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解析时间敏感网络 TSN

文:郑宇铭 | 2018年第二期 (0) | (0)

    时间敏感网络(TSN:Time Sensitive Networking )指的是IEEE802.1工作组中的TSN任务组正在开发的一套协议标准。该标准定义了以太网数据传输的时间敏感机制,为标准以太网增加了确定性和可靠性,以确保以太网能够为关键数据的传输提供稳定一致的服务级别。

TSN标准之诞生

    众所周知,通用以太网是以非同步方式工作的,网络中任何设备都可以随时发送数据,因此在数据的传输时间上既不精准也不确定;同时,广播数据或视频等大规模数据的传输,也会因网络负载的增加而导致通讯的延迟甚至瘫痪。因此,通用以太网技术仅仅是解决了许多设备共享网络基础设施和数据连接的问题,但却并没有很好的实现设备之间实时、确定和可靠的数据传输。

    出于对设备控制性能的要求,工业制造领域比较早地意识到了这一点,于是从上世纪末开始,业内多家协议组织(如:PI、ODVA、ETG、ESPG)分别基于原有的现场总线技术开发出各自的实时工业以太网协议,并将其应用到工业制造现场。

    不过,我们真的很难将这些所谓的工业以太网协议称为“标准”。尽管它们普遍有着相似的用户需求和细分市场,但实际上相互之间的生态系统却有着极大的差异。它们中大多会通过一个组织运营,而在其身后则有着来自市场中某个主流玩家的引导和资助。用户和制造商在产品设计、制造、运行、诊断,维护和使用过程中的每个环节都需要面临不同的技术方案,例如:芯片、主板、连接器、线缆、软件等等,这无疑会带来技术实施的复杂性和成本的增加。

    另外,随着工业互联网进程的推进,工业制造系统正在变得越来越庞大,各类设备间的互联互通也开始变得越来越重要,这几乎将成为智能制造成功的关键。然而多种以太网协议的并存却恰恰成了这其中的一个巨大障碍。因为我们真的很难想象在制造业现场从信息、控制、传感和执行机构等各个层面会只使用来自某一家/或一个组织的产品系统和解决方案,而与此同时这些总线系统之间却基本谈不上有什么兼容性和互操作性。

    所以,在工业制造领域长期以来一直迫切需要有一种具备时间确定性的通用以太网技术。然而事实上,这样的需求,却不仅仅是来自于工业制造行业。比如在音频视频领域或汽车行业,多通道数据的同步传输也需要有一种可靠的、具备时间确定性的网络通讯技术,以帮助简化复杂系统中的线路敷设。

    2006年,IEEE802.1工作组成立AVB音频视频桥接任务组,并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。这一点立刻受到来自汽车和工业等领域人士的关注。2012年,AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围,并同时将任务组名称改为现在的:TSN任务组。

    所以,TSN其实指的是在IEEE802.1标准框架下,基于特定应用需求制定的一组“子标准”,旨在为以太网协议建立“通用”的时间敏感机制,以确保网络数据传输的时间确定性,如图1所示。而既然是隶属于IEEE802.1下的协议标准,TSN就仅仅是关于以太网通讯协议模型中的第二层,也就是数据链路层(更确切的说是MAC层)的协议标准。请注意,是一套协议标准,而不是一种协议,就是说TSN将会为以太网协议的MAC层提供一套通用的时间敏感机制,在确保以太网数据通讯的时间确定性的同时,为不同协议网络之间的互操作提供了可能性。

TSN标准之技术内容

    TSN标准中涉及到的技术内容非常多,在协议实施时并非每一种都要用到,如图2所示。而在这其中对于工业制造领域来说比较重要的部分主要包括几个方面:

    ●802.1ASrev时钟同步,确保连接在网络中各个设备节点的时钟同步,并达到微秒级的精度误差;

    ●802.1Qbv时间感知调度程序,为优先级较高的时间敏感型关键数据分配特定的时间槽,并且在规定的时间节点,网络中所有节点都必须优先确保重要数据帧的通过;

    ●802.1Qcc网络管理和配置,用于实现对网络参数的动态配置,以满足设备节点和数据需求的各种变化;

   ●...

    在TSN标准的制定过程中,IEEE负责在802架构体系中的网间互操作、安全性和整体网络管理等方面的标准制定和应用推荐,目前他们正在落实完成剩余的TSN子标准。除此以外,还有很多独立的第三方组织也参与到了TSN标准的测试、推广、产品认证等各项工作中,例如:AVNU和IIC。

    AVNU组织,为各种使用开放标准的应用方案中的时间精确性和低延迟特性部分提供认证服务,以确保其满足TSN网络元素的合规性和互操作性要求。目前他们已经完成了运营理念的论证,并已经在2017年开始了设备的认证工作。

    IIC工业互联网联盟整合了相关组织和技术资源,一方面为组织成员提供测试平台,另一方面则帮助推进TSN标准在各行业领域的应用。

    目前有很多来自各行业的产品和服务供应商都已经加入到了该组织中。2017下半年以来,尤其是在SPSIPCDrive期间,不少厂商开始就其产品在TSN技术上的进展发表声明,甚至直接演示或发布了一些有关TSN技术的产品和解决方案。例如:

    ●EtherCAT组织发表了关于TSN技术的白皮书;

    ●Beckhoff发布了其首款TSN桥接通讯模块EK1000;

    ●NI发布了多款集成TSN技术的控制器,如:CompactDAQ、CompactRIO...等;

    ●PI组织宣布将会在新的ProfiNet协议中使用TSN技术,并计划在2019年中发布该协议或相关产品;

    ●SERCOS在SPSIPCDrive上展示了由TSN交换机桥接组成的Rexroth运动控制系统;

    ●SIEMENS已经确定会在今年的汉诺威展上演示基于TSN的OPCUAPub/Sub技术在控制层(如机器人)上的应用;

    ●包括ADI、瑞萨、TI等在内的芯片厂商,和包括华为、CISCO、BELDEN等在内的网络设备提供商,都在不同场合演示说明了目前TSN的发展状况以及各自在该技术上的能力;

    ●...

    目测2018年还会有更多有关TSN技术和产品的更新。

    值得一提的是,除了上述这些TSN技术相关组织外,一些制造业的自动化产品厂商(如:B&R)还在去年成立了一个叫做OPCUATSNShaper的会议组织,旨在共同推广基于TSN的OPCUA协议标准。

    这并不难理解,因为如前所述,TSN仅仅是为以太网提供了一套MAC层的协议标准,它解决的是网络通讯中数据传输及获取的可靠性和确定性的问题;而如果要真正实现网络间的互操作,还需要有一套通用的数据解析机制,这就是OPCUA,如图3所示。

    综上所述,TSN技术为所有工业以太网在协议第二层(MAC层)提供了相互联通/融合的机会,它有能力在协议第2层提供网络间的互操作性,从而帮助实现真正意义上的网络融合;TSN可以应用于现有的工业以太网协议,如:PROFINET、EtherNet/IP,SERCOS、POWERLINK等,以帮助其获得:更广泛、优质的硬件支持;协议第2层互通融合的实时通讯模型;网络带宽的提升,实现千兆(甚至更高带宽)以太网等。

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