الشبكات الحساسة للوقت

يحدد معيار IEEE 802.1AS-2011 ملف تعريف بروتوكول الوقت الدقيق المعمم (gPTP) الذي، مثل جميع ملفات تعريف IEEE 1588 ، يختار من بين خيارات 1588، ولكنه يعمم أيضًا البنية للسماح بتطبيق PTP خارج شبكات إيثرنت السلكية.

لمعالجة تأخيرات مسار البيانات، يقيس بروتوكول gPTP زمن بقاء الإطار داخل كل جسر (الوقت اللازم لاستقبال ومعالجة وتخزين وإرسال معلومات التوقيت من منافذ الدخول إلى منافذ الخروج)، وزمن انتقال الرابط لكل قفزة (تأخير الانتشار بين جسرين متجاورين). تُنسب هذه التأخيرات المحسوبة إلى ساعة GrandMaster (GM) في جسر يتم اختياره بواسطة خوارزمية أفضل ساعة رئيسية، وهي بروتوكول شجرة ممتدة للساعة تحاول جميع أجهزة Clock Master (CM) والأجهزة الطرفية مزامنتها معه. أي جهاز لا يتزامن مع رسائل التوقيت يكون خارج حدود نطاق التوقيت (الشكل 2).

تعتمد دقة التزامن على قياسات دقيقة لتأخير الوصلة ووقت بقاء الإطار. يستخدم معيار 802.1AS التزامن المنطقي ، حيث تُستخدم نسبة بين تردد الساعة المحلية وتردد ساعة GM لحساب وقت التزامن، ونسبة أخرى بين تردد الساعة المحلية وتردد ساعة GM لحساب تأخير الانتشار.

يقدم معيار IEEE802.1AS-2020 دقة محسّنة في قياس الوقت ودعمًا لمجالات زمنية متعددة لتحقيق التكرار.

يُعرّف معيار IEEE 802.1Qav، الخاص بتحسينات التوجيه والتنظيم لتدفقات البيانات الحساسة للوقت، تشكيل حركة البيانات باستخدام فئات الأولوية، وهو ما يعتمد على شكل بسيط من نظام التوزيع العادل للبيانات القائم على الائتمان . صُمم معيار 802.1Qav لتقليل التخزين المؤقت في جسور الاستقبال ونقاط النهاية.

يُحدد مُشكِّل البيانات القائم على الرصيد عدد الأرصدة بالبتات لطابورين منفصلين، مُخصصين لحركة مرور الفئة أ والفئة ب. ولا يُسمح بإرسال الإطارات إلا عندما يكون الرصيد غير سالب؛ وأثناء الإرسال، يتناقص الرصيد بمعدل يُسمى sendSlope.

${\displaystyle {\text{sendSlope}}={\text{idleSlope}}-{\text{portTransmitRate}}.}$

يزداد الرصيد بمعدل idleSlope إذا كانت الإطارات تنتظر إرسال قوائم انتظار أخرى:

${\displaystyle {\text{idleSlope}}={\frac {\text{reservedBytes}}{\text{divFrameIntervalTime}}}.}$

وبالتالي فإن idleSlope هو عرض النطاق الترددي المحجوز للطابور بواسطة الجسر، و sendSlope هو معدل نقل خدمة MAC للمنفذ.

إذا كانت قيمة الرصيد سالبة ولم يتم إرسال أي إطارات، يزداد الرصيد بمعدل idleSlope حتى يصل إلى الصفر. إذا تعذر إرسال إطار AVB بسبب إرسال إطار آخر غير AVB، يتراكم الرصيد بمعدل idleSlope ، ولكن يُسمح بوجود رصيد موجب.

يتم اشتقاق الحدود الإضافية hiCredit و loCredit من الحد الأقصى لحجم الإطار والحد الأقصى لحجم التداخل، و idleSlope/sendSlope، والحد الأقصى لمعدل نقل المنفذ.

تُعاد توجيه إطارات حركة مرور البث الصوتي والمرئي المحجوزة بأولوية عالية على حركة المرور غير المحجوزة التي تُنفذ بأفضل جهد ، وذلك وفقًا لقواعد تنظيم حركة المرور القائمة على الرصيد، والتي قد تتطلب منها الانتظار لعدد معين من الأرصدة. يحمي هذا الإجراء حركة المرور التي تُنفذ بأفضل جهد من خلال الحد من أقصى تدفق لحركة مرور البث الصوتي والمرئي. تُجدول الإطارات بشكل متساوٍ للغاية، وإن كان ذلك على أساس إجمالي فقط، لتنعيم أوقات التسليم وتقليل التدفقات المفاجئة والتكدس، مما قد يؤدي إلى امتلاء المخزن المؤقت وفقدان الحزم التي تُسبب إعادة الإرسال. يؤدي تأخير التخزين المؤقت المتزايد إلى جعل الحزم المعاد إرسالها قديمة بحلول وقت وصولها، مما ينتج عنه فقدان الإطارات، الأمر الذي يُقلل من جودة تطبيقات البث الصوتي والمرئي.

