شبکه‌های حساس به زمان چه هستند و چگونه کار می‌کنند؟

TSN چیست؟

TSN مجموعه‌ای از استانداردهای در حال توسعه توسط گروهی به‌نام Time-Sensitive Networking تحت نام استاندارد IEEE 802.1 است. این گروه در سال 2012 تشکیل شده و به‌دنبال استانداردسازی شبکه‌های حساس زمانی است. به زبان ساده، روی یک شبکه حساس زمانی، محتوایی تبادل می‌شود که شدیداً به پارامتر زمان وابسته و حساس است. یعنی تأخیر شبکه باید در حد صفر باشد و دسترس‌پذیری شبکه به مرز صددرصد برسد. مثال خوبی از محتوای حساس به زمان، استریم محتوای ویدئویی یا بازی و حتی موسیقی است. وقتی شما می‌خواهید یک فیلم روی اینترنت تماشا کنید، ثانیه‌ای تأخیر در شبکه می‌تواند فیلم را خراب کند و تصویر با صدا هم‌خوانی و هم‌گرایی نداشته باشد. همین ‌طور، وقتی دارید بازی آنلاین انجام می‌دهید، کوچک‌ترین تأخیری در شبکه یا لِگ زدن شبکه باعث می‌شود کل بازی خراب شود. این مثال‌ها در حوزه کاربران خانگی بود، ولی در حوزه صنعت و شبکه‌های سازمانی، طیف وسیعی از نرم‌افزارها و برنامه‌های کاربردی هستند که به کوچک‌ترین تأخیر و اعوجاج یا سکته شبکه حساس هستند و واکنش نشان می‌دهند. این برنامه‌های کاربردی مبتنی بر شبکه‌های اترنت هستند و روی این شبکه‌ها پیاده‌سازی و اجرا می‌شوند، ولی نیازمند مکانیسم‌ها و سیاست‌گذاری‌هایی خواهند بود که تأخیر را به صفر برساند یا دسترس‌پذیری شبکه در بالاترین سطح باشد.
مثلاً برنامه‌های کنترل خط تولید کارخانه‌ها از حساسیت بسیار بالایی برخوردار هستند و تأخیر حتی چند صدم میلی‌ثانیه‌ای می‌تواند کل سیستم را با مشکل روبه‌رو کند. در این شبکه‌ها، تدابیر و مکانیسم‌های سخت‌گیرانه‌ای اعمال می‌شود تا بی‌درنگی انتقال اطلاعات تضمین شود.
امروزه برای تأمین نیازهای این نوع شبکه‌های حساس و تضمین رساندن اطلاعات در زمان لازم، فناوری‌های ارتباطی بی‌درنگی مانند EtherCAT ، PROFINET IRT و SERCOS III استفاده می‌شود. تمام این فناوری‌های مبتنی بر شبکه‌های اترنت معمولی هستند. بزرگ‌ترین مشکل این فناوری‌ها، ناسازگاری با یکدیگر و نیاز به پیاده‌سازی یکسری تنظیمات و پروتکل‌های بهبوددهنده روی اترنت معمولی است که موجب سربار می‌شوند.
در نتیجه، اترنت معمولی برای پشتیبانی و پیاده‌سازی ارتباطات بی‌درنگ حساس به زمان، چند تکه شده و نمی‌تواند پاسخ‌گوی نیازها و تحولات آینده بازار باشد. اترنت معمولی در چندین بخش مانند پهنای ‌باند یا شفافیت بیشتر اطلاعاتی میان سرور و کلاینت نیاز به اصلاح و بهبود دارد. به همین دلیل، نیاز به استاندارد و نوع جدیدی از شبکه‌های اترنت پیشرفته داریم که به طور ویژه برای ارتباطات بی‌درنگ طراحی شده باشد و بتواند یک ارتباط قابل اعتماد و استاندارد شده را تحویل دهد.
در شبکه TSN با نظارت، پیکربندی، تنظیم و دسترسی به سوئیچ‌ها و کلاینت‌های شبکه، سعی می‌شود ترافیک روی شبکه اترنت مدیریت شود و ترافیک با اولویت بالاتر بدون تأخیر به مقصد برسد. در این شبکه‌ها، چند مکانیسم و تابع جدید افزوده شده است و یکسری سیاست‌گذاری‌ها و قوانین وضع می‌شود تا هر سوئیچ بداند چه زمانی باید اجازه عبور یک فریم در شبکه را بدهد. یکی از بخش‌های اصلی TSN، پارامترهای زمان‌بندی IEEE 802.1Qbv در سوئیچ‌ها و پایانه‌ها است.
شاید بتوان برخی از این تنظیمات و پیکربندی‌ها در TSN را هم به طور دستی روی یک اترنت معمولی پیاده‌سازی کرد تا برای یک ترافیک خاص، اولویت قائل شده و تأخیر یا خطایی صورت نگیرد. این اتفاق در برخی روترهای خانگی و اداری کوچک با افزوده شدن برخی ابزارها در حال انجام است، ولی سربار شبکه را افزایش می‌دهد و لایه‌های جدیدی به معماری شبکه می‌افزاید که مستلزم پیچیدگی بیشتر است. هدف TSN تسهیل و روان‌سازی ترافیک شبکه براساس یکسری اولویت‌ها بدون ایجاد سربار اضافی است. ممکن است یک شبکه TSN در محیط صنعتی با هزاران نود و کلاینت و ده‌ها سوئیچ بزرگ اترنت پیاده‌سازی شود. در شبکه‌ای با این مقیاس، کوچک‌ترین پیکربندی اضافی می‌تواند کل شبکه را به مخاطره بیاندازد یا تأخیرهای کشنده‌ای در سراسر شبکه ایجاد کند. بنابراین، وظیفه اصلی و بزرگ طراحان شبکه‌های TSN، جلوگیری از ایجاد تأخیر برای برنامه‌های کاربری با مأموریت‌های خاص و حیاتی است.

