调度机制概述门控调度机制是一种在实时以太网中，通过精确控制数据帧的传输时间来实现时间敏感网络的技术手段。定义与原理确保关键数据在确定的时间窗口内传输，以满足实时性、可靠性和低延迟的需求。实现目标该机制广泛应用于工业自动化、车载网络、航空航天等领域，以支持对时间要求严格的应用。应用场景确保网络中所有设备具有统一的时间基准，是实现门控调度的基础。时间同步技术允许高优先级的数据帧在传输过程中抢占低优先级数据帧的传输资源，以确保关键数据的及时传输。帧抢占技术通过对数据帧进行排序和调度，以优化网络带宽的利用，并降低数据传输的延迟和抖动。流量整形技术门控调度机制的关键技术基于时间片的调度根据数据帧的优先级进行调度，高优先级的数据帧优先传输。基于优先级的调度混合调度方式结合时间片和优先级两种调度方式，以实现更灵活和高效的门控调度。将时间划分为多个时间片，每个时间片分配给特定的数据帧进行传输。门控调度机制的实现方式01实时性评估评估门控调度机制能否在规定的时间内完成关键数据的传输。门控调度机制的性能评估02可靠性评估评估门控调度机制在面临网络干扰或故障时，能否保证关键数据的可靠传输。03资源利用率评估评估门控调度机制对网络资源的利用情况，包括带宽利用率、处理器占用率等。228.4保护带保护带是指在实时以太网通信中，为确保时间敏感数据的可靠传输而设置的一段特定时间区域。定义保护带能够防止非时间敏感数据对时间敏感数据的干扰，确保实时通信的稳定性和确定性。作用保护带的定义和作用设置原则根据实时以太网系统的具体需求和特点，合理设置保护带的宽度和位置。实现方式通过网络配置和时