على الرغم من أن مُشكِّل البيانات القائم على الرصيد يوفر جدولة عادلة للحزم ذات الأولوية المنخفضة ويُخفف من ازدحام الشبكة، إلا أن متوسط ​​التأخير يرتفع إلى 250 ميكروثانية لكل قفزة، وهو وقت مرتفع جدًا لتطبيقات التحكم. في المقابل، يتميز مُشكِّل البيانات المُراعي للوقت (IEEE 802.1Qbv) بتأخير دورة ثابت يتراوح من 30  ميكروثانية إلى عدة ميلي ثانية، وتأخير نموذجي يبلغ 125  ميكروثانية. إن اشتقاق حدود عليا مضمونة للتأخير في شبكات TSN ليس بالأمر الهين، ويجري البحث فيه حاليًا، على سبيل المثال، باستخدام الإطار الرياضي لحساب الشبكات. ^{[ 7 ]}

بروتوكول حجز التدفق IEEE 802.1Qat (SRP) هو بروتوكول موزع من نظير إلى نظير يحدد ضوابط القبول بناءً على متطلبات موارد التدفق وموارد الشبكة المتاحة.

يحجز SRP الموارد ويعلن عن تدفقات من المرسل/المصدر (المتحدث) إلى المستقبلين/الوجهات (المستمعين)؛ ويعمل على تلبية متطلبات جودة الخدمة لكل تدفق وضمان توافر موارد الشبكة الكافية على طول مسار نقل التدفق بأكمله.

يتم تحديد وتسجيل تدفقات حركة المرور باستخدام StreamID مكون من 64 بت ، ويتكون من عنوان MAC المكون من 48 بت (EUI) و UniqueID المكون من 16 بت لتحديد التدفقات المختلفة من نفس المصدر.

يستخدم بروتوكول SRP متغيرات من بروتوكول التسجيل المتعدد (MRP) لتسجيل وإلغاء تسجيل قيم السمات على المحولات/الجسور/الأجهزة - بروتوكول تسجيل MAC المتعدد (MMRP)، وبروتوكول تسجيل VLAN المتعدد (MVRP)، وبروتوكول تسجيل التدفق المتعدد (MSRP).

يعمل بروتوكول SRP بشكل أساسي وفق التسلسل التالي:

1. أعلن عن بث مباشر من متحدث
2. سجل المسارات على طول تدفق البيانات
3. احسب زمن الاستجابة في أسوأ الحالات
4. إنشاء نطاق AVB
5. احجز النطاق الترددي

يتم تخصيص الموارد وتهيئتها في كل من العقد الطرفية لتدفق البيانات وعقد العبور على طول مسار تدفق البيانات، مع آلية إشارة شاملة للكشف عن النجاح/الفشل. ويتم حساب زمن الاستجابة في أسوأ الحالات عن طريق الاستعلام من كل جسر.

تستخدم طلبات الحجز تطبيق MRP العام مع آلية نشر سمات MRP. تخضع جميع العقد على طول مسار التدفق لمواصفات إعلان سمات MRP (MAD)، التي تصف خصائص التدفق بحيث يمكن للجسور تخصيص الموارد اللازمة.

إذا تمكن جسر من حجز الموارد المطلوبة، فإنه يرسل الإعلان إلى الجسر التالي؛ وإلا، يتم إرسال رسالة تفيد بفشل المُرسِل . وعندما تصل رسالة الإعلان إلى المُستقبِل، يرد الأخير برسالة جاهزية المُستقبِل التي تُرسل بدورها إلى المُرسِل.

يمكن إلغاء تسجيل رسائل الإعلان من قبل المتحدث ورسائل الاستعداد من قبل المستمع ، مما يؤدي إلى إنهاء البث.

لا يتم ضمان الحجز الناجح إلا عندما تدعم جميع العقد الوسيطة بروتوكول SRP وتستجيب لرسائل الإعلان والاستعداد؛ في الشكل 2 أعلاه، لا يمكن لنطاق AVB 1 الاتصال بنطاق AVB 2.

يُستخدم بروتوكول SRP أيضًا في معايير TSN/AVB لتحديد أولويات الإطارات وجدولة الإطارات وتشكيل حركة البيانات.

يستخدم بروتوكول حجز التدفق (SRP) إجراءً لامركزيًا للتسجيل والحجز؛ وقد تؤدي الطلبات المتعددة إلى تأخيرات في حركة البيانات الحيوية. يعمل تعديل معيار IEEE 802.1Qcc-2018 "تحسينات بروتوكول حجز التدفق (SRP) وتحسينات الأداء" على تقليل حجم رسائل الحجز وإعادة تعريف المؤقتات بحيث تُفعّل التحديثات فقط عند تغيير حالة الرابط أو الحجز. ولتحسين إدارة شبكة TSN على الشبكات واسعة النطاق، توفر كل واجهة شبكة مستخدم (UNI) طرقًا لطلب خدمات الطبقة الثانية، بالإضافة إلى تكوين الشبكة المركزي (CNC) لتوفير الحجز والجدولة المركزيين، والإدارة عن بُعد باستخدام بروتوكولات NETCONF/RESTCONF ونمذجة بيانات IETF YANG/NETCONF .

تُطبّق CNC نموذج طلب-استجابة لكل تدفق، حيث لا يُستخدم صنف SR بشكل صريح: تُرسل المحطات الطرفية طلبات لتدفق مُحدد (عبر منفذ الحافة) دون معرفة تكوين الشبكة، وتُجري CNC حجز التدفق مركزيًا. يعمل MSRP فقط على الرابط إلى المحطات الطرفية كناقل معلومات بين CNC والمحطات الطرفية، وليس لحجز التدفق. يُعد تكوين المستخدم المركزي (CUC) عقدة اختيارية تكتشف المحطات الطرفية وقدراتها ومتطلبات المستخدم، وتُهيئ ميزات TSN المُحسّنة للتأخير ( لتطبيقات IACS ذات الحلقة المغلقة ). يتم توفير توافق سلس مع بروتوكول نقل حجز الموارد (RSVP). يسمح معيار 802.1Qcc بإدارة التكوين المركزية بالتزامن مع التكوين اللامركزي والموزع بالكامل لبروتوكول SRP، كما يدعم التكوينات الهجينة لأجهزة AVB القديمة.