TSN و IIOT، شبکه‌هایی برای آینده

مفهوم TSN و شبکه‌های حساس زمانی با مفهوم اینترنت اشیا صنعتی و استانداردهای Industrie 4.0 گره خورده است. اگر بخواهیم ضرورت و نیاز TSN را درک کنیم، باید ابتدا به سراغ خودکارسازی اتوماسیون‌های صنعتی برویم. خودکارسازی اتوماسیون و صنعت در مرحله گذار است. همه شرکت‌ها، سازمان‌ها و کارخانه‌ها می‌خواهند کارها را به طور خودکار ولی با انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان بالا انجام دهند. نیاز به پویایی در تمام بخش‌های صنعت مشاهده می‌شود. فارغ از وضعیت موجود و تمام پیشرفت‌هایی که در این زمینه به‌لطف هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی رخ داده است، اگر می‌خواهیم در آینده به این اهداف برسیم، نیازمند شبکه‌های IIOT (اینترنت اشیا صنعتی) و TSN هستیم. یعنی به شبکه‌ها و بسترهایی نیازمندیم که بتوانیم:
1- ارتباطات بی‌درنگ قابل اعتماد و دقیقی برای پیاده‌سازی و استقرار برنامه‌های کاربردی بسیار حساس و مبتنی بر درخواست آماده کنیم. این ارتباطات باید بتوانند برنامه‌های کاربردی را در مقیاس وسیع و به‌صورت توزیع شده انعطاف‌پذیر در سراسر یک شبکه صنعتی پشتیبانی کنند. برای این منظور هم نیازمند ظرفیت‌های ارتباطی و پهنای ‌باند بسیار بالا به همراه شبکه‌هایی خودکار و نرم‌افزار محور هستیم که بتوانند تعداد بسیار زیادی حسگر و اطلاعات را پشتیبانی کنند. قرار است روی این شبکه‌ها، برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا یا سیستم‌های نگهداری و تحلیل اطلاعات اجرا شود.
2- مهم‌تر از TSN و IIOT، زیرساخت و بسترهای ارتباطی است. چون باید از صدها یا شاید هزاران دستگاه، حسگر، کلاینت و نود شبکه متصل به اینترنت پشتیبانی کنند و اتصالی همیشه در دسترس بسازند.