يمكن دمج 802.1Qcc مع IEEE 802.1Qca Path Control and Reservation (PCR) و TSN traffic shapers.

على الرغم من أن بروتوكول 802.1Qav FQTSS/CBS يعمل بكفاءة عالية مع حركة البيانات شبه الآنية، إلا أن أسوأ حالات التأخير تعتمد على عدد القفزات وبنية الشبكة. وتؤدي البنى غير الطبيعية إلى تأخيرات، لذا يجب مراعاة بنية الشبكة عند تحديد حجم المخزن المؤقت.

يقدم معيار IEEE 802.1Qch Cyclic Queuing and Forwarding (CQF)، المعروف أيضًا باسم Peristaltic Shaper (PS)، التخزين المؤقت المزدوج، مما يسمح للجسور بمزامنة الإرسال (عمليات إضافة/إزالة الإطارات) بطريقة دورية، مع زمن انتقال محدود يعتمد فقط على عدد القفزات ووقت الدورة، بشكل مستقل تمامًا عن بنية الشبكة.

يمكن استخدام CQF مع جدولة IEEE 802.1Qbv المدركة للوقت، واستباق الإطارات IEEE 802.1Qbu، ومراقبة حركة المرور الواردة IEEE 802.1Qci.

تعمل تقنية تصفية ومراقبة تدفق البيانات لكل تدفق (PSFP) في معيار IEEE 802.1Qci على تحسين متانة الشبكة من خلال تصفية تدفقات البيانات الفردية. وتمنع هذه التقنية حالات التحميل الزائد التي قد تؤثر على الجسور ونقاط الاستقبال نتيجةً للأعطال أو هجمات حجب الخدمة (DoS). يستخدم مرشح التدفقات مطابقة القواعد للسماح بمرور الإطارات ذات معرّفات التدفق ومستويات الأولوية المحددة، وتطبيق إجراءات السياسة في غير ذلك. يتم تنسيق جميع التدفقات عند بواباتها، على غرار إشارات 802.1Qch. ويطبق قياس التدفق ملفات تعريف النطاق الترددي المحددة مسبقًا لكل تدفق.

صُمم مُجدول IEEE 802.1Qbv المُراعي للوقت لفصل الاتصالات على شبكة الإيثرنت إلى دورات زمنية ثابتة الطول ومتكررة. ضمن هذه الدورات، يُمكن تهيئة شرائح زمنية مختلفة تُخصص لواحدة أو أكثر من أولويات الإيثرنت الثمانية. وبذلك، يُمكن منح استخدام حصري - لفترة محدودة - لوسيط نقل الإيثرنت لفئات البيانات التي تتطلب ضمانات نقل ولا يُمكن مقاطعتها. المفهوم الأساسي هو تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الوقت (TDMA). من خلال إنشاء قنوات اتصال افتراضية لفترات زمنية محددة، يُمكن فصل الاتصالات الحساسة للوقت عن حركة البيانات الخلفية غير الحساسة.

يُقدّم مُجدوِل البيانات المُراعي للوقت فئة حجز التدفق CDT لبيانات التحكم الحساسة للوقت، مع زمن استجابة في أسوأ الحالات يبلغ 100 ميكروثانية عبر 5 قفزات، وفترة إرسال قصوى تبلغ 0.5  مللي ثانية، بالإضافة إلى الفئتين A وB المُعرّفتين لمُشكّل حركة البيانات القائم على الائتمان في معيار IEEE 802.1Qav. من خلال منح حق الوصول الحصري إلى وسيط الإرسال والأجهزة لفئات حركة البيانات الحساسة للوقت، يُمكن تجنّب تأثيرات التخزين المؤقت في مخازن الإرسال الخاصة بمُبدّل الإيثرنت، ويُمكن إرسال حركة البيانات الحساسة للوقت دون انقطاعات غير مُحدّدة. يظهر مثال على تكوين مُجدوِل البيانات IEEE 802.1Qbv في الشكل 1.

في هذا المثال، تتكون كل دورة من شريحتين زمنيتين. تسمح الشريحة الزمنية الأولى فقط بنقل البيانات المصنفة بأولوية VLAN رقم 3، بينما تسمح الشريحة الزمنية الثانية في كل دورة بإرسال باقي الأولويات. ولأن مُجدول IEEE 802.1Qbv يتطلب مزامنة جميع الساعات على جميع أجهزة الشبكة (محولات الإيثرنت والأجهزة الطرفية) وتكوين جدول زمني متطابق، فإن جميع الأجهزة تفهم أي أولوية يمكن إرسالها إلى الشبكة في أي لحظة. ولأن الشريحة الزمنية الثانية مُخصصة لها أكثر من أولوية، يتم التعامل مع الأولويات ضمن هذه الشريحة الزمنية وفقًا لجدولة الأولويات الصارمة القياسية IEEE 802.1Q.

يمكن تعزيز فصل عمليات نقل بيانات الإيثرنت إلى دورات وفترات زمنية بإضافة خوارزميات جدولة أو تشكيل حركة مرور أخرى، مثل مُشكِّل حركة المرور القائم على الرصيد IEEE 802.1Qav. يدعم معيار IEEE 802.1Qav الوقت الحقيقي المرن. في هذا المثال، يمكن تخصيص IEEE 802.1Qav لواحدة أو اثنتين من الأولويات المستخدمة في الفترة الزمنية الثانية للتمييز بشكل أدق بين حركة مرور الصوت/الفيديو وعمليات نقل الملفات في الخلفية. تحدد مجموعة مهام الشبكات الحساسة للوقت عددًا من مُجدوِلات ومُشكِّلات حركة المرور المختلفة التي يمكن دمجها لتحقيق التعايش غير التفاعلي بين الوقت الحقيقي الصارم، والوقت الحقيقي المرن، وحركة مرور الخلفية على نفس بنية الإيثرنت التحتية.

عندما تبدأ واجهة إيثرنت بإرسال إطار بيانات إلى وسيط الإرسال، يجب إتمام هذا الإرسال بالكامل قبل بدء إرسال آخر. يتضمن ذلك إرسال رمز التحقق CRC-32 في نهاية الإطار لضمان إرسال موثوق وخالٍ من الأخطاء. هذه الخاصية المتأصلة في شبكات الإيثرنت تُشكّل تحديًا لنهج TDMA الخاص بمُجدوِل IEEE 802.1Qbv. يظهر ذلك بوضوح في الشكل 2.

قبل نهاية الفترة الزمنية الثانية في الدورة n مباشرةً، تبدأ عملية إرسال إطار جديد. لسوء الحظ، هذا الإطار كبير جدًا بحيث لا يتسع في الفترة الزمنية المخصصة له. ولأن إرسال هذا الإطار لا يمكن مقاطعته، فإنه يتداخل مع الفترة الزمنية الأولى التالية في الدورة n+1. من خلال حجب فترة زمنية حساسة جزئيًا أو كليًا، يمكن تأخير إطارات الوقت الحقيقي إلى الحد الذي لا تستطيع فيه تلبية متطلبات التطبيق. يشبه هذا إلى حد كبير تأثيرات التخزين المؤقت التي تحدث في محولات إيثرنت غير TSN، لذا يتعين على TSN تحديد آلية لمنع حدوث ذلك.

يجب على مُجدوِل IEEE 802.1Qbv المُراعي للوقت ضمان عدم انشغال واجهة الإيثرنت بنقل إطار بيانات عند انتقاله من شريحة زمنية إلى أخرى. ويحقق ذلك بوضع نطاق حماية قبل كل شريحة زمنية تحمل بيانات حساسة للوقت. خلال فترة نطاق الحماية هذا، لا يُسمح ببدء نقل أي إطار بيانات إيثرنت جديد، وإنما يُسمح فقط بإنهاء عمليات النقل الجارية. يجب أن تكون مدة نطاق الحماية مساوية لأقصى حجم إطار بيانات يُمكن نقله بأمان. بالنسبة لإطار بيانات إيثرنت وفقًا لمعيار IEEE 802.3 مع علامة VLAN واحدة من نوع IEEE 802.1Q، بما في ذلك تباعد الإطارات ، يكون الطول الإجمالي: 1500 بايت (حمولة الإطار) + 18 بايت (عناوين الإيثرنت، ونوع الإيثرنت ، ورمز التحقق من التكرار الدوري) + 4 بايت (علامة VLAN) + 12 بايت (تباعد الإطارات) + 8 بايت (الديباجة وSFD) = 1542 بايت.

يعتمد إجمالي الوقت اللازم لإرسال هذه الحزمة على سرعة اتصال شبكة الإيثرنت. مع الإيثرنت السريع ومعدل نقل بيانات يبلغ 100 ميجابت/ثانية ، تكون مدة الإرسال كما يلي:

${\displaystyle t_{\text{maxframe}}={\frac {1542{\text{ byte}}}{12.5\cdot 10^{6}{\text{ byte}}\cdot {\frac {1}{s}}}}=123.36\cdot 10^{-6}s}$

في هذه الحالة، يجب ألا يقل  طول نطاق الحماية عن 123.36 ميكروثانية. مع وجود نطاق الحماية، يقل عرض النطاق الترددي الإجمالي أو الوقت المتاح للاستخدام ضمن شريحة زمنية بمقدار طول نطاق الحماية. يظهر هذا بوضوح في الشكل 3.

ملاحظة: لتسهيل عرض الموضوع، فإن الحجم الفعلي لشريط الحماية في الشكل 3 ليس متناسبًا مع الحجم الحقيقي، ولكنه أصغر بكثير مما هو موضح في الإطار في الشكل 2.

في هذا المثال، تحتوي الشريحة الزمنية 1 دائمًا على بيانات ذات أولوية عالية (مثل بيانات التحكم في الحركة)، بينما تحتوي الشريحة الزمنية 2 دائمًا على بيانات ذات جهد محدود. لذلك، يجب وضع نطاق حماية عند كل نقطة انتقال إلى الشريحة الزمنية 1 لحماية الشريحة الزمنية لتدفق (تدفقات) البيانات الحساسة.