TSN چگونه کار می‌کند؟

حالا که درباره چیستی شبکه‌های TSN و دلایل اهمیت آن‌ها در صنعت و خودکارسازی صنعتی صحبت کردیم، وقت آن رسیده درباره چگونگی کارکرد TSN هم بگوییم. TSN مجموعه‌ای از مشخصات مختلف است که همه در توابع مختلفی روی یک شبکه خودکار آدرس‌دهی شده‌اند. یک شبکه اترنت معمولی را تصور کنید که چندین تابع روی آن پیاده‌سازی شده باشد و هر تابع یک وظیفه مشخص و هماهنگ با دیگر تابع‌ها در شبکه انجام دهد، ولی در مجموع همه توابع و اترنت به‌صورت یک شبکه یکپارچه به نظر برسند. روی TSN توابع زیادی تعریف و پیاده‌سازی می‌شود که در اینجا می‌خواهیم با یکی از این توابع به‌نام Time-Aware Scheduler آشنا شویم.
تاکنون با استفاده از مکانیسم‌هایی CoS (سرنام Class of Service) مانند استاندارد اولویت‌دهی IEEE 802.1Q نمی‌توانستیم کیفیت یک لینک تنها را به تنهایی تضمین کنیم و قول بدهیم تأخیر در سراسر شبکه اترنت برای ارتباطات اطلاعاتی حساس به زمان وجود ندارد یا اتفاق نمی‌افتد.
بدون Time-Aware Scheduler، یک ترافیک با اولویت پایین می‌تواند باعث تأخیر ترافیک با اولویت بالا در سراسر یک سوئیچ اترنت یا یک مسیر ارتباطی شبکه شود. بنابراین، به طور ناخواسته با وقفه‌ها و سکته‌هایی روبه‌رو می‌شدیم. چون فریم‌های در حال حرکت روی اترنت معمولی نمی‌توانند یکدیگر را تحمل کنند یا به یک فریم با اولویت بالاتر اجازه عبور بدهند. با یک مثال این وضعیت روشن می‌شود. 
تصور کنید در یک جاده یک‌طرفه‌ باریک، کامیونی (فریم بزرگ) در حال حرکت باشد. آن جاده، شبکه اترنت با طول بلند است. راننده کامیون به یک تقاطع می‌رسد (سوئیچ اترنت) و چون هیچ ماشینی را در طول مسیر خود نمی‌بیند، بنابراین کامیون را به آن سوی تقاطع یا اترنت کوتاه هدایت می‌کند. در این لحظه، اگر یک خودروی پلیس (فریم کوچک) با اولویت سرعت و حرکت بالا از راه برسد، چون کامیون در این جاده یک‌طرفه و باریک قرار دارد، به‌ناچار باید در ترافیک بماند تا به یک تقاطع یا بزرگراه دیگری برسد و از کامیون پیشی بگیرد. بنابراین، کامیون به طور ناخواسته باعث تأخیر و ترافیک در شبکه می‌شود. اما اگر کامیون بداند که چه زمانی می‌تواند از تقاطع عبور کند و چه زمانی باید پشت تقاطع بماند، این ترافیک و تأخیر ایجاد نمی‌شود. 
Time-Aware Scheduler وظیفه تعریف و پیاده‌سازی این زمان‌های بحرانی را در شبکه TSN برعهده دارد و یک جز اصلی و مرکزی شبکه‌های حساس زمانی است. TAS با زمان‌بندی پهنای ‌باند شبکه برای فریم‌ها و اطلاعات با اولویت‌های مختلف، سعی می‌کند همیشه فریم‌های با اولویت بالاتر بتوانند سریع‌تر در شبکه حرکت کنند و فریم‌های بزرگ‌تر مانعی بر سر راه فریم‌های کوچک‌تر نشوند. 
یک شبکه TSN به تکه‌های زمانی مختلف تقسیم می‌شود و فریم‌های اطلاعات با برچسب‌های اولویت‌دار مختلف در طول شبکه حرکت می‌کنند و می‌دانند در کدام اسلات یا تکه شبکه باید متوقف شده یا به حرکت خود در مسیر و مقصد مشخص ادامه دهند.

آینده

سال‌ها از تصویب استاندارد اترنت معمولی می‌گذرد و اکنون برخی از نقایص و ضعف‌های آن، به‌ویژه در بخش شبکه‌های صنعتی و برنامه‌های کاربردی بی‌درنگ آشکار شده است. تیمی از توسعه‌دهند‌گان شبکه دارند روی استاندارد 802.1 و TSN کار می‌کنند تا نسل جدیدی از شبکه‌های حساس زمانی و قابل برنامه‌ریزی و اولویت‌بندی را برای استقرار برنامه‌های کاربردی بی‌درنگ پروتکل‌سازی کنند. یک TSN شبکه‌ای با مجموعه‌ای از توابع و تنظیمات خاص برای جلوگیری از تأخیر یا اعوجاج در شبکه‌های صنعتی و IIOT است. TSN هنوز در سال‌های اولیه حیات خود به سر می‌برد و طی سال‌های 2016 و 2017، چندین شرکت اقدام به ارائه راهکارها و محصولات خود کردند. تا استقرار گسترده و فراگیر این شبکه‌ها در صنایع مختلف، چندین سال زمان نیاز است و در این میان، نقش شرکت‌های بزرگ دنیای فناوری مانند گوگل، مایکروسافت، سیسکو، اینتل، آی‌بی‌ام و سخت‌افزارسازها انکارناپذیر است!