بينما تنجح نطاقات الحماية في حماية الفترات الزمنية ذات الأولوية العالية وحركة المرور الحرجة، إلا أنها تعاني أيضاً من بعض العيوب الهامة:

• الوقت الذي تستهلكه منطقة الحماية يُعتبر ضائعاً، إذ لا يمكن استخدامه لنقل أي بيانات، لأن منفذ الإيثرنت يجب أن يكون صامتاً. وبالتالي، فإن الوقت الضائع يُترجم مباشرةً إلى فقدان في عرض النطاق الترددي لحركة البيانات الخلفية على وصلة الإيثرنت تلك.
• لا يمكن أبدًا تهيئة شريحة زمنية واحدة أصغر من حجم نطاق الحماية. وخاصةً مع اتصالات إيثرنت منخفضة السرعة وزيادة حجم نطاق الحماية، يؤثر ذلك سلبًا على أقل طول ممكن للشريحة الزمنية وزمن الدورة.

للتخفيف جزئيًا من فقدان عرض النطاق الترددي عبر نطاق الحماية، يتضمن معيار IEEE 802.1Qbv آلية جدولة تراعي طول الإطار. تُستخدم هذه الآلية عند استخدام تبديل التخزين والتوجيه : بعد الاستلام الكامل لإطار إيثرنت المطلوب إرساله عبر منفذ مُفعّل عليه نطاق الحماية، يتحقق المجدول من الطول الإجمالي للإطار. إذا كان الإطار يتسع بالكامل داخل نطاق الحماية، دون أي تأثير على شريحة البيانات ذات الأولوية العالية التالية، يمكن للمجدول إرسال هذا الإطار، على الرغم من تفعيل نطاق الحماية، وبالتالي تقليل هدر عرض النطاق الترددي. مع ذلك، لا يمكن استخدام هذه الآلية عند تفعيل تبديل المرور المباشر ، نظرًا لضرورة معرفة الطول الإجمالي لإطار الإيثرنت مسبقًا. لذلك، عند استخدام تبديل المرور المباشر لتقليل زمن الاستجابة من البداية إلى النهاية، سيظل هدر عرض النطاق الترددي قائمًا. كما أن هذا لا يُحسّن من الحد الأدنى لزمن الدورة الممكن تحقيقه. لذلك، فإن الجدولة التي تراعي الطول تعتبر تحسينًا، لكنها لا تستطيع التخفيف من جميع العيوب التي تسببها نطاق الحماية.

للتخفيف من الآثار السلبية لنطاقات الحماية، حددت مجموعتا العمل 802.1 و 802.3 التابعتان لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE ) تقنية استباق الإطارات. وقد تعاونت المجموعتان في هذا المسعى لأن هذه التقنية تتطلب تغييرات في نظام التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) الخاص بشبكة الإيثرنت ، الخاضع لمعيار IEEE 802.3، بالإضافة إلى تغييرات في آليات الإدارة الخاضعة لمعيار IEEE 802.1. ولهذا السبب، وُصفت تقنية استباق الإطارات في وثيقتين معياريتين مختلفتين: IEEE 802.1Qbu ^{[ 8 ]} لمكون إدارة الجسر، وIEEE 802.3br ^{[ 9 ]} لمكون MAC الخاص بشبكة الإيثرنت.

يُحدد استباق الإطارات خدمتين للتحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) لمنفذ الخروج: خدمة MAC القابلة للاستباق (pMAC) وخدمة MAC السريعة (eMAC). يمكن للإطارات السريعة مقاطعة إرسال الإطارات القابلة للاستباق. عند استئناف الإرسال، تقوم طبقة دمج MAC الفرعية بإعادة تجميع أجزاء الإطارات في الجسر التالي.

يؤدي الاستباق إلى زيادة الحمل الحسابي في واجهة الربط، حيث يجب نقل السياق التشغيلي إلى الإطار السريع.

يوضح الشكل 4 مثالًا أساسيًا لكيفية عمل استباق الإطارات. أثناء عملية إرسال إطار إيثرنت بأفضل جهد، يقوم بروتوكول التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) بمقاطعة إرسال الإطار قبل بدء نطاق الحماية مباشرةً. يُستكمل الإطار الجزئي باستخدام رمز التحقق الدوري (CRC) ويُخزن في المحول التالي بانتظار وصول الجزء الثاني من الإطار. بعد مرور حركة المرور ذات الأولوية العالية في الشريحة الزمنية 1 وعودة الدورة إلى الشريحة الزمنية 2، يُستأنف إرسال الإطار المُقاطع. يعمل استباق الإطارات دائمًا على أساس كل رابط على حدة، ويقتصر التجزئة على الانتقال من محول إيثرنت إلى آخر، حيث يُعاد تجميع الإطار. على عكس التجزئة في بروتوكول الإنترنت (IP) ، لا يدعم هذا الأسلوب التجزئة من طرف إلى طرف.

تُستكمل كل إطار جزئي برمز CRC-32 لاكتشاف الأخطاء. وعلى عكس رمز CRC-32 الخاص بشبكة الإيثرنت العادية، تُعكس آخر 16 بتًا لتمييز الإطار الجزئي عن إطار الإيثرنت العادي. بالإضافة إلى ذلك، يتم تغيير فاصل بداية الإطار (SFD).

يجب تفعيل دعم استباق الإطارات على كل وصلة بين الأجهزة على حدة. وللإشارة إلى إمكانية استباق الإطارات على وصلة ما، يُعلن مُبدِّل الإيثرنت عن هذه الإمكانية عبر بروتوكول اكتشاف طبقة الربط (LLDP) . عندما يستقبل جهاز ما إعلان LLDP على منفذ الشبكة، وكان يدعم استباق الإطارات، فإنه يُمكنه تفعيل هذه الإمكانية. لا يوجد تفاوض أو تفعيل مباشر لهذه الإمكانية على الأجهزة المجاورة. أي جهاز يستقبل إعلان استباق LLDP يفترض وجود جهاز آخر على الطرف الآخر من الوصلة قادر على فهم التغييرات في تنسيق الإطار (تغيير CRC-32 وSFD).

تتيح خاصية استباق الإطارات تقليصًا كبيرًا في نطاق الحماية. يعتمد طول نطاق الحماية الآن على دقة آلية استباق الإطارات: أي ما هو أصغر حجم للإطار الذي لا تزال الآلية قادرة على استباقه. يحدد معيار IEEE 802.3br أفضل دقة لهذه الآلية عند 64 بايت ، نظرًا لأن هذا هو الحد الأدنى لحجم إطار إيثرنت صالح. في هذه الحالة، يمكن تقليص نطاق الحماية إلى 127 بايت: 64 بايت (الحد الأدنى لحجم الإطار) + 63 بايت (الطول المتبقي الذي لا يمكن استباقه). يمكن استباق جميع الإطارات الأكبر حجمًا مرة أخرى، وبالتالي، لا حاجة للحماية من هذا الحجم باستخدام نطاق حماية. 

يقلل هذا من فقدان عرض النطاق الترددي الأمثل، كما يسمح بأوقات دورة أقصر بكثير عند سرعات إيثرنت المنخفضة، مثل 100 ميجابت/ثانية وما دون. وبما أن عملية المقاطعة تتم في وحدة التحكم بالوصول إلى الوسائط (MAC) أثناء مرور الإطار، فإنه يمكن دعم التبديل المباشر أيضًا، حيث لا يلزم معرفة حجم الإطار الإجمالي مسبقًا. تقوم واجهة MAC ببساطة بالتحقق على فترات منتظمة مقدارها 64 بايت لمعرفة ما إذا كان الإطار بحاجة إلى مقاطعة أم لا.

يشكل الجمع بين مزامنة الوقت، وجدولة IEEE 802.1Qbv، واستباق الإطارات، مجموعة معايير فعّالة يمكن استخدامها لضمان تعايش فئات حركة البيانات المختلفة على الشبكة، مع توفير ضمانات زمن استجابة شاملة. وسيتعزز هذا الأمر أكثر مع اكتمال مواصفات IEEE 802.1 الجديدة، مثل 802.1Qch.

بشكل عام، يتميز نظام الجدولة المعتمد على الوقت بتعقيد تنفيذه العالي، كما أن استخدامه للنطاق الترددي غير فعال. ولتقليل زمن الاستجابة، يجب ربط جدولة المهام والأحداث في نقاط النهاية بجدولة البوابات الخاصة بنظام تشكيل حركة البيانات. ومن أبرز عيوبه حدوث تأخير عند بث نقاط النهاية لبيانات غير متزامنة، وذلك بسبب وقت الانتظار حتى بدء نافذة زمنية محددة.

يتطلب نظام الجدولة المعتمد على الوقت تزامنًا دقيقًا لنوافذه الزمنية، لذا يجب مزامنة جميع الجسور على مسار البث. مع ذلك، فإن مزامنة اختيار إطار جسر TSN ووقت الإرسال أمر معقد حتى في الشبكات متوسطة الحجم، ويتطلب حلاً مُدارًا بالكامل.

يُعدّ استباق الإطارات أمرًا صعب التنفيذ ولم يحظَ بدعم واسع النطاق من الصناعة.

تتطلب مُشكِّلات حركة البيانات القائمة على الرصيد، والمُراعية للوقت، والدورية (التموجية) تنسيقًا زمنيًا على مستوى الشبكة، وتستهلك عرض النطاق الترددي للشبكة بشكل غير فعال، لأنها تفرض إرسال الحزم في دورات دورية. أما مُشكِّل حركة البيانات غير المتزامن (ATS) وفقًا لمعيار IEEE 802.1Qcr، فيعمل بشكل غير متزامن استنادًا إلى الساعات المحلية في كل جسر، مما يُحسِّن استخدام الوصلة لأنواع حركة البيانات المختلطة، مثل حركة البيانات الدورية ذات الفترات العشوائية، وحركة البيانات المتقطعة (المدفوعة بالأحداث)، وحركة البيانات ذات معدل البيانات المحدود.

يستخدم نظام ATS مُجدوِلًا قائمًا على الأولوية (UBS)، يُعطي الأولوية لحركة البيانات العاجلة باستخدام نظام طوابير لكل فئة وإعادة تشكيل لكل تدفق. ويتحقق عدم التزامن من خلال التشكيل المتداخل مع توصيف حركة البيانات بناءً على محاكاة دلو الرموز، وهو نموذج لمحاكاة دلو الرموز ، وذلك للتخلص من تأثيرات التدفق المتتالي الناتجة عن التشكيل لكل فئة. يتحكم مُشكِّل TBE في حركة البيانات من خلال متوسط ​​معدل الإرسال، ولكنه يسمح بمستوى معين من التدفق المتتالي. عندما يتوفر عدد كافٍ من الرموز في الدلو، يبدأ الإرسال فورًا؛ وإلا، تُغلق بوابة الطابور للمدة اللازمة لتجميع عدد كافٍ من الرموز.

يُعد نظام UBS تحسينًا على أنظمة الخدمة ذات التحكم في المعدل (RCSDs) للتحكم في اختيار وإرسال كل إطار فردي في كل قفزة، وفصل عرض النطاق الترددي للتدفق عن التأخير المحدد بفصل التحكم في المعدل وجدولة الحزم، واستخدام الأولويات الثابتة وترتيب قوائم الانتظار حسب أسبقية الوصول وأسبقية التاريخ .

تعتمد آلية تنظيم الطوابير في نظام UBS على مستويين من التسلسل الهرمي: طوابير مُشكّلة لكل تدفق، ذات أولوية ثابتة تُحددها مصادر الإرسال وفقًا لأوقات إرسال الحزم المُحددة من قِبل التطبيق، مما يسمح بفترة إرسال اختيارية لكل تدفق؛ وطوابير مشتركة تدمج التدفقات ذات الأولوية الداخلية نفسها من عدة مُشكّلات. يتميز هذا الفصل بين الطوابير بانخفاض تعقيد التنفيذ مع ضمان تجاوز الإطارات ذات الأولوية الأعلى للإطارات ذات الأولوية الأقل.

تتميز قوائم الانتظار المشتركة بعزل عالٍ، حيث تُطبق سياسات خاصة بقوائم انتظار منفصلة للإطارات الواردة من مُرسِلين مختلفين، وللإطارات الواردة من نفس المُرسِل ولكن بأولويات مختلفة، وللإطارات الواردة من نفس المُرسِل وبنفس الأولوية ولكن بأولويات مختلفة عند المُستقبِل. يمنع عزل قوائم الانتظار انتشار البيانات الضارة، مما يضمن عدم تداخل التدفقات العادية، ويتيح إمكانية حظر التدفقات أو المُرسِلين بمرونة من خلال إجراءات إدارية. الحد الأدنى لعدد قوائم الانتظار المشتركة هو عدد المنافذ ناقص واحد، ويمكن زيادته مع تطبيق سياسات عزل إضافية. تتمتع قوائم الانتظار المشتركة بأولوية ثابتة داخلية في المُجدوِل، ويتم إرسال الإطارات وفقًا لمبدأ "الأسبقية لمن يصل أولاً".

إن عدم دقة مزامنة الساعة في أسوأ الحالات لا يقلل من استخدام الرابط، على عكس الأساليب التي يتم تشغيلها بالوقت مثل TAS (Qbv) و CQF (Qch).

يحدد معيار IEEE 802.1Qca للتحكم في المسار والحجز (PCR) امتدادات لبروتوكول المحطة الوسيطة إلى المحطة الوسيطة (IS-IS) لتكوين مسارات متعددة في الشبكات الموصولة.

يستخدم معيار IEEE 802.1Qca بروتوكول أقصر مسار (SPB) مع نمط هجين للشبكات المعرفة بالبرمجيات (SDN). يتولى بروتوكول IS-IS الوظائف الأساسية، بينما يدير متحكم SDN المسارات المحددة باستخدام عناصر حساب المسار (PCEs) في عقد خادم مخصصة. يدمج معيار IEEE 802.1Qca بروتوكولات تحكم لإدارة طوبولوجيات متعددة، وتكوين مسار توجيه محدد (مسار مُحدد مسبقًا لكل تدفق)، وحجز عرض النطاق الترددي، وتوفير حماية البيانات وتكرارها، وتوزيع رسائل مزامنة التدفق والتحكم فيه. هذه البروتوكولات مشتقة من بروتوكولات Equal Cost Tree (ECT) و Multiple Spanning Tree Instance (MSTI) وInternal Spanning Tree (IST) وExplicit Tree (ET).

تقوم تقنية IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER) بإرسال نسخ مكررة من كل إطار عبر مسارات منفصلة متعددة لتوفير تكرار سلس استباقي لتطبيقات التحكم التي لا يمكنها تحمل فقدان الحزم.

يمكن لتقنية نسخ الحزم استخدام معلومات فئة حركة البيانات ومسارها لتقليل ازدحام الشبكة. يحتوي كل إطار مُنسخ على رقم تعريف تسلسلي، يُستخدم لإعادة ترتيب الإطارات ودمجها، وللتخلص من الإطارات المكررة.

يتطلب بروتوكول FRER إدارة مركزية للتكوين، ويجب استخدامه مع معياري 802.1Qcc و802.1Qca. كما يدعم بروتوكولي HSR و PRP الخاصين بتحمل الأعطال الصناعية والمحددين في معيار IEC 62439-3.

تشغل بيانات حالة بروتوكول MRP لتدفق البيانات 1500 بايت. ومع زيادة تدفقات البيانات وتوسع الشبكات، يزداد حجم قاعدة البيانات بشكل متناسب، مما يؤدي إلى تباطؤ ملحوظ في تحديثات MRP بين الجيران على الجسر. تم تحسين بروتوكول تسجيل الارتباط المحلي (LRP) ليتناسب مع حجم قاعدة بيانات أكبر يبلغ حوالي 1  ميجابايت، مع نسخ متماثل فعال يسمح بالتحديثات التزايدية. يتم تجاهل العقد غير المستجيبة التي تحتوي على بيانات قديمة تلقائيًا. في حين أن MRP خاص بتطبيق معين، حيث يحدد كل تطبيق مسجل مجموعة عملياته الخاصة، فإن LRP محايد للتطبيقات.

تم تصميم SRP و MSRP بشكل أساسي لتطبيقات الصوت والفيديو - يقتصر نموذج التكوين الموزع الخاص بهما على فئات حجز التدفق (SR) A و B المحددة بواسطة مُشكِّل البيانات القائم على الائتمان (CBS)، في حين أن IEEE 802.1Qcc يتضمن نموذج تكوين CNC أكثر مركزية يدعم جميع ميزات TSN الجديدة مثل مُشكِّلات البيانات الإضافية، واستباق الإطارات، وتكرار المسار.

يُحدّث مشروع IEEE P802.1Qdd نموذج التكوين الموزّع من خلال تعريف بروتوكول جديد لإشارات تخصيص الموارد من نظير إلى نظير، مبنيّ على بروتوكول تسجيل الارتباط المحلي P802.1CS. سيُحسّن بروتوكول تخصيص الموارد قابلية التوسع، ويُوفّر حجزًا ديناميكيًا لعدد أكبر من التدفقات، مع دعم الإرسال المُكرّر عبر مسارات مُتعدّدة في معيار 802.1CB FRER، والتكوين التلقائي لاستعادة التسلسل.

يدعم بروتوكول RAP ميزة "حساب زمن الاستجابة لكل قفزة بغض النظر عن بنية الشبكة" في مُشكِّلات TSN مثل 802.1Qch Cyclic Queuing and Forwarding (CQF) وP802.1Qcr Asynchronous Traffic Shaping (ATS). كما يُحسِّن الأداء في ظل الأحمال العالية، ويدعم التوجيه عبر الخوادم الوكيلة والتشخيص المُحسَّن، مع الحفاظ على التوافق مع الإصدارات السابقة وقابلية التشغيل البيني مع بروتوكول MSRP.

IEEE P802.1ABdh Station and Media Access Control Connectivity Discovery - Support for Multiframe Protocol Data Units (LLDPv2) ^{[ 10 ] [ 11 ]} يقوم بتحديث LLDP لدعم بروتوكول توجيه متجه حالة الارتباط IETF ^{[ 12 ]} وتحسين كفاءة رسائل البروتوكول.

يقوم معيار IEEE 802.1Qcp بتنفيذ نموذج بيانات YANG لتوفير إطار عمل التوصيل والتشغيل العالمي (uPnP) للإبلاغ عن الحالة وتكوين المعدات مثل جسور التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC)، ومرحلات MAC ثنائية المنافذ (TPMRs)، وجسور شبكة المنطقة المحلية الافتراضية للعميل (VLAN)، وجسور الموفر، ودعم معايير 802.1X للأمان و802.1AX لربط مراكز البيانات.

YANG هي لغة نمذجة موحدة (UML) لبيانات التكوين والحالة والإشعارات واستدعاءات الإجراءات عن بعد، لإعداد تكوين الجهاز باستخدام بروتوكولات إدارة الشبكة مثل NETCONF/RESTCONF.

يركز فريق عمل الشبكات الحتمية التابع لـ IETF (DetNet) على تحديد مسارات البيانات الحتمية ذات الموثوقية العالية وحدود زمن الوصول والفقد وتغير تأخير الحزم (الارتعاش)، مثل بث الصوت والفيديو والأتمتة الصناعية والتحكم في المركبات.

تهدف الشبكات الحتمية إلى نقل التطبيقات الصناعية وتطبيقات الصوت والفيديو التي تتطلب استجابة سريعة وموثوقية عالية من شبكات Fieldbus المتخصصة إلى شبكات حزم IP . ولتحقيق هذه الأهداف، تستخدم DetNet تخصيص الموارد لإدارة أحجام المخازن المؤقتة ومعدلات الإرسال بما يفي بمتطلبات زمن الاستجابة من البداية إلى النهاية. كما توفر حماية للخدمة ضد الأعطال من خلال التكرار عبر مسارات متعددة وتوجيهات صريحة لتقليل فقدان الحزم وإعادة ترتيبها. وتتعامل الشبكة المادية نفسها مع كل من حركة المرور المحجوزة الحساسة للوقت وحركة المرور العادية التي تُبذل فيها أفضل الجهود، ويتم تحرير النطاق الترددي المحجوز غير المستخدم لحركة المرور التي تُبذل فيها أفضل الجهود.

تعمل DetNet على مستوى الطبقة الثالثة من قطاعات التوجيه IP باستخدام طبقة الشبكات المعرفة بالبرمجيات لتوفير تكامل IntServ و DiffServ ، وتقدم الخدمات عبر قطاعات الطبقة الثانية الموصولة باستخدام تقنيات مثل MPLS و IEEE 802.1 AVB/TSN. ^{[ 13 ]}

تقوم بروتوكولات توجيه هندسة حركة المرور (TE) بترجمة مواصفات تدفق DetNet إلى عناصر تحكم AVB/TSN لخوارزميات الترتيب والتشكيل والجدولة، مثل مُشكِّل IEEE 802.1Qav القائم على الرصيد، ومُشكِّل IEEE 802.1Qbv المُفعَّل زمنيًا مع مُجدوِل زمني دوّار، والتخزين المؤقت المزدوج المتزامن IEEE 802.1Qch، واستباق حزم إيثرنت 802.1Qbu/802.3br، وتكرار الإطارات وإزالتها 802.1CB لضمان الموثوقية. كما 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 من خلال عنوان MAC الوجهة، ومعرّف VLAN، ومعلمات الأولوية مع معرّف التدفق ومتطلبات جودة الخدمة (QoS) للمرسلين والمستمعين في الشبكة الفرعية AVB/TSN. ^{[ 14 ]}